6.1 总线的概念和结构形态

6.1.1总线的基本概念

数字计算机是由若干个系统功能部件构成的，这些系统功能部件在一起工作才能形成一个完整的计算机系统。一种连接方式是将需要通信的部件两两相连。但是现代计算机的CPU可能有很多，I/O设备也各种各样，如果采用两两相连的方式，线路将会非常复杂，这是不现实的，故推出的总线的概念。

1. 定义

总线定义： 连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质，英文名为BUS，十分形象。

总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。在总线上传输方式有串行和并行两种，由于线路之间会相互干扰，所以传输距离短。

2. 分类

总线可分为以下几类（根据所在位置）：

内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线，也叫片内总线。
系统总线：外部总线，CPU和计算机系统中其他高速功能部件如存储器、输入输出接口等相互连接的总线。又细分为：
- 数据总线：双向（读和写），总线条数与机器字长、存储字长有关，但不一定相等。
- 地址总线：单向（只读），条数与存储地址、I/O地址有关
- 控制总线：传输控制信号，单向，但是有输出信号也有输入信号。
通信总线：用于计算机系统之间或者计算机系统与其他系统之间的通信，按照传输方式分为：串行通信和并行通信总线。

3. 特性

总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。

物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座形状，引脚排列方式）
功能特性：每根线的功能（地址、数据、控制）
电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。
时间特性：规定了每根总线在什么时间有效（时序关系）。

4. 总线的性能指标

总线宽度：数据线的根数
标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
时钟同步/异步：同步、不同步
总线复用：地址线与数据线复用
信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
其他指标：负载能力

5. 标准总线

为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等PC、STD、EISA。

采用标准总线的优点：

简化系统设计
简化系统结构，提高系统可靠性
便于系统的扩充和更新

6. 总线带宽

总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。

一次操作可以传输的数据位数。如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。取决于一次操作所花费的时间，时间越短带宽越高。一次可传递的信息量越多，带宽越高。

例题：

（1）某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，总线带宽是多少?

（2）如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，总线带宽是多少?

解：

（1）设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得

D_r=D/T=D * (1/T)=D * f=4B * 33 * 10^6/s=132MB/s

（2）64位=8B Dr=D * f=8B* 66 * 10^6/s = 528MB/s

6.1.2总线的连接方式

适配器（接口）：实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制的电路。

1. 单总线：

使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。

单总线结构特点：

在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，由于一条总线由多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟。

2. 多总线

在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。如图所示。

CPU总线：CPU和cache之间采用

系统总线：主存连在其上。

高速总线：通过桥，CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。

多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。

6.1.3总线的内部结构

1. 早期总线的内部结构

如图所示，它实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般由50～100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。

数据总线：双向（读和写），总线条数与机器字长、存储字长有关，但不一定相等。
地址总线：单向（只读），条数与存储地址、I/O地址有关
控制总线：传输控制信号，单向，但是有输出信号也有输入信号。

缺点：

CPU是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。
总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。

2. 当代总线的内部结构

数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。其结构与简单总线相似，但一般是32条地址线，32或64条数据线。为了减少布线，64位数据的低32位数据线常常和地址线采用多路复用方式。
仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。
中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。
公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。

6.1.4总线结构实例

大多数计算机采用了分层次的多总线结构。下图它是一个三层次的多总线结构：CPU总线、PCI总线和ISA总线。

CPU总线：也称CPU-存储器总线，包含64位数据线和32位地址线的同步总线。可以看成是CPU引脚信号的衍生。
PCI总线：用于连接高速的I/O设备模块，如图形显示器适配器、网络接口控制器等，通过“桥”与上面更高速的CPU总线相连，与下面更低速的ISA总线相连。PCI总线是一个32（或64）位的同步总线，数据和地址是同一组线，分时复用，采用集中式仲裁方式，有专用的PCI总线仲裁器。
ISA总线：与低速的I/O设备连接，支持7个DMA通道和15级可屏蔽硬件中断，并通过片级总线和ROM、键盘鼠标控制器等相连。

6.2 总线接口

6.2.1 信息的传送方式

计算机系统中，传输信息基本有三种方式：

串行传送：使用一条传输线，采用脉冲传送。优点：只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。缺点：就是速度慢。
并行传送：每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送。
分时传送：总线复用或是共享总线的部件分时使用总线。

出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。

6.2.2 总线接口的基本概念

I/O功能模块通常称为I/O接口，也叫适配器，是CPU、主存和外设之间通过系统总线进行连接的标准化逻辑部件。

接口的典型功能：控制、缓冲、状态、转换、整理、程序中断。

一个适配器的两个接口：一个同系统总线相连，采用并行方式，另外一个同设备控制器相连，可能采用并行方式也可以采用串行方式，设备控制器是外围设备自带的设备控制器，是控制外围设备进行操作的控制部件。

例题：

利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特（bit）位数常称为波特率。假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个比特位（起始位、停止位、8个数据位），问传送的波特率是多少?每个比特位占用的时间是多少?

解：

波特率为：10位×120/秒=1200波特

每个比特位占用的时间Td是波特率的倒数：Td=1/1200=0.833×10-3s=0.833ms

6.3 总线的仲裁

6.3.0 基本概念

连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态，其中主方又称为主设备可以启动一个总线周期，而从方（从设备）只能响应主方请求。每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。
为了解决多个主动态的功能模块争用总线的问题，必须设置总线仲裁部件。
总线占用期：主方持续控制总线的时间。
按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式和分布式两种。

6.3.1 集中式仲裁

1. 链式查询方式

所有设备通过BR发出申请总线的信号，总线控制部件通过BG线授予某个设备总线控制权，该设备通过BS先发出总线被占用的信号。当有设备发出总线请求信号后，从仲裁器一端开始查询，从左向右的顺序依次查询每个I/O设备，遇到第一个设备请求总线则授予控制权。故离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。

优点：只用很少几根线就能按照一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。
缺点：对询问链的电路故障很敏感，某个接口电路出现故障，则后面的设备都无法获得总线控制权，优先级固定。

2. 计数器定时查询方式

总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开发始。

如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。
如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。（如上次终止点在10，则下次从11开始查询，10的优先级从高变成最低）

计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。

3. 独立请求方式

在独立请求方式中，每一个共享总线的主设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。当代总线标准普遍采用独立请求方式。

优点：

响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。
对优先次序的控制相当灵活。优先级可以预先固定，也可以通过程序来改变优先次序，还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。

6.3.2 分布式仲裁

不需要中央仲裁器，而是多个仲裁器竞争使用总线。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础的。

6.4 总线的定时和数据传送模式

6.4.1 总线定时

总线的信息传送过程：

申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定。
寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令。
传数阶段：主模块和从模块交换数据。
结束阶段：主模块撤消有关信息。

定时：事件出现在总线上的时序关系。

1. 同步定时

2. 异步定时

【例3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询相结合的二维总线控制结构。每一对请求线BRi和授权线BGi组成一对菊花链查询电路。每一根请求线可以被若干个传输速率接近的设备共享。当这些设备要求传送时通过BRi线向仲裁器发出请求，对应的BGi线则串行查询每个设备，从而确定哪个设备享有总线控制权。请分析说明图6.14所示的总线仲裁时序图。

解：从时序图看出，该总线采用异步定时协议。

当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线上发出申请信号BRi（1）。

CPU按优先原则同意后给出授权信号BGi作为回答（2）。

BGi链式查询各设备，并上升从设备回答SACK信号证实已收到BGi信号（3）。

CPU接到SACK信号后下降BG作为回答（4）。

在总线“忙”标志BBSY为“0”情况该设备上升BBSY，表示该设备获得了总线控制权，成为控制总线的主设备（5）。

在设备用完总线后，下降BBSY和SACK（6）释放总线。

在上述选择主设备过程中，可能现行的主从设备正在进行传送。此时需等待现行传送结束，即现行主设备下降BBSY信号后（7），新的主设备才能上升BBSY，获得总线控制权。

6.4.2 总线数据传送模式

1.读、写操作

读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。一般，主方先以一个总线周期发出命令和从方地址，经过一定的延时再开始数据传送总线周期。为了提高总线利用率，减少延时损失，主方完成寻址总线周期后可让出总线控制权，以使其他主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数据传送总线周期。

2. 块传送操作

只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。对于CPU（主方）存储器（从方）而言的块传送，常称为猝发式传送，其块长一般固定为数据线宽度（存储器字长）的4倍。例如一个64位数据线的总线，一次猝发式传送可达256位。这在超标量流水中十分有用。

3. 写后读、读修改写操作

这是两种组合操作。只给出地址一次（表示同一地址），或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。前者用于校验目的，后者用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。这两种操作和猝发式操作一样，主方掌管总线直到整个操作完成。

4. 广播、广集操作

一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。但有的总线允许一个主方对多个从方进行写操作，这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集，它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源。

演示过程：

6.5 HOST总线和PCI总线

6.5.1 多总线结构

如图，典型的多总线结构框图。实际上，这也是高档PC机和服务器的主板总线框图。

HOST总线： 该总线有CPU总线、系统总线、主存总线、前端总线等多种名称，各自反映了总线功能的一个方面。这里称“宿主”总线，也许更全面，因为HOST总线不仅连接主存，还可以连接多个CPU。它是连接“北桥”芯片与CPU之间的信息通路，它是一个64位数据线和32位地址线的同步总线。32位的地址线可支持处理器4GB的存储寻址空间。总线上还接有L2级cache，主存与cache控制器芯片。后者用来管理CPU对主存和cache的存取操作。CPU拥有HOST总线的控制权，但在必要情况下可放弃总线控制权。

PCI总线： 连接各种高速的PCI设备。PCI是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。PCI设备可以是主设备，也可以是从设备，或兼而有之。在PCI设备中不存在DMA（直接存储器传送）的概念，这是因为PCI总线支持无限的猝发式传送。这样，传统总线上用DMA方式工作的设备移植到PCI总线上时，采用主设备工作方式即可。系统中允许有多条PCI总线，它们可以使用HOST桥与HOST总线相连，也可使用PCI/PCI桥与已和HOST总线相连的PCI总线相连，从而得以扩充PCI总线负载能力。

LAGACY总线： 可以是ISA，EISA，MCA等这类性能较低的传统总线，以便充分利用市场上丰富的适配器板卡，支持中、低速I/O设备。

在PCI总线体系结构中有三种桥。其中HOST桥又是PCI总线控制器，含有中央仲裁器。桥起着重要的作用，它连接两条总线，使彼此间相互通信。桥又是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。

桥本身的结构可以十分简单，如只有信号缓冲能力和信号电平转换逻辑，也可以相当复杂，如有规程转换、数据快存、装拆数据等。

6.5.2 PCI总线信号线

PCI总线的基本传输机制是猝发式传送，利用桥可以实现总线间的猝发式传送。写操作时，桥把上层总线的写周期先缓存起来，以后的时间再在下层总线上生成写周期，即延迟写。读操作时，桥可早于上层总线，直接在下层总线上进行预读。无论延迟写和预读，桥的作用可使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。

必要引脚主控设备49条
目标设备47条
可选引脚51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等）
总引脚数120条（包含电源、地、保留引脚等）

6.5.3 总线周期类型

PCI总线周期由当前被授权的主设备发起。PCI支持任何主设备和从设备之间点到点的对等访问，也支持某些主设备的广播读写。

存储器读/写总线周期

存储器写和使无效周期

特殊周期

配置读/写周期

6.5.4 总线周期操作

PCI总线周期的操作过程有如下特点：

（1）采用同步时序协议。总线时钟周期以上跳沿开始，半个周期高电平，半个周期低电平。总线上所有事件，即信号电平转换出现在时钟信号的下跳沿时刻，而对信号的采样出现在时钟信号的上跳沿时刻。

（2）总线周期由被授权的主方启动，以帧FRAME#信号变为有效来指示一个总线周期的开始。

（3）一个总线周期由一个地址期和一个或多个数据期组成。在地址期内除给出目标地址外，还在C/BE#线上给出总线命令以指明总线周期类型。

（4）地址期为一个总线时钟周期，一个数据期在没有等待状态下也是一个时钟周期。一次数据传送是在挂钩信号IRDY#和TRDY#都有效情况下完成，任一信号无效（在时钟上跳沿被对方采样到），都将加入等待状态。

（5）总线周期长度由主方确定。在总线周期期间FRAME#持续有效，但在最后一个数据期开始前撤除。即以FRAME#无效后，IRDY#也变为无效的时刻表明一个总线周期结束。由此可见，PCI的数据传送以猝发式传送为基本机制，单一数据传送反而成为猝发式传送的一个特例。并且PCI具有无限制的猝发能力，猝发长度由主方确定，没有对猝发长度加以固定限制。

（6）主方启动一个总线周期时要求目标方确认。即在FRAME#变为有效和目标地址送上AD线后，目标方在延迟一个时钟周期后必须以DEVSEL#信号有效予以响应。否则，主设备中止总线周期。

（7）主方结束一个总线周期时不要求目标方确认。目标方采样到FRAME#信号已变为无效时，即知道下一数据传送是最后一个数据期。目标方传输速度跟不上主方速度，可用TRDY#无效通知主方加入等待状态时钟周期。当目标方出现故障不能进行传输时，以STOP#信号有效通知主方中止总线周期。

6.5.5 总线仲裁

PCI总线采用集中式仲裁方式，每个PCI主设备都有独立的REQ#（总线请求）和GNT#（总线授权）两条信号线与中央仲裁器相连。由中央仲裁器根据一定的算法对各主设备的申请进行仲裁，决定把总线使用权授予谁。但PCI标准并没有规定仲裁算法。

6.6 InfiniBand标准

host

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