计算机组成原理学习笔记（3）：总线

课程笔记导览

计算机组成原理学习笔记（1）：概述
计算机组成原理学习笔记（2）：发展
计算机组成原理学习笔记（3）：总线
计算机组成原理学习笔记（4）：存储器
计算机组成原理学习笔记（5）：I/O
计算机组成原理学习笔记（6）：数字
计算机组成原理学习笔记（7）：指令系统
计算机组成原理学习笔记（8）：CPU的结构和功能
计算机组成原理学习笔记（9）：控制单元的功能
计算机组成原理学习笔记（10）：控制单元的设计

附录：英语解释

CPU——Central Processing Unit，中央处理机(器)
PC——Program Counter，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址的计数器
IR——Instruction Register，指令寄存器，存放当前正在执行的指令的寄存器
CU——Control Unit，控制单元(部件)，控制器中产生微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件
ALU——Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件
ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器
MQ——Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器
X——此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数
MAR——Memory Address Register，存储器地址寄存器，内存中用来存放欲访问存储单元地址的寄存器
MDR——Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，主存中用来存放从某单元读出、或写入某存储单元数据的寄存器
I/O——Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送
MIPS——Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位

第三章 总线

3.1 总线的基本概念

使用总线的原因：

避免不必要的部件两两链接

使得可扩展外设成为可能，新增外设不需要重新布线链接到所有原有部件

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

总线上信息的传送

串行：传输距离比较远，机器之间

并行：多位数据共同传输，传输距离比较短会存在相互干扰，计算机内部

总线结构举例

单总线结构

单总线成为瓶颈，因为统一时间只能有一个设备在使用总线

面向CPU的双总线结构

因为数据存储和读取所以改进出M总线

限制外部设备和贮存之间的通信会很麻烦

以存储器为中心的双总线结构框图

3.2 总线的分类

3.3 总线性能及性能指标

总线物理实现

总线特性

机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序

电气特性：传输方向和有效的电平范围

功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）

时间特性

总线的性能指标

总线宽度：数据线的根数
标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
时钟同步/异步：同步、不同步
总线复用：地址线与数据线复用
信号线数：地址线、数据线和控制线的总和
总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
其他指标：负载能力

总线的标准

3.4 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

总线结构举例

3.5 总线控制

总线判优控制

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

总线判优控制分类：

集中式

• 链式查询
• 计数器定时查询
• 独立请求方式

分布式

链式查询实现过程：

实现过程

接口从总线发出请求信号，此时总线控制部件接收到请求但是不知道具体是哪个I/O发出的请求，总线同意线进行链式查询，直到查找到第一个有总线请求的I/O接口，然后设置总线忙，之后设备就可以使用总线了

示意图

评价

• 电路故障特别敏感尤其是BG，速度比较慢
• 结构简单好设计，增加设备很容易，优先级算法很容易，可靠性设计很容易实现

使用场景

微型计算机和嵌入式系统

计数器定时查询

实现过程

总线控制部件接收到通过BR发出的请求后，在可以应答的情况下，启动计数器，对计数器等于0对应的地址进行查询，如果不是它发出的就自动加1，并进行下一个地址的查询，直到查找到发出信号的设备

示意图

评价

• 优先级确定很灵活，计数器的初值可以设置顺序可以调整
• 因为设备地址线是根据设备数决定的如果有八个设备就需要三条设备地址线，才能通过计数器完成相应的查找映射

独立请求方式

实现过程

多个设备发出请求信号，根据排队器进行排队，选取优先级最高的进行应答

示意图

评价

• 优先级非常灵活
• 线数比较多

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

申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定

寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令

传数阶段：主模块和从模块交换数据

结束阶段：主模块撤消有关信息

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

每一个时钟周期的沿作为一个操作的时间节点

应用场景总线长度比较短

同步数据输入

同步数据输出

• 异步通信

通过请求和回答进行通信联络

• 半同步通信

增加了等待信号为了适应不同响应速度的主从设备

• 上述三种通信的共同点：

在一个总线传输周期（以输入数据为例）

• 主模块发地址、命令占用总线
• 从模块准备数据不占用总线（总线空闲）
• 从模块向主模块发数据占用总线

• 分离式通信

分离出两个部分周期 两次申请，一次准备数据或者相应的时间就会被空出来可以做其他的事情

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