计算机组成原理-总线

总线的基本概念

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。同一时间只能有一对设备征用总线

总线上信息的传送有串行和并行两种

单总线结构框图：

问题：总线成为系统性能的瓶颈；如果两台设备距离较远，信息传输速度慢

面向CPU的双总线结构框图：

问题：任何外部设备想要与主存信息交换都需要经过CPU，CPU的计算任务容易被打断

以存储器为中心的双总线结构框图：

总线的分类

根据总线的位置划分：

1. 片内总线：芯片内部的总线
2. 系统总线：计算机各个部件之间的信息传输线。系统总线又可以划分为：数据总线（双向的，与机器字长、存储字长有关）、地址总线（单向的，与存储地址、I/O地址有关）、控制总线（有出、有入）
3. 通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信

根据总线的传输方式划分：

1. 串行通信总线
2. 并行通信总线 

总线的特性及性能指标

总线的物理实现

总线的特性

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
2. 电器特性：传输方向和有效的电平范围
3. 功能特性：每根传输线的功能：地址、数据、控制
4. 时间特性 ：信号的时序关系

总线的性能指标

1. 总线的宽度：数据线的根数，同时能传输多少位数据
2. 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
3. 时钟同步/异步：同步、不同步 
4. 总线复用：地址线与数据线能否共用
5. 信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
6. 总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、技术
7. 其他指标：负载数等

总线标准

ISA、EISA、VESA、PCI、AGP、RS-232、USB等 

总线结构

单总线结构

多总线结构：双总线结构；三总线结构：

四总线结构：

总线控制

总线判优控制

基本概念

• 主设备（模块）：对总线有控制权
• 从设备（模块）：响应从主设备发来的总线命令

总线判优控制：

• 集中式：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式
• 分布式 

链式查询方式

 

链式体现在BG上，BG逐个查询I/O设备是否需要使用总线。

优先级取决于I/O设备在BG线的位置顺序。

缺点：对电路故障敏感，速度慢

优点：结构简单，增删设备方便，优先级算法简单，可靠性设计容易实现

计数器定时查询方式

 

计数器存放I/O设备的接口编号，设备地址线根据计数器的值查找对应的I/O接口是否需要请求总线

优点：优先级次序可以通过计数器控制，便于调整

缺点：速度慢

独立请求方式

优先级的确定都在总线控制部件的排队器中实现

优点：速度块 

缺点：线路多

总线通信控制

目的：解决通信双方协调配合问题

总线传输周期：

1. 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
2. 寻址阶段：主模块向模块给出地址和命令
3. 传数阶段：主模块和从模块交换数据
4. 结束阶段：主模块撤销有关信息

总线通信的四种方式：

• 同步通信：由统一时标控制数据传送
• 异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准
• 半同步通信：同步、异步结合
• 分离式通信 ：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

同步通信

同步式数据输入：

 

一定由定宽定距的时钟控制数据输入

同步式数据输出：

异步通信

 

不互锁：主从设备不管是否接收到对方的信号，都会撤销对应信号，很不稳定

半互锁：主设备当且仅当接收到从设备的应答信号后才会撤销请求信号，请求信号可能一直处于高频装填

全互锁：在半互锁的情况下，从设备只有在接收到主设备的请求完成信号后才会撤销回答信号

半同步通信

结合同步、异步

同步：发送方用系统时间前沿发信号；接收方用系统时钟后沿判断、识别

异步：允许不同速度的模块和谐巩工作；增加一条“等待”响应信号，是由从设备发出

分离式通信

在上述的三种通信方式中，都存在一段时间用作给从模块准备数据，而在这一段时间内，总线处于空闲状态，导致了资源的浪费。

分离式通信，在主设备占用完总线后，将总线使用权释放，直到从设备准备好数据后再向总线发出占用请求，实现在从设备准备数据时的总线的资源利用

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