总线技术初探

摘要总线被誉为是计算机系统的神经中枢,总线的速度对系统性能有着极大的影响,但总线技术的提升步伐要缓慢得多,原因来自于总线的复杂的内部结构和工作原理。

关键词总线 信息传输 带宽 位宽 工作频率

中图分类号:TP3文献标识码:A

在计算机系统中,各个功能部件都是通过总线交换数据,总线的速度对系统性能有着极大的影响。而也正因为如此,总线被誉为是计算机系统的神经中枢。它的每次变革都令计算机的面貌焕然一新。

目前与我们生活习习相关的一系列活动都无不牵涉到总线技术的应用,如我们上英特网、给亲戚朋友打电话、用U盘来存储信息等。虽然流行的总线所采取的形式不同,但它们主要的原则性思想无非就是时分系统、频分系统、相分系统和码分系统等。因此,我们首先从总线的基本理论来了解总线。

1 总线的定义及分类

(1)总线定义。总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式,是一类信号线的集合,是子系统间传输信息的公共通道。①

(2)总线分类。总线分类的方式有很多,如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等,下面是几种最常用的分类方法。②

①从功能上来对数据总线进行划分,可以分为地址总线(address bus)、数据总线(data bus)和控制总线(control bus)。地址总线:是专门用来传送地址的。数据总线:是用于传送数据信息,它又有单向传输和双向传输数据总线之分,双向传输数据总线通常采用双向三态形式的总线。控制总线:是用于传送控制信号和时序信号。在有的系统中,数据总线和地址总线可以在地址锁存器控制下被共享,也即复用。

② 按传输方式分,总线可以被分为串行总线和并行总线。从原理来看,并行传输方式其实优于串行传输方式,但其成本上会有所增加。通俗地讲,并行传输的通路犹如一条多车道公路,而串行传输则是只允许一辆汽车通过单线公路。

③按时钟信号方式分, 按照时钟信号是否独立,可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据,也就是说要用一根单独的线来作为时钟信号线;而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的,通常利用数据信号的边沿来作为时钟同步信号。

2 总线传输基本原理

依据前面对总线的定义可知总线的基本作用就是用来传输信号,为了各子系统的信息能有效及时的被传送,为了不至于彼此间的信号相互干扰和避免物理空间上过于拥挤,其最好的办法就是采用多路复用技术,③也就是说总线传输的基本原理就是多路复用技术。

3 总线的通信协议

总线上传输的一字节数据的数据帧,其总线形式是由数据线SDA和时钟SCL构成的双线制串行总线,并接在总线上的电路模块即可作为发送器(主机)又可作为接收器(从机)。帧数据中除了控制码(包括从机标识码和访问地址码)与数据码外还包括起始信号、结束信号和应答信号。④

当然不同的总线其数据位或段的定义肯定不同,但依据同样的原理可以更快的去了解它的协议的特性和特点。

4 主要技术指标

评价总线的主要技术指标是总线的带宽(即传输速率)、数据位的宽度(位宽)、工作频率和传输数据的可靠性、稳定性等。

(1)带宽(传输速率)、位宽和工作频率。总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量,即每钞传送MB的最大数据传输率。总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数,或数据总线的位数,即32位、64位等总线宽度的概念;总线的位宽越宽,数据传输速率越大,总线的带宽就越宽。总线的工作时钟频率以MHZ为单位,它与传输的介质、信号的幅度大小和传输距离有关。总线的带宽、位宽和工作频率,这三者密切相关。

(2)传输数据的可靠性。为了提高总线的可靠性,通常采用的措施有: ① 采用数据帧发送前发送器对总线进行侦听,只有侦听到总线处于空闲状态下时才可向总线传送数据帧,这样避免了不同节点的数据冲突。② 采用双绞线差分信号来传送数据,以降低单线的电压升降幅度,减小信号的边沿产生的高次谐波。增加匹配电阻和电容等来减少总线上信号的发射和平衡总线上的分布电容等。③ 采用合适的网络拓扑结构和屏蔽技术等来减少受其他信号的干扰。还有就是在软件上通过数字滤波、数据校验纠错等措施来提高数据传输的可靠性。

5 结束语

随着网络信息的发展,特别是对于成本和空间而言,总线传输替代点对点传输是目前发展的热点,它的出现将给信息传输上提供最大的方便和最有效的技术解决方案。我们期待总线技术的不断发展,为计算机技术革新奠定基础。

注释

①戴梅萼等.微型计算机技术及应用[M].清华大学出版社,2008.

②雷航.现代处理器及总线技术[M].国防工业出版社,2006.

③吴丽征.计算机网络技术[M].上好交通大学出版社,2008.

④张志伟,张灵,王爱乐.I2C总线原理及其通信的初步实现[J].机械管理开发, 2004(2):22～23.