计算机组成原理-总线详细讲解(持续更新中)

目录

总线概念与分类

定义

 特性

分类(重点)

按数据传输格式

按总线的功能分类

按时序控制方式分类

总线结构

单总线结构

双总线结构

三总线结构

四总线结构简介

总线的性能指标

总线仲裁(408考试简单了解即可)

总线仲裁的基本概念

总线仲裁的分类

集中仲裁方式

 分布仲裁方式

总线操作和定时

总线传输的四个阶段

总线定时

同时定时方式-读命令

 ​编辑

异步定时方式

半同步通信

 分离式通信

总线标准(408不考，简单了解即可)

系统总线标准

 局部总线标准

 设备总线标准

 速度对比

总线标准的发展

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为何串行总线取代并行总线

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总线概念与分类

定义

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路

共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。

分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。

 特性

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数、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：信号的时序关系

分类(重点)

按数据传输格式

1.串行总线

 优点：只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输；应用于激素那几内部时，可以节省布线空间。

缺点：在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配，要考虑串行、并行转换的问题。

2.并行总线

 优点：总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。

缺点：信号线数量多，占用更多的布线空间；远近距离传输成本高昂；由于工作频率较高时，并行的信号线之间会产生严重干扰，对每条线等长的要求也越高，所以无法持续提升工作频率。

并行总线的速度不一定比串行总线的速度块。

按总线的功能分类

1.片内总线

片内总线是芯片内部的总线。

它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

2.系统总线

系统总线是计算机系统内各功能部件(CPU、主存、I/O接口)之间相互连接的总线。

按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。

• 数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关。
• 地址总线用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址，它是单向传输总线，地址总线上的位数与主存地址空间的大小有关。
• 控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存(或外设)返回CPU的反馈信息。

 3.通信总线

通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备）之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线。

按时序控制方式分类

1.同步总线

2.异步总线

总线结构

单总线结构

• 结构：CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都连接在一组总线上，允许I/O设备之间、 I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
• 优点：结构简单，成本低，易于接入新的设备
• 缺点：带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并行发送操作

双总线结构

• 结构：双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于CPU、主存和通道之间进行数据传送；另一条是I/O总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。
• 优点：将较低速的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和I/O总线分离
• 缺点：需要增加通道等硬件设备

三总线结构

• 结构：三总线结构是计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路，这3条总线分别为主存总线、I/O总线和直接内存访问DMA总线。
• 优点：提高了I/O设备的性能，是其更快地响应命令，提高系统吞吐量。
• 缺点：系统工作效率低。

四总线结构简介

• 桥接器：用于连接不通过的总线，具有数据缓冲、转换和控制功能。
• 靠近CPU的总线速度较快。
• 每级总线的设计遵循总线标准。 

总线的性能指标

1.总线的传输周期(总线周期)

一次总线操作所需的时间（包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。

2.总线时钟周期

即机器的时钟周期。计算机有一个同一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。

总线周期与总线时钟周期的关系比较魔幻，

大多数情况下，一个总线周期包含多个总线时钟周期。有的时候，一个总线周期就是一个总线时钟周期。有的时候，一个总线时钟周期可包含多个总线周期。

3.总线的工作效率

总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。

若总线周期=N个时钟周期，则总线的工作频率=时钟频率/N。

实际上指一秒内传送几次数据。

4.总线的时钟频率

即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。

若时钟周期为T，则时钟频率为1/T。

实际上指一秒内有多少个时钟周期。

5.总线宽度

又称总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数，如32根称为32位(bit)总线。

6.总线带宽

可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒（B/s）表示。

例题

 7.总线复用

总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。

8.信号线数

地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。

总线仲裁(408考试简单了解即可)

总线仲裁的基本概念

 同一时刻只能有一个设备控制总线传输操作，可以有一个或多个设备从总线接收数据。

将总线上所连接的各类设备按其对总线有无控制功能分为：

• 主设备：获得总线控制权的设备。
• 从设备：被主设备访问的设备，只能响应从主设备发来的各种总线命令。

为什么要仲裁？

总线作为一种共享设备，不可避免地会出现同一时刻有多个主设备竞争总线控制权的问题。

总线仲裁的定义？

多个主设备同时竞争主线控制权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权称为总线仲裁。

总线仲裁的分类

集中仲裁方式

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登记顺序确定哪个主设备能使用总线。
3. 获得总线使用权的主设备开始传送数据。

链式查询方式

 计数器查询方式

独立请求方式 

 集中仲裁小结

 分布仲裁方式

特点：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仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。

当设备有总线请求时，它们就把各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上；

每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较；

如果仲裁总线上的号优先级高，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号；

最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

总线操作和定时

占用总线的一对设备如何进行数据传输？

总线传输的四个阶段

1. 申请分配阶段：由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段。
2. 寻址阶段：获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。
3. 传输阶段：主模块和从模块进行数据交换，可单向或双向进行数据传送。
4. 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。

总线定时

总线定时是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制，这种控制称为总线定时，它的实质是一种协议或规则

同时定时方式-读命令

 

 同时定时方式是一种系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。

若干个时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。

在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。

因为采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线传送周期开始。

优点：传送速度快，具有较高的传输速率；总线控制逻辑简单。

缺点：主从设备属于强制性同步；不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。

同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。

异步定时方式

在异步定时方式中，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。

根据“请求”和“”回答信号的撤销是否互锁，分为以下3种类型。

1. 不互锁方式
2. 半互锁方式
3. 全互锁方式

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，自动适应时间的配合。

缺点：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。

半同步通信

 分离式通信

总线标准(408不考，简单了解即可)

总线标准是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准，它是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。按总线标准设计的接口可视为通用接口，在接口的两端，任何一方只需根据总线标准的要求完成自身方面的功能要求，而无须了解对方接口的要求。

根据总线在计算机系统中的位置，可分为

• 系统总线:通常与CPU直接相连，用于连接CPU与北桥芯片、或CPU与主存等
• 局部总线:没有直接与CPU连接，通常是连接高速的北桥芯片，用于连接了很多重要的硬件部件(如显卡、声卡等)
• 设备总线、通信总线:通常由南桥芯片控制，用于连接计算机与计算机，或连接计算机与外部I/O设备

系统总线标准

 局部总线标准

 

 

 设备总线标准

 速度对比

总线标准的发展

趋势:串行总线替代并行总线

为何串行总线取代并行总线