總線技術(shù)初探

陳 靜

摘要總線被譽(yù)為是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,總線的速度對系統(tǒng)性能有著極大的影響,但總線技術(shù)的提升步伐要緩慢得多,原因來自于總線的復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。

關(guān)鍵詞總線 信息傳輸 帶寬 位寬 工作頻率

中圖分類號:TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,各個(gè)功能部件都是通過總線交換數(shù)據(jù),總線的速度對系統(tǒng)性能有著極大的影響。而也正因?yàn)槿绱?總線被譽(yù)為是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。它的每次變革都令計(jì)算機(jī)的面貌煥然一新。

目前與我們生活習(xí)習(xí)相關(guān)的一系列活動(dòng)都無不牽涉到總線技術(shù)的應(yīng)用,如我們上英特網(wǎng)、給親戚朋友打電話、用U盤來存儲信息等。雖然流行的總線所采取的形式不同,但它們主要的原則性思想無非就是時(shí)分系統(tǒng)、頻分系統(tǒng)、相分系統(tǒng)和碼分系統(tǒng)等。因此,我們首先從總線的基本理論來了解總線。

1 總線的定義及分類

(1)總線定義?？偩€是一種描述電子信號傳輸線路的結(jié)構(gòu)形式,是一類信號線的集合,是子系統(tǒng)間傳輸信息的公共通道。①

(2)總線分類。總線分類的方式有很多,如被分為外部和內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和非系統(tǒng)總線等等,下面是幾種最常用的分類方法。②

①從功能上來對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行劃分,可以分為地址總線(address bus)、數(shù)據(jù)總線(data bus)和控制總線(control bus)。地址總線:是專門用來傳送地址的。數(shù)據(jù)總線:是用于傳送數(shù)據(jù)信息,它又有單向傳輸和雙向傳輸數(shù)據(jù)總線之分,雙向傳輸數(shù)據(jù)總線通常采用雙向三態(tài)形式的總線?？刂瓶偩€:是用于傳送控制信號和時(shí)序信號。在有的系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)總線和地址總線可以在地址鎖存器控制下被共享,也即復(fù)用。

② 按傳輸方式分,總線可以被分為串行總線和并行總線。從原理來看,并行傳輸方式其實(shí)優(yōu)于串行傳輸方式,但其成本上會有所增加。通俗地講,并行傳輸?shù)耐藩q如一條多車道公路,而串行傳輸則是只允許一輛汽車通過單線公路。

③按時(shí)鐘信號方式分, 按照時(shí)鐘信號是否獨(dú)立,可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時(shí)鐘信號獨(dú)立于數(shù)據(jù),也就是說要用一根單獨(dú)的線來作為時(shí)鐘信號線;而異步總線的時(shí)鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的,通常利用數(shù)據(jù)信號的邊沿來作為時(shí)鐘同步信號。

2 總線傳輸基本原理

依據(jù)前面對總線的定義可知總線的基本作用就是用來傳輸信號,為了各子系統(tǒng)的信息能有效及時(shí)的被傳送,為了不至于彼此間的信號相互干擾和避免物理空間上過于擁擠,其最好的辦法就是采用多路復(fù)用技術(shù),③也就是說總線傳輸?shù)幕驹砭褪嵌嗦窂?fù)用技術(shù)。

3 總線的通信協(xié)議

總線上傳輸?shù)囊蛔止?jié)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀,其總線形式是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的雙線制串行總線,并接在總線上的電路模塊即可作為發(fā)送器(主機(jī))又可作為接收器(從機(jī))。幀數(shù)據(jù)中除了控制碼(包括從機(jī)標(biāo)識碼和訪問地址碼)與數(shù)據(jù)碼外還包括起始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。④

當(dāng)然不同的總線其數(shù)據(jù)位或段的定義肯定不同,但依據(jù)同樣的原理可以更快的去了解它的協(xié)議的特性和特點(diǎn)。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

評價(jià)總線的主要技術(shù)指標(biāo)是總線的帶寬(即傳輸速率)、數(shù)據(jù)位的寬度(位寬)、工作頻率和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性等。

(1)帶寬(傳輸速率)、位寬和工作頻率?？偩€的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量,即每鈔傳送MB的最大數(shù)據(jù)傳輸率?？偩€的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù),或數(shù)據(jù)總線的位數(shù),即32位、64位等總線寬度的概念;總線的位寬越寬,數(shù)據(jù)傳輸速率越大,總線的帶寬就越寬。總線的工作時(shí)鐘頻率以MHZ為單位,它與傳輸?shù)慕橘|(zhì)、信號的幅度大小和傳輸距離有關(guān)?？偩€的帶寬、位寬和工作頻率,這三者密切相關(guān)。

(2)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。為了提高總線的可靠性,通常采用的措施有: ① 采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送前發(fā)送器對總線進(jìn)行偵聽,只有偵聽到總線處于空閑狀態(tài)下時(shí)才可向總線傳送數(shù)據(jù)幀,這樣避免了不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沖突。② 采用雙絞線差分信號來傳送數(shù)據(jù),以降低單線的電壓升降幅度,減小信號的邊沿產(chǎn)生的高次諧波。增加匹配電阻和電容等來減少總線上信號的發(fā)射和平衡總線上的分布電容等。③ 采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和屏蔽技術(shù)等來減少受其他信號的干擾。還有就是在軟件上通過數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)校驗(yàn)糾錯(cuò)等措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)展,特別是對于成本和空間而言,總線傳輸替代點(diǎn)對點(diǎn)傳輸是目前發(fā)展的熱點(diǎn),它的出現(xiàn)將給信息傳輸上提供最大的方便和最有效的技術(shù)解決方案。我們期待總線技術(shù)的不斷發(fā)展,為計(jì)算機(jī)技術(shù)革新奠定基礎(chǔ)。

注釋

①戴梅萼等.微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2008.

②雷航.現(xiàn)代處理器及總線技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社,2006.

③吳麗征.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].上好交通大學(xué)出版社,2008.

④張志偉,張靈,王愛樂.I2C總線原理及其通信的初步實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械管理開發(fā), 2004(2):22～23.