系统总线(二)

总线标准

前面在总线结构里介绍的系统总线、存储总线都是抽象的,没有具体说明采用什么技术来实现。本小节就是为了说明总线的具体实现标准。

ISA总线

优点:

  • ISA总线是使用独立于CPU的总线时钟,因此CPU可以使用高于总线频率的时钟。有利于CPU性能的提高
    缺点:
  • 没有总线仲裁的硬件逻辑,因此它不能支持多台主设备(不支持多台具有申请总线控制权的设备)系统
  • ISA上的所有数据都需要经过CPU或DMA接口来管理,因此CPU需要花费大量时间来控制与外部设备交换数据。
  • ISA时钟频率为8MHZ,最大传输率为16MBps,数据线为16位,地址线为24位。

EISA总线

优点:

  • ISA的优点
  • 能支持多个总线主控器和突发方式的传输

VESA总线

总线结构

单总线结构

总线连接之单总线结构

将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上,这种结构 简单易于扩充,它 不允许两个以上得部件在同一时刻向总线传输信息。这类总线多数被小型计算机或微型计算机采用。而且当I/O设备数量足够多得时候,总线发出得控制信号从一端顺序的传到第n个设备,其 传播延时会严重地影响系统的工作效率

当数据传输需求量和传输速度要求不太高的情况下,为克服总线瓶颈问题,尽可能增加总线宽度和提高传输速率来解决;

当数据传输需求量和传输速度要求较高时,单总线结构不能满足系统工作的需要,因此不得不采用多总线结构。

多总线结构

双总线结构

双总线结构的特点 是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来,形成主存总线与I/O总线分开的结构。低俗I/O由通道这个特殊的处理器进行管理。将速率不同的组件进行分类,然后将它们连接在不同的通道上,那么计算机系统的工作效率就会得到提升。

通道

该部件主要时为了 使一些原来由CPU处理的I/O人物转由通道来承担,从而把CPU从繁杂的I/O任务解脱出来,仅当通道完成了规定的I/O任务后,才向CPU发中断信号。实际上,I/O通道是一种特殊的处理机,它具有 执行I/O指令的能力,并通过执行 通道(I/O)程序来控制I/O操作

I/O通道的特点有以下两个方面:

  • 指令类型单一,只能处理I/O方面的内容
  • 通道没有自己的内存,只能和CPU共享主存

三总线结构

三总线结构

该结构多了主存总线和DMA总线,在三种总线里,任意时刻只能使用一种总线:使用DMA总线时,无法使用主存总线;I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才能用得到。

三总线结构变种

三总线结构变种

CPU和Cache之间有一个局部总线,我们可以挂载多个I/O设备在局部总线上。Cache直接连接到系统总线上,这样Cache就可以和主存互相交换数据,而且I/O设备和主存间的交换也不需要经过CPU。还有一条扩展总线,他将局域网、SCSI、Modem等等都串联在一起,扩展总线通过扩展总线接口与系统总线相连,由此便可实现两者的数据传输。

四总线结构

四总线结构
该结构相比三总线结构多了一层高速总线,在高速总线上会挂接一些高速的I/O设备。它们通过Cache控制机构中的高速总线或高速缓冲 和 局部总线相连,使得这些高速设备与CPU更密切。而一些低速设备仍然挂载在扩展总线上。这种结构的优点就是高速设备不需要过多依赖CPU的功能,同时高速设备相比扩展总线上的设备更接近CPU,各自的效率会更高。

总线控制

集中控制优先仲裁方式

  • 链式查询
    链式查询

BR是接口向总线控制部件发起占用请求

BG到达的接口有总线请求,BG信号就不再往下传了,意味着该接口获得了总线使用权。

BS是接口获得了总线使用权后,和总线控制部件建立的总线繁忙信号,表示它占用了总线。

该种查询方式中,离总线控制部件最近的设备具有最高的优先级。

这种方式的特点是:只需要很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制,并且很容易扩充设备,但对电路故障很敏感,且优先级别低的设备可能很难获取请求。

  • 计数器定时查询
    计数器定时查询

该种查询方式相比前面的查询多了一条设备地址线,少了一根BG线,总线控制部件接收到BR送来的总线请求信号后,在总线未被使用(BS=0)的情况下,总线控制部件中的计数器开始计数,并通过设备地址线,向各设备发出一组地址信号。当某个 请求占用总线 的设备地址与计数器一致时,该设备就获得总线使用权。

计数可以从“0”开始,也可以从上一次计数的终止点开始,当然也可以由程序设置。这种方式对电路故障不如 链式查询 敏感,但增加了设备地址数,控制也较复杂。

  • 独立请求方式
    独立请求方式

该种查询方式内,每台设备均有一对总线请求先BRi和总线同意线BGi。当设备要求使用总线时,便发出该设备的请求信号。总线控制部件中有一排队电路,可根据优先次序确定响应哪一台设备的请求。该方式响应速度快,优先次序控制灵活,但控制线数量多。