计算机组成原理--总线系统

文章是看王道所写

一、总线的基本概念

1.总线的特点

• 总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路

共享指的是总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享
分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息

那么我们为什么要使用总线呢
因为早期计算机外部设备少的时候大多数是用分散连接的方式，不容易实现随时增减外部设备，为例更好解决I/O设备和主机之间连接的灵活性问题，计算机的结构从分散连接发展成总线连接

2.总线的特性

• 物理特性

  • 总线的物理特性指总线的物理连接方式，包括总线的根数、总线的插头、查找的形状、引脚线的排列方式等+ 功能特性

• 电气特性

  • 信号的传递方向和有效电平范围

• 时间特性

  • 信号的时序关系，定义每根线在什么时间有效

• 功能特性

  • 描述总线上每一根线的功能(地址、数据、控制）

3.总线的分类

3.1按照数据传输格式划分

①工作频率相同的时候，串行总线传输速度比并行总线慢
②并行总线的工作频率无法持续提高，而串行总线可以通过不断提高工作频率来提高传输速度，最终超过并行总线

3.2按照总线功能划分

• 片内总线

片内总线是芯片内部的总线
它是CPU芯片内部寄存就与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线

• 系统总线

系统总线是计算机系统内各功能部件(CPU、主存、I/O接口)之间相互连接的总线，按照系统总线传输信息内容的不同，又可以分成3类:数据总线、地址总线和控制总线

• 通信总线

通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(比如远程通信设备\测试设备)之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线

3.3按照时序方式划分

• 同步总线
• 异步总线

4.系统总线的结构

系统总线主要有三种：

• 单总线结构

结构：CPU、主存、IO设备都连接在一组总线上，运行IO设备之间，IO设备和CPU之间或IO设备与主存之间直接交换信息
优点：结构简单，成本低，容易接入新的设备
缺点：带宽低(速度低)，负载重，多个部件只能争用唯一的总线，而且不支持并发传送操作
注意:
单总线不是说指单根总线，系统总线按照传输信息的不同可以划分成地址总线、数据总线、控制总线

• 双总线结构

结构:双总线结果有两条总线，一条主存总线，用于CPU、主存和通道之间进行数据传送；另一条是I/O总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送
主存总线支持突发(猝发)传送：发出一个地址，收到多个地址连续的数据
通道是具有特殊的处理器，可以对I/O设备进行统一管理。通道程序放在主存中
优点：把较低速的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和I/O总线分离
缺点：需要增加通道等硬件设备
因为有的I/O设备比较快，有的I/O设备比较慢，所以就有了第三层次的分离

• 三总线结构

可以直接进行访问的叫高速外设

因为这三组总线在同一个时刻，只能有一组总线工作，所以效率低

桥接器：用来连接不同的总线，具有数据缓冲，转换和控制功能‘
靠近CPU的总线速度较快
每级总线的设计遵循总线标准

二、总线的性能指标

三、总线仲裁

1.基本概念

总线仲裁的定义：多个主设备同时竞争总线控制权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权称为总线仲裁
总线仲裁使用了解决多个主设备竞争使用总线的问题

接下来，以单总线为例来进行讲解

同一个时刻只能有一个设备控制总线传输操作，可以有一个或多个设备从总线接收数据
把总线上所连接的各类设备按照其对总线有无控制功能分成:
主设备:获得总线控制器的设备
从设备:被主设备访问的设备，只能响应来自主设备发来的各种总线命令

总线仲裁分类:

• 集中仲裁方式
  • 链式查询方式
  • 计数器定时查询方式
  • 独立请求方式，
• 分步仲裁方式

2.集中仲裁方式

工作流程:
①主设备发出请求信号
②如果有多个主设备同时要使用总线，那么就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按照一定的优先等级顺序确定哪个主设备能够使用总线
③获得总线试用期的主设备开始传送数据

2.1链式查询方式

2.2计数器查询方式

通过地址就可以直接定位到对应的设备，而不需要想链式查询方式一样一位一位往下传,n个设备需要n个设备地址线

假设设备1和n发送请求信号
控制部件接收到请求信号，并且发现现在总线空闲，就会启动计数器的工作
从0开始计数，每计数一个，就会以这个数字通过设备地址线把地址信号发送出去，先发送0这个地址，对应的是设备0，看看这个设备0有没有发送请求，如果设备0没有发送请求，那么计数器就会继续往下计数
这个时候计数器为1，发现设备1有发送请求，就把控制权交给设备1，并且计数器不会继续往下数，设备1获得总线控制权后，就会发送总线忙的信号，当它用完以后，总线忙的信号就会撤去
计数器就会继续往下数，直到计数到n，发现设备n发送请求，设备n获得控制权

2.3独立请求方式

3.分步仲裁方式

四、总线的操作和定时

操作和定时用来解决占用总线的一对设备怎么进行数据传输

1.总线传输的四个阶段

2.同步定时方式

同步 概括来讲，就是有两个数据源，最初它们的数据都是一样的。若一个数据源的数据经过添加、修改、删除等操作发生了改变（或者两个数据源的数据都发生了改变），那么为了使两个数据源的数据保持一致，即让一个数据源数据的改变反映到另一个上，就必须进行一个让两个数据源的数据保持一致的操作，这个操作就叫“同步”。同步操作结束之后，两个设备上的数据就完全一致了，处于“同步”状态。

3.异步定时方式

异步定时方式没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完全依靠传送双方相互至于的握手信号来实现定时控制
主设备提出交换信息的请求信号，经过接口传送到从设备，从设备接到主设备的请求后，通过接口向主设备发出回答信号

根据请求和回答信号的撤销是否互锁，分为下面三种类型
①不互锁方式
②半互锁方式
③全互锁方式

异步定时方式优点：总线周期长度可变，可以保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换，自动适应时间的配合
缺点：比同步控制方式稍微复杂一点，速度比同步定时方式慢

五、总线的标准

总线的标准