计算机组成原理知识总结——系统总线篇

1.总线的基本概念

总线的定义：总线是连接多个设备的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。
总线连接：用一条公共的信号传输线来连接各个部件。

采用总线连接是因为人们意识到分散连接的局限性。分散连接是每组部件用单独的线连接，这样一旦涉及到增加或删减设备的时候，分散连接就要增加或者减去很多线，非常不利于扩展。总线连接能够解决这一问题。

2.总线的分类

1. 片内总线：指芯片内部的总线，如CPU芯片内部的连线，寄存器与寄存器之间的连线。
2. 系统总线：CPU，主存，I/O各大部件之间的连线。再细分可以分为数据总线（双向的），地址总线（单向的，从CPU发出），控制总线（对某一根是单向的，但是不同根方向可以不同，因此宏观上来看，又可以说是双向的）。
3. 通信总线：用于各个计算机系统的通信。又可以细分为串行总线和并行总线。

3.总线特性及性能指标

3.1 总线特性

1. 机械特性：如插头与插座的几何特性，引脚个数等等。
2. 电气特性：总线的传输线上信号传递的方向以及有效电平的范围。
3. 功能特性：总线中每根传输线的功能。如用来传输数据的、用来传输地址的、用来传输控制信号的。
4. 时间特性：总线的任一根线在什么时候有效

3.2 总线性能指标

1. 总线带宽：单位时间内传输数据的位数
2. 总线宽度：数据总线的位数
3. 时钟同步/异步
4. 总线复用：一根信号线分时地传输两种信号
5. 信号线数：数据总线+地址总线+控制总线

等等

3.3 总线标准

定义：是系统与模块，模块与模块之间的互连的标准界面。
流行的总线标准有

1. ISA
2. EISA
3. VESA
4. PCI
5. AGP
6. RS-232C
7. USB

4.总线结构

按照总线的数量进行分类，分为单总线结构和多总线结构。
所谓单总线结构，就是各部件（CPU、主存、I/O）之间只用一个总线连接，进行通信。
多总线结构又可以分为双总线，三总线，等等。
具体总线结构是怎样的，和机器有关。

5.总线控制

为了协调连在总线上的各个部件，需要有一个总线控制器来进行管理，来管理哪些部件在哪个时间内可以占用总线。
总线控制器的管理主要包括判优控制（或称仲裁逻辑） 和 通信控制。

5.1 判优控制

多个设备同时请求占用总线，究竟给哪个设备占用总线？这时就要用到总线判优控制。
总线判优控制分为分布式和集中式两种。分布式就是控制逻辑分散到各个部件或设备。集中式就是控制逻辑集中一处（如在CPU中）
集中式判优控制分类

1. 链式查询：用BG线（总线同意）把I/O接口串起来，在前面的I/O设备具有更高的总线使用权。此外还有BR线（总线请求），BS线（总线忙）
2. 计数器查询：用设备地址线传递地址信号，从而决定哪个设备占用总线。地址信号是由计数器给出的，因此通过计数器可以灵活控制优先级。
3. 独立请求方式：每个设备都有BR线，BG线，总线控制部件通过排队电路来判断哪个设备占用总线。

显然，如果有n台设备，法1只需两根线（两条BG线），法2大致需log₂n根线，法3需要2n根线

5.2 通信控制

所谓通信控制，就是占用总线后，主从模块如何交流。
首先了解一下什么是总线周期。
总线周期：完成一次总线操作的时间，具体包括以下四个步骤。

1. 申请分配阶段：主模块发出占用总线的申请，经过判优逻辑后，决定下一传输周期时，将总线使用权给主模块。
2. 寻址阶段：通过总线，找到从模块的地址，并给出相关命令。
3. 传数阶段：主从模块进行数据传输。
4. 结束阶段：主模块的有关信息从系统总线上撤除，让出总线使用权。

总线的通信控制

1. 同步通信：用一个统一的系统时钟来控制数据的传输。
2. 异步通信：通过“握手”的方式传输数据。这又可以细分为：不互锁方式，半互锁方式，全互锁方式。

不互锁：主模块确定从模块收到请求信号后，过一段时间就自动撤销请求信号。如：CPU向主存写信息
半互锁：主模块发出请求信号，从模块接受请求信号，从模块发出应答信号，主模块要等到接受到从模块的应答信号后，才撤销请求信号。如：CPU申请访问公共存储器
全互锁：前面都和半互锁相同，最后从模块知道主模块发出撤销请求信号后，才会撤销应答信号。如：网络通信

3. 半同步通信：一段时间内用同步通信进行数据传输，另一段时间用异步通信方式传输数据。
4. 分离式通信：把一个总线周期拆为两个子周期，充分利用总线周期的课空闲时间。

最后辨析两个小概念：
波特率：单位时间内传输数据的位数
比特率：单位时间内传输有效数据的位数（即不包括奇偶校验位，终止位等等）

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