计算机组成-硬件结构-系统总线：知识点汇总、思维导图、流程图、复习笔记

1.1计算机系统简介

第一篇 概论

第三章 系统总线

注： 引用唐朔飞的书籍：计算机组成原理

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个人座右铭：得之淡然，失之坦然
作者简介：喜欢轻音乐、象棋，爱好算法、做题

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*导图

总线的基本概念

1. 计算机系统的五大部件间的互连方式：
   $$互联方式\{\begin{array}{l}分散连接：各部件使用单独的连线\\ 总线连接：将各部件连到一组公共信息传输线上\end{array}$$

• 比较

连接方式	结构或概念
分散连接	结构：以运算器为中心的结构 $$弊端\{\begin{array}{l}1.内部连线太复杂\\ \\ 2.I/O与主存交换信息需经过运算器\\ 导致运算器停止运算，影响CPU效率\end{array}$$
总线连接	概念：总线是连接多个部件的信息传输线，是各部 件共享的传输介质。总线实际上是由许多传输线或通路组成，每条线一位一位地传输二进制代码，若干条传输线可同时传输若干位二进制代码。 弊端:当两个及两个以上的部件同时向总线发送信息，将导致信号冲突。因此同一时刻只允许一个部件向总线发送信息。

• 分散连接的计算机结构
  

• 总线连接的计算机结构
  

总线的分类

总线的应用非常广泛，从不同角度可以有不同的分类方法：
$$\{\begin{array}{l}按数据传送方式\{\begin{array}{l}并行传输总线：8位、16位、32位、64位等\\ 串行传输总线\end{array}\\ \\ 按总线的使用范围\{\begin{array}{l}计算机总线\\ 测控总线\\ 网络通信总线\end{array}\end{array}$$

1. 片内总线
   片内总线是指芯片内部的总线，如在CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑单元之间都由片内总线连接。

2. 系统总线
   系统总线是指CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线。

• 按系统总线传输信息不同，可分类为：
  $$系统总线\{\begin{array}{l}1.数据总线\\ 2.地址总线\\ 2.控制总线\end{array}$$
• 相关对比

系统总线分类	说明
数据总线	用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关，数据总线的位数称为数据总线宽度
地址总线	主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的或 I/O设备的地址,它是单向传输，其位数与存储单元的个数有关(如30根对应$2^{30}$个存储单元)
控制总线	用来发出各种控制信号的传输线（数据、地址总线都是被挂在总线的所有部件所共享的，控制总线使各部件能在不同时刻占有总线使用权），它对于任一部件是单向传输（CPU发出存储器或I/O设备读/写命令操作），它对于控制总线总体是双向传输（某设备就绪向CPU发出中断请求）

3. 通信总线
   通信总线用于计算机系统之间、计算机系统与其他系统之间的通信。

• 按传输方式可分为：
  $$通信总线\{\begin{array}{l}串行通信：一位一位按顺序传输数据，适用于远距离传输（误差小）\\ 并行总线：指数据在多条并行的传输线传输，同时由源传送到目的地。\end{array}$$

总线特性及性能指标

1. 总线特性

分类	说明
机械特性	机械特性指总线在机械连接方式上的一些性能（几何尺寸、形状等），查看图示
电器特性	指每一根传输线上信号的传输方向和有效的电平范围
功能特性	指总线每根传输线的功能(如地址总线指出地址码)
时间特性	指总线中任一根线在什么时间有效，每条总线上的各种信号相互存在一种有效时序的关系

2. 总线性能指标

性能指标	说明
总线宽度	一般指数据总线的根数（如8位–64位(根)）
总线带宽	即总线的数据传输速率，单位时间内总线传输数据的位数，通常用字节来衡量（MBps兆字节每秒）
总线复用	即一条信号线分时传送两种信号(如将数据总线和地址总线共有一组物理总线以提高总线利用率)
时钟同步/异步	总线上数据与时钟信号同步工作的总线为同步总线，反之为异步总线
信号线数	即地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和
总线控制方式	$$\{\begin{array}{l}突发工作\\ 自动配置\\ 仲裁方式\\ 逻辑方式\\ 计数方式\end{array}$$
其他指标	$$\{\begin{array}{l}负载能力\\ 电源电压\\ 总线宽度能否扩展\end{array}$$

总线结构

$$总线结构\{\begin{array}{l}单总线结构：适用小型或微型计算机\\ 多总线结构\end{array}$$

• 单总线结构
  
  它是将CPU、主存、I/O设备（及接口）通过挂在一组总线上

1. 优点：结构简单，便于扩充
2. 缺点：不允许两个以上的部件同时向总线传输信息，从而降低系统工作效率；当外部设备数量更多时，其传播速度的延迟将影响系统的工作效率

• 多总线结构
  $$多总线结构\{\begin{array}{l}双总线结构\\ n总线结构\end{array}$$
  双总线结构图示：

1. 特点：将速度较低的I/O设备从总线分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。
   
   三或多总线结构：将速率不同的I/O设备进行分类，并将它们连接在不同的通道上，依次提高计算机系统的工作效率。

总线控制

1. 总线判优控制

• 连接总线的各类设备(模块)可分为：
  $$\{\begin{array}{l}主设备：对总线具有控制功能，总线上的信息传输是由主设备启动的\\ 从设备：对总线无控制功能，只能响应从主设备发来的命令\end{array}$$

• 总线判优控制可分为：
  $$\{\begin{array}{l}集中式(将控制逻辑集中一处)\{\begin{array}{l}链式查询\\ 计数器定时查询\\ 独立请求方式\end{array}\\ \\ 分布式(将控制逻辑分散在与总线连接的各个设备上)\end{array}$$

• 链式查询

阐述
特点：离总线控制部件最近的设备具有最高的优先级
优点：只需很少的几根线就能按一定的优先次序实现总线控制，并且容易扩充设备。
缺点：对电路故障很敏感，且优先级较低的设备可能很难获得请求。
工作流程：

• 计数器查询

阐述
特点：总线控制部件收到由BR传来的总线请求后，计数器开始计数，通过设备地址线，向各设备发出一组地址信号。当某个请求占用总线的设备地址与计数值一致时，便获得总线使用权。
优点：对电路故障不如链式查询方式敏感。
缺点：由于增加了控制线，控制较复杂。
工作流程：

• 独立请求方式

阐述
特点：每个设备均具有一对总线请求线$B{R}_i$和一对总线同意线$B{G}_i$。
优点：响应速度快，优先次序控制灵活，根据优先次序确定响应某一台设备的请求。
缺点：控制线路多，总线控制复杂。

2. 总线通信控制

总线通信控制需要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调如何分配。

• 原则
  在众多部件争夺总线使用权时，应按各部件的优先级来解决。在通信时间上，应按分时方式来处理。
• 通信周期

对于仅有一个主设备的简单系统，无须申请、分配和撤除，总线使用权始终归它占有。
$$总线通信控制方式\{\begin{array}{l}①.同步通信\\ ②.异步通信\\ ③.半同步通信\\ ④.分离式通信\end{array}$$
①同步通信

阐述
特点：通信双方由统一时标控制数据传送，时标通常由CPU的总线控制部件发出。
优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致
缺点：时钟周期必须按最慢速度的部件来设计时钟，影响总线的工作效率；主、从设备时间配合属于强制性同步，必须在限定时间内完成要求

②异步通信
异步通信克服了同步通信的缺点，允许各模块速度不一致，而是采用应答方式。主要有三种方式：
$$\{\begin{array}{l}不互锁方式\\ 半互锁方式\\ 全互锁方式\end{array}$$

方式	说明
不互锁	主模块发出请求信号，不必等待接到从模块的回答信号，确认从模块收到请求信号后便撤回；从模块接到请求信号，在允许时发出回答信号，在确认主模块收到回答信号便撤回。
半互锁	主模块发出请求信号，必须等待接到从模块的回答信号再撤回请求信号；从模块接到请求信号，在允许时发出回答信号，不必确认主模块是否撤回请求信号，而是过一段时间自动撤回回答信号。
全互锁	主模块发出请求信号，必须等待接到从模块的回答信号再撤回请求信号；从模块接到请求信号，在允许时发出回答信号，必须确认主模块是否撤回请求信号，再撤回回答信号。
演示

③半同步通信

• 特点：既保留了同步通信的基本特点，由于增设了一条“等待”响应信号线，又像异步通信允许不同速度的模块和谐工作。

④分离式通信
充分发挥系统总线每瞬间的潜力，其特点：

• 各模块欲占用总线使用权都必须提出申请；
• 在获得总线占用权后，主模块在限定的时间内向对方传递信息，采用同步方式传送，不必等待对方的回答信息；
• 各模块在准备数据的过程不占用主线，使总线可接受其他模块的请求；
• 总线在被使用时不存在空闲等待时间，实现总线在多个主、从模块间进行信息交叉重叠并行式传送；