王道计算机组成原理课代表 - 考研计算机 第六章 总线 究极精华总结笔记
本篇博客是考研期间学习王道课程 传送门 的笔记，以及一整年里对
计算机组成知识点的理解的总结。希望对新一届的计算机考研人提供帮助！！！
关于对总线章节知识点总结的十分全面，涵括了《计算机组成原理》课程里的全部要点（本人来来回回过了三遍视频），其中还陆陆续续补充了许多内容，所以读者可以相信本篇博客对于考研计算机组成原理 “总线” 章节知识点的正确性与全面性；
但如果还有自主命题的学校，还需额外读者自行再观看对应学校的自主命题材料。
计算机组成原理笔记导航
- 第一章 计算机系统概述
- 第二章 数据的表示和运算
- 第三章 存储系统
- 第四章 指令系统
- 第五章 中央处理器
- 第六章 总线
⇦当前位置- 第七章 输入输出系统
计算机组成原理 复试精简笔记 (加班中...)- 408 全套初复试笔记汇总 传送门
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食用说明书：
第一遍学习王道课程时，我的笔记只有标题和截图，后来复习发现看只看图片，并不能很快的了解截图中要重点表达的知识点。
在第二遍复习中，我给每一张截图中 标记了重点，以及 每张图片上方总结了该图片 对应的知识点 以及自己的 思考 。
最后第三遍，查漏补缺。
所以 ，我把目录放在博客的前面，就是希望读者可以结合目录结构去更好的学习知识点，之后冲刺复习阶段脑海里可以浮现出该知识结构，做到对每一个知识点熟稔于心！
请读者放心！目录展示的知识点结构是十分合理的，可以放心使用该结构去记忆学习！
注意(⊙o⊙)！，每张图片上面的文字，都是该图对应的知识点总结，方便读者更快理解图片内容。
《计算机组成原理》第6章 总线
【考纲内容】
王道 P286 ~ 301
网课耗时：0.5 h + 0.5 h + 0.5 h
- 总线的基本概念；
- 总线的组成及性能指标；
- 总线事务和定时；
【复习提示】
总线章节一般考察 选择题 ，特别是 总线的特点、猝发传输方式、性能指标、定时方式 及 常见的总线标准；
总线带宽的计算 也可能结合其他章节出综合题；
除课后习题外，王道课本内容笔记里都包含 ；
6.1 总线概述
6.1.1 总线的基本概念
1. 总线的基本概念
① 计算机系统五大部件的互连方式
随着技术发展，计算机结构从 分散连接 发展为 总线连接 ：
分散连接：各部件之间使用单独的连线；
总线连接：各部件连到一组公共信息传输线上；
② 为什么要使用 总线连接方式 ？
分散连接是 两两相连 ，需要通信的两个部件，使用线路连接起来；
但是如果两两连接的数量太多时，不仅成本高，而且连接太麻烦了！
并且两两进行连接，就要求有对应的接口，但不可能有那么多接口，即占用空间，而且后续还难扩展！
所以逐渐使用 总线连接 的方式进行部件之间的连接；
③ 总线上的信息传输
串行传输：一位一位地传输，一位一位地接收。（适合长距离传输）
并行传输：多位同时传输，多位同时接收。需要多条线，传输距离变长时，线与线之间会产生干扰，信号可能会发送变形。
（适合短距离传输）
2. 总线的定义和特性
总线（Bus）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；（唐朔飞版本定义） 总线是一组能为多个部件 分时共享 的公共信息传输线路；（王道版本）
- 分时：同一时刻只能有一个部件占用总线，避免多个部件向总线发送信息时，出现 信号冲突 问题（分时发送、同时接收）；
- 共享：每个部件交换的信息可通过这组线路分时共享，接收相同信息；
从物理角度来看，总线由许多导线直接印刷在电路板上，延伸到各个部件（CPU、主存、I/O），这就要求其满足一些相应的物
理特性：
1. 机器特性：尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序；
2. 电气特性：传输方向 和有效的 电平 范围；
3. 功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）；
4. 时间特性：信号之间的时序关系；
6.1.2 总线的分类
1. 按数据传输格式分类
串行总线：每次传输一位数据；
并行总线：每次传输多位数据；
2. 按总线功能分类 ⭐
① 片内总线
芯片内部 的总线
(CPU内部级别)；
② 系统总线 ⭐
计算机各部件之间 的信息传输线
(计算机内部级别)
按系统总线传输信息进一步划分：
- 数据总线 ：传输各功能部件之间的数据信息。是 双向 的，其位数与机器字长、存储字长相关；
- 地址总线 ：指出 数据总线上源数据或目的数据 在 主存或I/O设备上的地址。是 单向 的，其位数与存储单元个数（存储地址、I/O设备）相关；
- 控制总线 ：用来发出各种控制信号的传输线，有出、有入。
例如：中断请求、总线请求、存储器读、存储器写、总线允许、中断确认等；
③ 通信总线
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
(计算机级别) 传输方式：串行通信总线、并行通信总线；
IO总线主要用于连接中低速的IO设备，通过IO接口与系统总线相连接，目的是将低速设备与高速总线分离，以提升总线的系统性能，常见的有USB、PCI总线。
3. 按时序控制方式
略，非重点
6.1.3 总线的连接方式
① 单总线结构
特点：一组总线、容易冲突 ； 针对总线冲突问题，可以设置 总线判优 逻辑，各部件按优先级来占用总线，但会影响整机的效率；
② 双总线结构
面向 CPU 的双总线结构，如下图所示（了解即可）； 缺点：I/O设备与主存交换信息时仍然要占用CPU，所以会 影响CPU效率 ；
以 存储器 为中心的双总线结构，如下图所示（了解即可）；
增加了 存储总线 ，即减轻了 单总线结构 中的 总线负担 问题，又不会出现 面向CPU的双总线结构 中影响CPU效率的情况；
不过现阶段，主存还是无法同时使用系统总线和存储总线。
加入 通道 的双总线结构，如下图所示；
单总线已经无法解决CPU、主存和I/O设备之间的传输速率不匹配问题，所以改进采用 多总线结构 ；
③ 三总线结构
将速率不同的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同的总线上，进一步提高计算机效率；
主存总线：CPU与主存之间的传输；
I/O总线：CPU与各类I/O设备之间传递信息；
DMA总线：高速I/O设备与主存之间直接交换信息；
任一时刻里，三总线只能使用一种总线； 主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取，I/O总线只能在CPU执行I/O指令时才能使用；
三总线结构的又一形式（简单了解，非重点）
CPU与主存的传输速率差距越来越大，所以在它们之间增加了Cache作为缓存，所以增加 局部总线 ； 另外还有 扩展总线 ，通过扩展总线接口与系统总线相连，其他接口与I/O设备相连实现扩展。
④ 四总线结构（简单了解，非重点）
在 三总线结构的又一形式 的结构中，多种不同传输速率的设备都连接到了扩展总线，这是会影响外部设备的工作效率。 所以又增加了高速总线 ，负责哪些高速设备的传输。低速设备还是连接原来的扩展总线，系统效率得到进一步提升！
小结
6.1.4 总线的性能指标
① 总线的传输周期 (总线周期)
② 总线时钟周期
③ 总线的工作频率
④ 总线的时钟频率
⑤ 总线宽度
总线位宽，指 数据线的根数；
⑥ 总线带宽 (标准传输率)
指每秒传输的最大字节数；
数据线和地址线复用 ：分时使用同一组总线；
突发传输方式 ：传送一次地址，之后可以连续读出（或写入）这个地址之后的多个数据；
串行总线和并行总线的总线带宽
⑦ 总线复用
地址线 与 数据线 复用；
⑧ 信号线数
地址线、数据线和控制线的数量总和；
小结
6.2 总线判优控制 *
总线上连接的多个设备，在数据传输时就需要面对多种控制问题，本节重点研究以下两个问题：
- 总线判优控制： 总线仲裁
- 总线通信控制：总线操作和定时
1. 总线仲裁的基本概念
==主设备(模块)：==对总线有 控制权
==从设备(模块)：==响应 从主设备发来的总线命令
==总线判优控制方式：==集中式（将控制逻辑集中在一处）、分布式（将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上）
2. 集中仲裁方式
① 链式查询方法
下图三条线用于总线控制，设备通过 BR总线请求线 发出总线占用请求；
如果每个设备占用总线，就使用 BS=1总线忙 进行声明；BG是总线授权线；
其中总线同意信号BG是串行连接一个个I/O接口（逐个），当遇到接口有总线请求，就不继续往下传了。
特点：
- 结构简单易实现，易扩充设备；
- 串行导致对电路故障敏感，并且 优先级低（离控制部件远）的部件很难获得请求 ；
② 计数器定时查询方式
与 链式查询方法 相比，多了设备地址线，少了总线同意线BG；
设备地址线上传输的地址是计数器给出的，通过这个地址来查找某个设备是否发出占用请求；
特点：设备优先级设置灵活，对电路问题不敏感了；但增加了设备地址线，控制变复杂了；
③ 独立请求方式
每个设备均有一对 总线请求线BRi 和 总线同意线BGi ；
总线控制部件有一排队电路，可以根据优先级确定响应那一台设备的请求；
特点：响应速度快，优先次序控制灵活。但控制线数量多，总线控制复杂；
三种集中控制方式小结
链式查询仅使用 两根线 确定总线使用权属于哪个设备；
计数器查询使用 log2n 根线；
独立请求方式使用 2n 根线；
3. 分布仲裁方式
小结
6.3 总线通信控制
1. 总线通信控制的目的
解决通信双方 协调配合 问题；
2. 总线传输周期 (总线事务)
总线传输周期是指 主设备与从设备完成一个完整可靠的通讯（总线操作）使用的时间 ，分成四个阶段；
【补充】
突发 (猝发) 传送方式 能够进行连续成组数据的传送，
其 寻址阶段 发送的是连续数据单元的首地址，在 传输阶段 传送多个连续单元的数据，每个时钟周期可以传送一个字长的信息 ，但是不释放总线，直到一组数据全部传送完毕后，再释放总线。
3. 总线通信 (总线定时) 的四种方式
① 同步定时方式 (同步通信)
② 异步定时方式 (异步通信)
③ 半同步通信
④ 分离式通信
小结
6.4 总线标准 *
1. 总线标准的基本概念
2. 局部总线标准
3. 设备总线标准
小结
6.5 常见问题和易混淆点
1. 同一个总线不能既采用同步方式又采用异步方式通信吗?
半同步通信总线可以；
这类总线既保留了同步通信的特点，又能采用异步应答方式连接速度相差较大的设备；
通过在异步总线中引入时钟信号，其就绪和应答等信号都在时钟的上升沿或下降沿有效，而不受其他时间的信号干扰；
例如，某个采用半同步方式的总线总是从某个时钟开始，在每个时钟到来时，采样Wait信号，若无效，则说明数据未准备好，下个时钟到来时，再采样Wait信号，直到检测到有效，再去数据线上取数据；PCI总线也是一种半同步总线，它的所有事件都在时钟下降沿同步，总线设备在时钟开始的上升沿采样总线信号；
2. 一个总线在某一时刻可以有多对主从设备进行通信吗?
不可以
在某个总线周期内，总线上只有一个主设备控制总线，选择一个从设备与之进行通信（即一对一的关系)，或对所有设备进行广播通信（即一对多的关系)；
所以一个总线在某一时刻不能有多对主从设备进行通信，否则会发生数据冲突；
1) 引入总线结构有什么好处 ？
答：引入总线结构主要有以下优点：
① 简化了系统结构，便于系统设计制造；
② 大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性；
③ 便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口；
④ 便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化；
⑤ 便于设备的软件设计，所有接口的软件对不同的接口地址进行操作；
⑥ 便于故障诊断和维修，同时也能降低成本;
2) 引入总线结构会导致什么问题 ？如何解决 ？
答：
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；