计算机组成原理复习5

总线结构与控制

总线结构

单总线结构

1. 单总线结构是将CPU,主存以及I/O设备都挂在一组总线上
2. 允许I/O设备之间，I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息
3. 单总线结构的特点
   1. 结构简单，易于扩充
   2. 允许部件之间直接交换信息
   3. 共享传输介质极易形成系统瓶颈——某时刻只允许一对部件之间传送信息
   4. 适用于小型微型计算机系统

双总线结构

1. 将速度比较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构
2. 通道为特殊功能处理器，完成外部设备与主存储器之间的数据传送
3. 双总线结构多用于大，中型计算机系统

三总线结构

1. 主存总线用于CPU与主存之间；I/O总线用于CPU与各类I/O信息之间；DMA总线用于主存与高速I/O设备(磁盘，磁带）之间
2. 主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取
3. I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才用到
4. 特点
   1. 提高CPU性能
   2. 结构效率低

四总线结构

1. 高速总线上挂接着高速I/O设备，对于高速I/O设备而言，减少对CPU的依赖，同时又比扩展总线上的设备靠近CPU,这样提高各自的效率。

总线控制

1. 总线控制包括判优控制（仲裁逻辑）和通信控制
2. 解决总线结构必须面对的两个问题：
   1. 总线争用时的仲裁；
   2. 通信的双方如何在时间上协调，具体完成这些任务的是总线控制器。

判优控制（仲裁逻辑）

判优控制分为两种：

1. 集中式（控制逻辑集中在一处）
   1. 链式查询
   2. 计数器定时查询
   3. 独立请求方式
2. 分布式（控制逻辑分散在各个部件或者设备上）

链式查询方式

• BS：总线忙。获取总线使用权时，建立BS信号
• BR：总线请求
• BG：总线同意。串行地从I/O接口送到下一个I/O接口

1. 特点
   1. 离总线控制部件最近的设备具有最高优先级
   2. 只需很少的几根线就按一定优先次序实现总线控制
   3. 易扩充设备
   4. 对电路故障敏感
   5. 优先级低的设备可能很难获得请求

计数器定时查询

1. 工作方式：总线控制部件中有计数器，当接收到BR请求信号时，计数器开始计数，并向设备地址线发出一组地址信号，当某个请求占用总线的设备地址与计数值一致时，获得总线使用权
2. 特点：
   1. 某个请求占用总线的设备地址与计数值一致时便获得总线使用权，此时终止计数查询
   2. 优先次序可以改变（可以由程序设置初始的计数值）
   3. 电路故障不如链式查询方式敏感
   4. 增加的控制线（设备地址线），控制复杂

独立请求方式

1. 工作方式：每一台设备均有一对总线请求线BR，和总线同意线BG。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线控制部件中有一排队电路，可根据优先次序确定响应哪一台设备。
2. 特点
   1. 响应速度快
   2. 优先次序控制灵活（通过程序改变）
   3. 控制线数量多
   4. 总线控制复杂

通信控制

• 总线周期：完成一次总线操作时间
• 申请分配阶段：获取总线使用权时，建立BS信号
• 寻址阶段：主模块发出从模块的地址及有关命令，启动从模块
• 传输阶段：主从数据交换，可单向或双向进行数据传送
• 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。
  :::info
  总线通信控制：主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调如何配合。(它的实质是一种协议或规则）
  通常有四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信
  :::

同步通信

• 通信双方由统一时钟控制数据传送

异步通信

异步通信允许各模块速度的不一致性，采用应答方式（又称握手方式）,即当主模块发出请求信号时，一直等待从模块反馈回来"响应"信号后才开始通信。
异步通信的应答方式又可分为不互锁，半互锁和全互锁三种类型。

1. 不互锁：主从设备都无需等待应答信号，经过一段时间主动确认。
2. 半互锁：主设备需要等待应答信号，从设备经过一段时间主动确认。
3. 全互锁：主从设备必须等待应答信号。
   :::info
   数据传送速率：异步串行通信的数据传送速率用波特率来衡量，波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位为bps(位/秒）,记作波特。
   :::
   

两种传输率的异步串行传送字符格式

1. 小于最高数据传送率
2. 最高数据传送率
   :::danger

• 波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数——包含数据位，起始位，空闲位，奇偶校验位，终止位…
• 比特率是指每秒传送的比特（bit)数（描述单位时间内传送数据的多少）——只有数据位