计算机组成原理学习笔记——总线的基本概念

文章目录

    • 1.为什么要使用总线
    • 2.什么是总线
    • 3.总线上信息的传送
    • 4.总线结构的计算机举例
      • 4.1单总线结构框图
      • 4.2面向CPU的双总线结构框图
      • 4.3以存储器为中心的双总线结构框图
    • 5.总线的分类
      • 5.1片内总线
      • 5.2系统总线
      • 5.3通信总线
    • 拓展——总线结构对于计算机性能的影响


1.为什么要使用总线

在冯诺依曼计算机体系当中,把计算机基本组成分成了五大部分。

运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备,即使我们可以吧运算器和控制器制作在一个芯片上 (CPU),输入设备和输出设备统一为I/O设备,那么计算机的基本组成还包括三大部分。

现代计算机比这个基本组成更加复杂,可能有成百上千个CPU,外部设备的数量和种类也非常的丰富,只有把这些部件连接到一起,他们才能组成一个完整的计算机硬件系统,可以协调的进行工作。

那么我们如何把这些部件连接到一起呢?

有一种方法是采用分散连接的方式,需要进行信息传递的两个部件,我们把他用线连接起来。那么我们可以想象一下,几百个部件需要两两相互连接,并且两两之间的连线也非常多,那么们需要的线就会非常多。把这些线都放在电路板上,成本非常高,难度也很大,而且这些线路会占用大量的空间。
这种连接方式的另外一个问题,就是系统很难拓展。比如新增加一个IO设备,那么这个设备需要和原来的CPU进行连接,那么我们又要增加很多束线,每束线又有若干条,这个操作起来难度非常大。

为了解决这个问题,我们引入了总线连接方式。

2.什么是总线

基本概念:总显示连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输介质。

总线的英文名字是“BUS”,十分生动形象。他是信号的公共传输线

在任何时刻,只能由一组设备或者构件来使用总线,其他设备只能等当前的设备使用完释放之后才能使用总线。

但是使用总线传输速度很高,可拓展性也很强

3.总线上信息的传送

串行
串行就是把要传输的信息一位一位的放在总线上去,接收方再一位一位的进行接收

在这里插入图片描述
并行
把要传输的数据多位同时放在数据总线上进行传输,接收方也同时接收多位数据。
在这里插入图片描述
并行方式需要多条数据线进行传输
如果传输距离比较长的话,线和线之间会产生干扰,所以接收方很难接收到准确的数据。

通常情况下,并行传输总线的传输距离都比较短,比如集中在机箱内部的并行总线

4.总线结构的计算机举例

4.1单总线结构框图

我们把计算机的所有部件都连接到这条总线上,这条总线就是计算机的系统总线
计算机组成原理学习笔记——总线的基本概念_第1张图片
但是在这种结构中,如果某一个I/O设备与主存进行信息传递,那么这时主存和CPU之间就无法利用主存进行数据传输,会严重的影响CPU的运行效率。
还有就是当我们的I/O设备非常多的时候,这个单总线就会非常长,数据传输的速度就会大幅度下降。

那么有什么办法可以解决这个问题呢?

4.2面向CPU的双总线结构框图

计算机组成原理学习笔记——总线的基本概念_第2张图片
我们额外用一条总线专门进行CPU和主存的数据传输,这样就可以避免I/O设备与CPU和内存与CPU数据传输时的冲突。

那么这样是不是就不存在问题了呢?
假如我们需要主存和某一个外部设备进行信息传递,但是我们可以看到他们之间没有直接的信息通路,只能通过CPU作为媒介才能进行信息传输,这时CPU执行程序的任务就会被冲突。

4.3以存储器为中心的双总线结构框图

为了解决以上的问题,聪明的人们发明了这样一种总线结构

计算机组成原理学习笔记——总线的基本概念_第3张图片

这个结构当中CPU和主存有专用的存储总线,CPU也可以通过系统总线和外部I/O设备进行信息传递。

但是以目前的技术,图上的两条总线,也就是存储总线和系统总线还是不能同时工作。

5.总线的分类

5.1片内总线

总线在一个芯片内部完成了芯片内部的不同部件之间的连接,我们叫它“片内总线”

很容易联想到,芯片与芯片之间进行连接的这类总线,我们不叫它片外总线,因为这样命名的话覆盖的范围太大不便于区分。

5.2系统总线

系统总线:实现了计算机各个部件之间的信息传输。系统总线又根据总线上传输信号的不同又可以分为三类。

  1. 数据总线:一般来说数据总线是双向的,数据总线的长度与机器字长、存储字长有关。
  2. 地址总线:一般来说地址总线是单向的,地址总线的长度与存储地址、I/O地址有关。
  3. 控制总线: 信息传输方向有出有入。

通常情况下,总显得宽度是小于等于机器字长或者存储字长的,

5.3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(控制仪表、移动通信等)之间的通信。

传输方式:串行数据通信、并行数据通信。

拓展——总线结构对于计算机性能的影响

  1. 最大存储容量:在单总线系统中,对主存和外设进行存取的差别,仅仅在于出现在总线上的地址不同,为此必须为外围设备保留某些地址。由于某些地址必须用于外围设备,所以在单总线系统中,最大主存容量必须小于由计算机字长所决定的可能的地址总数。而在双总线系统中,对主存和外设进行存取的判断是利用各自的指令操作码。由于主存地址和外设地址出现于不同的总线上,所以存储容量不会受到外围设备多少的影响。
  2. 指令系统:在双总线系统中,CPU对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统,这是因为操作码规定了要使用哪一条总线,所以在双总线系统中,访存操作和输入/输出操作各有不同的指令。另一方面,在单总线系统中,访问主存和I/O传送可使用相同的操作码,或者说使用相同的指令,但它们使用不同的地址。
  3. 吞吐量:总线数目越多,吞吐能力越大。

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