随谈--计算机组成原理--总线结构

总线概述

总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。多个部件与总线相连时，如果出现两个或者两个以上部件同时向总线发送消息，将会导致信号冲突，传输无效。因此：某个时刻，只允许一个部件向总线发送消息，多个部件可以同时接收相同的信息。总线由许多传输线或者通道组成，每条线可以传输一位二进制代码；形象类比于：Java中的可重入读写锁ReentrantReadWriteLock，只能有一个线程在某个时刻拥有写锁，其他线程无法同时写权限，读锁多个线程可以同时从资源处获得读权限。以下为总线在计算机体系中所处位置：

从上图可以看到，总线主要为CUP外连接存储器，IO和CUP的系统总线--连接CUP和存储器的成为存储总线（M总线），连接CUP和各IO设备成为IO总线；以及CUP内部互连AUL，CU和寄存器的片内总线。

单总线结构：

其中CUP，主存，IO设备都挂到一组总线上

面向CPU的双总线结构：

其中与单总线最大的特点是：单总线结构中IO设备与主存交换信息时，原则上不影响CPU工作。

以存储器为中心的双总线结构：

它在单总线基础上开辟了CPU和主存之间的总线，成为存储总线，这组总线速度高，只供主存和CPU之间传输信息。既提高了传输速率，又减轻了系统总线负担，还保留了IO和存储器交换信息不经过CPU的特点。

总线分类（按连接部件的不同）

片内总线

主要为芯片内部的总线，如CPU芯片内部，寄存器和寄存器之间，寄存器和AUL之间都由片内总线连接。

系统总线（CPU，主存，IO互连）

1. 数据总线：传输各功能部件之间的数据信息，为双向传输总线，位数与机器字长和存储字长有关；如果数据总线宽度为8，指令字长为16位，那么CPU取指阶段必须两次访问主存。
2. 地址总线：用来指出数据总线上源数据或者目的数据在主存单位地址或者IO设备地址；如：从存储器中读数据，CPU将此数据所在存储单元地址送至地址线中，又：欲将某数据经IO输出，则CPU除了需要将数据送到数据总线上，还需要将IO地址送到IO地址总线上；因此地址线的代码用来指明CPU将访问的存储单元或IO端口地址，由CUP输出，单向传输，与存储单元个数有关；
3. 控制总线：主要用于控制各部件在不同时刻的占有总线使用权，就是用来发出各种控制信号的传输线。常见的控制信号：

• 时钟：用来同步各种操作；
• 复位：初始化所有部件；
• 总线请求：表示某部件需要获得总线控制权；
• 总线允许：表示需要总线使用权的部件已经获得控制权；
• 中断请求：某部件提出中断请求；
• 中断响应：中断请求已接收；
• 存储写：数据总线数据写入指定存储单元；
• 存储读：指定存储单元数据读至数据总线上；
• IO读：从指定IO端口将数据读到数据总线；
• IO写：数据总线数据输出到指定IO端口内；
• 传输响应：表示数据已被接收，或送至数据总线上；

总线特性和指标

总线特性

1. 机械特性：指总线在机械连接方式的特性，如：插头和插座标准，几何尺寸，引脚个数和排列顺序，接头处可靠连接；
2. 电气特性：总线每根传输线信号的传递方向和有效电平范围，通常规定，CPU发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号；有的定义为高电平有效，也有定义为低电平有效；
3. 功能特性：总线中每根线功能，如地址总线用来指出地址码，数据总线传输数据，控制总线发出控制信号；
4. 时间特性：指总线中任一根线在什么时间内有效，每条总线上各信号互相存在一种有效时序的关系；

总线指标

1. 总线宽度：指数据总线根数，用位表示；
2. 总线带宽：可理解为总线的传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输的字节数衡量，单位MBps;
3. 时钟同步异步：总线上数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线；
4. 总线复用：一条信号线分时传输两种信号；

总线结构

此文主要介绍多总线结构：双总线结构和三总线结构

双总线结构：

其特点是：将速度较低的IO设备从单总线中分离，形成主存总线和IO总线分开的结构，其中通道为特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放到通道，使其对IO设备具有统一的管理能力。

三总线结构：

此结构主要CPU和主存之间传输，IO总线CPU和各IO设备信息交换，DMA总线用于高速IO和主存之间交换信息，此结构中，任一时刻只能使用一种总线；主存总线和DMA无法同时对主存操作，IO总线只有CPU执行IO指令时用到；

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