计算机组成原理之系统总线
总线的基本概念
计算机各部件连接方式
- 分散连接：各部件之间通过单独的连线进行连接
- 总线连接：各部件连接到一条公共的信息传输线上，通过总线连接，大大简化了计算机内部的连接线的数量
总线的定义
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。
总线上的信息传输
总线实际上由多条传输线或通路组成，每条传输线可传输一位二进制代码，一串二进制代码在一段时间内逐一传输完成，就是串行传输，若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码，这就是并行传输
- 串行：二进制数据一位一位的进行传输
- 并行： 一次传输多位二进制数据
注意：任意时刻，只允许一个部件拥有总线的所有权，向总线发送信息，但可以有多个部件同时接受信息
总线结构举例
单总线结构
只有一条系统总线，所有的部件都连接到这条总线上。如果有多个部件同时要求占用总线时，会出现争夺现象，此时，总线成为了机器性能的瓶颈。
面向CPU的双总线
传统的冯诺依曼机是以运算器为核心的，发展出了面向CPU的双总线，其中一组总线连接CPU和主存，叫存储总线（M总线），另一组用来建立CPU和各I/O之间交换信息的通道，叫输入/输出总线（I/O总线）。缺点在于这种结构在I/O设备与主存交换信息时仍要经过CPU。
面向存储器的双总线
此结构是在单总线的基础上，又单独开辟一条CPU与主存间的通路，叫存储总线。这组总线速度高，只供主存与CPU之间通信，既提高了传输速率，又减轻了系统总线的负担，还保留了I/O与存储器交换信息时不经过CPU的特点。现代计算机大多数采用此类总线结构。
总线的分类
片内总线
片内总线是芯片内部的总线
系统总线
系统总线是计算机各部件之间的信息传输线。
按照系统传输信息的不同，又分为三类：
- 数据总线：传输各部件的数据信息，双向传输总线，位数与机器字长、存储字长有关
- 地址总线：指出数据总线上的数据在主存单元的地址，单向传输总线，与存储地址、I/O地址有关
- 控制总线：发出各种控制信号的传输线，对于单个控制线，是单向的，例如命令存储器读写是CPU发出的，对于这个命令不可能反向传输，对于控制总线总体来说，又是双向的，例如I/O设备也可以向CPU发出请求信号。
通信总线
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。传输方式也有串行和并行两种。
总线的特性及性能指标
总线特性
机械特性：机械连接方式上的一些性能，如尺寸、形状、管脚数及排列顺序
- 电气特性：每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围
- 功能特性：每根传输线的功能，传输地址？数据？还是控制信号？
- 时间特性：任一根线在什么时间内有效。总线上的信号的时序关系。
性能指标
- 总线宽度：数据线的根数，用位表示
- 标准传输率：总线上每秒能传输的最大字节量，用MB/s表示。
- 时钟同步/异步：总线上的数据与系统时钟是否同步工作
- 总线复用：地址线与数据线用同一组线，某一时刻传输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号
- 信号线数：地址线、数据线和信号线的总和
- 总线控制方式：并发工作、自动配置、仲裁、逻辑、计数等
总线结构
单总线结构
即前面总线结构举例的单总线结构，所有部件都挂在共享总线上极易形成系统瓶颈，但优点是结构简单，便于扩充，多用于小型机或微型机。
多总线结构
为了解决单总线中CPU、主存和I/O设备之间传输速率不匹配的问题，发展出多总线结构。
双总线
其中连接内存总线和I/O总线的通道有自己的程序，可以执行简单的指令，通道程序是操作系统编写的。
三总线
与双总线相比，三总线新增了一条DMA总线（Direct Memory Access，直接存储器访问），用于高速外设与主存之间直接交换信息。
注意：任意时刻仍然只能使用一种总线
我们知道，CPU的速度要比主存的速度快得多，但CPU要运行程序必须要从主存中获取数据，这就导致CPU被主存拖累而不能全力运行，为了解决这个问题，我们在CPU与主存之间加入高速缓存（Cache），CPU需要数据时会先去Cache取，Cache没有再去主存。这就引申出了三总线的另一种形式。
四总线
为了进一步提高I/O的性能，使其更快的响应命令，出现了四总线结构。
将高速设备与低速设备进行了区分，新增了一条与计算机系统紧密相接的高速总线。
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
多个主设备同时请求使用总线，就由总线控制器的判优、逻辑仲裁按一定优先等级顺序，确定哪个主设备能使用主线。常见的总线判优控制分为集中式和分布式。
集中式将控制逻辑集中在一处（如CPU中），分布式将控制逻辑分散在与总线莲姐姐的各个部件或设备上。
集中控制又有三种仲裁方式：链式查询、计数器定时查询和独立请求方式。
链式查询
BR线：所有设备通过BR线发送总线请求，获得总线控制权
BS线：当某一设备获得总线控制权时，BS线就会通知其余设备和控制部件总线已被占用，设备请求时会检查BS线
BG线：串行的从一个I/O接口送到下一个I/O接口，当BG到达的接口有总线请求时，BG信号就不往下传，意味着该接口获得总线控制权，并建立总线忙BS信号
下图展示了I/O设备请求总线控制的过程：
- I/O设备通过BR线进行总线请求
- BG信号按照链式的方式对各个设备进行查找，找到是哪个设备发出的请求信号（BS线无总线已占用信号时）
- 将总线控制权给最先查找到的设备，并生成总线忙BS信号
对于链式查询方式，离总线控制部件最近的设备有着最高的优先级，这种方式的优缺点很明显：
- 优点：只需要很少几根线就能实现总线控制，且很容易扩充设备
- 缺点：对电路故障很敏感，如果BG线在I/O接口2处故障断开，那么接口2以后的设备再也无法收到BG信号，也就无法得到总线控制权
计数器定时查询
相比于链式查询，计数器查询取消了BG线，增加了设备地址线，总线控制部件内部还有一个计数器，计数器与设备地址线相结合，实现了BG线的作用。
下图展示了计数器定时查询的过程：
整个查询过程也分为3步，其中第1、3步与链式查询过程的1、3步相似，区别在于第2步。
当I/O接口的请求信号通过BR线传输到控制部件时，计数器变启动（假设从0开始），通过设备地址线向外传输计数器信号，计数器第一个数是0，就对I/O接口0进行查询，看是否是接口0提出的请求信号，如果不是，就将计数器+1，再查询接口1，直到找到发出请求的接口。
与链式查询方式相比，计数器定时查询方式最突出的优点在于可以改变计数器的初始值，从而改变I/O设备的优先级，这是链式查询方式无法达到的，更特别的，我们可以将计数器设置为从上一次查询到的位置开始计数，就实现了以循环优先级对设备进行查询。
既然有优点，那同样也有缺点。功能的进步导致了线路的复杂，表面上看只是多了一个计时器，但实际上设备地址线并不是一根线，而是一组线，因为要对设备地址进行编码，n个设备就需要log n条线（以2为底，向上取整），因此，比链式查询要多出log n - 1 条线。
独立请求方式
每个设备都有一堆总线请求线和总线同意线。当设备要求使用总线时，便发出请求信号，控制部件中有一排队器，可根据优先次序确定响应哪个设备的请求。
独立请求方式的优点是响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序改变），而且对电路故障不敏感，一个设备的BG或BR线故障，不会影响其他设备的控制权获取。
缺点也很明显，控制线数量多，需要2n条线，总线控制复杂。
总线通信控制
目的
众多部件争夺总线控制权时，可以按照优先级解决，在通信传输时，按分时的方式解决。通信控制的目的就是解决通信双方的协调配合问题。
总线传输周期
一个总线传输周期包括四个阶段：
- 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
- 寻址阶段：主模块给出从模块的地址和命令，启动从模块
- 传数阶段：主模块和从模块交换数据
- 结束阶段：主模块的相关信息从总线上擦除，让出总线使用权
总线通信的四种方式
- 同步通信通信双方由统一时标控制数据传送，时标通常由CPU的总线控制部件发出，送到总线上的所有部件。
- 异步通信采用应答的方式，没有公共时钟标准，主模块发送信号后，要等待从模块的响应反馈回来，这意味着主从模块之间要增加两条应答线
- 半同步通信采用同步、异步相结合的方式，同步体现自发送方用系统时钟前沿发信号，接收方用系统时钟后延判断识别；异步体现在对于速度不同的模块，增设一条“等待”响应信号线
- 前面的三种方式，整个传输周期主模块一直占据主线的控制权，但分析传输周期的四个阶段，寻址阶段与传数阶段之间会留有空闲时间，这段时间是从模块分析命令、准备数据的时间，这会造成总线的资源浪费。分离式通信解决了这个问题，充分挖掘系统总线的每个瞬间的潜力，基本思想是将一个传输周期分为两个子周期，第一个子周期是主模块将相关信息发给从模块，从模块接收到数据后就放弃总线使用权，以便其他模块使用；第二个子周期是等到从模块准备好数据后，重新发送总线请求，将数据传给主模块。
异步通信方式还可以分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型。（有点像tcp的三次握手）
分离式通信的特点：
- 各模块有权申请占用总线
- 采用同步方式通信，不等对方回答
- 各模块准备数据时，不占用总线
- 总线被占用时，无空闲，充分提高了总线的有效占用
关于系统总线的知识到这就结束了，其中图件来源于慕课上哈工大的计算机组成原理课程，刘宏伟老师讲的很好很细致，想要学习的朋友可以去看一看。
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