漫谈计算机组成原理（二）之系统总线

在这个系列文章的第一讲，漫谈计算机组成原理(一)之程序运行的过程 中说过，现代计算机是从冯若伊曼计算机发展起来的。其组成部分有存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备，在现代计算机中，人们将运算器与控制器封装起来成为CPU（中央处理单元）。计算机的各种部件想要进行数据交互，就必须让这些部件形成一定的连接关系，以便数据交互的进行。
连接的方式有两种，一种是各个部件之间使用不同的线相互连接，很明显，这种交互方式有很大的弊端，如连线复杂造成的控制复杂，还有就是当部件较多的情况下，简直就是个灾难。所以就催生了另外一种连接方式——总线连接，也就是我们这一讲要讲述的东西。
总线连接是指，将所有就的部件连接在一组公共的信息传输线上，这样做就避免了上面那种传输方式的弊端。现代计算机几乎所有的都是采用总线连接。

概述

从引言中，我们基本上能够了解到总线在计算机系统中的作用。但是上面的说法只是一个概论，我们需要给出更加详细的总线的作用：总线是计算机中各个部件的信息传输线。在计算机中，几乎所有需要信息传输的地方，都是存在总线的。
那么，总线传输的信息具体来讲是什么呢？总的来讲，总线传输的信息可以使数据、地址（详情请看第一讲https://blog.csdn.net/yanmiao0715/article/details/80338802）等，接下来会详细介绍。
另外，从传输方式上来讲，共有两种传输方式。一种是并行的，另外一种串行的方式，两种方式各有利弊。

总线的传输方式

• 并行方式
  
  并行传输方式很简单，就是在同一时间内，传输多位数据，而计算机的位数，就是按照系统总线传输的数据位数划分的，常见的有32位、64位等。
  注意，并行方式并不合适远距离数据传输，因为并行传输方式，一旦距离过长，那么各条总线的相互干扰则十分强大，数据丢失、错误也就成了必然。
  所以，并行传输用在计算机内部，就非常可靠了。既保证了传输速度，又保证了数据传输的可靠性。

• 串行方式
  
  串行方式很明显不适用于计算机内部的数据传输，一来一条总线传输速度实在是慢，另外会导致计算机的总线分布过于复杂。
  不过，与上面的方式正好相反的是，这种方式可以避免远距离传输的数据干扰。

总线的结构框图

在了解了基本的总线传输方式后，我们将从比单根总线更大的方面来介绍总线的具体结构。
所谓的总线结构，就是总线在计算机中的具体分布位置，这个位置的不同，会导致计算机的各个方面的不同，下面就来一一介绍。

• 面向CPU的双总线结构
  
  在这种结构中，包括了M总线（CPU与主存之间的数据传输总线）、I/O总线。优点是多条总总线，并行传输，效率高。缺点也很明显，其一是事件执行过程容易被打断，比如当前IO设备正在占用总线，与CPU或者主存之间在传输数据，而另外一个设备此时却发起了占用请求，IO总线还要停下来处理占用请求；其二是IO设备无法直接与主存进行信息交互，只能通过CPU这个介质，但是这就无端端的占用了CPU，CPU完全可以在被占用的这段时间处理数据，所以，就需要改进。

• 单总线结构
  
  这种结构中，只有一条总线：系统总线。计算机中的所有设备都连接在这条总线上。这种方式的优点基本可以忽略了，缺点太多：
  当CPU进行数据处理的时候，非常容易被打断，类似于上面的情况，就导致了CPU的效率过低；如果计算机中有很多的设备，很难想象这条总线要长到什么程度，总线越长，延迟越高；最后，这么多的设备，只有一条系统总线，典型的狼多肉少，这些设备之间一定会打架的。

• 以存储器为中心的双总线结构
  
  最后的这种以存储器为中心的双系统总线结构，也就是在第一讲之中提过的现代计算机的结构。这种结构整合了上面两种方式的结构，做到了扬长避短。虽然和单总线结构挺像，但是，它在CPU和主存之间加入了一条存储总线，这样保证了CPU和主存交互是不占用系统总线，也就避免了CPU的执行被打断，CPU需要的数据既可以从主存中获取，又可以从总线中获取，非常强大；另外，系统总线和存储总线飞凯，提高了效率的同时，还减轻了系统总线的负担。

总线分类

片内总线

所谓的片内总线，就是CPU内部的总线，连接着CPU内部的各个部件。

系统总线

• 数据总线：数据总线是双向传输的，和机器字长、存储字长有关系
• 地址总线：地址总线是单向的，包括存储地址、IO地址
• 控制总线：有入、有出，发出各种控制信号

当然，总线分类的内容还有很多，包括一些常见的术语，这里就不再赘述了，在后面的讲解中遇到什么就会解释什么。

总线性能指标

• 总线宽度：数据总线的根数
• 总线带宽：总线的数据传输速率，也就是每秒传输的最大字节数，单位MBp/S
• 总线复用：一条信号线上分时传送两种信号
• 信号线数：地址总线、数据总线 、控制总线的数目总和
• 总线控制方式

总线结构

单总线结构

单总线结构在总线结构框图中其实已经说过了。就是上面那种问题特别多的总线结构。这里就不再赘述。

多总线结构

双总线结构

可以看到，这种方式，是将I/O接口接在了与主存总线通信的通道上，那么这个通道是什么呢？这个通道实际上是由计算机操作系统控制的一个特殊的处理器，用来对I/O设备进行管理。
图中所示只有一个通道，实际上是有很多通道的。人为的将不同速度的I/O设备换分为不同的组，进而将这些组分别接在不同的通道上，可以预见，这种结构的总线数据吞吐量是十分高的，就实现了一个相当强大的计算机系统。
而这种结构，通常被用在大型计算机上。

三总线结构

• 第一种

这种结构的总线包括：主存总线、DMA总线（直接存储器访问，顾名思义，使用这条总线的I/O设备可以直接向主存的读写数据）、I/O总线。
其中，DMA总线连接的是告诉I/O设备，最好能够和主存（内存条）的速度在一定程度上匹配。
在这种结构中，任意时刻，只有一条总线被占用。主存总线肯定不能和DMA总线同时被占用，而I/O设备只在CPU调用I/O指令的时候才会被用到。
我觉得你有可能会有这么个疑问：I/O总线会不会和DMA总线同时被占用？肯定是不能的，因为前面说了，I/O总线只有在调用I/O指令的时候才会被占用，在占用的过程中，没有CPU的控制，高速I/O设备怎么可能会和主存交互。

• 第二种

这种结构，是将CPU和Cache（缓存设备）之间加入了局部总线，不仅如此，主存和Cache都连接在系统总线上，去掉了CPU和主存的信息传输，此时与CPU直接进行信息传输的是Cache，我们知道，Cache是一种比主存更快的设备，Cache可以直接通过总线读取主存中的信息，然后交给CPU，这样就速度就会飞起。另外，扩展总线的存在，使得设备扩展变得极为容易。

四总线结构

对比三总线结构，四总线就是将三总线更加细分，将I/O总线分成了高速总线和低速扩展总线。由于四总线结构并不是特别常见，这里就不详细说明了，感兴趣的小伙伴可以自己查阅一下相关的资料。

总线控制（重要内容）

接下来的这个内容，可以说是系统总线这一讲中最为核心的部分。

概述

总线的控制主要是两个方面的内容。
首先，我们可以想象到，当某一个时间点上，有了多个设备同时发出总线的占用请求，那么总线应该去响应哪一个设备的占用请求呢？再者，我们讲了，在信息传输的过程中，不可避免的会出现信息丢失，如何保证数据传输的完整性呢？这就是我们要讨论的第一个问题——总线的判优控制。
其次，虽然总线的判优控制解决了总线应该与哪一个设备交互的问题，但是还是存在这样一个问题的：两个设备，一个主设备（对总线有控制权的设备）和一个从设备（只能响应从总线发来的命令）进行交互的时候，主设备何时占用传输数据？从设备何时发送响应数据？这就是我们要讲的第二个问题，也就是总线的通信控制。它的作用就是解决通信双方的协调配合的问题。

总线的判优控制

具体的讲，总线的判优控制共有两种方式，一种是集中式，将所有的控制逻辑集中在一个部分；另外一种是分布式，也就是将控制逻辑集中在各个部分。而分布式并不常见，这里只介绍集中式的判优控制。

• 链式查询
  
  首先来说明一下这张图片上各个英文名称的意义。BS：总线忙，也就是当前总线正在被使用；BR：总线请求：设备的总线请求信号就是从这条线上发出的；BG：总线同意，当总线同意设备的占用请求时，同意信号将会从这里发出。
  链式查询方式，顾名思义，就是将所有设备像链子一样串联起来。
  工作流程如下：某一个设备检测到当前总线空闲，则通过BR线向总线发出占用请求，当总线控制部件收到了占用请求后，他只知道收到了占用请求，却不知道是哪个设备发出的占用请求；此时就会通过总线同意BS线查询，直到查找到发送总线占用请求的设备即停止。
  可以看到，这种判优控制中，设备的优先级是按照位置确定的，总是离总线最近的那个设备会有限被查找到。也就是说，最后一个设备可能永远无法占用到总线。这就非常坑了，如果无法占用总线，也就代表着无法正常工作，那还要这个设备做什么呢？
  还有一点，前面说了，这些设备是串联起来的，通过一根BS线，那么，当BS线某处发生了损坏，则查询将无法进行。

• 计数器定时查询
  
  很明显，第一种链式查询方式在实际使用中肯定是各种问题，这种方式能够大大的改进种种情况。
  相比较于链式查询方式，这种方式去掉了BG（总线同意）线，而增加了设备地址线，也就是定时查询计数所指示的那条线。
  当总线接收到BR线的请求信号后，在总线未被占用的情况下，总线控制部件中的计时器开始计数，通过设备地址线向设备发送地址，当某设备地址与发送请求的设备地址一致时，设备则获得总线控制权，计数器停止计数。
  如果在查找过程中，当前计数地址与发送请求的设备地址没匹配上，则计数器+1，直到找到这个设备为止。
  这个计数器的值是可以通过软件来设定的，这样，就能够人为的确定设备的优先级。
  【注】这种方式的设备地址线的条数为[log2n]条（n为设备数）。

• 独立请求方式
  
  这种方式就非常有意思思了，简单的讲，就是将总线请求（BR）和总线同意（BG）线给每个设备都分配一下，当然，每个设备都需要连接一下地址线和数据线。
  总的过程和上面的方式没有太大区别，主要的区别在于，这里的优先权控制变成了排队器，给每个请求排队，然后再执行。当然，这种方式是很有好处的，最起码执行速度非常的快，但是，一旦设备过多，那又变成了灾难。

总线的通信控制

由于总线的通信控制主要解决的就是：通信双方的协调配合问题，那么在不同时间段，就会出现不同的状态。所以我们这里引入一个总线生命周期的概念。

总线的生命周期

总线生命周期，是指主从设备完成一次完整的信息通讯的过程。这个过程包括三个阶段：

• 申请分配阶段
  就是主设备申请总线控制权的过程

• 寻址阶段
  也就是总线控制器寻找到底是哪个设备发起的控制请求的过程。

• 数据传输阶段

• 结束阶段

而我们接下来要讨论的内容就是数据传输阶段的通信过程。

通信方式

• 同步通信：由统一时标控制通信的数据传输
  
  这张图片表示的是某个设备向CPU传输数据的过程。
  整个的传输过程如下：
  
  • 在T1时间的上升沿（上升沿这个词其实不难理解，就是时钟向上走的部分，对应下降沿就是时钟线向下走的过程），主设备（CPU）给出读数据的目的地址
  • 在T2上升沿，主设备（CPU）给出读命令
  • 在T3上升沿，从设备给出数据信息，执行读数据操作
  • T3下降沿，读命令、数据信号撤销
  • T4，地址线撤销

这种方式，比较中规中矩，就是说在每一个时间段，执行固定的操作，模块间的配合较为简单。缺点也很明显，就是中规中矩的缺点，不够灵活，设备必须在规定的时间内执行完成相应的操作。
在这中方式中，主从模块的操作按照统一的时标操作。主从设备的速度如果相差较大，那么速度快的设备必须等待速度慢的设备执行。
【适用范围】适用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。

• 异步通信
  
  异步通信就比较灵活了，没有统一的时标，只需要主设备发出请求，从设备发出响应即可。异步通信分成了三种方式：
  
  • 不互锁
    想象这样的一个场景，一个人向另外一个人打招呼，打完招呼就去忙自己的事情了，不管那个人是否听到了自己的问候，都去做自己的事情。类比这种情况：主设备发出请求，发完请求后就去执行其他的操作了，不管从设备是否收到了回答。理想的状况下肯定是需要从设备回答的，这就衍生了另外一种方式。
  • 半互锁
    再想象一个场景，A向B打招呼，如果B和A没有仇的话，B肯定是会回复A的，如果A发现B没有搭理他，那么他一般会再和B打招呼，如果B依然不回应，那么这个过程就会持续下去。
    到这里也是一样的，当主设备向从设备发出信号时，如果从设备接收到这个信号，那么就会向主设备发送响应信息。如果主设备一直没有接收到这个信号，就会一直向从设备发送信息。
  • 全互锁
    全互锁，就是半互锁的升级版本。在半互锁中，如果主设备没有收到从设备发出的响应信号，除了是从设备没有接收到主设备的信号外，还有可能是因为从设备发送的信号主设备没有收到，如果是这种情况，主设备也会一直请求下去。
    在全互锁的情况中，如果主设备发出信号后，从设备也收到了信号，则会向主设备发送响应信号；如果主设备接收到了信号，那么就会再从设备发送一个表示接收到了的信号，此时从设备就可以撤销响应信号了。如果没有收到，则从设备就会保持这个响应信号。
    总结一句话就是，主设备一直请求，从设备一直应答。
• 半同步通信（同步、异步结合）
  
  为什么说半同步通信是同步通信和异步通信相互结合的方式呢？因为半同步通信保留了同步通信的时钟周期，又继承了异步通信的能够使得不同速度的设备协调工作的优点，可以说是十分的强大。
  从图中可以看到，半同步通信不同于同步通信的一个重要的特点就是：增加了两个Tw周期，还增加了WAIT信号。下面我们就来说一下它的具体情况。
  首先，和同步通信相同，都是在T1给出地址信号，T2给出读命令，读命令给出后，紧接着的并不一定是数据信号。如果从设备的速度很慢，不能在T3时间给出数据，则会通知主设备，我现在还没有准备好。随后主设备就会给出WAIT信号，插入等待周期，当从设备说我已经准备好了的时候，主设备就会撤销掉等待信号，开始读数据。后面的情况就和同步通信一致了。
• 分离式通信：充分发挥系统总线每瞬间的潜力
  这种通信方式比较复杂，我们很难在一般的计算机上见到，这里就不多说了，只需要知道它的这个特性就可以了。感兴趣的可以看看这片博文：https://blog.csdn.net/ce123_zhouwei/article/details/6936047，不过我发现这个作者好像是直接摘抄的唐朔飞教授的《计算机组成原理》这本书。无奈╮(╯▽╰)╭，大家看看就行了。

结语

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