计算机组成原理·总线

总线的分类

按数据传输格式

• 串行总线
  • 特点：每次只能传1bit
  • 常见的有USB
  • 优缺点
    • 优点：只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输；应用于计算机内部时，可以节省布线空间；只有一根线，抗干扰能力强
    • 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
• 并行总线
  • 特点：同时传多位
  • 常见的有数据总线
  • 优缺点
    • 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。

按总线功能（连接的部件）

• 片内总线
  • 定义
• 系统总线
  • 定义
  • 按照传输信息内容的不同可进一步分为
• 通信总线
  • 定义

按时序控制方式

• 异步总线
• 同步总线

系统总线按照传输信息内容的不同可进一步分为

• 数据总线
• 地址总线
• 控制总线

*根据总线在计算机中的位置

• 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。
  • 三种中最快的
• 局部总线
  • 没有直接与CPU连接，通常是连接高速的北桥芯片，用于连接很多重要硬件部件（就是部件连接北桥芯片的总线）
• 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

总线仲裁的基本概念

• 定义
• 分类
  • 集中仲裁方式，
    • 链式查询
      • 优点
        1. 优先级固定
        2. 结构简单、易扩充
      • 缺点
        1. 优先级固定
        2. 电路故障敏感
        3. 饥饿
    • 计数器定时查询
      • 优点
        1. 可变优先级
        2. 对电路故障没有链式查询的敏感
      • 缺点
        • 机构相对复杂
    • 独立请求查询
      • 优点
        1. 相应速度快
        2. 优先级十分灵活
      • 缺点
        1. 控制器数量多
        2. 总线控制逻辑更加复杂
  • 分布仲裁方式

❗“总线忙”信号是由获得控制权的设备发出的

6.1 总线概述

总线概述

6.1.1 总线的基本概念

• 总线的定义
  • 总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。
• 总线的两个特点
  • 分时
  • 共享
• 总线上的设备按照有无权限控制分为
  • 主设备
  • 从设备
• 总线的特性(4)
  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 时间特性

6.1.2 总线的分类

6.1.3 系统总线的结构

• 单总线结构
  • 注意单总线并不是只有一根总线
  • 优点
    • 结构简单，成本低，易于接入新设备
    • 缺点：带宽低、负载重，竞争，不支持并发/并行传送；速度不匹配
• 双总线结构
  • 结构：一条主存总线¹，一条I/O总线，通过通道²连接，支持突发（猝发）消息传送³。
  • 优点：快慢分离，存储总线&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：主存总线+I/O总线+DMA总线⁴
  • 优点：提高I/O设备的性能，使其更快地相应命令，提高系统吞吐量。
  • 缺点：系统工作效率较低
• *四总线结构简介

6.1.4 常见的总线标准

不考

补充：系统总线、局部总线与设备总线/通信总线

• 总线标准发展的趋势：并行 -> 串行
• 补充：为何

6.1.5 总线的性能指标

• 总线传输周期

  • 又称总线周期
  • 指一次总线操作所需时间
  • 包括申请阶段（仲裁⁵）、寻址阶段、传输阶段和结束阶段（释放总线的使用权，让给其他设备）
  • 总线传输周期通常由若干总线时钟周期构成⁶

• 总线时钟周期

  • 即机器时钟周期⁷

• 总线工作频率

  • 总线周期的倒数，一秒钟内传送几次数据

• 总线时钟频率

  • 机器的时钟频率，总线时钟周期的倒数

• 总线宽度

  • 又称总线位宽，能够同时传送的数据位数，数据总线的根数，32根则称32位总线

• 总线带宽

  • 最大数据传输率（注意区分有效数据传输率⁸）
  • 单位：可以用B/s
  • $总线带宽=总线工作频率\times (总线宽度 / 8)$
  • ❗注意总线带宽和总线宽度的区别

• 总线复用

  • 一种信号线在不同时间传输不同的信息

• 信号线数

  • 含义：地址总线、数据总线和控制总线三种总线（即系统总线）包含的信号线数的总和（多少根）。

• ⭐最主要性能指标

  • 总线宽度、总线（工作）频率、总线带宽
  • 三者关系

• 视频《总线仲裁》《总线操作和定时》没看 📅 2023-09-28 ✅ 2023-09-29

• 同步总线、异步总线详细信息 📅 2023-09-28 ✅ 2023-09-29

脚注

6.1 总线概述课后习题

要点分析

• 间址寻址得到的有效地址通过数据总线传送至CPU，地址总线是用于CPU选择主存单元地址和I/O端口地址的单向总线，不能回传
• 6.1.3 系统总线的结构，三总线结构包含的是主存总线、I/O总线和DMA总线，昨天学的都忘了吗
• 总线复用技术指的是不同信号在不同时刻通过同一总线传输，而串行传输技术强调的是每次只能传输1bit的信息
• 地址用地址总线传输，数据用数据总线传输，很简单易懂是不是
• 控制总线传输的信息包括
  1. CPU送出的控制命令
  2. 主存（或外设）返回CPU的反馈信号
• 采用局部总线技术的作用是节省系统的总带宽
• 中断类信号是通过数据总线传输的
• 支持突发（猝发）传输可以提高同步总线的数据传输率
• 熟悉时间单位

Flashcards

脚注

6.2 总线事务和定时

6.2.1 总线事务

• 总线事务的定义
  • 从请求总线到完成总线使用的操作序列称为总线事务
• 总线事务包含的阶段(5)
  • 请求阶段：主设备（CPU或DMA）发出请求
  • 仲裁阶段：总线仲裁机构¹决定将总线使用权授予某个设备
  • 寻址阶段
  • 传输阶段：进行数据传输，可以单向也可以双向。一般在这一阶段只能传输一个字长的数据，通过支持突发（猝发）传送方式，能够进行连续成组信息的传输。
  • 释放阶段

6.2.2 同步定时方式

在建立起传输关系后，需要通过定时来确定传输阶段的起止，分为同步定时方式（又称同步通信）、异步定时方式（异步通信），此外还有半同步定时（半同步通信）和分离式通信。前三者只要传输未结束便会一直占用总线。

• 同步定时方式的定义
  • 采用统一的时钟信号来协调双方定时关系
  • 每个部件或设备发送和接收信息都在一个固定的总线传送周期中
• 优点
  1. 传送速度快，数据传输率高
  2. 总线控制逻辑简单
• 缺点
  1. 强制性同步
  2. 不能及时进行有效性检验，可靠性较差
• 适用性
  • 同步通信适用于总线长度较短、总线所接部件的存取时间比较接近的系统

6.2.3 异步定时方式

• 异步定时方式的定义

  • 通过主从设备的“握手”信号来实现定时控制

• 优点

  1. 总线周期长度可变
  2. 能进行有效性检验，可靠性较高

• 缺点

  1. 复杂一些
  2. 速度比同步定时方式更慢

• 握手规则（“请求”和“回答”信号是否互锁）(3)

  • 不互锁方式
    • 主设备发出“请求”信号一段时间后便取消信号，从设备发出“回答”信号一段时间后也自动取消，双方都无需确认自己的信号是否被对方接收到
  • 半互锁方式
    • 主设备发出“请求”信号，并只有当受到来自对方的“回答”信号后才取消信号；从设备发出“回答”信号后不用确认对方收到，过一段时间自动取消
  • 全互锁方式
    • 主设备同上；从设备发出“回答”信号，并等待主设备的“请求”信号撤销，只有在该信号撤销后才取消自己发出的“回答”信号

• 总线仲裁整理 📅 2023-09-29 ✅ 2023-09-29

脚注