第三章 01系统总线概述（哈工大刘宏伟）

一、总线的基本概念

1.1 为什么要用总线

原因：分散连接问题

• 连接复杂度：数量庞大

• 物理限制：大量接口占用空间，印刷电路板实现困难
• 扩展性差：新增设备需与所有原有模块连接，增加 n 组线路

1.2 什么是总线（Bus）

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质

• 基本定义：
  • 物理本质：一组信息的公共传输线（英文Bus即公共汽车）
  • 工作特性：任何时刻只能有一对设备使用总线，存在总线争用问题

总线优势

• 简化连接：所有设备共享一组公共传输线
• 降低成本：减少线路数量和接口空间占用
• 便于扩展：新设备只需接入总线即可与系统通信

1.3 总线信息的传输

两种方式：串行传输、并行传输

二、总线结构的计算机举例

2.1 单总线结构框图

• 结构特点：
  • 统一连接：CPU、主存、I/O设备全部挂接单一系统总线
  • 简单经济：结构简单，实现成本低
• 性能瓶颈：
  • 带宽限制：所有数据传输共享同一总线带宽
  • 延迟问题：远距离设备通信延迟显著
  • 冲突严重：主存与I/O传输时CPU需等待

2.2 面向CPU的双总线结构框图

• 结构改进：
  • 专用通道：CPU与主存间增设存储总线（M总线）
  • 分离设计：I/O设备通过独立I/O总线连接
• 现存问题：
  • 间接传输：主存与I/O设备通信仍需CPU中转
  • 效率影响：DMA操作仍会打断CPU执行

2.3 以存储器为中心的双总线结构框图

• 优化设计：
  • 双通道架构：系统总线与存储总线并行
  • 直接通路：主存可直接与I/O设备通信
• 技术限制：
  • 分时工作：传统存储器无法同时响应两条总线
  • 未来展望：双端口RAM技术发展可能突破此限制

三、总线的分类

3.1 根据总线的位置分类

1）片内总线 – 芯片内部的总线

• 定义范围：在芯片内部连接不同功能部件的总线
• 功能特点：专门用于集成电路内部各模块间的数据传输

2）系统总线 – 计算机各部件之间的信息传输线

3）通信总线（外部）- 用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信

• 连接范围：计算机之间或计算机与其他设备间的连接总线
• 系统扩展：用于构建更大规模的系统
• 传输方式：
  • 串行数据通信
  • 并行传输
• 应用场景：跨系统、跨设备的远距离数据传输

3.2 系统总线根据信号传输的不同（计算机内部）

1）数据总线 – 双向、与机器字长、存储字长有关

• 传输内容：专门传输数据信号的总线
• 方向特性：通常为双向传输（CPU←→外设/存储器）
• 宽度关系：总线宽度≤机器字长/存储字长（如64位机可用8位总线）
• 传输机制：窄总线需多次传输完成大数据量操作（如8位总线传64位数据需8次）

2）地址总线 – 单向、与存储地址、I/O地址有关

• 功能特性：用于寻址存储单元或I/O设备
• 方向特性：通常为单向（CPU→外设/存储器）
• 宽度决定：地址线数量与存储地址空间直接相关
• 典型实现：在模型机中与MAR寄存器宽度保持一致

3）控制总线 – 有出、有入

• 信号类型：包含控制信号和状态信号
• 方向特性：双向传输（既有CPU输出也有外设输入）
• 典型信号：
  • 输出信号：存储器读写控制、总线许可、中断确认
  • 输入信号：中断请求、总线请求等外设状态信号

四、总线的特性及性能指标

4.1 总线物理实现

• 实现方式：现代计算机总线通过印刷电路板实现，这块电路板称为主板或模板
• 连接部件：主板上留有接口用于连接CPU插板、存储插板和I/O设备插板

• 典型结构：采用主板+插板架构，各功能模块通过标准化接口接入总线系统

4.2 总线的特性

1）机械特性 – 尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序

• 定义：保证插板与总线物理连接的参数
• 具体内容：
  • 尺寸规格：插槽与插板的匹配尺寸
  • 形状设计：连接器的物理外形
  • 管脚数量：信号线的总数
  • 排列次序：各信号线的位置顺序

2）电气特性 – 传输方向 和有效的电平 范围

• 信号方向：
  • 数据线：双向传输（如D₀-D₁₅）
  • 地址线：单向传输（如A₀ – A₃₁ 从CPU发出）
• 电平规范：
  • 高电平范围：如3.3V ± 0.3V表示 逻辑1
  • 低电平范围：如0V ± 0.5V表示 逻辑 0
• 驱动能力：信号线的最大负载能力

3）功能特性

• 信号分类：
  • 地址信号：指定访问位置（如内存地址）
  • 数据信号：传输内容信息（如8/16/328/16/328/16/32位数据）
  • 控制信号：协调操作时序（如读/写信号）
  • 状态信号：反馈当前状态（如就绪/忙信号）
• 典型示例：8086处理器的20位地址总线中，16位复用为数据总线

4）时间特性 – 信号的时序关系

• 时序要求：各信号间的严格时间关系
• 关键参数：
  • 建立时间（Setup Time）
  • 保持时间（Hold Time）
  • 时钟周期（Clock Cycle）
• 同步方式：包括同步时序和异步时序两种基本类型

4.3 总线的性能指标

1、总线宽度：数据线根数决定并行传输位数

2、标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）（兆字节/秒）

3、时钟特性：

• 同步方式：有无统一时钟信号

• 时钟频率：如33MHz、66MHz等

4、总线复用：地址线与数据线复用（为了减少芯片的管脚数，芯片的封装体系减小）

5、信号线数：地址线、数据线和控制线的总和

6、总线的控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数

7、负载能力等性能指标

五、总线的标准

5.1 总线标准定义

标准化必要性：实现不同厂商设备的兼容互联

• 标准内容：包括机械、电气、功能、时间四方面规范
• 发展历程：从低速简单总线向高速可扩展总线演进

5.2 各总线标准定义

六、总线的结构

6.1 单总线结构

• 连接方式：将所有设备（CPU、主存、I/O设备）都连接到一条系统总线上
• 主要问题：总线成为系统性能瓶颈，所有数据传输都需要通过同一条总线
• 典型特征：结构简单但效率低，当多个设备同时请求总线时会产生竞争

6.2 多总线结构 – 双总线结构

• 组成要素：
  • 主存总线：连接CPU和主存储器
  • I/O总线：连接各种I/O设备
  • 通道：连接两条总线的特殊处理器
• 通道特点：
  • 结构简单的专用处理器
  • 有独立控制器和指令系统
  • 能执行通道程序（由操作系统编写）
  • 典型应用：IBM体系结构中的I/O处理
• 优势：分离存储和I/O操作，减轻总线负载

6.3 多总线结构 – 三总线结构

• 总线组成：
  • I/O总线：连接低速设备
  • 主存总线：连接CPU和主存
  • DMA总线：专用于高速设备直接访问内存
• DMA特性：
  • 全称：直接存储器访问（Direct Memory Access）
  • 功能：允许外设直接与内存交换数据，不经过CPU
  • 适用场景：高速外设（如磁盘、网络接口等）
• 工作方式：
  • 高速设备通过DMA总线直接访问内存
  • 低速设备仍通过I/O总线与CPU交互

6.4 多总线结构 – 三总线结构其他形式

• 层次结构：
  • 局部总线：连接CPU、Cache和局部I/O控制器
  • 系统总线：通过扩展总线接口连接扩展总线
  • 扩展总线：连接各类外设
• Cache作用：
  • 解决CPU与内存速度不匹配问题（CPU年增长52% vs 内存十年才快一倍）
  • 小容量高速缓存，存储CPU常用指令和数据
• 存在问题：不同速度设备混接在扩展总线，影响高速设备性能

6.5 多总线结构 – 四总线结构

• 总线分类：
  • 局部总线：CPU与Cache/桥的连接
  • 系统总线：连接主存和桥
  • 高速总线：连接图形、多媒体等高速设备
  • 扩展总线：连接Modem等低速设备
• 设计特点：
  • 通过桥电路实现总线扩展
  • 严格区分高速/低速设备，分别使用不同总线
  • 典型高速设备：SCSI、图形设备、局域网接口
  • 典型低速设备：串行接口、传真Modem

七、总线结构的举例

7.1 传统微型机总线结构

• 原理：通过标准总线控制器把系统总线和I/O总线进行分离
• 连接方式：
  • 系统总线直连CPU和存储器
  • 通过标准总线控制器扩展I/O总线
  • 支持SCSI、ISA、EISA等多种接口标准

7.2 VL-BUS局部总线结构

• 改进要点：
  • 新增VL-BUS高速局部总线（33MHz/32位）- 连接高速设备
  • 保留标准总线（8MHz/16位）连接低速设备
• 设备分配：
  • 高速总线：连接图形设备等高性能外设
  • 低速总线：连接传统ISA/EISA设备

7.3 PCI总线结构

• 核心组件：
  • PCI桥：连接系统总线与PCI总线
  • PCI总线：33MHz的32位高速通路
• 优势：
  • 更好的设备兼容性
  • 支持热插拔
  • 广泛用于多媒体、高速网络等场景

7.4 多层PCI总线结构

• 扩展原理：
  • 通过多级桥电路实现总线层级扩展
  • 每级桥可连接新的PCI总线和设备
• 典型结构：
  • 存储器总线：CPU与主存专用
  • 一级桥：连接主PCI总线
  • 二级桥：扩展更多PCI总线
  • 三级桥：最终连接标准总线
• 应用价值：解决单一总线驱动能力不足的问题，支持更多设备接入