ch3_2 系统总线结构与控制

1. 单总线结构

单总线结构 （ 系统总线）

2. 多总线结构

2.1 双总线结构

主存总线；

I/O 总线；

2.2 三总线结构

主存总线；
I/O 总线；
DMA 总线， DMA 直接存储器访问: 用于高速外设 和 内存之间进行信息交换，

2.3 三总线结构的又一形式

内存的存储延迟 是一个瓶颈；
为了解决这个问题， 现代计算机设计中
在CPU和 内存之间 增加了一个 高速cache,

对主存中的数据进行缓存，
CPU 在运行过程中，需要的指令和 数据主要从cache 中获取；

2.4 四总线结构

局部总线；
系统总线；

高速总线： 连接高速设备
扩展总线： 连接低速设备

2.5 总线结构举例

3. 总线判优控制

总线判优控制：

1. 集中式： 集中式包含 链式查询， 计数器定时查询， 独立请求方式；
2. 分布式

多个设备发出 总线占用请求， 决策哪个设备使用总线，
因为总线在同一个时刻， 只能有一对儿 设备进行使用；
这一对儿 设备之间，如何进行通信；

3.1 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

3.2 集中式

• 链式查询方式：
  由于不确定各个设备的优先级，
  通过BG 线 ， 逐个向下查询，
  看各个IO 设备是否提出总线占用请求；

各个设备占用的优先级，如何确定的？
此时BG 线的与各个设备之间的连接顺序， 便是各个IO 设备优先级顺序；

结构简单， 对电路故障比较敏感；

• 计数器定时查询，
  增加了设备地址线， 此时增加的设备地址线个数为 $lo{g}_{2}N$, $N$ 代表I/O设备 的数量。

通过控制计数器中的数值，来判断哪个I/O设备需要占用总线。

• 独立请求方式

对每个设备都同时配对了 BR， BG 总线同意， 总线请求的线，

在总线控制中增加了 排队器， 使用排队器决定 各个IO 设备占用总线的优先级顺序。

4. 总线通信控制

目的： 解决设备之间通信双方 协调配合问题；

4.1 总线传输周期

申请分配阶段： 主模块申请， 总线仲裁决定
寻址阶段： 主模块向 从模块给出地址 和命令
传数阶段: 主模块 和从模块 交换数据
结束阶段： 主模块 撤销有关信息

4.2 总线通信的四种方式

• 同步通信： 由统一时标 控制数据传送。
• 异步通信： 采用应答方式， 没有公共时钟标准；
• 半同步通信： 同步 异步的结合方式
• 分离式通信： 充分挖掘系统 总线每个瞬间的潜力；

4.3 同步通信

同步通信： 由统一时标 控制数据传送

同步数据传入：
在T1 时刻的上升沿， 地址线的信号发出；
T2时刻的上升沿， 读操作的指令 发出；
T3时刻的上升沿， 发出数据信号；
T4时刻的上升沿， 读命令和 数据信号 结束；

4.4 异步通信：

没有定宽， 定距离的 时钟信号
采用应答方式， 没有公共时钟标准；

请求线： 主设备发出请求信号；
应答线： 从设备对 主设备的请求的应答；

主设备发出通信请求，
从设备接受到通信请求后，进行应答；

不互锁： 主设备在经过一定的延时之后， 无论 是否接受到了应答信号， 都会撤销请求信号。
从设备在经过一定的延时之后， 也无论 主设备 是否接受到了应答信号， 从设备也会撤销应答信号。

半互锁： 从设备在接受到主设备的请求信号后，发出应答信号， 主设备在接受到应答信号之后，才会停止 发送请求信号， 如果主设备接受不到应答信号， 则一直发送请求信号。

全互锁： 主设备接受到应答信号后， 撤销请求信号；
主设备撤销请求信号后， 从设备停止发送应答信号。

主设备在经过一定的延时之后， 无论 是否接受到了应答信号， 都会撤销请求信号。
从设备在经过一定的延时之后， 也无论 主设备 是否接受到了应答信号， 从设备也会撤销应答信号。

4.5 半同步通信：

同步 异步的结合方式；

• 同步： 发送方 用系统 时钟前沿 发信号； 接收方 用系统的时钟后沿 判断， 识别。

• 异步 : 允许 不同速度的模块 和谐工作；
  增加一条 等待 响应信号 ， wait

以输入数据为例的 半同步通信 时序

T1 主模块发地址
T2 主模块发命令
$T_w$ 当 wait 为低电平时， 等待一个T；
$T_w$ 当 wait 为低电平时， 等待一个T；
。
。
。
T3 从模块提供数据
T4 从模块撤销数据， 主模块撤销命令；

上述 三种 通信的共同点

一个总线 传输周期 （以输入数据为例）

主模块 发地址， 命令， 占用总线；
从模块准备数据， 不占用总线， 总线空闲；

从模块向主模块 发数据 占用总线；

4.6 分离式通信：

充分挖掘系统 总线每个瞬间的潜力；
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 信息传送到 总线上；

优点：

1. 各个模块有权 申请占用 总线；
2. 采用 同步方式 通信， 不等待对方回答。
3. 各模块 准备 数据时， 不占用总线；
4. 总线被占用时， 无空闲；

充分提高了总线的有效占用；