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总线的分类和区别

2018年12月22日 11:29 次阅读

在计算机系统的硬件组成中,总线(Bus)是不可缺少的一部分,将各大基本部件按照一定的方式链接起来就构成了计算机硬件系统。就目前来讲,许多微型计算机的各大部件之间都是用总线链接起来的。

总线是一组能够为各部件提供服务的公共信息传送线路,它能够分时地发送与接收各部件的信息,是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通道,CPU通过总线实现读取指令,并实现与内存、外设之间的数据交换,在CPU、内存与外设确定的情况下,总线速度是制约计算机整体性能的关键,总线的性能对于解决系统瓶颈、提高整个微机系统的性能有着十分重要的影响。因此在微型计算机二十多年的发展过程中,总线结构也不断地发展变化。总线结构已成为微机性能的重要指标之一。

一、总线分类

1. 片内总线和片外总线

片内总线是CPU内部的寄存器、算术逻辑部件、控制部件以及总线接口部件之间的公共信息通道。

片外总线则泛指CPU与外部器件之间的公共信息通道。

我们通常所说的总线大多是指片外总线。有的资料上也把片内总线叫做内部总线或内总线(Internal Bus),把片外总线叫做外部总线或外总线(External Bus)。

2. CPU总线、系统总线和外设总线

CPU总线是从CPU引脚上引出的连接线,用来实现CPU与外围控制芯片和功能部件之间的连接。

系统总线也称为I/O通道总线,用来与存储器和扩充插槽上的各扩充板卡相连接。常见的系统总线有ISA、PCI、PCI-E等。系统总线是通过专用的逻辑电路的对CPU总线的信号在空间与时间上进行逻辑重组转换而来。

外设总线是指计算机主机与外部设备接口的总线,实际上是一种外设的接口标准。目前在微型计算机上流行的接口标准有:IDE(EIDE/ATA,SATA)、SCSIUSB和IEEE 1394四种。前两种主要用于连接硬盘、光驱等外部存储设备,后面两种可以用来连接多种外部设备。

3.地址总线、数据总线和控制总线

几乎所有的总线都要传输三类信息:数据、地址和控制/状态信号,相应地每一种总线都可认为是由数据总线、地址总线和控制总线构成。

数据总线(Data Bus,DB)用于在各个部件/设备之间传输数据信息。

地址总线(Address Bus,AB)用于在CPU(或DMA控制器)与存储器、I/O接口之间传输地址信息。

控制总线(Control Bus,CB)用于在CPU(或DMA控制器)与存储器、I/O接口之间传输控制和状态信息。

从微机体系结构来看,有两种总线结构,即单总线结构和多总线结构。在多总线结构中,又以双总线结构为主。

1. 单总线结构

计算机的各个部件均由系统总线相连,在单总线结构中,CPU与主存之间、CPU与I/O设备之间、I/O设备与主存之间、各种设备之间都通过系统总线交换信息。单总线结构的优点是控制简单方便,扩充方便。但由于所有设备部件均挂在单一总线上,使这种结构只能分时工作,即同一时刻只能在两个设备之间传送数据,这就使系统总体数据传输的效率和速度受到限制,这是单总线结构的主要缺点。单总线结构图如下所示:

总线的分类和区别

2. 双总线结构

双总线结构又分为面向CPU的双总线结构和面向存储器的双总线结构。

面向CPU的双总线结构如下图所示。其中一组总线是CPU与主存储器之间进行信息交换的公共通路,称为存储总线。另一组是CPU与I/O设备之间进行信息交换的公共通路,称为输入/输出总线(I/O总线)。外部设备通过连接在I/O总线上的接口电路与CPU交换信息。

总线的分类和区别

由于在CPU与主存储器之间、CPU与I/O设备之间分别设置了总线,从而提高了微机系统信息传送的速率和效率。但是由于外部设备与主存储器之间没有直接的通路,它们之间的信息交换必须通过CPU才能进行中转,从而降低了CPU的工作效率(或增加了CPU的占用率。一般来说,外设工作时要求CPU干预越少越好。CPU干预越少,这个设备的CPU占用率就越低,说明设备的智能化程度越高),这是面向CPU的双总线结构的主要缺点。

面向存储器的双总线结构保留了单总线结构的优点,即所有设备和部件均可通过总线交换信息。与单总线结构不同的是在CPU与存储器之间,又专门设置了一条高速存储总线,使CPU可以通过它直接与存储器交换信息。面向存储器的双总线结构信息传送效率较高,这是它的主要优点。但CPU与I/O接口都要访问存储器时,仍会产生冲突。这种总线结构的示意图如下。

总线的分类和区别

二、总线的性能指标

1)总线带宽BW

总线的带宽指的是单位时间内总线上可传送的数据量,即我们常说的每秒钟传送多少字节。单位是字节/秒(B/s)或兆字节/秒(MB/s)。与总线带宽密切相关的两个概念是总线宽度和总线的工作频率。

2)总线宽度W

总线的宽度指的是总线能同时传送的数据位数,即我们常说的16位、32位、64位等总线宽度的概念。在工作频率固定的条件下,总线的带宽与总线的宽度成正比。

3)总线工作频率f

总线的工作频率即总线的时钟频率,以MHz为单位。它是指用于协调总线上的各种操作的时钟信号的频率。工作频率越高则总线工作速度越快。

总线带宽、总线宽度、总线工作频率三者之间的关系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的关系。车流量取决于车道数和车速,车道数越多、车速越快则车流量越大。同样,总线带宽取决于总线宽度和工作频率,总线宽度越宽,工作频率越高,则总线带宽越大。当然,单方面提高总线的宽度或工作频率都只能部分提高总线的带宽,并容易达到各自的极限。只有两者配合才能使总线的带宽得到更大的提升。

总线带宽的计算公式如下:

BW =(W/8)× f/每个存取周期的时钟数

【例】总线时钟频率为100MHz的32位总线,若每两个时钟周期完成一次总线存取操作,则总线带宽=32/8×100/2=200MB/s。

三、嵌入式软件层面的单总线和多总线的区别

对于嵌入式软件编程来说,由于单总线结构是将CPU、I/O和存储器都接在同一总线上,因此对内存的操作和对I/O的操作可以使用相同的指令系统,但是对于多总线结构,由于CPU和主存、CPU和I/O之间使用不同的系统总线,因此,操作内存和操作I/O使用不同的指令,即:不能用操作内存的方式去操作I/O端口。

单总线的典型代表(ARM架构的CPU),多总线的典型代表(X86架构的CPU)。

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SN54LVC646A八路总线收发器和寄存器设计用于2.7 V至3.6 VVCC操作,SN74LVC646A八路总线收发器和寄存器设计用于1.65V至3.6VVCC操作。 这些器件由总线收发器电路,D型触发器和控制电路组成用于直接从输入总线或内部寄存器多路传输数据。 A或B总线上的数据在适当时钟(CLKAB或CLKBA)输入的低到高转换时被输入寄存器。图1显示了使用?? LVC646A器件执行的四种基本总线管理功能。 输出使能(OE)和方向控制(DIR)输入控制收发器功能。在收发器模式下,高阻抗端口的数据存储在任一寄存器或两者中。 选择控制(SAB和SBA)输入可以复用存储的和实时(透明模式)数据。当OE \低时,DIR确定哪个总线接收数据。在隔离模式(OE \ high)中,A数据存储在一个寄存器中,B数据可以存储在另一个寄存器中。 当禁用输出功能时,输入功能仍然有效,并且可以用于存储和传输数据。一次只能驱动两条总线A或B中的一条。 输入可以从3.3 V或5 V器件驱动。此功能允许在混合的3.3 V /5 V系统环境中将这些器件用作转换器。 这些器件完全指定用于部分断...

发表于 2018-10-09 17:08 6次阅读
SN74LVC646A 具有三态输出的八路总线收...

SN74HCT652 具有三态输出的八路总线收发...

 HCT652器件由总线收发器电路,D型触发器和控制电路组成,用于直接从数据中复用数据传输总线或从内部存储寄存器。提供输出使能(OEAB和OEBA \)输入以控制收发器功能。提供选择控制(SAB和SBA)输入以选择实时或存储的数据传输。低输入电平选择实时数据;高输入级别选择存储的数据。图1显示了可以使用这些器件执行的四种基本总线管理功能。 A或B数据总线上的数据或两者都可以存储在内部D型触发器中无论选择控制端子还是输出控制端子,在适当的时钟(CLKAB或CLKBA)端子上都会发生从低到高的跳变。当SAB和SBA处于实时传输模式时,通过同时启用OEAB和OEBA \,可以在不使用内部D型触发器的情况下存储数据。在此配置中,每个输出都会增强其输入。当两组总线的所有其他数据源都处于高阻态时,每组总线保持最后状态。 为确保上电或断电期间的高阻态,OEBA \应通过上拉电阻连接到VCC,OEAB应通过下拉电阻连接到GND;电阻的最小值由驱动器的电流吸收/电流源能力决定。 特性 工作电压范围4.5 V至5.5 V 低功耗,80-μA...

发表于 2018-10-09 17:06 6次阅读
SN74HCT652 具有三态输出的八路总线收发...

TMS320VC5501 定点数字信号处理器

TMS320VC5501(5501)定点数字信号处理器(DSP)基于TMS320C55x™DSP生成CPU处理器内核。 C55x™DSP架构通过增加并行性和全面关注降低功耗来实现高性能和低功耗。 CPU支持内部总线结构,该结构由一个程序总线,三个数据读总线,两个数据写总线以及专用于外设和DMA活动的附加总线组成。这些总线能够在一个周期内执行最多三次数据读取和两次数据写入。并行,DMA控制器可以独立于CPU活动执行数据传输。 C55x™CPU提供两个乘法累加(MAC)单元,每个单元能够进行17位×17位乘法运算。单循环。额外的16位ALU支持中央40位算术/逻辑单元(ALU)。 ALU的使用受指令集控制,提供优化并行活动和功耗的能力。这些资源在C55x CPU的地址单元(AU)和数据单元(DU)中进行管理。 C55x DSP代支持可变字节宽度指令集,以提高代码密度。指令单元(IU)从内部或外部存储器执行32位程序提取,并为程序单元(PU)排队指令。程序单元解码指令,将任务指向AU和DU资源,并管理完全受保护的管道。预测分支功能可避免执行条件指令时的管道刷新。 5501外设...

发表于 2018-10-09 14:55 25次阅读
TMS320VC5501 定点数字信号处理器