【计算机组成原理】第二章 系统总线

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2.1 总线的基本概念

2.1.1 为什么要用总线

• 如果两两连接，线的数量较多，所需成本较高，印刷在电路板上的难度较大。
• 如果两两连接，端口将占用很大的空间。

2.1.2 什么是总线

• 总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

2.1.3 总线上信息的传送

1. 串行：一位一位的向前传输。
2. 并行：多位并排向前传输。

2.1.4 总线结构的计算机举例

① 单总线结构框图：

缺点：

• I/O设备将数据写入主存时，CPU执行程序的过程（因无法访问主存端口）会停止，严重影响CPU的运行效率。
• 如果I/O设备较多，总线较长，数据的延迟将会较大，总线的争用将会较为激烈。

② 面向CPU的双总线结构框图：

• M总线特别用于CPU与主存间数据传输。

缺点：

• I/O设备访问主存时，无法直接访问，需要以CPU为媒介，此时CPU的执行依旧会被打断。

③ 以存储器为中心的双总线结构框图

• 主存与CPU和主存与系统总线间都可进行数据传输。

• 注意：在现代计算机系统中，主存依旧不能同时向系统总线和CPU传输数据，而是采用分时技术，此为以后提高计算机运行效率的发展点。

2.2 总线的分类

按照总线位置分类：

2.3 总线特性及性能指标

2.3.1 总线的物理实现

以印刷电路板为基础：

2.3.2 总线特性

四个特性：

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序等。
2. 电气特性：传输方向、电平范围等。
3. 功能特性：地址信号、数据信号、控制信号、反馈信号等。
4. 时间特性：信号的时序关系。

2.3.3 总线的性能指标

七个指标：

1. 总线的宽度：数据线的根数（4bit、8bit、16bit等）。
2. 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）。
3. 时钟同步/异步：同步与不同步（不同步包含很多种形式）。
4. 总线复用：地址线与数据线复用（有利于减少管脚数）。
5. 信号线数：地址线、数据线和控制线的总和。
6. 总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数等。
7. 其他指标：负载能力等。

2.3.4 总线标准

为保证各厂商间生产的部件能够互相兼容，出台了总线标准。

举例：

2.4 总线结构

2.4.1 单总线结构

2.4.2 多总线结构

① 双总线结构

② 三总线结构-1

• DMA总线：直接存储器访问。

③ 三总线结构-2

• 主存的速度处于瓶颈，设置cache高速缓存。

缺点：

• 多种速度的端口连接到扩展总线上，影响外部设备的工作速度。

④ 四总线结构

• 将高速设备与低速设备分类组织，高速设备采用高速总线，低速设备采用低速总线，提高工作效率。

2.4.3 总线结构举例

传统微型机总线结构：

VL-BUS局部总线结构：

PCI总线结构：

多层PCI总线结构：

2.5 总线控制

要解决的两个问题：

• 总线判优控制：同一时刻只能有一对设备使用总线，多个设备同时发出占用总线的请求，如何处理？
• 总线的通信控制：如何完成设备间通过总线通信，并保证通信的正确性？

2.5.1 总线判优控制

总线系统中的设备类型：

• 主设备（模块）：对总线有控制权
• 从设备（模块）：响应从设备发来的总线命令

总线判优控制的几种类型：

① 链式查询方式：

控制步骤：

1. 假设I/O接口1想要使用总线，则I/O接口1首先通过BR线向总线控制部件提出总线请求。
2. 总线控制部件发现总线处于非忙状态，于是通过BG线按顺序从I/O接口0向I/O接口n查询。
3. 查询到I/O接口1发现请求源。
4. I/O接口1通过BS线发出总线忙信号。
5. 总线控制部件将总线设置为忙状态。

特点：

• 各个设备的优先级与BG线的查询顺序（及I/O设备的连接顺序）有关。
• 处于末端的I/O设备可能迟迟得不到响应。

缺点：

• 对电路故障较为敏感（尤其是BG线）。

优点：

• 结构简单，增删设备较为容易。
• 较为容易实现可靠性设计，如实现线路正常通信的可靠性设计，只需要多加一条BG线或BR线即可应对线路故障。

② 计数器定时查询方式

控制步骤：

1. 假设I/O接口1想要使用总线，则I/O接口1通过BR线向总线控制部件提出总线占用请求。
2. 总线控制部件查看总线处于非忙状态。
3. 总线控制部件查看计数器的值为k。
4. 总线控制部件通过设备地址总线以k为起始地址开始查询。
5. 假设k=1,则总线控制部件从I/O接口1开始查询，发现请求源。
6. I/O接口1通过BS线设置总线为忙状态。

优点：

• 优先级的确定较为灵活。

③ 独立请求方式

步骤：

1. 假设多个I/O设备使用独立的BR线同时发出占用请求。
2. 总线控制部件中的排队器使用某种算法确定各I/O接口使用总线的优先级。
3. 按照确定的优先级依次响应。

特点：

通过排队器进行优先级的确定，更加灵活。

2.5.2 总线通信控制

目的：解决通信双方协调配合问题。

总线传输周期的四个阶段：

总线通信的四种方式：

① 同步式通信

以数据输入为例：

1. T₁ 上升沿： 主设备（CPU）给出地址信号。
2. T₂ 上升沿：主设备给出读命令告诉从设备要读数据。
3. T₃ 上升沿：从设备通过数据总线给出数据信号。
4. T₄ 上升沿：主设备撤销数据信号和控制信号。
5. T₄ 结束：撤销地址信号。

以数据输出为例：

1. T₁ 上升沿：主设备（CPU）给出地址信号。
2. T₁ 下降沿：给出数据。
3. T₂ 上升沿：给出写命令，向从设备执行写操作。
4. T₃ 上升沿：写入操作
5. T₄ 上升沿：主设备撤销数据信号和控制信号。
6. T₄ 结束：撤销地址信号

特点：定宽定距的时钟控制整个数据传输的过程，在给定的时间点必须完成相应操作。

② 异步式通信

1. 不互锁通信方式：主设备发出请求信号，从设备收到请求信号后应答。主设备无论是否接收到应答信号，一段时间后撤销请求信号，从设备不管主设备是否收到应答信号，一段时间后撤销应答信号。
2. 半互锁通信方式：主设备发出请求信号，从设备收到请求信号后应答。主设备收到应答信号后撤销请求信号，否则持续发送请求信号，从设备不管主设备是否收到应答信号，一段时间后撤销应答信号。
3. 全互锁通信方式：主设备发出请求信号，从设备收到请求信号后应答。主设备收到应答信号后撤销请求信号，否则持续发送请求信号，从设备只有在主设备收到应答信号并撤销请求信号后，才会撤销应答信号。

③ 半同步式通信（同步、异步结合）

• 与同步的相似点：发送方用系统时钟前沿发送信号，接收方用系统时钟后沿判断、识别。
• 与异步的相似点：增加“等待”响应信号（WAIT）允许不同速度的模块和谐工作。

以数据输入为例：

1. T₁ 上升沿：主设备（CPU）给出地址信号。
2. T₂ 上升沿：主设备给出读命令告诉从设备要读数据。
3. 第一个T_w 上升沿：如果从设备未把数据准备好，将给出低电平WAIT信号。主设备检测到低电平WAIT信号将插入一个周期。
4. 第二个T_w上升沿：主设备发现WAIT信号依旧为低电平，继续插入。
5. …
6. T₃上升沿：从设备已准备好数据，WAIT信号变为高电平。
7. T₃ 内：主设备接收数据。
8. T₄ 上升沿：主设备撤销控制信号，从设备撤销数据信号。
9. T₄ 下降沿：主设备撤销地址信号。

④ 分离式通信

一个总线的传输周期：

特点：

1. 充分利用子周期1和子周期2之间的总线空闲时间进行其他工作。
2. 各模块有权申请占用总线。
3. 采用同步式通信，不等对方回答。
4. 各模块准备数据时，不占用总线。
5. 总线被占用时，无空闲，充分利用总线带宽。

（完）