【计算机组成原理】主板与总线

计算机基本结构

冯诺依曼在《关于EDVAC的报告草案》，详细描述了EDVAC这台计算机的设计方案，从那之后，现在几乎所有的计算机都是遵循的冯诺依曼结构。

这份报告有几个关键点：

• 程序应该存储起来的，而不是通过开关连线。
• 用二进制存数据而不是十进制。
• 计算机能自动的从存储器中取出指令并加以执行。
• 明确了计算机的五个部分：输入，控制器，运算器，存储器，输出。

南北桥架构的演变

可以清楚的看到，早先的主板上是三片结构，CPU,北桥，南桥。其中，主存和显卡都是要通过北桥来和CPU连接的。

现代的主板变成了两片结构，cpu里面集成了很多东西，比如，现在是cpu直接与主存相连，还与PCIe相连。

总线系统

早期计算机内总线的模型，以cpu为主导，数据总线，地址总线，控制总线都是一起用，所有的数据传输都要靠cpu来指挥。这样总线的设计就很依赖于特定的cpu，所以各个部件之间也不自由，通用性差。

当代的总线模型，追求的是标准化，遵循cpu和其他部件结构无关的开发标准。在下图中，公用线是电源之类的线，其他的线下文会讲。

三总线结构，这个好处就是cpu和主存之间可以快速交换信息，主存和IO设备交流的速度也大大提升了。

相比之前的只能由CPU指挥数据在总线上的传输，当代总线上的CPU,I/O模块，DMA控制器都可以拥有总线的使用权。

那么问题来了，如何调度它们来使用总线呢？这就需要一个仲裁机制，这东西就叫中央仲裁器，在cpu内部，独立的部件。我想程序经常有取地址，和存数据，内存到IO或者cpu到内存，这时候应该就是通过仲裁谁来拥有对总线的控制权，然后让设备自己去决定怎么传输。

这个仲裁的方式，有三种，它们都有一个BS线表示当前总线占用状态，BR线请求总线使用权。

• 链式查询，主要特点就是从靠近cpu的部件来询问是否需要占用总线，如果不需要，继续问相邻的下一个设备，这样子其实很不好，只对优先级高的有利，而且前面的部件坏了后面的就永远读不到了。
• 计数器定时查询，这个比上个就有很大进步，每当BR线发了请求之后，中央仲裁器就往设备地址线上发一个地址，如果这个地址代表的设备发了请求就把控制权赋给他，否则地址加一继续广播，初始地址可以从0开始，也可以从上一次终止广播的设备地址开始，发一个循环。还可以用软件的方式决定从哪个设备地址开始计数，这就意味着你可以自己决定赋给哪个设备最高优先级，然而说到底这种方式也是按顺序去查找，浪费了和很多时间。
• 独立请求方式，每个设备都有自己独立的BS,BR线，不再是共用了，直接连到总线控制部件，排队判优的装置被安置在了总线控制部件内部，它可以是利用循环的那种分配优先级的方法，也可以是自己设计的复杂算法，这种方式的好处就是各个设备可以同时发出请求，至于怎么判优就交给总线控制部件里的专门的装置了，这比前面两种要智能一些，不过线也多了点。

现在设备占用总线的方式我们知道了，那么各个设备之间怎么通信的呢？

• 同步通信的方式，其实就是按照总线的时钟周期来规定从设备识别完地址码，什么时候把对方要取的数据发出来，这个时间间隔就是存取时间，它是遵守的公共时钟，而各个设备的存取时间其实是相差很大的，这样就必须按照最慢的那个模块来设计公共时钟，不然会出错啊，所以这样就造成了效率的低下。总结来解释什么是同步通信，就是要在固定的时间点上给出固定的操作，就是在一个总线传输周期内，先做完什么再做完什么，最后再撤销什么。
• 异步通信的方式，不互锁，就是主设备请求之后，继续走自己的周期，不管从设备响应了没有，半互锁就是从设备响应了，主设备才撤销，全互锁就是主设备撤销了从设备才撤销。感觉这样数据传输就没有同步那么可靠了。
• 半同步，就是多了一个wait信号，来处理不同模块存取周期不同的锅。总结会发现，在从设备准备数据的时候，这段时间总线是被占用的但是没有做事，就浪费了。于是人们又想出个分离式通信，就是把上面过程分开，把中间那个浪费的时间拿出来，就是主设备发出请求完了以后就放弃总线的使用权，从设备准备好了数据以后再申请占用总线（之前是一直占用）。

好了，通俗的总结一下计算机里面那些线怎么传数据。首先大家都要传，所以弄出个总线仲裁器来给请求排队，然后轮到某个设备传了，这时候就叫做一个总线传输周期，在这个周期里面，规定请求方为主设备，响应数据方为从设备，它们之间传信息怎么传是根据时钟周期来看的，所以有同步和异步的概念，其实也不难，就是把从发出请求，到响应数据之间的过程弄清楚就行了，同步就是按照公共时钟周期，异步就是主设备不等待，跟阻塞和非阻塞的概念有点像。

参考资料

https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng/home/welcome
http://mooc.study.163.com/course/HIT-1000002002#/info