计组_Ⅲ 系统总线①

计算机组成原理（哈工大刘宏伟）

总线的基本概念#

1. 为什么要用总线#

早期计算机外部设备少时多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。为了更好的解决I/O设备和主机之间连接的灵活性问题，计算机的结构从分散连接发展为总线连接

2. 什么是总线(BUS)#

• 总线是连接各部件的信息传输线
• 是各个部件共享的传输介质
• 总线是信号的公共传输线

3. 总线上的信息传输#

串行：数据在单条1位宽的传输线上，一位一位地按顺序分时传送。#

【发送方一位一位的将信息放在总线上，接收方一位一位的从总线上接收数据】

并行：数据在多条并行1位宽的传输线上，同时由源传送到目的地。#

【传输距离比较长会导致线与线之间产生干扰干扰，使信号变形，故长距离传输还是使用串行通信方式】

【在高速状态下，并行口的几根数据线之间存在串扰，而并行口需要信号同时发送同时接收，任何一根数据线的延迟都会引起问题。而串行只有一根数据线，不存在信号线之间的串扰，而且串行还可以采用低压差分信号，可以大大提高它的抗干扰性，所以可以实现更高的传输速率，尽管并行可以一次传多个数据位，但是时钟远远低于串行，所以目前串行传输是高速传输的首选。】

4. 总线基本结构#

单总线结构：#

【会发生总线的争用，当某个设备使用总线的时候会导致CPU停止工作】

面向CPU的双总线结构：#

【I/O总线连接各个外部设备，M总线(专用总线)连接主存，但是主存和外部设备无法直接通信，当外部设备需要和主存通信时，还是会占用中央处理器资源】

以存储器为中心的双总线结构：#

【仍是以分时操作为基础，较上面两类已有进步】

总线的分类#

【根据总线所在位置进行分类】

1. 片内总线：#

芯片内部的总线

2. 系统总线：#

计算机各部件之间的信息传输线

• 数据总线-双向-与机器字长、存储字长有关【通常情况下是小于等于机器字长的】
• 地址总线-单向-与存储地址、I/O地址有关
• 控制总线-有出（中断请求、总线请求）、有入（存储器读/写、总线允许、中断确认）

3. 通信总线：#

用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信）之间的通信。

总线传输方式：串行、并行。

总线特性及性能指标#

1. 总线的物理实现#

2. 总线特性#

机械特性#

尺寸、性状、管脚数、排列顺序等

电气特性#

传输方向和有效的电平范围

功能特性#

每根传输线的功能不同（地址、数据、控制...）

时间特性#

信号的时序关系

3.总线性能指标#

指标	内容
总线宽度	数据线的根数
标准传输率	每秒传输的最大字节数（MBps）
时钟同步/异步	同步、不同步
总线复用	地址线与数据线复用
信号线数	地址线、数据线和控制线的总和
总线控制方式	突发、自动、仲裁、逻辑、计数
其他指标	负载能力

4.总线标准#

【以ISA为例，数据线宽度是16位，时钟信号是8MHz，意思是每秒可以传输8M次，每次传输16个信息，带宽就是16Mbps】

【总线带宽计算公式：总线带宽 = (总线位宽/8) * 总线频率，其中，由于总线速度是以bit为单位的，但是总线带宽为字节单位的（1 Byte = 8 bit），因此需要除于8 】

总线结构#

单总线结构#

【总线成为系统的瓶颈】

多总线结构#

1. 双总线结构#

【通道的程序通常情况下是操作系统编写的，并不是人工编写_？】

2. 三总线结构#

【DMA-直接存储器访问】
【可以连接多个高速外设，都是可以连接在DMA总线上】

3. 三总线结构的另一形式#

【内存具有储存延迟，内存的存储速度是一个瓶颈，为了解决这个问题，在CPU和主存之间增加了一个高速的小容量的cache，对主存数据进行缓存，CPU运行的时候需要的指令和数据主要是从cache中进行获取】

【较好的布线方式，但扩展总线上的设备数量也会影响外部设备的工作速度的】

4. 四总线结构#

【高速设备连接到高速总线上，低速设备连接到扩展总线上，通过分类使数据传输的效率更高】

总线结构举例#

1. 传统微型机总线结构#

2. VL-BUS局部总线结构#

3. PCI总线结构#

4. 多层PCI总线结构#

总线控制#

总线判优控制#

【总线在同一时刻只能有一对设备进行使用】
【这对设备使用总线的时候如何完成通信过程、保证通信的正确性？——总线的通信控制】

1. 基本概念#

（根据是否能提出总线请求）
- 主设备（模块）：对总线有控制权【可以控制通信过程】
- 从设备（模块）：响应主设备发来的总线命令
- 总线判优控制：
	集中式：
			链式查询
			计数器定时查询
			独立请求方式
	分布式

2. 链式查询方式#

【数据线用于数据的传输，地址线用于从设备的查询】

【BR-总线请求，BS-总线忙信号线，BG-总线授权线】
【通过BG这条线逐个向下进行查询，直到碰到第一个提出总线占用请求的接口1，接口1就获得了总线的使用权，然后通过BS这条线设置总线忙的状态】
【特征：结构简单，增删设备简单，各个设备的优先级和连接方式有关，离得越近优先级越高。对电路故障敏感，特别是BG线，如果BG在某一节点故障，那么后面的设备就无法再使用总线了，可以通过增加BG线的方式增加可靠性】

3. 计数器定时查询方式#

【在总线控制部件接收到总线占用请求后，如果处于允许占用状态，则计数器开始工作】
【设备地址线：这条线上的地址是由计数器给出的，通过这个地址来查询某个设备是否发出总线占用请求】
【优点：优先级次序确定很灵活（从0~n或者从上一次停止的地方开始）】

4. 独立请求方式#

【任何一个IO 接口都有BR和BG线，排队器使优先级次序更加灵活】

总线通信控制#

【主设备和从设备之间的信息交换】

目的#

解决通信双方协调配合问题

总线传输周期#

【主设备和从设备之间完成一次完整且可靠的通信需要的时间】

• 申请和分配阶段：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

总线通信的四种方式#

• 同步通信
• 异步通信
• 半同步通信
• 分离式通信

同步通信：由统一时标控制数据传送

【在固定的时间点上要给出固定的操作】
【所有的从模块都用同一个时标进行控制，要在同一个时标下完成相应操作，主从模块是强制同步的，对多个速度不同的模块，必须要选择速度最慢的那一个模块作为统一的时标】
【同步通信通常应用在通信长度比较短，并且各个模块存取时间比较一致的情况下，这是因为，同步方式对任何两个设备之间的通信都给予同样的时间安排。就总线长度来讲，必须按距离最长的两个设备的传输延迟来设计公共时钟。但是总线长了势必降低传输频率。】

同步式数据输入：

同步式数据输出：

异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准

【不互锁】 【半互锁】 【全互锁】

半同步通信：同步、异步结合

同步
发送方用系统时钟前沿发信号
接收方用系统时钟后沿判断、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 \(\overline{WAIT}\)

以输入数据位例的半同步通信时序

\({T}_1\) 主模块发地址
\({T}_2\) 主模块发命令
\({T}_w\) 当\(\overline{WAIT}\)为低电平时，等待一个 \(T\)
...
\({T}_3\) 从模块提供数据
\({T}_4\) 从模块撤销数据，主模块撤销命令

时序图如下：

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

分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

一个总线的传输周期
子周期1：
主模块申请占用总线（发送地址和命令），使用完后即放弃总线的使用权
子周期2：
从模块申请占用总线（发数据），将各种信息送至总线上

分离式通信的特点（充分提高了总线的有效占用）

1. 各模块有权申请占用总线
2. 采用同步方式通信，不等对方回答
3. 各模块准备数据时，不占用总线
4. 总线被占用时，无空闲