计算机考研第六章 总线

计算机考研计算机组成原理，介绍了总线定义、总线事务和定时等内容，知识点系统且全面，希望对大家有用。

第六章 总线

• 总线定义
  • 定义：
    • 一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
  • 特点：
    • 分时
    • 共享
  • 设备：
    • 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，只能响应来自主设备的控制
  • 特性：
    • 机械特性
      • 尺寸、形状
    • 电气特性
      • 传输方向 + 与数字有关的
    • 功能特性
      • 每根线的功能
    • 时间特性
      • 信号与时序
    • 【类比计网的物理层特性】： 计组：机械特性——计网：机械特性 计组：电气特性——计网：电气特性 > 计组：时间特性——计网：规程特性 计组：功能特性——计网：功能特性
  • 猝发传输
    • 在【一个总线周期】内传输存储地址连续的多个数据字 --- 猝发传送
      • 例如：一个总线带宽为32bit，传输一次数据的时间是10ns，支持猝发，则传输128bit数据最少需要：10（传地址） + 10 * 4（四个数据） = 50
        • 如果没有猝发，则时间最少是(10 + 10)*4
  • 总线的分类
    • 片内总线
      • 芯片内部的总线，是CPU内部：寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的线
        • 这里面所有的线
    • 系统总线
      • 数据总线 DB
        • 传输各功能部件之间的【数据信息】
        • 可以进行双向数据传输，其位数与机器字长、存储字长有关
      • 地址总线 AB
        • 传输源数据、目的数据、IO端口的【地址】
        • AB的根数（总位数）和主存地址空间大小有关
          • 小心：IO和内存统一编址
      • 控制总线 CB
        • 传输【控制信息】
        • CPU送出控制命令和主存返回CPU的反馈信息
    • 通信总线/外部总线
      • 计算机系统之间的、计算机与其他系统的的总线，例如网线
    • 并行/串行总线
      • 并行总线的传输速度不一定比串行高，因为并行总线间的码间串扰现象很严重
  • 总线结构
    • 单总线结构
      • CPU、主存、IO全都挂载到一组总线上
      • 优点：
        • 结构简单、成本低、容易接入新设备
      • 缺点：
        • 带宽低、负载重、多部件争用唯一总线
        • 不支持并发传送操作
          • 这里的并发其实指 “并行”
    • 双总线结构
      • 一条是主存总线，另一条是IO总线
        • 主存总线在CPU、主存、通道之间传送数据，IO设备通过IO总线和通道进行数据交互
        • 通道是具有特殊功能的处理器，能对I/O设备进行统一管理，通道程序放在主存中。
      • 优点：
        • 将低速IO设备从单总线上分离出来了，实现了IO和存储器的分离
      • 缺点：
        • 需要增加通道硬件
    • 三总线结构
      • 一条主存总线、一条IO总线、一条DMA
        • CPU通过IO总线和低速外设进行数据交互，主存通过DMA总线和高速外设进行数据交互
      • 优点：
        • 提高IO设备的性能，使其更快的响应命令，提高吞吐量
      • 缺点：
        • 系统工作效率较低
  • 总线性能指标
    • 总线（传输）周期
      • 一次总线操作需要的时间：申请阶段 + 寻址阶段 + 传输阶段 + 结束阶段
    • 总线时钟周期
      • 总线的时钟周期 = 机器时钟周期
    • 故一次总线传输周期 = 多个机器周期 一对一，一对多，多对一
    • 工作频率
      • 各种操作的频率，是总线周期的倒数（即 1s 之内能够传送几次数据）
    • 时钟频率
      • 机器的时钟频率，是时钟周期的倒数 （1s内有多少个时钟周期）
    • 宽度
      • 总线位宽，一次总线传输数据的位数
    • 带宽
      • 又：总线数据传输率。即单位时间内总线上可传输数据的总bit数（也可以以Byte作为单位）
      • 工作频率*总线宽度=总线宽度/总线周期
    • 总线复用
      • 分时传输技术。一种信号线在不同时间传输不同信息
        • vs. CO 地址复用：DRAM采用的行列存储模式
        • vs. CN 地址复用：通过NAT技术实现局域网IP地址到广域网IP地址
    • 信号线数
      • 所有总线的线数总和：例如有32位地址线、32位数据线、100位控制线，则信号线数位164根
  • 考频：超高
    • 09-11、12*2、13、14*2、15-20
• 总线事务和定时
  • 考频：低
    • 21
  • 总线仲裁
    • 作用：解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，使用某种方式选择一个主设备有限获得控制权
  • 总线事务
    • 22
    • 请求操作：
      • 主设备（CPU、DMA）发出总线传输请求，获得总线控制权
    • 仲裁阶段：
      • 总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授子某一申请者。
    • 寻址阶段：
      • 主设备通过总线给出要访问的从设备地址及有关命令，启动从模块。
    • 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。
    • 释放阶段：
      • 主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。
  • 总线周期 四大阶段
    • (旧)
    • 申请分配阶段
      • 传输请求 + 总线仲裁
    • 寻址阶段
      • 【获得了使用权的主模块】通过主线发出【本次要访问的从模块】的【地址】的命令
    • 传输阶段
      • 主从模块进行【数据交换】
    • 结束阶段
      • 主模块有关【信息从系统总线上撤除】，【让出总线使用权】
  • 总线定时
    • 同步定时
      • CPU采用完全统一的时钟，适用于总线长度短、总线所接部件的存取时间很接近的系统
      • • T1: CPU给出地址信息
        • T2: CPU给出读命令（低电平有效），与地址信息相符合的输入设备按命令进行一系列的内部操作。
          • 且必须在读命令T3的上升之前将CPU所需的数据送到数据总线上
        • T3: CPU把数据线上的数据送到内部寄存器中。
        • T4: CPU在T4撤销读命令，输入设备不再向数据总线上传送数据，撤销它对数据总线的驱动。
      • 优点：
        • 传送速度快，具有较高的传输速率，逻辑简单
      • 缺点：
        • 主从设备强制性同步，不能及时进行【有效性、可靠性】检测
    • 异步定时
      • 主从设备通过应答进行协商确定时钟
        • 异步总线的传送设备是按需分配的
      • 请求回答的互锁
        • 发送的例子：
          • 请求：
            • 地址信息、读命令
          • 回答：
            • 要读出的数据
        • 不互锁方式
          • • 最快、最不可靠
            • 主设备发出【请求】，不用等到从设备的【回答】，经过一段时间自行撒销【请求】。
            • 从设备收到【请求】后，发出【回答】信号，经过一段时间自动撒销【回答】。
            • 双方不存在互锁关系
        • 半互锁方式
          • • 主设备发出【请求】，等到从设备的【回答】，后撤销【请求】。
              • 主设备有互锁关系
            • 从设备收到【请求】，发送【回答】，过一段时间自行撤销【回答】。
              • 从设备不存在互锁
        • 全互锁方式
          • • 最慢、最可靠
            • 主设备发出【请求】，等到从设备的【回答】，后撤销【请求】。
              • 主设备有互锁关系
            • 从设备收到【请求】，发送【回答】，等到获知主设备【请求】撤销过后，才可以撤销【回答】。
              • 从设备有互锁关系
      • 优点：
        • 总线周期可变，能保证两个速度相差很大的设备可以可靠的进行通信
      • 缺点：
        • 比同步复杂，速度比同步慢
  • 半同步通信
    • 同步 + 异步
      • • 在同步方式中，如果主设备在T2发出了读，但是从设备知道自己无法在T3给出数据，就会在T3发出WAIT命令
  • 分离式通信
    • 在从设备准备数据的时候，总线是空闲的，故可以采用其他操作
    • 分为两个周期
      • 周期一：主模块申请占用总线，使用完后放弃总线使用权
      • 周期二：从模块申请占用总线，将各种信息放上总线
    • 特点：
      • 1. 每个模块都有权利申请占用总线
      • 2. 总线利用率高
• END