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计算机组成原理——总线系统总结

一、总线的概念:

总线是构成计算机系统放入互联机构,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,计算机在各个系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换,并在争用资源的基础上进行工作。

二、总线的分类:

  • 按总线在系统结构中层次结构分类:
  1. 内部总线(片内总线):CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线,在芯片内部,高速设备中。
  2. 系统总线(板级总线):CPU同计算机系统的其他高速功能部件(如存储器、通道、cache)相互连接的总线。
  3. I/O总线:中低速I/O设备之间相互连接的总线。
  4. 通信总线:用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(控制仪表、移动通信等)之间的通信。根据传输方式又分为串行通信总线和并行通信总线。
  • 按传送数据类型分类:
  1. 数据总线(DB,Data Bus)
    ①双向的
    数据总线的位数称为总线宽度
    ③机器位数(位数),与机器字长、存储器字长有关
  2. 地址总线(AB,Address Bus)
    ①单向的
    ②用来标识主存或I/O设备上存储单元的位置
    地址总线的位数与存储单元的个数有关
  3. 控制总线(CB,Control Bus)
    ①发出各种控制信号
    ②单一控制线通常是单向的
    ③总体来说是双向总线,有入(中断请求、总线请求)有出(存储器读、存储器写,中断确认)
    ④典型控制线:复位、时钟、中断请求、终端确认、总线请求、总线允许、存储器读写,I/O读写

三、总线的特性:

  1. 机器(物理)特性
    ☞总线的物理连接方式,包括总线条数,总线的插头,插座的形状,引脚线的排列方式等。

  2. 电气特性
    ☞每一根线上信号的传递方向有效电平范围

  3. 功能特性
    ☞描述总线中每一根线的功能。(AB、DB、CB)

  4. 时间特性
    ☞每根线在什么时间有效。(信号的时序关系)

四、总线的性能指标:

  1. 总线带宽数据线的根数(总线本身所能达到的最高传输速率)
  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、不同步
  4. 总线复用:地址线与数据线复用
  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
  7. 其他指标:负载能力

五、总线标准

相同的指令系统,相同的功能,不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的,但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用,其原因在哪?就是因为它们都遵守了相同的系统总线的要求,这就是系统总线的标准化问题.
采用标准总线的优点:

  1. 简化系统设计
  2. 简化系统结构,提高系统可靠性
  3. 便于系统的扩充和更新

在这里插入图片描述

六、总线的连接方式:

  1. 单总线结构
    优点:结构简单、成本低、易于扩展
    缺点:带宽低、负载重、多个部件争用总线且不支持并发传送操作
    在这里插入图片描述
  2. 双总线结构(存储器中心)
    优点:系统简单、易于扩充
    缺点:增加硬件为代价 (通道)
    在这里插入图片描述
  3. 多层次结构

七、总线的仲裁(判优)方式:

连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。如CPU模块,它在不同的时间可以作为主方,也可以作为从方;二存储器只能作为从方。主方可以启动一个总线周期,而从方只能响应主方的请求。每一次的总线操作,只能有一个主方占用总线控制权,但同一时间可以有一个或多个从方。
对于多个主设备提出的占用总线请求,一般采用优先级公平策略进行仲裁。例如,在多个处理器系统中对各CPU模块的总线请求采用公平性的原则来进行处理;而对于I/O模块的总线请求则采用优先级策略。

主设备(主方、主模块):对总线有控制权
从设备(从方、从模块):响应从主设备发来的总线命令

  1. 集中式仲裁
    链式查询方式
    离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权,离总线控制器越远,优先权越低。
    优点:只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制,并且这种链式结构很容易扩充设备。
    缺点:是对询问链的电路故障很敏感,优先级固定。
    在这里插入图片描述
    计数器定时查询
    优点:从0开始计数,优先级固定 ;从上次终点开始计数,优先级循环,所以优先级相等;优先级还可以由程序设置,优先次序可以改变
    缺点:增加设备控制线(log2n),控制比链式电路复杂
    在这里插入图片描述
    独立请求方式
    优点:1.响应时间快.
    2.对优先次序的控制相当灵活。可以预先固定,也可以通过程序来改变优先次序;还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法,不响应来自无效设备的请求。
    因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。
    缺点:控制线数量多(2n),总线控制逻辑更复杂
    在这里插入图片描述
  1. 分布式仲裁
    不需要中央仲裁器,而是多个仲裁器竞争使用总线。当它们有总线请求时,把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。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。最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然,分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

八、总线通信的四种方式:

  1. 同步通信:由统一时标控制数据传送
  2. 异步通信:采用 应答方式 ,没有公共时钟标准
  3. 半同步通信:同步、异步结合
  4. 分离式通信:充分提高了总线的有效占用

九、总线传输周期的四个阶段:

  1. 申请分配阶段:主模块申请,总线仲裁决定
  2. 寻址阶段:主模块向从模块 给出地址 和 命令
  3. 传数阶段:主模块和从模块 交换数据
  4. 结束阶段:主模块 撤消有关信息

十、总线传送的三种格式:

  1. 串行传送方式
  2. 并行传送方式:成本高,每个数据位都需要一条数据线
  3. 分时传送方式:①总线复用方式②共享总线

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