计算机组成原理——总线系统总结

计算机组成原理——总线系统总结

一、总线的概念：

总线是构成计算机系统放入互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接，计算机在各个系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。

二、总线的分类：

• 按总线在系统结构中层次结构分类：

1. 内部总线（片内总线）：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，在芯片内部，高速设备中。
2. 系统总线（板级总线）：CPU同计算机系统的其他高速功能部件（如存储器、通道、cache）相互连接的总线。
3. I/O总线：中低速I/O设备之间相互连接的总线。
4. 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。根据传输方式又分为串行通信总线和并行通信总线。

• 按传送数据类型分类：

1. 数据总线（DB，Data Bus）
   ①双向的
   ②数据总线的位数称为总线宽度
   ③机器位数（位数），与机器字长、存储器字长有关
2. 地址总线（AB，Address Bus）
   ①单向的
   ②用来标识主存或I/O设备上存储单元的位置
   ③地址总线的位数与存储单元的个数有关
3. 控制总线（CB，Control Bus）
   ①发出各种控制信号
   ②单一控制线通常是单向的
   ③总体来说是双向总线，有入（中断请求、总线请求）有出(存储器读、存储器写，中断确认)
   ④典型控制线：复位、时钟、中断请求、终端确认、总线请求、总线允许、存储器读写，I/O读写

三、总线的特性：

1. 机器（物理）特性：
   ☞总线的物理连接方式，包括总线条数，总线的插头，插座的形状，引脚线的排列方式等。

2. 电气特性：
   ☞每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。

3. 功能特性：
   ☞描述总线中每一根线的功能。（AB、DB、CB）

4. 时间特性：
   ☞每根线在什么时间有效。（信号的时序关系）

四、总线的性能指标：

1. 总线带宽：数据线的根数（总线本身所能达到的最高传输速率）
2. 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
3. 时钟同步/异步：同步、不同步
4. 总线复用：地址线与数据线复用
5. 信号线数：地址线、数据线和控制线的 总和
6. 总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7. 其他指标：负载能力

五、总线标准

相同的指令系统,相同的功能,不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的,但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用,其原因在哪?就是因为它们都遵守了相同的系统总线的要求,这就是系统总线的标准化问题.
采用标准总线的优点：

1. 简化系统设计
2. 简化系统结构，提高系统可靠性
3. 便于系统的扩充和更新

六、总线的连接方式：

1. 单总线结构
   优点：结构简单、成本低、易于扩展
   缺点：带宽低、负载重、多个部件争用总线且不支持并发传送操作
   
2. 双总线结构（存储器中心）
   优点：系统简单、易于扩充
   缺点：增加硬件为代价 (通道)
   
3. 多层次结构

七、总线的仲裁（判优）方式：

连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。如CPU模块，它在不同的时间可以作为主方，也可以作为从方；二存储器只能作为从方。主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方的请求。每一次的总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间可以有一个或多个从方。
对于多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。例如，在多个处理器系统中对各CPU模块的总线请求采用公平性的原则来进行处理；而对于I/O模块的总线请求则采用优先级策略。

主设备（主方、主模块）：对总线有控制权
从设备（从方、从模块）：响应从主设备发来的总线命令

1. 集中式仲裁
   ①链式查询方式
   离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。
   优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。
   缺点：是对询问链的电路故障很敏感，优先级固定。
   
   ②计数器定时查询
   优点：从0开始计数，优先级固定 ；从上次终点开始计数，优先级循环，所以优先级相等；优先级还可以由程序设置，优先次序可以改变
   缺点：增加设备控制线(log2n)，控制比链式电路复杂
   
   ③独立请求方式
   优点：1.响应时间快.
   2.对优先次序的控制相当灵活。可以预先固定，也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。
   因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。
   缺点：控制线数量多(2n)，总线控制逻辑更复杂
   

2. 分布式仲裁
   不需要中央仲裁器，而是多个仲裁器竞争使用总线。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

八、总线通信的四种方式：

1. 同步通信：由统一时标控制数据传送
2. 异步通信：采用 应答方式 ，没有公共时钟标准
3. 半同步通信：同步、异步结合
4. 分离式通信：充分提高了总线的有效占用

九、总线传输周期的四个阶段：

1. 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
2. 寻址阶段：主模块向从模块 给出地址 和 命令
3. 传数阶段：主模块和从模块 交换数据
4. 结束阶段：主模块 撤消有关信息

十、总线传送的三种格式：

1. 串行传送方式
2. 并行传送方式：成本高，每个数据位都需要一条数据线
3. 分时传送方式：①总线复用方式②共享总线