计算机组成原理2-系统总线
目录
一、总线的基本概念
二、总线的分类
三、总线的性能及性能指标
1、总线的物理实现
2、总线特性
3、总线的性能指标
四、总线的结构
1、单总线结构
2、双总线结构
（1）CPU为中心
（2）主存为中心
3、三总线结构
4、四总线结构
五、总线的判优控制
1、基本概念
2、集中控制的三种常见优先权仲裁方式
（1）链式查询
（2）计数器定时查询
（3）独立请求
六、总线通信控制
1、同步通信控制
2、异步通信控制
3、半同步通信控制
4、分离式通信
（1）分离式通信的基本思想
（2）分离式通信的特点
一、总线的基本概念
什么是总线
总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。
为什么需要总线
总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。
二、总线的分类
三、总线的性能及性能指标
1、总线的物理实现
2、总线特性
- 机械特性：尺寸、形状、管脚数、及排列顺序
- 电气特性：传输方向和有效的点平范围
- 功能特性：每根传输线的功能，比如，地址传输、数据传输、控制数据等
- 时间特性：信号的时序关系
3、总线的性能指标
- 总线宽度：数据线的根数
- 标准传输率：每秒传输的最大化数字（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
四、总线的结构
1、单总线结构
在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备。单总线结构下，总线承担的数据量非常的大，总线成为系统的瓶颈。
单总线结构的优点：容易扩展成多CPU系统，只要在系统总线上挂接多个CPU即可。
单总线结构的缺点：由于所有逻辑部件都挂在同一个总线上，因此总线只能分时工作，即某一个时间只能允许一对部件之间传送数据，这就使信息传送的吞吐量受到限制。
2、双总线结构
优点：
（1） 所有高速设备共享高速的主存总线；
（2）通道可以统一管理下级的I/O总线上的I/O设备；
（3）可以是从相对速率较低的I/O设备到高速的CPU之间具有一定缓冲；
（4） 相对平衡了CPU和各个设备之间的同步；
注：通道是一种具有特殊功能的处理器，CPU可以将原来的一部分功能（和I/O设备之间的通信功能）下放给通道，以做到各司其职，提高效率的目的；
（1）CPU为中心
以CPU为中心的双总线结构，在单总线结构的基础上增加了M总线，使得CPU和主存之间有了专用总线，但是，主存和IO设备的信息交换，仍旧需要经过CPU才能进行。
（2）主存为中心
以主存为中心的双总线结构是在以CPU为中心的双主线结构上的改进，使得主存和IO设备的通信不用再经过CPU。
3、三总线结构
三总线结构，其实就是在最原始的以CPU为中心的双总线结构中加一条DMA总线；
DMA：Direct Memory Acess，即直接内存存取，DMA是现代电脑的重要特色，允许不同速率的硬件设备之间通信，不需要依赖大量的CPU中断负载，大大提高了工作效率，这里用来解决主存和高速I/O设备之间的通信问题；
缺点：
（1） 任意时刻只能使用一条总线；
（2）主存总线和DMA总线不能同时对主存进行存取；
三总线结构的又一形式
4、四总线结构
四总线结构，解决了三总线结构把所有不同速度的设备都连接在同一条扩展总线上的问题，四总线把高速设备和低速设备区分开来，使速率传输可以更高。
五、总线的判优控制
1、基本概念
总线的急用与仲裁：
总线主设备：对总线有控制权
主线从设备：对总线无控制权，响应从主设备发出来的总线命令
总线通信原则：
通信前由主模块发请求，同一时刻只允许一对模块间通信，模块同时使用总线时，应由总线控制器中的判优和仲裁逻辑按判优原则决定哪个模块使用总线。
总线的判优方式：
2、集中控制的三种常见优先权仲裁方式
（1）链式查询
BR：总线请求
BG：总线同意
BS：总线忙（是一个信号，bs=0表示空闲，bs=1表示总线在使用）
- 步骤一：在这个图中有从0开始的n个I/O接口，全部向总线控制部件发出总线占用请求。
- 步骤二：BG信号开始依次向下检查，串联查询。
- 步骤三：当BG信号遇到请求I/O，便通过该I/O设置BS（总线忙）=1，表示总线已经接收了请求，不在接收请求了。
- 步骤四：开始执行这次数据传输。
特点：离总线最近的设备有最高的优先级，越远的设备优先级越低，结构十分简单，只需要几根线就能实现总线控制，并且很容易扩充设备。
缺点：对电路故障十分敏感，并且优先级低的设备很难获得请求。
（2）计数器定时查询
这种方式相对于链式查询方式取消了BG线，增加了设备地址线，这个线的作用就是用于比较计数器的数值和各个请求的设备的编号是否对应。
- 步骤一：I/O设备发出总线占用请求
- 步骤二：计数器从0开始，并且各个设备的值也都是固定的，计数器每增加一次就通过设备地址线检查该编号的设备是否发出请求（循环）
特点：计数器的初始值可以改变，多以可以改变设备的优先级，更加灵活。电路故障不如链式查询方式敏感，但是增加了设备地址线，控制也更加复杂。
（3）独立请求
独立请求的方式更加直接，每个I/O设备和总线控制部件都有一对一连接，在总线控制部件中可以按照队列的处理方式，来处理请求。
特点：响应速度快，处理灵活。控制线数量多，总线控制更加复杂。
六、总线通信控制
总线通信控制的目的：
解决主、从设备如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调进行数据通信。
总线传输周期：
总线完成一次传输，分成四个阶段
- 总线裁决：主模块申请，总线仲裁决定哪个主控设备使用总线。
- 寻址阶段：主控设备送出要访问的主存或设备的地址，同时送出有关命令（读或写等），启动从设备。
- 传数阶段：主、从设备间进行数据交换。
- 结束阶段：有关信息在总线上撤销，让出总线权。
总线通信的四种方式：同步、异步、半同步、分离式通信
1、同步通信控制
控制线中有一个时钟信号，挂接在总线上的所有设备都从这个公共的时钟线上获得特定的信号，一定频率的时钟信号定义了等间隔的时间段，这个固定的时间段为一个时钟周期，规定在每个时钟周期内交换哪些信息。
优点：速度快，并且接口逻辑很少，因为协议很简单。
缺点：总线上的设备必须以同样的时钟速度进行工作。由于时钟偏移问题，同步总线不能很长。
（1）同步数据输入——定宽定距的时钟周期
（2）同步式数据输出——定宽定距的时钟周期
2、异步通信控制
非时钟定时，采用握手协议（应答方式），没有一个公共的时钟标准。因此，因此能够连接带宽范围很大的各种设备。总线能够加长而不用担心时钟偏移问题。
优点：灵活，可挂接各种具有不同工作速度的设备。
缺点：对噪声敏感，接口逻辑复杂。
异步通讯有非互锁、半互锁、和全互锁三种方式
3、半同步通信控制
为了解决异步通信方式对噪声敏感的问题，一般在异步总线中引入时钟信号，就绪和应答等定时信号都在时钟的上升沿有效，这样信号的有效时间限制在时钟到达的时刻，而不受其他时间信号的干扰。这种通信方式称为半同步通信。
半同步通信方式结合了同步和异步的优点。既保持了所有信号都由时钟定时的特点，又允许不同设备共存于总线。
在半同步通讯时，每一步的操作的时间是不同的，因此不必像同步通讯那样以通讯内最长的时间来划分时钟周期，在时钟上具有灵活性。
4、分离式通信
同步、异步、半同步通信的共同点：
（1）分离式通信的基本思想
将一个传输操作事务分成两个子过程。
在第一个子过程中，主控设备A在获得总线的使用权后，将请求的事务类型（即总线命令）、地址以及其他有关信息（如主控设备身份的编号等）发送到总线上，从设备B记录下这些信息。主设备发送完这些信息后便立即释放总线，这样其他设备便可使用总线。
在第二个子过程中，从设备B收到主设备A发来的信息后，就按照其请求的命令进行相应的操作，当准备好主设备所需要的数据后，从设备B便请求使用总线，一旦获得使用权，则从设备B就将主设备A的编号及所需的数据等送到总线上，这样主设备A便可接收数据。
（2）分离式通信的特点
1、各模块都有权申请占用总线
2、采用同步方式通信，不等对方应答
3、各模块准备数据时，不占用总线
4、总线被占用时，无空闲。
优点：充分提高了总线的有效占用
缺点：控制相当复杂，开销大