【计算机组成原理】---总线系统

前言---此文是我用来复习期末考试总结的，内容根据考点来写的，考研党可以直接略过。

0.考点分布

1. 总线概念与结构

1.1基本概念

总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。

• 借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址，数据和控制信息的交换，并在征用资源的基础上进行工作。
• 总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。

1.2总线的特性

（第六版写的是：物理，功能，电气，时间四大特性）

1. 物理特性：总线的物理连接方式。                                                                                          它包括总线的拓扑结构（如并行总线、串行总线、树状总线等）、总线线缆的类型（如电气信号线、光纤线等）、连接器的形式以及总线的长度和传输距离等。

2. 功能特性：功能特性描述总线的功能和支持的操作。                                                            它包括总线所支持的数据传输方式（如读取、写入、DMA传输等）、地址定位功能、中断处理功能、同步与异步传输等。

3. 电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传递方向和电平范围 。                                      它包括总线的电压级别（如TTL、CMOS等）、电流传输能力、电阻、电源电压和信号电平等。电气特性对总线的稳定性和可靠性起着重要作用。

4. 时间特性：时间特性描述总线在数据传输过程中的时间要求和时序要求。                            它包括总线的传输速率（数据传输的速度）、传输延迟（数据传输的延时）、时钟信号的频率和时钟脉冲宽度等。时间特性对数据的同步和正确性起着重要作用。

2总线分类 

2.1总线的类型

总线按照不同标准进行分类也能分出好多类。

2.2系统总线结构

系统总线包括三种:单总线，双总线，多总线结构

一个单处理器系统中的总线大致分为三类：

1. 内部总线：CPU内部连接个寄存器及运算部件之间的总线
2. 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件互相连接的总线。
3. I/O总线：中，低速I/O设备之间互相连接的总线。

单总线结构 

 双总线结构

（我看第六版书上也没介绍双总线，这里看一下就行了。） 

多总线结构 

 

由于单总线系统的所有高速设备和低速设备都挂在同一总线上，且总线只能分时工作，即某一时间只能允许在一对儿设备之间传输数据，这就使信息传送的效率和吞吐量受到极大限制，为此出现了多总线模式。

多总线架构优势

1. 高数据传输效率：多总线允许多个总线同时进行数据传输，提高了数据传输效率。不同总线可以并行地传输数据，避免了单总线中可能出现的冲突和延迟，从而提高了系统的整体性能。

2. 支持并发处理：多总线架构可以实现并发处理，即多个组件可以同时进行数据传输和处理操作。每个总线负责特定的传输任务，组件之间的数据传输可以并行进行，提高了系统的并发性和响应速度。

3. 灵活扩展性：多总线架构具有较好的扩展性。每个总线可以独立地连接和支持特定类型的设备或传输任务。当系统需要增加或减少特定类型的设备时，可以通过增加或减少相应的总线来满足需求，而不会影响其他总线和组件的工作。

2.3性能指标 （了解就行）

• 总线时钟周期：通常是机器的时钟周期。
• 总线时钟频率：为总线时钟周期的倒数，即一秒内有多少个时钟周期。
• 总线周期：一次总线操作所需要的时间，通常由若干个总线时钟周期构成。
• 总线工作频率：为总线周期的倒数，即一秒内传送多少次数据
• 总线宽度：一次总线操作中，最多可传送的数据位数。
• 总线带宽：单位时间内通过总线的数据位数，总线的数据传输率（B/s）

 性能例题

• 某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?

总线带宽 = 总线宽度×总线时钟频率 = 4B×33MHz=132MB/s

• 如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?

总线带宽 = 总线宽度×总线时钟频率 = 8B×66MHz = 528MB/s

 小结回顾

（总线接口这一小节我就不再写了，我不考）。（我考试复习是为了不挂科不是为了绩点，别喷我，谢谢啦各位！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！）

 3.总线仲裁

（总线仲裁简称总裁，总裁我喜欢C罗）

总线仲裁（Bus Arbitration）是指在多个设备共享同一总线时，通过一定的机制来确定哪个设备有权访问总线的过程。

在一个多设备系统中，多个设备（如处理器、内存、输入输出设备等）可能需要同时访问共享的总线资源。为了避免冲突和混乱，需要确定每个时刻只有一个设备能够访问总线，其他设备则需要等待。总线仲裁机制负责协调和控制设备对总线的访问。

为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须用总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主房。

总线仲裁的目的是确保公平性和优先级，以避免设备之间的冲突和数据损坏。常见的总线仲裁方法包括以下几种：

1. 集中式仲裁：由一个中央仲裁器（Arbiter）负责控制总线的访问权。设备向中央仲裁器发送请求，仲裁器根据预设的优先级或其他算法来决定哪个设备获得总线的访问权。

2. 分布式仲裁：没有中央仲裁器，设备之间通过一定的协议进行仲裁。常见的协议有仲裁总线协议（Arbitration Bus Protocol）和仲裁线协议（Arbitration Line Protocol）。设备在总线上竞争仲裁线（或仲裁总线）的控制权，从而决定哪个设备获得总线的访问权。

3.1 集中式仲裁

集中式仲裁中每一个功能模块有两条线连到总线控制器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线，一条是仲裁器送出的总线授权信号线。

包括三种方式：链式查询方式，计数器定时查询方式，独立请求方式。

工作流程

1. 主设备发出请求信号；
2. 若多个主设备同时要使用总线，则由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先级顺序确定哪个主设备能够使用总线；
3. 获得总线使用权的主设备开始传送数据。

链式查询方式：

是一种用于集中式仲裁的方式，其中设备按顺序连接在一条总线上，并按照特定的链式顺序进行仲裁。当设备需要访问总线时，它将向下一个设备发送请求信号，依次沿着链路传递。只有当设备收到请求并且没有其他请求正在进行时，它才能获得总线访问权。

• 在链式查询中离总线仲裁器最近的设备具有最高优先级，离得越远，优先级越低，它是通过接口的优先级排队电路来实现的。
• 优点：只用很少的几根线就能按照一定优先次序实现总线仲裁，并且容易扩充设备。
• 缺点：对询问电路十分的敏感，如果第i个设备接口有问题，那么往后的接口都不能用。如果优先级高的频繁使用，那么优先级低的可能长时间用不上。

计数器定时查询方式

每个设备都被分配一个计数器。设备在计数器达到特定值之前无法请求总线。当计数器达到设定值时，设备可以发送请求信号，并获得总线访问权。这种方式可以通过调整计数器值来调整设备之间的优先级。

独立请求方式

每个设备都可以独立地发送请求信号。当多个设备同时发送请求时，总线控制器使用一定的算法或协议来决定哪个设备优先获得总线访问权。这种方式通常基于优先级或其他因素来进行仲裁决策。

三种方式对比 

三种方式的效率 

书上问了一个问题：谁的效率最高？

任何事情存在即合理，效率最高的方式取决于具体的系统需求和设计目标。没有一种仲裁方式适用于所有情况，因为每种方式都有其优点和限制。

1. 链式查询方式的效率：链式查询方式在总线访问上具有较高的效率。由于设备按照顺序进行查询，避免了冲突和竞争，可以实现较高的利用率。此方式的效率优势在于，当总线上的设备数量较少且访问模式相对稳定时，链式查询方式可以提供高效的总线访问。

2. 计数器定时查询的效率：计数器定时查询方式通过设定计数器来控制设备的访问时间。可以根据设备的优先级和访问需求进行调整，提供一定的灵活性。这种方式的效率取决于计数器的设置和调整，以及设备之间的优先级关系。当设备的优先级和访问需求差异较大时，计数器定时查询方式可以提供较高的效率。

3. 独立请求方式的效率：独立请求方式允许设备独立发送请求，但需要总线控制器进行决策。这种方式的效率取决于总线控制器的算法和决策过程。如果总线控制器能够高效地处理请求冲突和决策，适时地分配总线访问权，独立请求方式可以提供较高的效率。

分布式仲裁不写了，我不考，你们考是你们的事情了。 （骗你们的啦，我就写一下概念，看一下算了）

分布式仲裁：

分布式仲裁是指在分布式系统中进行资源访问冲突解决的一种方式。在分布式系统中，多个节点或进程同时竞争有限的资源，需要一种机制来协调它们之间的访问。

特点：

1. 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唯一的仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。 某部件有总线请求时，将其仲裁号发送到共享仲裁总线上；
2. 每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较；
3. 如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号；
4. 最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

 4.总线的定时

让我们顺着总线来思考一个问题;当总线也仲裁好该哪一个功能部件通过总线传送数据到另一个部件。但是如果不设置好什么时间去传送，接收，以什么方式来传送，接收，也不一定能实现正常的数据传输。就像你不告诉你同学明天去他家，或者不告诉几点去他家，你能确保他一定在家吗？

所以引入了总线的定时。

总线的定时是指在多个设备之间进行数据传输时，通过统一的时钟信号来确保数据传输的时序一致性。它关注的是设备之间的时钟同步和数据传输的时序约束，以确保数据在正确的时间点进行传输，避免数据错位、丢失或损坏。

五步：请求，仲裁，寻址，传输，结束 

同步总线定时协定：

同步通信特点：

• 通信双方在进行数据交换时需要保持时钟同步，以便正确地解析和处理传输的数据。
• 发送方和接收方的时钟必须高度一致，以确保数据的准确性和可靠性。
• 数据传输是按照固定的时序进行的，发送方和接收方在特定时刻进行数据的发送和接收。
• 同步通信通常具有较高的带宽利用率和较低的延迟，适用于实时性要求高的应用场景。

异步总线定时协定： 

异步定时方式建立在应答式或互锁机制基础上，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。

• 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。
• 缺点：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。

异步通信特点：

• 通信双方不需要保持严格的时钟同步，数据传输是根据数据本身的起始和结束标志进行的。
• 发送方和接收方的时钟可以有一定的差异，数据传输的时机由数据本身的特定标志决定。
• 异步通信通常具有较低的带宽利用率和较高的延迟，适用于数据传输不需要实时性保证的场景。

半同步总线定时协定： 

半同步通信特点：

• 半同步通信方式结合了同步和异步通信的特点，具有一定的灵活性。
• 通信双方在进行数据交换时要保持一定的时钟同步，但对于数据传输的时机，可以根据具体的协议和标志进行灵活控制。
• 半同步通信可以在一定程度上平衡同步和异步通信的优势，适用于一些对实时性要求较高但又需要灵活性的应用场景。

周期分列式总线定时协定（分离式协议）： 

 分离式通信的一个总线传输周期： 子周期1：主模块申请占用总线，使用完后放弃总线的使用权。 子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上。特点：各模块均有权申请占用总线，采用同步定时方式，各模块准备数据时不占用总线，总线利用率提高。

周期分列特点：

• 周期分列是一种基于时间的多路复用技术，将总线的时间划分为若干个时隙，并在每个时隙中分配给不同的节点进行数据传输。
• 每个节点在分配给它的时隙中进行数据传输，节点之间的访问是按照时隙的轮流进行的。
• 周期分列可以提供公平的总线访问机会，并可以根据节点的优先级和需求进行时隙分配。
• 周期分列通常用于分布式系统中，提供一种可靠且有效利用总线带宽的访问方式。

对比 

下面是同步、异步、半同步和周期分列的四种通信方式的对比：

1. 同步通信：

   • 特点：通信双方需要保持时钟同步，按照固定的时序进行数据传输。
   • 优点：具有较高的带宽利用率和较低的延迟，适用于实时性要求高的应用场景。
   • 缺点：对时钟同步要求较高，节点之间需要进行严格的协调和管理。

2. 异步通信：

   • 特点：通信双方不需要保持严格的时钟同步，数据传输根据数据本身的起始和结束标志进行。
   • 优点：具有较低的延迟和较简单的实现，适用于不要求实时性的数据传输场景。
   • 缺点：带宽利用率较低，不适合实时性要求高的应用。

3. 半同步通信：

   • 特点：通信双方在数据交换时保持一定的时钟同步，但对数据传输时机有一定的灵活性。
   • 优点：在一定程度上平衡了同步和异步通信的优势，适用于实时性要求高但又需要灵活性的场景。
   • 缺点：需要进行时钟同步和灵活时机控制，复杂性较高。

4. 周期分列：

   • 特点：总线的时间被划分为固定长度的时隙，每个时隙分配给不同的节点进行数据传输。
   • 优点：提供公平的总线访问机会，能够有效利用总线带宽。
   • 缺点：对时钟同步要求较高，需要节点之间的协调和管理。

这里记住这四个协定就OK了，我就不信老师让你一个一个一个写！！！！！

小结

 本章总结

1. 总线是构成计算机系统的互联结构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通道，并在争用资源的基础上进行工作。
2. 总线有物理特性，功能特性，电气特性，机械特性，因此必须标准化。衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率。
3. 当代流行的标准总线追求与结构，CPU,技术无关的开发标准。其总线内部结构包括：                                                                                             1.数据传送总线      2.仲裁总线，  3.中断和同步总线，4. 公用线。
4. 计算机系统中，根据引用条件和硬件资源不同，信息的传输方式可采用：并行传送，串行传送，复用传送。
5. 总线仲裁是总线系统的核心问题之一，为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件。它通过采用优先级策略或公平策略，选择其中一个主设备作为总线的下一次主方，接管总线控制权。按照总线仲裁电路的位置不同，总线仲裁分为：集中式总线仲裁，和分布式总线仲裁。
6. 集中式总线仲裁必须有个中央仲裁器，它受理所用功能模块的总线请求，按优先原则或公平原则进行排仅给一个功能模块发出授权信号。分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。
7.  总线定时是总线系统的核心问题之一，为了同步主方，从方的操作，必须制订定时协议，通常采用同步定时和异步定时。

计算机组成原理（第六版）重点

这是我们老师画的重点，各位可以参考一下：