计算机组成原理 - 总线

总线概述

总线的基本概念

总线的基本概念

总线 : 一组实际存在的物理传输线路,能为多个部件分时共享公共信息  (是实实在在存在的物理线路,与通路不同)
通路 : 数据的传输路径 (逻辑层面上)

数据总线是承载的媒介
数据通路表示的是数据流经的路线

为什么用总线?
早期计算机外设采用分散连接,不易实现外部设备的连接与断开
为了更好解决I/O设备和主机之间的灵活性,逐渐发展为总线连接

分时共享的概念⭐

共享  :  总线上可以连接多个部件
分时  :  同一时刻只允许一个部件向总线发送信息

总线的特性

总线的特性:
1.机械特性:尺寸,形状,管教数,排列顺序
2.电气特性:传输方向和有效电平范围
3.功能特性:没跟传输线的功能(地址,数据,控制)
4.时间特性:信号的时序关系

 总线的分类

根据 数据传输格式  分类:

根据数据传输格式来分类:
           串行总线:  优点:一条线,成本低 用于远距离传输   缺点:要考虑串行,并行转换问题
           并行总线:  优点:电路简单,逻辑时序简单      缺点:数量多,占用布线空间

根据 总线功能  分类:⭐

总线功能分类:片内总线/系统总线/通信总线

根据总线功能分类:
         片内总线: 芯片内部的总线    (存储器与存储器之间,存储器与ALU之间)
         系统总线: 功能部件之间(CPU/主存/IO接口)的总线
                                       数据总线DB:   传输数据信息 双向传输总线  |  
                                                              | 包括指令和操作数; | 位数与机器字长,存储字长有关
根据传输内容的不同:     地址总线AB:   传输地址信息 | 单向传输总线  |
                                                              |包括主存单元地址,IO端口地址 | 位数与主存地址空间大小 和 设备数量有关|
                                       控制总线CB:    传输控制信息   有进有出
                                                             |包括CPU发出的控制命令和反馈信号 |
         通信总线(外部总线) :计算机系统之间的总线 ,或 计算机系统与外部系统(通讯系统)

                   

系统总线内部的结构

单总线结构: 一组总线  (不是一根总线)         缺点:CPU和IO设备速度不匹配
双总线结构:  引入通道,对I/O设备进行统一管理   缺点:不能通过IO接口访问主存
三总线结构:  DMA直接连接了部分高速外设和主存   

四总线结构: 引入桥接器,用于连接不同的总线   

 

根据 时序控制方式  分类:

 

分类总结:

总线的性能指标

总线的8大性能指标:
  总线的传输周期,总线时钟周期,总线的工作频率,总线的时钟频率,
  总线的宽度,总线的贷款,
  总线的复用,信号线束

与时间相关

传输周期(总线周期): 一次总线操作总时间  (T1申请 +T2 寻址+T3 传输+ T4结束)
    总线的工作频率=1/总线周期  理解:一秒内传送几次数据
          若总线周期 = N个时钟周期 ,则总线的工作频率 = 时钟频率/N
          
时钟周期: 机器的时钟周期   (计算机的统一时钟  一个上下  一个单位)  (T1/T2/T3/T4)
          ∴ 一般情况下:   总线周期 = ∑时钟周期Tn
               例外:  一个时钟周期下完成了多个操作
    时钟频率=1/时钟周期  理解:一秒内有多少个时钟周期(单位)

1个时钟周期  一个单位 一次操作所需要的4个时钟周期 = 总线周期 = T1+T2+T3+T4

传输的数据量

总线宽度(总线位宽) : 同时能够传输的数据位数 (数据总线的根数)
总线带宽: 数据传输速率,单位时间内总线可传输的数据量 (B/s)
         //注意:总线带宽 指的是 本身所能达到了最高传输速率
         //在计算有效传输率时候,结合实际传输的数据量
 

     v  =     s / t  = 1 / t * s = f * s
总线宽度 = 总线工作频率 × 总线位宽(bit/s)   =1/总线周期 ×总线宽度 (bit/s)
               = 总线工作频率 ×(总线位宽/8) (B/s)

例题

 

复用: 在不同时间内,可以传输数据,也可以传输地址
地址/数据线 :有32根   总线位宽=32bit = 4B
                                               (一般都转化为B,字节作为单位,bit太碎了)
总线时钟频率 :66M HZ = 66×10^6 HZ 
                     ∴ 总线传输周期 = 1/(66×10^6)  s
⭐
1M在正常数量关系情况下为10的6次方，1MB为2的20次方字节。
国际单位:1M = 10^6 (兆)
计算机 1MB = 2^20   (兆字节)

每个时钟周期传送两次数据(上升沿和下降沿各传送一次)  ; 传送一次所需时间*(传输周期)为(T时钟/2)
 ∴  传输周期 = (T时钟/2)              (两边取倒数)
∴   总线工作频率 = 2时钟频率  = 66M ×2 = 132M HZ
∴ 总线带宽 = 总线工作频率 × 总线位宽 = 132M × 4 MB/s = 528 MB/s
 

突发传输方式 : 一个总线周期内,只传一个地址  , 知道首地址以后,可以知道连续的多个字
官方解释: 一次总线事务中,主设备只需给出一个首地址, 从设备 就能从首地址开始的若干连续单元读出或写入多个数据

题目分析 : 此时应该要传输  1个地址 + 128位数据
∴ 发送首地址,需要占用 1个时钟周期
   发送数据, 128bit数据  / 32bit = 4次, 
    ∵  1个时钟周期  = 传输两次  (题干)
     ∴  4次, 需要2个时钟周期
合计 1 + 2 = 3个时钟周期
    1个时钟周期 = 1/66MHZ = 15ns
    总耗时  15ns ×3 = 45ns       总结: 1/HZ = ns

串行总线  和 并行总线的 速度, 除了与总线数有关  ,还与工作频率有关
串行 - 单根线: v = s/t   = s × f   s不变(数据量)
并行 - 多根线: v = s/(t×n) = (s × f)/n     s不变(数据量),n为总线宽度
           //注意:并行总线的时候,工作频率f不能太高,不然会产生严重干扰 

定量分析:
同样的数据量,工作频率相同,并行总线速度快  (泄洪,水就那么多,多几个口子当然泄的多)
但是串行总线抗干扰能力极强,可以不断的提高频率,所以 高速传输 还是串行总线

辅助指标

总线复用: 一种信号线,在不同的时间,传输不同的信息  

信号线数 : 用于统计,地址总线+数据总线+控制总线 3种总线数目的和 

总线仲裁