计算机组成原理知识点总结——第六章总线

一、总线概述

总线简图

每个总线内部可能包含多根信号线，所以可以进行bit的并行传输。一根总线上，同一时刻只能由一个部件发送数据，但是可以有多个部件接受数据。

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

• 共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互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，则他们只能分时地向总线发送信息。

机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
电气特性：传输方向和有效的电平范围
功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）
时间特性：信号的时序关系

（一）总线的分类

1. 按数据传输格式分类
   
   ⭐并行总线因为会有信号线之间的干扰，所以传输速率并不一定比串行总线高。⭐
2. 按总线的分类（按总线功能）
   1）片内总线
   片内总线是芯片内部的总线
   它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线
   2）⭐⭐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。
   按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类：⭐数据总线、地址总线和控制总线⭐
   
   ⭐数据通路表示的是数据流经的路径，是逻辑上的描述，数据总线式承载的媒介。⭐
   3）通信总线（网线）
   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（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. 按时序控制方式
   同步总线
   异步总线

（二）系统总线的结构

1. 单总线结构
   
   该结构将CPU和外设主存都接在了一组总线上，然后各设备的运行速率不同，会造成带宽的浪费。
2. 双总线结构
   
   支持突发其实就是局部性原理，CPU访问主存某一地址时，主存返回地址相邻连续的多个地址数据。
   通道用于对外部设备的使用的管理，是一个小型处理器。
3. 三总线结构
   
   三根总线同一时刻只能有一条总线在工作，所以导致系统工作效率低。CPU通过DMA总线快速访问磁盘机，通过I/O总线访问其他外设。
4. 四总线结构（考试通常不考）
   

（三）小节回顾

（四）⭐总线的性能指标⭐

1. 总线的传输周期（总线周期）
   一次总线操作所需的时间（包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。
2. 总线时钟周期
   即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制
3. 总线的工作频率
   总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。
   若总线周期=N各时钟周期，则总线的工作频率=时钟频率/N。实际上指一秒内传送几次数据。
4. 总线的时钟频率
   即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数
   若时钟周期为T，则时钟频率为1/T。实际上指一秒内有多少个时钟周期。
5. 总线宽度
   又称为总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常时指数据总线的根数，如32根称为32位（bit）总线。
6. ⭐总线带宽⭐
   可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的尾数，通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒（B/s）表示。
   总线带宽=总线工作频率 x 总线宽度（bit/s）=总线宽度/总线周期（bit/s）
   注：总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率。在计算实际有效数据传输率时，要用实际传输的数据量除以耗时。
7. 总线复用
   总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。会使速度下降
   
8. 信号线数
   地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。

二、总线仲裁（408不考，了解）

基本概念

集中仲裁方式

1. 链式查询方式
   
   
   对硬件电路故障很敏感，并且优先级不能改变。若优先级高的部件频繁故障，则优先级低的部件长期不能使用总线。
2. 计数器查询方式
   
   对电路的故障没有链式敏感。
   缺点
   1、增加了控制线数
   2、控制相对比链式查询相对复杂。
3. 独立请求方式
   

**集中仲裁方式总结 **

分布仲裁方式
不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。

三、总线操作和定时

总线传输的四个阶段

1. 申请分配阶段
   由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段
2. 寻址阶段
   获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。
3. 传输阶段
   主模块和从模块进行数据交换，可单项或双向进行数据传送
4. 结束阶段
   主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。

总线定时是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制，这种控制称为总线定时，他的实质是一种协议或规则。

（一）⭐同步定时方式⭐

同步定时方式是指系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。

若干个时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。
在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。
优点：传送速度块，具有较高的传输速率；总线控制逻辑简单
缺点：主从设备数据强制性同步；不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。
同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统

（二）⭐异步定时方式⭐

在异步定时方式中，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制约的“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。

不互锁、半互锁、全互锁
优点：总线周期长度可变，能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：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。

（三）半同步通信

结合了同步和异步通信的优点，增加了一个等待时钟周期，在主设备等待期间加入若干个等待时钟周期等待从设备响应。

（四）分离通信

加上了前三种通信的优点

（五）小节回顾

四、总线标准（408不考，了解）

懒得了解