计算机组成原理（二）总线

 一、总线的基本概念

1.1什么是总线

总线是连接各个部件的信息传输线，是 各个部件共享的传输介质

1.2为什么要用总线·

早期计算机外部设备少时大多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。
为了更好地解决I/0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
发展为总线连接。

1.3引入总线结构有什么好处

引入总线结构的好处如下：

1. 降低系统复杂度：通过总线将多个设备连接在一起，可以大大降低系统的复杂度，方便系统的设计和维护。

2. 提高系统可靠性：总线结构可以提高系统的可靠性，因为总线可以连接多个设备，如果某个设备出现故障，系统可以继续运行。

3. 提高系统性能：总线结构可以提高系统的性能，因为多个设备可以同时访问总线，从而实现并行访问，提高系统的效率。

4. 降低成本：总线结构可以降低系统的成本，因为通过总线连接多个设备可以减少硬件的数量，从而降低成本。

1.4引入总线会导致什么问题？如何解决？

引入总线后，总线上的各个设备分时共享同一总线，当总线上多个设备同时要求使用总线时就会导致总线的冲突。为解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，应当采用总线仲裁部件，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权，只有获得了总线控制权的设备才能开始数据传送。

二、总线的分类

（1）按所传输的信息

 

地址总线（Address Bus，AB）：传输地址信号的总线

数据总线（Data Bus，DB）：传输数据信号的总线

控制总线（Control Bus，CB）：传输控制信号的总线

（2）按传输方式

并行总线（一次传输多位数据）、串行总线（一次仅传输一位数据）

（3）按所连接的部件

系统总线（亦称处理器总线）：互连系统中主要功能部件的总线，一般主要连接处理器和主存，特点是时钟频率高、线宽大

输入输出总线（亦称I/O总线）：连接主机和输入/输出设备的总线，特点是时钟频率低、线宽小

（4）按在系统中的位置

片内总线：位于处理芯片内部的总线，负责寄存器之间和寄存器与运算器之间数据传输

系统总线（亦称底板总线或内总线）：计算机系统主板上的总线，负责处理器、主存以及I/O接口之间的互连

板间总线（亦称I/O总线）：用于主机与I/O接口的互连，主要反映为主板上的扩展插槽

通信总线（亦称外总线）：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(如控制仪表、移动通信等)之间的通信

 三、总线特性及性能指标

3.0总线物理实现

3.1总线的特性

（1）物理特性（亦称机械特性）

指总线在连接方式上的一些特性，如插头和插座使用标准（几何尺寸、形状、引脚个数以及排列的顺序）

（2）电气特性

指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围

   *  传递方向的三种模式

单工：传递方向不可改变，仅按预先设定的方向传递

半双工：传递方向可以改变，但某个时间段仅能按一个方向传递（仅一个信道）

全双工：可两个方向同时传递（实质上是两个信道）

   *  TTL逻辑电平

     “0”用+5v电平、“1”用0v电平

（3）功能特性

指总线中每一根传输线的功能

地址总线（Address Bus，AB）：传输地址信号的总线

数据总线（Data Bus，DB）：传输数据信号的总线

控制总线（Control Bus，CB）：传输控制信号的总线

举例：D0 —D31（数据线）            //数据线32根，对应32位机

      A0 —A31（地址线）            //地址线32根，对应寻址空间4GB

      CLK（时钟）      RST（复位）

      INTR（中断请求）     INTA（中断响应）

      RD（读）   WR（写）

      HRQ（总线请求）    HLDA（总线允许）

（4）时间特性（亦称过程特性）

指总线中任一根线在什么时间内有效，具体用时序关系图描述，信号的 时序 关系

3.2总线的性能指标

1、总线宽度——数据总线的位数

2、标准传输率——即传输带宽

标准传输率＝总线宽度×工作频率        //注意不是时钟频率

注意：传输带宽为理论上的最大值（即总线的峰值）

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        并发、自动、仲裁、逻辑、计数

7、其他

工作时钟频率——控制总线中时钟信号线所提供的频率

   *  处理器内部总线的频率称为内频

   *  系统总线的频率称为外频

单个数据传送周期数

   *  正常方式：传送时先送地址，然后再送数据（即两个工作周期送一个数）

   *  突发方式：只第一个数采用正常方式（两个工作周期），后续数据只需一个工作周期即可（通常满足局部性原理，不需再送地址，地址自动加1即可）

负载能力——连接部件数目的多少（平均值一般为3个）

例：某系统一个周期内传4字节信息，一个总线周期占两个时钟周期，总线时钟频率为10MHz，则总线的传输带宽是多少？

4B×（10MHz÷2）＝20MB/s

每个总线周期传输4字节，即32位，需要两个时钟周期，因此每秒可以传输的字节数为：

传输带宽 = 传输字节数 × 总线时钟频率

10 MHz / 2 × 4 = 20 MB/s

因此，总线的传输带宽为20 MB/s。

注意：总线时钟周期，即时钟信号线一次时钟震荡的时间值

总线周期，即传输一次数据的时间值，一般需要几个总线时钟周期

例：总线时钟频率为100MHz，总线宽度32位，每传输一次地址或一次数据均只需一个总线时钟周期即可，支持突发传输，则传输128位需多长时间？

一个总线时钟周期TC＝（1/100MHz）＝10ns

传128位需传数据（128÷32）＝4次

第一次传数需传地址和数据，即需2TC，后三次不需要传地址，则只需3TC

共需2TC＋3TC＝5TC＝50ns

3.3总线标准

四、总线结构

4.1单总线结构

特点：共享总线，扩展容易，但I/O总数有上限（受总线负载能力限制）

      总线速度由最慢设备决定（木桶原理），总线利用率低

      正常的I/O模式，即I/O先传数给CPU，CPU再把数传给主存（不存在DMA）

4.2双总线结构（系统总线＋局部总线）

4.2.1 以存储器为中心的双总线结构框图

以存储器为中心的双总线结构，是指将存储器作为系统总线的中心，连接CPU、输入/输出设备、控制器等所有系统组成部分。这种结构中，主存储器通常与CPU 相连，输入/输出设备和控制器通过输入/输出总线连接存储器，与CPU 相互独立地进行数据传送和控制信号的交换。另外，输入/输出总线和CPU 总线之间还有一个接口电路，实现CPU 和输入/输出设备之间的数据传送。这种结构的优点是存储器和输入/输出设备可以同时进行数据传送，缩短了系统总体的传输时间，同时也有利于系统的扩展和升级。

4.2.2面向 CPU 的双总线结构框图 

 面向CPU的双总线结构是一种常见的计算机总线结构，它以CPU为中心，将计算机分成两个部分，一部分是CPU及其相关部件，另一部分是存储器及其相关部件。该结构中，CPU通过两条总线分别与存储器和I/O设备通信。

在面向CPU的双总线结构中，分为地址总线和数据总线两条总线。CPU通过地址总线向存储器或I/O设备发送地址信息，通过数据总线进行数据的读写操作。由于地址和数据总线是分开的，因此CPU和存储器或I/O设备可以同时进行读写操作，提高了计算机系统的并行度和效率。

M总线是指冯·诺依曼计算机中的主总线，负责CPU与内存之间的数据传输和指令读取。在以存储器为中心的双总线结构中，M总线连接CPU和内存控制器，是CPU和内存之间的主要数据通道。CPU通过M总线向内存发送读/写请求，内存通过M总线响应CPU的请求并传输数据。M总线的带宽决定了CPU与内存之间的数据传输速度，因此是计算机性能的重要指标之一。

4.3三总线结构

DMA总线（Direct Memory Access Bus）是一种直接存储器访问总线，用于数据传输。DMA总线独立于CPU总线，具有自己的地址和数据线，可以直接访问存储器。当需要大量数据传输时，使用DMA总线可以减少CPU的负担，提高数据传输速率。DMA总线通常用于高速数据传输、音频和视频处理等领域。

三总线结构的又一形式

4.4四总线结构 

 Cache是一种高速缓存，通常用于存储CPU频繁访问的数据或指令，以提高计算机系统的运行速度。Cache分为多级，一般分为L1、L2和L3缓存。Cache通过存储最近使用的数据或指令来减少CPU对主存的访问，这些数据或指令可以快速地被CPU访问。

桥是一种用于连接不同总线或设备的芯片，它将一个总线转换为另一个总线，或将一个设备的信号转换为另一个设备可以理解的信号。桥通常用于连接不同种类的总线、处理器、内存等设备，以便它们可以相互通信和交换数据。

4.5总线的层次结构

4.5.1传统微型机总线结构

 4.5.2VL-BUS局部总线结构

VL-BUS是一种局部总线结构，用于连接微型计算机的主板和扩展插槽。它是ISA总线的改进版，提供更高的传输速度和更大的带宽，最高可以支持33MHz的总线时钟频率

VL-BUS结构相对简单，由于是局部总线，只连接主板和扩展插槽，因此传输的距离较短，也容易维护。但是它的插槽数量受到限制，同时由于ISA总线的存在，VL-BUS也逐渐被PCI总线所替代。

4.5.3PCI 总线结构

 PCI（Peripheral Component Interconnect，外设互联总线）是一种计算机总线标准，用于连接计算机内部的各种外设（如网卡、声卡、显卡、USB 控制器等）。

PCI 总线结构有以下优点：

1.高带宽：PCI 总线的带宽可达 133 MB/s，支持高速数据传输。

2.灵活性：PCI 总线支持多种不同类型的设备，包括内存、I/O 和通信设备。

3.可插拔性：PCI 总线允许用户在不关闭计算机的情况下插拔设备，非常方便。

4.多设备支持：PCI 总线可以连接多个设备，支持多任务处理和并行操作。

4.5.4多层 PCI 总线结构

五、总线控制 

5.1总线仲裁（//决定总线归谁使用）  

  总线控制器：需要有一个控制器来决定总线的使用权和对总线进行管理

   *  控制方式

集中式——控制逻辑集中在一处（早期通常在CPU内部）

分布式——控制逻辑分散到各个部件或设备上

   *  主模块（Master Module）：拥有总线控制权的部件

从模块（Slave Module）：被主部件访问的部件，响应 从主设备发来的总线命令

 （1）链式查询方式

 其中BS（Bus Busy）为总线忙，BR（Bus Request）为总线请求，BG（Bus Get）为总线获得。

特点：结构简单，扩展容易（不管设备为多少，仅需三根控制线即可）

          对故障敏感（某个设备出错，其后的所有设备均无法操作）

          远端响应机会小（存在饥饿现象），远端响应延迟大

（2）计数器定时查询方式

用一组设备地址线替代原来的BG，由于取消了BG，所以故障敏感特性消失，只有设备地址线上的地址值与请求设备的编号相同时，设备才能获得总线。

特点：扩展受地址线位数限制（如设备地址线仅3位，则最多设备数为8个）

      对故障不敏感

      各设备优先级相同（请求时设备地址线数值随机）

      响应的延迟可能小，亦可能大（响应时间无法预期）

（3）独立请求方式

 每一个设备均有一组BR和BG，所以响应时间短，但硬件开销较大（线数多），总线控制器内需要一个优先级排队器。 

（4）分布式总线仲裁方式

各设备有自己的仲裁电路，操作时向共享的优先级地址线发自己的优先级号，然后回收地址线上的数值，根据回收的数据决定是否使用总线。（具体的判断规则略） 

5.2总线通信控制

目标        解决通信双方 协调配合 问题

  数是否送到总线上、对方是否接收、数是否撤销、下一次是否开始

总线传输周期  

 5.2.1总线通信的四种方式

5.2.2同步通信

    * 无需感知对方，按固有时钟周期来处理

   *  时钟可共享同一个，亦可彼此各有一个（但使用前需协调同步）

读数据操作时序关系

 

六、课后题

6.1选择题

1、计算机使用总线结构便于增加外设，同时（  C  ）

A.  减少了信息传输量             B.  提高了信息的传输速度        

C.  减少了信息传输线的条数       D.  以上均不对

2、计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化，缺点是（  C  ）

A.  地址信息、数据信息和控制信息不能同时出现    

B.  地址信息和数据信息不能同时出现        

C.  两种信息源的代码在总线中不能同时传送      

D.  数据信息不能双向传送

3、总线中地址线的作用是（  C   ）

A.  用于选择存储器单元                B.  用于选择进行信息传输的设备        

C.  用于指定存储器单元和I/O设备接口电路的选择地址    D.  以上均不对

4、微型机读/写控制信号的作用是（   D  ）

A.  决定数据总线上的数据流方向    

B.  控制存储器操作（读/写）的类型        

C.  控制流入、流出存储器信息的方向      

D.  以上的任一种作用

D. 以上的任一种作用。微型机的读/写控制信号可以决定数据总线上的数据流方向，控制存储器操作（读/写）的类型以及控制流入、流出存储器信息的方向。这些信号对于控制微型机的操作和存储器的访问非常重要。

5、在三种集中式总线控制中，响应时间最快的方式是（   C  ）

A.  链式查询   B.  计数器定时查询   C.  独立请求    D.  以上三种均可

6、在三种集中式总线控制中独立请求方式响应时间最快，是以（  B  ）为代价的

A.  增加处理机的开销             B.  增加控制线数        

C.  增加存储器的容量             D.  增加处理机的时钟频率

7、同步通讯之所以比异步通讯具有较高的传输频率是因为（   E  ）

A.  同步通讯不需要应答信号    

B.  同步通讯方式的总线长度较短      

C.  同步通讯用一个公共的时钟信号进行同步      

D.  同步通讯各部件存取时间比较接近

E.  以上各种因素综合的结果

8、在系统总线的数据线上，不可能传输的是（   C  ）

   A.  指令       B.  操作数       C.  握手（应答）信号       D.  中断类型号

在系统总线的数据线上，不可能传输的是握手（应答）信号。握手信号通常是由控制线传输，用于在数据传输前进行通信协议的协商。数据线主要用于传输数据、指令和操作数等信息。中断类型号也可以通过数据线进行传输。

9、假设某系统总线在一个总线周期内并行传送4字节信息，一个总线周期占用2个时钟周期，总线时钟频率为10MHz，则总线带宽是（  B  ）

   A.  10MB/s       B.  20MB/s        C.  40MB/s        D.  80MB/s

10、某同步总线的时钟频率为100 MHz，宽度为32位，地址/数据总线复用，每传输一个地址或数据占用一个时钟周期。若该总线支持突发（猝发）传输方式，则一次“主存写”总线事物传输128位数据所需要的时间至少是（   C  ）

A.  20ns         B.  40ns        C.  50ns          D.  80ns

11、下列选项中的英文缩写均为总线标准的是（  D   ）

    A.  PCI、CRT、USB、EISA         B.  ISA、CPI、VESA、EISA       

C.  ISA、SCSI、RAM、MIPS        D.  ISA、EISA、PCI、PCI-Express

12、下列关于USB总线特征的描述中，错误的是（  D   ）

A.  可实现外设的即插即用和热插拔      B.  可通过级联方式连接多台外设

C.  是一种通信总线，可连接不同的外设  D.  同时可传输2位数据，数据传输率高

A. 可实现外设的即插即用和热插拔，这是USB总线最为人所知的特性之一。通过USB接口插入外设时，操作系统会自动识别并安装相应的驱动程序，无需手动安装或重启计算机。同时，USB支持热插拔，也就是说，可以在计算机运行时连接或拔出外设，而不会对系统产生影响。

B. 可通过级联方式连接多台外设。USB总线是一种支持多级拓扑结构的总线，即多个USB设备可以通过集线器连接到计算机上，而集线器本身也可以通过另一个集线器连接到计算机上，形成多级拓扑结构。

C. 是一种通信总线，可连接不同的外设。USB总线是一种通用的通信总线，支持连接各种类型的外设，例如鼠标、键盘、打印机、扫描仪、数码相机、移动存储设备等等。

选项 D 错误，因为 USB 总线可以同时传输多位数据，并且数据传输速率可以根据不同的 USB 标准达到不同的速度，例如 USB 1.x 标准最高传输速率为 12 Mbps，而 USB 3.x 标准最高传输速率可达到 5 Gbps。

6.2考研题

1.（P269-30）【2018统考真题】下列选项中，可提高同步总线数据传输率的是（B）。

I. 增加总线宽度      II. 提高总线工作频率

III. 支持突发传输     IV. 采用地址/数据线复用

A.仅I、II

B.仅I、II、III

C.仅III、IV

D.I、II、III 和 IV

2.（P269-31）【2019统考真题】假定一台计算机采用 3 通道存储器总线，配套的内存条型号为 DDR3-1333，即内存条所接插的存储器总线的工作频率为1333 MHz，总线宽度为 64 位，则存储器总线的总带宽大约是（B）。

A.  10. 66 GB/s

B.  32 GB/s

C.  64 GB/s

D.  96 GB/s

3.（P269-32）【2020统考真题】QPI总线是一种点对点全工同步串行总线，总线上的设备可同时接收和发送消息，每个方向可同时传输20位信息(16位数据+4位校验位)，每个QPI数据包有80位信息，分2个时钟周期传送，每个时钟周期传递2次。因此，QPI总线带宽为：每秒传送次数×2B×2。若QPI时钟频率为2.4GHz，则总线带宽为（C）。

A.4.8GB/s

B.9.6GB/s

C.19.2GB/s

D.38.4GB/s

4.（P275-10）【2021统考真题】下列关于总线的叙述中，错误的是（C）。

A.总线是在两个或多个部件之间进行数据交换的传输介质

B.同步总线由时钟信号定时，时钟频率不一定等于工作频率

C.异步总线由握手信号定时，一次握手过程完成一位数据交换

D.突发（Burst）传送总线事务可以在总线上连续传送多个数据

6.3简答题

1.为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种，各自的特点是什么？

2.什么是总线，总线如何分类。什么是总线的特性，描述一种总线需要描述几个特性？

总线是多个部件共享的传输部件。总线传输的特点是：某一时刻只能有一路信息在总线上传输，即分时使用。总线可以分为系统总线、I/O总线、存储器总线等不同类型。

总线的特性主要包括带宽、传输速率、传输模式、传输距离、连接方式、数据传输方式等。其中，带宽是指总线的最大数据传输量，通常以比特/秒（bps）或兆字节/秒（MB/s）为单位；传输速率是指每秒钟传输的数据位数，通常以波特率（bps）表示；传输模式包括同步传输和异步传输两种，同步传输需要在时钟的同步下进行数据传输，而异步传输则不需要时钟同步；传输距离是指总线能够传输的最大长度，超出该长度就需要使用中继器或放大器进行信号放大；连接方式分为并行总线和串行总线两种，串行总线可以有效提高数据传输的速率；数据传输方式包括单向传输和双向传输两种，双向传输可以实现数据的读写操作。

因此，描述一种总线通常需要描述其带宽、传输速率、传输模式、传输距离、连接方式、数据传输方式等多个特性

3. 为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？

总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；

  常见的集中式总线控制有三种： 链式查询、计数器查询、独立请求；  

 特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式判优速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。

4.试比较同步通信和异步通信

同步通信——由统一时钟控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。适合于速度差别不大的场合；    异步通信——不由统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。

5.什么是总线的数据传送数据，它与哪些因素有关

总线的数据传输是指在总线上进行数据交换的过程。它涉及到多个因素，包括总线的带宽、传输速率、总线的传输模式（同步或异步）、数据帧的大小和格式、数据传输的起始和终止时机等等。在进行数据传输时，需要按照总线协议中规定的时序和流程来进行，以确保数据能够正确地传输到目标设备。