计组学习笔记(9)：总线系统

总线概念和总线结构

1. 总线概念

• 总线的定义：在功能部件和功能部件之间或设备和设备之间的一组进行互联和传输的信号线。
• 特点：分时 and 共享；
• 优点：
  • 解决外部设备”杂“的问题；
  • 降低成本；
  • 简化设计；
• 缺点：
  • 容易成为信息通道的瓶颈；
  • 总线速度受总线性能和连接的设备限制；
• 总线分类：
  • 内部总线：CPU 内部；
  • 系统总线：CPU 和计算机其他部件连接；
  • 设备总线：计算机与慢速 I/O 设备连接；
• 总线的性能指标：
  • 总线宽度：指的是数据总线的宽度；
  • 总线带宽/传输率：每秒传输的字节数；
  • 总线定时协定；
  • 信号线数：地址总线、数据总线和控制总线的总和；
  • 总线负载能力；

2. 总线结构

2.1 单总线结构

• 所有部件均由系统总线连接。
• 优点：各部件之间可直接进行通信，系统易于扩充。
• 缺点：总线负载重，如果系统中存在慢速设备，则会产生较大的时间延迟，降低系统的工作效率。

2.2 双总线结构

• 系统内的所有部件均由系统总线连接，在 CPU 和主存之间再设置一组高速的存储总线，即处理器 - 主存总线；
• 优点：简单，易于扩充；减轻了系统总线的工作负担，使 CPU 工作效率有所提高。

• 缺点：增加了硬件成本。

2.3 三总线结构

• 系统总线负责连接 CPU 、主存、IO 通道，存储总线负责连接 CPU 与主存，IO 总线负责连接各个 IO 适配器。
• 优点：
  • 设置了通道，对外设进行统一的管理，分担了 CPU 的负担。
  • 提高了 CPU 的工作效率，同时也最大限度提高了外设的工作速度。

• 缺点：硬件的成本进一步增加。

总线仲裁

1. 总线的角色

2. 仲裁方式

• 集中仲裁：
  • 链式查询；
  • 计数器定时查询；
  • 独立请求方式
• 分布仲裁；

2.1 链式查询

2.2 计数器定时查询方式

2.3 独立请求方式

2.4 分布仲裁

每个设备均有 1 个仲裁器。每个潜在的主模块都有独立的仲裁器和唯一的仲裁号，通过仲裁总线上仲裁号大小的比较，决定可占用总线的部件。

PCI 总线

1. 特点

PCI 总线（Peripheral Component Interconnect，总线式部件互联标准）**，特点包括：

特性	说明
设备独立性	独立于处理器，不依赖处理器架构（x86、MIPS、PowerPC 都可使用）；
总线时钟频率	33.3MHz（V2.0）/ 66.6MHz（V2.1）
总线宽度	数据线为 32 位（可扩展至 64 位），数据并行传输
数据传输速率	133MB/s(266MB/s)
支持突发传输	连续传送多个数据，提升效率
支持同步操作	支持同步操作
总线主从机制	除了 CPU，其他设备也可成为“总线主控方”（支持总线主控转移）
即插即用（PnP）	能自动识别外设，自动分配地址和中断资源，简化硬件配置
预留扩展空间	预留扩展空间
总线仲裁方式	集中式仲裁方式
引脚数	采用多路复用方式（地址线和数据线）减少了引脚数
兼容性	全面支持 PCI 总线主设备
电压	5V 或 3.3V（有键槽区分）

2. PCI vs. PCI Express

对比项	PCI	PCI Express (PCIe)
通信方式	并行通信（Parallel）	串行通信（Serial）、点对点
时钟方式	同步时钟	嵌入式时钟、异步传输
传输速率	32bit@33MHz ≈ 133MB/s	PCIe 3.0 ×16 ≈ 16GB/s（双向）
带宽共享	总线共享，多设备竞争	每设备独享点对点链路
仲裁机制	显式集中仲裁（REQ#/GNT#）	无需仲裁，点对点
热插拔	不支持	支持（如 PCIe 热插拔 NVMe SSD）

PCIe 使用差分传输，实现了全双工端到端连接。