目录1 总线概述1.1 总线的定义1.2 总线的特性1.3 总线的分类1.3.1 按数据传输格式 串行和并行1.3.2 按总线功能 片内、系统和通信总线1.3.3 按时许控制方式 同步和异步总线1.4 系统总线的结构1.5 总线的性能指标1.5.1 总线的传输周期总线周期1.5.2 总线时钟周期1.5.3 总线的工作频率1.5.4 总线的时钟频率1.5.5 总线宽度1.5.6 总线带宽1.5.7 总线复用1.5.8 信号线数2 总线仲裁2.1 总线仲裁的基本概念2.2 集中仲裁方式2.3 分布仲裁方式3 总线操作和定时3.1 总线周期的四个阶段3.1.1 申请分配阶段3.1.2 寻址阶段3.2.3 传输阶段3.2.4 结束阶段3.2 总线定时3.2.1 同步定时方式同步通信例读命令3.2.2 异步定时方式异步通信不互锁方式半互锁方式全互锁方式3.2.3 半同步通信3.2.4 分离式通信4 总线标准4.1 ISA和EISA4.2 PCI4.3 AGP4.4 PCI-E4.5 VESA4.6 USB4.7 RS-232C4.8 IDE4.9 SATA4.10 SCSI4.11 PCMCIA本文主要讲解总线的概念及其相关内容如总线仲裁总线操作和定时总线相关的标准1 总线概述1.1 总线的定义总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传输线路。为什么要用总线早期计算机外部设备此处的外设指的是USB接口硬盘之类的东西详细参考计算机层次结构-CSDN博客中的第三张图片少的时候大部分采取分散连接方式不易实现随时增减外部设备的功能。随着计算机外部设备增多这种直接相连的方式变得不可取原因线太多了麻烦和部件工作效率低于是计算机的结构从分散连接变为总线连接总线的分时和共享代表什么共享是指总线上可以挂接多个部件各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组线路分时共享即总线上的部件可以相互通信和传输数据分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息如果系统中有多个部件则它们只能分时地向总线发送信息即总线忙的概念当两个部件相互通信时别的部件不能使用总线1.2 总线的特性1.机械特性尺寸、形状、管脚数、排列顺序等肉眼可见的特性2.电气特性传输方向和有效的电平范围3.功能特性每根传输线的功能地址、数据、控制。由此可以分为地址线数据线控制线等等4.时间特性信号的时许关系1.3 总线的分类总线可以由多方面来分类如数据传输功能和时许控制等1.3.1 按数据传输格式 串行和并行串行总线串行总线的特点就是数据是一位一位进行传输的如传输1011会按顺序传输1101或者1011接收方也是一位一位接受的1101或者1011并行总线并行总线的数据是一次性传输的通过不同的导线一次性传输如1011被放到四条导线上进行传输接收方也进行一次性接收1011串行的优点非常明显只需要一条传输线成本低被广泛用于长距离传输。当在计算机内部布线的时候节省布线空间。但在数据发送和接受的时候要进行拆卸和装配并行总线的逻辑时许简单电路实现比串行容易。但相对的信号线数量多占用布线空间多在远距离数据传输的时候成本较高并且高频工作时并行信号线之间干扰较严重1.3.2 按总线功能 片内、系统和通信总线片内总线片内总线是芯片内部的总线。指的是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线系统总线系统总线是计算机系统内各部件CPU、主存、I/O接口之间相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同又可分为三类数据总线、地址总线和控制总线。有关总线的内容在此处也有提及【计组】中央处理器CPU-CSDN博客数据总线传输各功能部件之间的数据信息包括指令和操作数。其中传输的位数与机器字长、存储字长有关。其传输方向为是双向的地址总线传输地址信息包括主存单元或I/O端口的地址。位数根数与主存地址空间大小及设备数量有关。其传输方向为单向。控制总线传输控制信息。一根控制线传输一个信号。传输算是双向的。出信号CPU送出的控制命令。入信号主存或外设返回CPU的反馈信号通信总线通信总线是用于计算机系统间或计算机系统与其他系统如远程通信设备、测试设备像两台电脑之间通信之间信息传送的总线通信总线也称外部总线1.3.3 按时许控制方式 同步和异步总线此处在总线的操作和定时部分介绍此处在总线的操作和定时部分介绍此处在总线的操作和定时部分介绍1.4 系统总线的结构系统总线分为单总线双总线和三总线以及四总线单总线结构单总线不是指只有一根信号线系统总线按传送信息的不同可以细分为地址总线、数据总线和控制总线结构CPU、主存、I/O设备通过I/O接口都连接在一组总线上允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息优点结构简单成本低易于接入新的设备缺点带宽低、负载重多个部件只能争用唯一的总线且不支持并发传送操作双总线结构双总线提供两组总线一组是主存总线一组是I/O总线。两组总线之间通过通道来连接。通道是具有特殊功能的处理器能对I/O设备进行统一管理。通道程序放在主存中。结构双总线结构有两条总线一条是主存总线用于CPU、主存和通信之间进行数据传送另一条是I/O总线用于多个外部设备之间与通道之间进行数据传送。主存总线支持突发猝发传送送出一个地址收到多个地址连续的数据即给出首地址。收到首地址指向的一连串数据优点将较低速的I/O设备从单总线上分离出来实现存储器总线和I/O总线分离缺点需要增加通道等硬件设备三总线结构三总线指的是主存总线I/O总线和DMA总线结构三总线结构是在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路这三条总线分别为主存总线、I/O总线和直接内存访问DMA总线。DMADirect Memory Access直接内存访问。一般来说只有高速外设才会与DMA总线相连。低速外设一般直接与I/O总线相连即可优点提高了I/O设备的性能使其更快地响应命令提高系统吞吐量缺点系统工作效率较低四总线结构四总线分为CPU总线系统总线高速总线和扩充总线。主要的几个点1.桥接器桥用于连接不同的总线具有数据缓冲、转换和控制功能2.四总线的最主要思想是靠近CPU的总线速度较快3.每级总线的设计遵循总线标准后面有讲确保不同设备插入即用1.5 总线的性能指标总线性能指标与传输周期时钟周期工作频率时钟频率宽度带宽复用和信号线数量等有关系1.5.1 总线的传输周期总线周期一次总线操作所需的时间包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段通常由若干个总线时钟周期构成。可以将此周期理解为类似指令周期类似的东西1.5.2 总线时钟周期即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟控制计算机的各个部件总线也受此时钟的控制。如上图中一个即为一个时钟周期1.5.3 总线的工作频率频率是周期的倒数所以总线工作频率就是总线传输周期的倒数。若总线周期N个时钟周期则总线的工作频率时钟频率/N。实际上是指一秒内传送几次数据1.5.4 总线的时钟频率频率是周期的倒数所以总线的时钟频率为时钟周期的倒数即为机器的时钟频率即。所以总线的时钟频率指的是一秒内有多少个时钟周期。1.5.5 总线宽度总线宽度又称为总线位宽它是总线上同时能够传送的数据位数通常是指数据总线的根数如32根线称为32位bit总线1.5.6 总线带宽总线的数据传输率通常是最高传输速率即单位时间内总线上可传输数据的位数通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量单位可用字节/秒B/s表示。带宽好理解的大家经常听见上行带宽下行带宽也是数据传输速率的例子总线带宽 总线工作频率 * 总线宽度 bit / s 总线工作频率 * 总线宽度 / 8 B/s总线带宽 总线工作频率 * 总线宽度 bit / s 总线工作频率 * 总线宽度 / 8 B/s总线带宽 总线工作频率 * 总线宽度 bit / s 总线工作频率 * 总线宽度 / 8 B/s总线工作频率也可以换成总线的周期因为两者可以互相转换但是考虑到总线带宽指的是总线的最高传输速率有时候不一定和实际传输速率相符。所以在计算实际的有效数据传输率时要用实际传输的数据量除以耗时。1.5.7 总线复用总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息从而节省了空间和成本。比如8086芯片等芯片就会进行复用1.5.8 信号线数地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和称为信号线数2 总线仲裁2.1 总线仲裁的基本概念总线在同一时刻只能有一个设备传输操作但可以有一个或者多个设备从总线接受数据由此我们可以将总线上的设备分为主设备和从设备主设备获得总线控制权的设备有没有控制总线的功能从设备被主设备访问的设备只能响应从主设备发来的各种总线命令总线作为共享设备容易出现同一时刻多个主设备竞争总线控制权的问题这时候就需要进行总线仲裁总线仲裁的定义多个主设备同时竞争主线控制权时以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权称为总线仲裁其实这个定义看名字就可以理解但是总线仲裁的方式是很多的可以分为集中仲裁方式和分布仲裁方式其中集中仲裁还可以进行细分总线仲裁的工作流程我们以集中仲裁为例工作流程如下1.从主设备发出请求信号2.若多个主设备同时要使用总线则由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线3.获得总线使用权的主设备开始传送数据2.2 集中仲裁方式接下来我们就集中仲裁方式的几个细分方式来讲解集中仲裁方式-链式查询方式除了正常的地址线和数据线以外链式查询方式还添加了三条仲裁线分别为BGBRBS三条线。BG总线允许会根据总线控制部件的命令来确定哪个设备可以来占用设备BR当某个部件想要占用总线的设备时会向BR线发送信号表面自己将占用总线BS总线忙当其他设备占用总线的时候正在占用的设备会向BS线发送信号告诉其余部件总线现在被占用。同时由于BG线将所有设备串联于是一般来说当有多个设备同时请求总线时会优先考虑离总线控制部件近的设备。同时链式的连接方式也确保了查询的优先级固定优点只需要少数几根控制线就能按一定优先次序实现总线控制结构简单扩充容易缺点对硬件电路的故障非常敏感并且优先级定死当优先级高的部件频繁请求时优先级低的部件长期无法使用总线集中仲裁方式-计数器查询方式结构特点用一个计数器控制总线使用权相对链式查询方式多一组设备地址线少了一根总线响应线BG共用一根总线请求线它仲裁的方式是在总线控制部件中加入一个计数器当总线控制器收到总线请求信号判断总线空闲时计数器开始计数计数值通过设备地址线发向各个部件。计数器从0开始到n计数当计数值为x时如果I/O接口x向总线发送了总线请求总线控制权就给它。总线忙和总线请求的工作原理看上面的卡片。优点计数初始值可以改变即部件占用总线的优先级可以改变。对电路的故障没有链式敏感设备地址线一般是一组线缺点控制线变多了。控制相对比链式查询相对复杂集中仲裁方式-独立请求方式结构特点每一个设备都有一对总线请求线和总线允许线。它仲裁的方式是在总线控制部件中加入排队器当设备x和y通过总线请求线发送总线控制信号时它们的请求信号会在总线控制器中排队排队器进行判断按某个算法后决定批准其中一个部件的请求比如是xBG和BR线的内容看上面卡片优点相应速度快总线允许信号BG直接从控制器传到相关设备不必在设备间传递或查询。对优先级的控制相当灵活由排队器判断缺点控制线数量多。总线的控制逻辑更加复杂2.3 分布仲裁方式不需要中央仲裁器每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号多个仲裁器竞争使用总线。当设备有总线请求时他们吧各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较如果仲裁总线上的号优先级高不响应撤销它的仲裁号最后获胜者的仲裁号留在仲裁总线上3 总线操作和定时总线操作和定时解决的是如何控制总线进行工作的问题3.1 总线周期的四个阶段3.1.1 申请分配阶段由需要使用总线的主模块或主设备提出申请经总线仲裁机构决定将下一传送周期的总线使用权授予某一申请者。也可以将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段3.1.2 寻址阶段获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址和相关命令启动参与传输的从模块3.2.3 传输阶段主模块和从模块进行数据交换可单向或双向进行数据传送3.2.4 结束阶段主模块的有关信息均从系统总线上撤除让出总线使用权3.2 总线定时总线定时是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制这种控制称为总线定时它的实质是一种协议或规则。具体可以分为四种同步通信同步定时方式异步通信异步定时方式半同步通信分离式通信。3.2.1 同步定时方式同步通信同步通信指的是系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收方的传送定时关系时钟产生相等的时间间隔每个间隔构成一个总线周期在一个总线周期中发送方和接受方可进行一次数据传送因为采用统一的时钟每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中一个总线的传送周期结束下一个总线传送周期开始优点传送速度快效率高。总线控制逻辑简单。缺点主从设备属于强制性同步不能及时进行数据通信的有效性检验可靠性较差同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统小Tips上升沿数字电平从0变为1的一瞬间即下图时钟电平从低电平到高电平的瞬间下降沿数字电平从1变为0的一瞬间即下图时钟电平从高电平到低电平的瞬间例读命令四个时钟周期的工作如下1CPU在时刻的上升沿给出地址信息2在的上升沿给出读命令低电平有效与地址信息相符合的输入设备按命令进行一系列的内部操作且必须在的上升沿来之前将CPU所需的数据送到数据总线上3CPU在时钟周期内将数据线上的信息传送到其内部寄存器中4CPU在的上升沿撤销读命令输入设备不再向数据总线上传送数据撤销它对数据总线的驱动3.2.2 异步定时方式异步通信异步通信没有统一时钟也没有固定间隔依靠传送双方的“握手”信号实现控制主设备提出交换信息的“请求”信号经接口传送到从设备从设备接到主设备的请求后通过接口发出“回答”信号根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁分为以下三类1不互锁方式2半互锁方式3全互锁方式优点总线周期长度可变可以保证两个工作速度相差大的部件或设备之间可靠地进行信息交换自动适应时间的配合缺点控制方式比同步复杂一点速度比同步慢一点。不互锁方式主设备发出“请求”信号后不必等到接到从设备“回答”信号而是经过一段时间撤销“请求”信号从设备接到“请求”信号后发出“回答”信号经过一段时间撤销“回答”信号双方不存在互锁关系。半互锁方式主设备发出“请求”信号后等接到从设备的“回答”信号后撤销“请求”信号存在互锁关系从设备接到“请求”信号后发出“回答”信号隔一段时间自动撤销“回答”信号不存在互锁关系全互锁方式主设备发出“请求”信号后等从设备“回答”后撤销“请求“信号从设备接受到“请求”信号后发出“回答”信号等主设备“请求”信号撤回后撤回“回答”信号双方存在互锁。一道例题只需要重点关注”有效数据传输率“即可有效数据指的就是纯数据即7位的数据位但是传输率不应该是一个百分比吗 个人算出来是70%3.2.3 半同步通信同步通信的发送方用系统时钟前沿发信号接收方用系统后沿判断、识别。这样不容易协调工作速度不同的部件异步通信允许不同速度的模块和谐工作但频繁通信会非常麻烦半同步通信将两者的特点结合在统一时钟的基础上增加一个”等待“信号。3.2.4 分离式通信上面三种通信的共同点在一个总线传输周期内主模块发地址、命令从模块准备数据从模块向主模块发数据。于是我们发现只有在主模块发地址、命令从模块向主模块发数据的时候总线是忙的从模块准备数据的时间总线是空闲的。分离式通信的核心思想就是将这段总线空闲的时间也利用起来。分离式通信的一个总线传输周期子周期1主模块申请占用总线使用完后放弃总线的使用权子周期2从模块申请占用总线将各种信息送至总线上特点1.各模块均有权申请占用总线消除了主模块和从模块的界限。2.本质是采用同步方式通信不等待对方回答。3.各模块准备数据时不占用总线将总线腾给别的设备使用。4.总线利用率提高4 总线标准为了使系统模块化变得容易制定一个统一的标准就非常重要这也是总线标准提出的原因总线标准的基本概念总线标准是国际上公布或推荐的互联各个模块的标准它是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。按总线标准设计的接口可视为通用接口在接口的两端任何一方只需要根据总线标准的要求完成自身方面的功能要求而无需了解对方接口的要求总线标准的类型也相当多以下为三种常见的系统总线标准ISA、EISA、VESA、PCI、PCI-Express等设备总线标准IDE、AGP、RS-232C、USB、SATA、SCSI、PCMCIA等局部总线标准在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层如PCI、PCI-E、VESA、AGP等可节省系统的总带宽两个补充概念即插即用Plug-and-Play设备插上去就可以直接使用热插拔hot-plugging / Hot Swap带点插拔设备只需要重点了解下面框红的总线协议即可剩下的不重要SATA最好也了解一下目前仍用于连接机械硬盘4.1 ISA和EISAISA也被叫做PC/AT总线全称为工业标准架构ISAISA的最大传输速率和数据总线宽度有关8位的总线宽度最大速度为8MB/s16位的为16MB/s。ISA的缺点非常明显它的数据传输需要CPU或DMA接口来管理并且不支持总线仲裁。若要提高总线带宽就需要提高工作频率或者位宽EISA扩展ISA就是提高位宽后的产物。EISA不但与8/16位的ISA总线完全兼容带宽还提高到32MB/s。同时EISA还解决了ISA的问题从CPU中分离出了总线控制权支持多个总线主控器和突发传送即支持总线仲裁数据传输控制权独立但ISA和EISA尚未称为标准便被PCI取代了但ISA和EISA尚未称为标准便被PCI取代了但ISA和EISA尚未称为标准便被PCI取代了4.2 PCIPCI外围组件互联 / 周边组件互联是一种局部总线标准。由于ISA和EISA总线速度缓慢于是92年Intel提出了PCI总线。PCI拥有许多优点包括但不限于1.高性能不依附于某个具体处理器支持突发传送2.兼容性良好3.即插即用4.支持多主设备5.可扩充性好可采用多层结构提高驱动能力6.采用多路复用技术减少总线引脚个数7.数据和地址奇偶校验能力8.与处理器和存储子系统完全并行操作4.3 AGP和ISA一样因为PCI速度缓慢于是Intel在97年提出了专门给显卡用的局部总线AGP加速图形接口。4.4 PCI-E由于PCI和AGP本质上是两种不同的总线协议交换使用非常麻烦于是提出了替代PCI总线AGP的第三代I/O技术——PCI-EPCI-Express。PCI-E总线是点对点串行的设备连接方式而我们上面提到的所有总线协议都是并行的。点对点串行意味着PCI-E设备都拥有自己独立的数据连接各个设备之间数据互不影响、4.5 VESAVESA叫做视频局部总线VESA local bus简称VL-BUS由CPU总线演化而来是针对多媒体PC要求高速传送活动图像的大量数据应运而生的。4.6 USBUSB属于设备总线是设备和设备控制器之间的接口。USB所有版本都向下兼容如USB3.0兼容USB2.0。并且可以连接几乎所有的外设。其存在以下特点1.热插拔、即插即用2.连接能力强扩充性强3.标准统一4.高速传输5.连接电缆轻巧可为低压5V外设供电可以充电4.7 RS-232CRS-232C是应用于串行二进制交换的数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的标准接口蓝色的接口和老式的显示器接口非常相似那个是VGA4.8 IDEIDE电子集成驱动器本意是把“硬盘控制器”和“盘体”集成在一起的硬盘启动器。用于IDE硬盘的接口最初被称为IDE接口后来扩展为CD-ROM、磁带机、可移动硬盘、LS-120磁盘等设备的接口。硬盘和光驱通过IDE接口与主板连接即IDE用来连接硬盘和光驱现在不常用。4.9 SATASATA现在也还在用但是可能以后被固态接口取代也说不定。SATA串行高级技术附件是IDE的升级版一般用于连接硬盘机械硬盘4.10 SCSISCSI小型计算机系统接口是一种用于计算机和智能设备之间硬盘、光驱打印机等的通用接口标准现在也比较少见4.11 PCMCIAPCMCIA总线分为16位的PCMCIA和32位的CardBus。用于笔记本上现在也少见最后附上奔腾3的图片这处理器年纪比我还大而且现在主板上面已经没有南桥和北桥的概念了补充视频线标准VGAVideo Graphics ArrayD-Bus接口用于传输模拟信号DVI传输数字信号1k以下和VGA差别不大HDMI源于DVI对于不同类型设备有不同接口CRT显示器模拟信号数字信号-模拟信号-VGA-CRTLCD液晶显示器数字信号模拟信号-VGA-数字信号-LCD当模拟信号在超过1k分辨率的时候转换损耗明显现在显示器用DP口居多本人的显示器也是DP口的DPDisplay Prot支持同时传输图像和声音当然如果你的显示器没有音响当我没说详细的视频线可以看这个。个人感觉这个讲的不错一文搞懂显示器接口的 VGA、HDMI、DVI 和 DisplayPort 、雷霹、Type-C接口有什么区别 - 知乎okok总线完结撒花各位拜拜