总线

简介

• 概念: 多个功能部件进行数据传输的公共通路
• 分散连接: 计算机各个部件之间使用单独布线实现互联，当规模扩增时，布线数量、复杂度显著增长; 添加新硬件时可能需要重新布线，扩展性差
• 总线连接: 将多个硬件连接到同一组线路中，以此线路传输数据，达到降低成本和复杂度的目的，同时易扩展; 相比分散连接，布线的数量和复杂度显著减小

特性

• 机械特性: 尺寸、形状、管脚数、布局以及排列顺序
• 电气特性: 每根传输线的传输方向以及有效电平范围
• 功能特性: 每根传输线的功能(数据、地址、控制)
• 时间特性(逻辑特性): 传输的信号在时序上的有效性

功能

• 数据、地址、控制信号传输: 最基本的功能
• 通过校验，检测传输数据是否出错
• 提供共享的数据通道，支持多设备连接通信
• 通过仲裁功能实现多个设备的有序通信，避免数据冲突

分类

连接对象/位置

• 片内/内部总线: 连接 CPU 内部部件(寄存器、ALU、控制器等)
• 系统总线: 连接 CPU, 主存, I/O 设备等核心部件
  • 数据总线: 传输各部件之间的数据信息; 双向传输
  • 地址总线: 用于指定将要访问的内存单元或 I/O 端口的地址; 单向传输(CPU(主设备)发出)
  • 控制总线: 传输控制信号，协调操作(例如是中断请求中的一个环节); 单条线路传输方向是固定的，有些由 CPU 发出(内存读/写)，有些是发给 CPU 的(中断请求等)，整体双向传输
• 通信总线(I/O 总线): 用于计算机系统之间或计算机与外部设备的连接

传送方式/格式

• 并行总线
  • 描述: 一次传输数据多个位
  • 特点
    • 逻辑简单直观
    • 并行数据传输的数据延迟不全相等
    • 数据线之间易产生 串扰 (邻近信号线间耦合，产生的电磁信号影响到信号线的正常传输)
  • 例: ISA, PCI 等
• 串行总线
  • 描述: 按顺序依次传输一位数据
    • 引脚少
    • 需要复杂的串行化/解串行化电路
    • 在高频率下传输的数据相比并行总线稳定，使其在部分应用场景下更加适用
      • 采用差分信号传输，抗干扰强
      • 时钟信息集成到数据流中，不需要传时钟同步数据流，降低功耗
  • 例: PCIe, SATA, USB 等

时序控制

• 同步总线: 通过统一的时钟控制所有操作
• 异步总线: 通过请求、应答的协议实现数据传输

性能指标

• 总线宽度(总线位宽): 一次总线操作中，最多可传送的数据总数(8位, 16位, 32位…)(传输线根数)(单位: bit)
• 信号线数: 数据总线、地址总线、控制总线的数量总和
• 总线带宽: 单位时间内 能够传输的数据总数(总线位宽 * 频率)(数据传输率)(单位: MB/s, GB/s)
• 传输周期: 一次总线操作需要的时间(申请阶段 -> 寻址阶段(寻找目标设备) -> 传输阶段 -> 结束阶段(撤销相关信息))
• 总线复用: 在不同时段，一种信号线传输不同类型的信息

结构

单总线结构

CPU, 主存, I/O 设备(接口)等部件连在一组总线上

• 优点: 结构简单，成本低，易接入新设备
• 缺点: 带宽低(大量时间花费在仲裁等待上，而不是传输数据)，负载重，造成性能瓶颈; 不支持并发传送操作
• 例:
  • 基于 ISA 总线的计算机

多总线结构

依据总线的功能、传输速度差异进行分离(划分成不同层级)，依靠桥接器(连接不同总线，具有数据缓冲、转换、控制功能)连接起来

• 优点: 减少高速部件对低速部件的等待
• 缺点: 需要添加额外的硬件设备; 结构与单总线结构相比较为复杂，桥接器需要处理不同总线之间的数据、协议转换等，需要协调; 引入桥接延迟，桥接器本身可能成为新瓶颈等等
• 例:
  • 北桥-南桥架构
  • 将系统总线和I/O总线分离开，形成双总线结构; 在此基础上添加 DMA 总线，形成三总线结构，满足高速外设与主存的信息交换

点对点连接

每个通信设备与其通信的对象之间有专用链路，不共享总线带宽

• 优点: 独享带宽; 减少通信延迟(无需总线仲裁); 扩展性好; 采用高速串行差分信号，抗干扰能力强
• 缺点: 协议复杂; 支撑功能的相关硬件较为复杂，成本高
• 例:
  • PCIe(从拓扑结构上看，PCIe 为树形拓扑结构)
    

总线仲裁

总线是共享资源，多个设备请求总线时，需要确定使用顺序

集中式仲裁

• 存在一个中央仲裁器，负责分配总线的控制权
• 仲裁器对总线请求信号(BR)进行裁决，裁决后送出授权信号(BG)，总线状态(BS)

链式查询

• 所有设备共享总线请求线和总线授权线，授权信号依次传入设备中，设备优先级取决于设备与中央仲裁器的远近
• 所需传输线少，便于更改和扩充(1BR, 1BG, 1BS)
• 优先级固定，优先级较低的设备可能长期得不到总线使用
• 对询问链电路故障敏感

计数器定时查询

• 仲裁器收到BR后，计数器开始计数，并通过设备地址线广播计数值，计数值与地址匹配时，设备获得总线使用权(BS 置1)
• 控制线数量($\log_{2}n$ BR, 1BG, 1BS)
• 优先级由计数器初值决定，可为固定值(固定优先级)，或从中止点开始计数(循环优先级)

独立请求

• 每个设备有独立的 BR 和 BG 线与仲裁器相连
• 响应速度快，优先级次序控制灵活
• 控制线数量最多(nBR, nBG, 1BS)

分布式仲裁

• 没有中央仲裁器，每个设备有独立的仲裁逻辑和仲裁号
• 发送总线请求时，把各自的仲裁号进行比较确定优先级
• 可靠性高，无单点故障，控制逻辑复杂

函数模型