系統匯流排電腦組成原理版權聲明：本文章參考了唐朔飛的《電腦組成原理》。未經作者允許，嚴禁用於商業出版，否則追究法律責任。網路轉載請註明出處，這是對原創者的起碼的尊重！！！ 1 匯流排的基本概念匯流排：連接多個部件的信息傳輸線，是各部件共用的傳輸介質。同一時刻只能有一個部件向匯流排發送信息，但可以 ...

系統匯流排

電腦組成原理

1 匯流排的基本概念

匯流排：連接多個部件的信息傳輸線，是各部件共用的傳輸介質。同一時刻只能有一個部件向匯流排發送信息，但可以有多可部件接受信息。

匯流排實際由傳輸線組成，每條線可以一位一位的傳輸二進位代碼（高低電平）。一串二進位數據，可以在一條線上一位一位的傳輸（串列傳輸），也可每條線傳輸一位（並行傳輸）。

2 匯流排分類

按傳送方式
串列傳輸匯流排
並行傳輸匯流排
- 8位
- 16位
- 32位
- 64位
按使用範圍
- 電腦匯流排
- 測控匯流排
- 網路通信匯流排
按連接部件
- 片內匯流排：晶元內部的匯流排。
- 系統匯流排：CPU、主存、IO設備（通過IO介面）各大部件之間的匯流排。
  - 數據匯流排：傳輸數據。雙向。
  - 地址匯流排：指出源數據或目標數據的記憶體地址或IO設備地址。單向。
  - 控制匯流排：傳輸控制信號。雙向。
- 通信匯流排：電腦與其它系統之間的匯流排。
  - 串列通信匯流排：數據在一根傳輸線上一位一位順序分時傳輸。
  - 並行通信匯流排：數據在多條數據線上並行傳輸。

3 匯流排特性、性能、標準

3.1 匯流排特性

物理特性：物理特性又稱為機械特性，指匯流排上部件在物理連接時表現出的一些特性，如插頭與插座的幾何尺寸、形狀、引腳個數及排列順序等。
功能特性：功能特性是指每一根信號線的功能。如地址匯流排用來表示地址碼。數據匯流排用來表示傳輸的數據，控制匯流排表示匯流排上操作的命令、狀態等。
電氣特性：電氣特性是指每一根信號線上的信號方向及表示信號有效的電平範圍，通常，由主設備（如CPU）發出的信號稱為輸出信號（OUT），送入主設備的信號稱為輸入信號（IN）。通常數據信號和地址信號定義高電平為邏輯1、低電平為邏輯0，控制信號則沒有俗成的約定，如WE表示低電平有效、Ready表示高電平有效。不同匯流排高電平、低電平的電平範圍也無統一的規定，通常與TTL是相符的。
時間特性：時間特性又稱為邏輯特性，指在匯流排操作過程中每一根信號線上信號什麼時候有效，通過這種信號有效的時序關係約定，確保了匯流排操作的正確進行。

3.2 匯流排性能指標

匯流排寬度：數據匯流排的寬度。
匯流排帶寬：單位時間內傳輸的數據大小。匯流排帶寬=匯流排頻率x匯流排寬度。
同步方式：匯流排上的數據與時鐘同步叫同步匯流排；否則為非同步匯流排。
匯流排復用：一套信號線上分時傳送兩種信號。
信號線數：地址匯流排+數據匯流排+控制匯流排
匯流排控制方式：突發工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數方式
負載能力：匯流排接上負載後，匯流排的電平是否在額定範圍內。
電源電壓：採用5V還是3.3V。
寬度擴展：匯流排寬度可否擴展

3.3 匯流排標準

匯流排標準：系統與模塊、模塊與模塊之間互連的標準界面。按標準設計的介面為通用介面。

ISA
EISA
VESA
PCI
AGP
RS-232C
USB

4 匯流排結構

面向CPU的雙匯流排結構
- 缺點：IO設備與主存交換數據仍占用CPU
單匯流排結構
- 優點：IO設備與主存交換數據不占用CPU
- 缺點：各部件在某一時刻可能衝突
面向存儲器的雙匯流排結構
- 優點：IO設備與主存交換數據不占用CPU；專用的存儲匯流排減小了單匯流排結構中系統匯流排的負載。
三匯流排結構
四匯流排結構

5 匯流排控制

5.1 判優控制

集中式：將控制邏輯集中在一起。
鏈式查詢
- 原理：IO設備通過BR（請求匯流排）發起請求，如果BS（忙匯流排）為0，匯流排控制器通過BG（同意匯流排）發出同意信號並串列的在IO介面間傳輸，如果同意信號到達的介面有匯流排請求，就停止傳輸，該設備獲得匯流排使用權。
- 特點：離匯流排控制器最近的設備具有最高優先順序、
- 優點：只需很少幾根線，容易擴充設備。
- 缺點：對電路故障敏感，優先順序低的設備很難獲得請求。
計數器定時查詢
- 原理：匯流排控制器接到BR傳來的匯流排請求後，如果匯流排未被占用（BS=0），則計數器開始計數，並通過地址線發出地址信號，當設備地址與計數器相同時，則獲得匯流排使用權。
- 特點：
  - 計數器從0開始，優先順序固定不變。
  - 計數器從上次終點開始，所有設備優先順序相同。
  - 計數器由程式設置，優先順序可改變。
- 優點：對電路故障不如鏈式查詢敏感。
- 缺點：增加控制線，控制較複雜。
獨立請求
- 原理：每個設備都有BR和BG。由匯流排控制器中的排隊電路來決定響應哪一個設備獲得匯流排使用權。
- 優點：響應速度快，優先順序控制靈活
- 缺點：控制線數量多，控制複雜。
分散式：將控制邏輯分散在與匯流排相連接的各設備上。

主設備：對匯流排有控制權
從設備：對匯流排沒有控制權，只能響應主設備從匯流排發來的命令。

5.2 通信控制

匯流排周期：完成一次匯流排操作的時間。

申請分配階段
定址階段
數據傳輸階段
結束階段

匯流排通信控制：解決通信雙發如何獲取傳輸開始和結束，以及通信雙發如何協調配合。

同步通信：通信雙方由統一時鐘控制數據傳輸。必須在限定的時間內完成請求的操作。
- 讀寫操作
  - 讀操作：
    - T1主模塊發地址
    - T2主模塊發命令
    - T3從模塊提供數據
    - T4沿主模塊撤銷讀命令，從模塊撤銷數據
  - 寫操作：
    - T1主模塊發地址
    - T0.5主模塊提供數據
    - T2主模塊發寫命令，從模塊在規定時間內將寫入數據匯流排的數據寫入地址匯流排指定的設備中。
    - T4主模塊撤銷寫命令和數據
- 優點：規定明確統一，模塊間配合簡單一致
- 缺點：強制同步，時鐘必須按照最慢的設備來設計
- 適用於：匯流排短，各設備存取時間比較一致的場合。
非同步通信：通信雙方沒有公共的時鐘標準，不要求所有部件按照嚴格的統一操作時間，而是採用握手方式（主設備發出請求後一直等待從模塊發出響應後才開始通信）。
全互鎖：主設備發出請求信號後，必須等待從模塊回答後才撤銷請求信號。從設備發出響應信號，必須獲知主設備的請求信號已撤銷後才撤銷回答信號。
半互鎖：主設備發出請求信號後，必須等待從模塊回答後才撤銷請求信號。從設備發出響應後，不必獲知主設備撤銷了請求信號，而是過一段時間，確認主設備收到信號後，便撤銷響應信號。
不互鎖：主設備發出請求信號後，不必等待從模塊的響應信號，而是過一段時間，確認從設備收到信號後，便撤銷請求信號。從設備收到請求信號後，如果條件允許則發出響應信號，過一段時間，確認從設備收到信號後，便撤銷響應信號。
半同步通信：在同步通信中增加一條線，當從設備無法在規定時間提供數據時，則向主設備給出一個信號，主設備收到信號後插入一個等待周期。
- 適用於：系統速度不高，但各設備速度差異大。
分離式通信：將一個匯流排周期分為兩個子周期。原因是：從設備在準備數據或寫入數據期間占用匯流排但沒有使用匯流排。
- 讀寫操作
  - 讀操作：在第一個子周期設備A在獲取匯流排使用權後將設備B地址、命令，設備編號發送到匯流排上供設備B接收，然後放棄匯流排使用權；在第二個子周期設備B根據收到的命令準備好數據，然後申請匯流排使用權，一旦獲得使用權，就將設備設備A編號、設備B地址、設備A所需數據發送到匯流排上供設備A接收。
  - 寫操作：在第一個子周期設備A在獲取匯流排使用權後將命令、數據通過匯流排發送給設備B，然後放棄匯流排使用權；在第二個子周期設備B根據收到的命令、地址寫入數據。
- 特點：
  - 各模塊獲取匯流排使用權時都必須申請
  - 獲得匯流排使用權後，採用同步方式傳輸（必須在限定時間內傳輸信息），不需等待對方的應答信號
  - 在準備數據或寫入數據時不占用匯流排
  - 控制複雜
- 適用於大型機