• 总线的概念和结构形态

    • 总线的基本概念
      总线是一组公共的传输线，用于连接计算机的各个部件（CPU、内存、I/O设备），实现信息共享和交换。总线由数据总线（传输数据）、地址总线（传输地址）和控制总线（传输控制信号）三部分组成。总线按时序可分为同步总线（有时钟信号）和异步总线（握手信号）。
    • 总线的连接方式
      常见连接方式：
      • 单总线结构：所有部件都连接到同一总线，简单但可能成为瓶颈（如早期IBM PC）。
      • 双总线结构：CPU与主存之间有一条高速内存总线，其他设备通过I/O总线与CPU通信（如南北桥架构）。
      • 多总线结构：现代计算机使用多层次总线（如PCIe、DMI、QPI等）。
    • 总线的内部结构
      总线内部包括：
      • 数据线：宽度决定一次传输的位数（如32位、64位）。
      • 地址线：宽度决定可寻址空间。
      • 控制线：包括读写信号、中断请求、总线请求/允许、时钟等。 此外还有电源线和地线。
    • 总线结构实例
      经典PC总线结构：CPU通过前端总线（FSB）连接北桥（内存控制器、AGP/PCIe），北桥连接南桥（PCI、ISA、USB、IDE等）。现代CPU集成内存控制器和PCIe控制器，芯片组简化为单芯片（PCH）。

  • 总线接口

    • 信息传送方式
      信息传送方式包括：并行（多位同时传输）和串行（逐位传输）。串行总线（如USB、PCIe）使用差分信号，距离长、速率高、引脚少。
    • 总线接口的基本概念
      总线接口（或称适配器、控制器）是连接设备与总线的逻辑电路。它负责数据缓冲、协议转换、电平转换、中断处理等。接口必须满足总线规定的电气和时序规范。

  • 总线仲裁
    当多个设备请求使用总线时，仲裁器决定哪个设备获得总线控制权。

    • 集中式仲裁
      一个中央总线仲裁器（常位于CPU或北桥）负责判决。常见方式：
      • 链式查询：通过一条总线请求线，优先级由物理位置决定（离仲裁器越近优先级越高）。简单但速度慢，且优先级固定。
      • 计数器定时查询：仲裁器发计数值，设备匹配地址则获得总线。优先级可改变。
      • 独立请求方式：每个设备有独立的请求线和允许线，仲裁器并行处理。速度快，但连线多（如PCI）。
    • 分布式仲裁
      没有中央仲裁器，每个设备都有仲裁逻辑，通过共享的仲裁总线竞争。例如，SCSI总线使用分布式仲裁。优点是无单点故障。

  • 总线的定时和数据传送模式

    • 总线的定时
      定时决定什么时候发送地址和数据：
      • 同步定时：使用统一时钟，所有操作在时钟边沿发生。简单但所有设备需以相同频率工作。
      • 异步定时：基于握手信号（请求、应答）。允许不同速度的设备共存，但控制稍复杂。
    • 总线数据传送模式
      常见传送模式：
      • 读/写周期：主设备发送地址和控制信号，从设备返回数据或接收数据。
      • 突发传送：一次地址后连续传送多个数据（如SDRAM突发模式），提高吞吐量。
      • 块传送：类似于突发。
      • 分裂传送：主设备请求后释放总线，从设备准备好后再重新申请，提高了总线利用率。

  • PCI总线和PCIe总线

    • 多总线结构
      PCI（外设组件互连）是一种并行总线，工作频率33/66MHz，32/64位宽度，带宽最高约533MB/s。PCIe（PCI Express）是高速串行总线，采用点对点连接和交换结构，替代了PCI和AGP。
    • PCI总线信号
      PCI总线信号包括：地址/数据复用线（AD[31:0]）、控制信号（FRAME#, IRDY#, TRDY#）、仲裁信号（REQ#, GNT#）、错误报告（PERR#, SERR#）、中断信号等。
    • PCI总线周期类型
      总线周期包括：配置周期（读写配置空间）、I/O周期、内存周期、特殊周期等。配置周期用于系统初始化时枚举设备。
    • PCI总线周期操作
      一次PCI传输包含地址阶段（FRAME#有效，AD线上放地址）和数据阶段（IRDY#和TRDY#握手续传数据）。突发传输时地址只发一次，后续数据连续传送。
    • PCI总线仲裁
      PCI总线使用集中式仲裁，每个主设备有独立的REQ#和GNT#线，仲裁器位于北桥或南桥。仲裁算法可以是轮询、优先级等。
    • PCIe总线
      PCIe（PCI Express）采用高速串行差分信号（LANE），每个LANE发送速率从2.5GT/s（Gen1）到32GT/s（Gen5）及以上。支持x1、x2、x4、x8、x16、x32链路宽度。采用点对点交换结构，每个设备独享带宽。事务层使用数据包（TLP，事务层包）传递请求和完成。支持热插拔、电源管理、虚拟化等先进特性。PCIe已成为现代计算机的主流扩展总线，用于显卡、SSD、网卡等。