计算机组成原理-总线（系统总线、总线仲裁、总线操作和定时）

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笔记?

计算机组成原理-计算机硬件的基本组成
计算机组成原理-计算机的功能部件及层次结构
计算机组成原理-计算机性能指标
计算机组成原理-数制与编码（进制转换）
计算机组成原理-定点数的表示和运算
计算机组成原理-浮点数的表示与运算
计算机组成原理-算术逻辑单元ALU
计算机组成原理-存储系统
计算机组成原理-高速缓冲存储器
计算机组成原理-指令系统 (指令、操作码、地址码、指令寻址、数据寻址)
计算机组成原理-中央处理器（CPU基本结构及功能、指令执行、数据通路、硬布线控制器、微程序控制器、指令流水线）

资源?

计算机组成原理PPT：链接: https://pan.baidu.com/s/1EqL9NmQ-0glDNIFPBfUmVg 密码: sfwg
配套书籍：链接: https://pan.baidu.com/s/1cZx27Gfooj2uAhSP9sbrRA 密码: j5ms

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基本概念

总线是一组能为多个部件分时、共享的公共信息传送线路。

「分时」：同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。

「共享」：总线上可以挂接多个部件，多个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。

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总线的特性

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
2. 电气特性：传输方向和有效的电平范围
3. 功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）
4. 时间特性：信号的时序关系

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总线的分类

按照数据传输格式

按照总线功能

或者也可以理解为按照连接的部件划分

片内总线

「片内总线」是芯片内部的总线。是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

系统总线

「系统总线」是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O接口）直接之间相互连接的总线。按照「系统总线」传输信息内容的不同，又可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。

通信总线

「通信总线」是用于**计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备）**之间信息传送的总线，「通信总线」又称之为「外部总线」。

按照时序控制方式

「同步总线」：指互联的部件或设备均通过统一的时钟进行同步，即所有的互联的部件或设备都必须使用同一个时钟（同步时钟），在规定的时钟节拍内进行规定的总线操作，来完成部件或设备之间的信息交换。

「异步总线」：指没有统一的时钟而依靠各部件或设备内部定时操作，所有部件或设备是以信号握手的方式进行，即发送设备和接受设备互用请求（request）和确认（acknowledgement）信号来协调动作，总线操作时序不是固定的。因此，异步总线能兼容多种不同的设备，而且不必担心时钟变形或同步问题使得总线长度不受限制。例如，火线协议（Firewire或IEEE1394）和USB2.0协议都是异步总线协议。

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系统总线的结构

单总线结构

注意：「单总线」并不是指只有一条信号线，根据传输信息的不同可以细分为地址总线、数据总线和控制总线。

「CPU」、「主存」、「I/O设备」通过I/O接口都连接在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。

优点：结构简单，成本低，易于接入新的设备。

缺点：带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，而且不支持并发的传送操作。

双总线结构

结构：双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于「CPU」、「主存」和「通道」之间进行数据传送；另一条是I/O总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。

三总线结构

结构：三总线结构是计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路，这3条总线分别为主存总线、I/O总线和直接内存访问DMA总线。

DMA：Direct Memory Access，直接内存访问

优点：提高了I/O设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。

缺点：系统工作效率较低。

四总线结构

桥接器：用于连接不同的总线，具有数据缓冲、转换和控制功能

靠近CPU的总线速度较快

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总线性能指标

传输周期

一次总线操作所需时间（包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。

时钟周期

即机器的「时钟周期」。计算机有一个统一的时钟，来控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。

工作频率

总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。实际上指一秒钟内传送几次数据。如果总线周期=N个时钟周期，即N个时钟周期传输一次数据，则总线的工作频率 = 时钟频率/N。

时钟频率

机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。

总线宽度

又称为「总线位宽」，是总线上可以同时传输的数据位数，通常指数据总线的根数，如32根就称之为32位总线。

总线带宽

总线的数据传输率位，即单位时间内总线可以传输数量的位数，通常用每秒传送信息的字节数来衡量，单位可以用字节/秒（B/s）表示。

总线带宽 = 总线工作频率 * （总线宽度/8）

总线复用

「总线复用」是指一条信号线在不同的时间传输不同的信息，因此可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省空间和成本。

信号线数

地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称之为信号线数。总线的最主要性能指标为「总线宽度」、「总线工作频率」、「总线带宽」，「总线带宽」是指总线本身最高可以达到的最高传输速率，是衡量总线性能的重要指标。

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总线仲裁

为解决多个主设备同时竞争控制权的问题，应该采用总线仲裁部件，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权。只有获得了总线控制权的设备，才能开始传送数据。

总线仲裁方式按照仲裁控制机构的设置可以分为「集中仲裁方式」和「分布仲裁方式」两种。

集中仲裁

链式查询方式

总线上所有的部件共用一根总线请求线，当有部件请求使用总线的时候，需要通过总线请求线发送请求信号到总线控制器。总线控制器检查总线是否忙，如果不忙，则立即发出总线响应信号，总线响应线路从一个部件传到下一个部件，以此查询。

在链式查询中，部件离总线控制器越近，其优先级越高；部件离总线控制器越远，其优先级越低。

优点：链式查询方式优先级固定。此外，只需很少几根控制线就可以按照一定的优先次序实现总线控制，结构简单，扩充容易。

缺点：对硬件电路的故障敏感，并且优先级不能改变。当优先级高的部件频繁的请求使用总线时，会使优先级较低的部件长期不能使用总线。

计数器定时查询方式

采用一个计数器控制总线使用权，相对链式查询方式多了一组设备地址线，少了一组总线响应线BG。它仍用一根总线请求线，当总线控制器受到总线请求信号并判断总线空闲时，计数器开始计数，计数值通过设备地址线发向各个部件。当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时，该设备获得总线控制权，同时中止计数器的计数及查询。

优点：计数可从“0”开始，此时一旦设备的优先次序被固定，设备的优先级就按0，1，1…，n的顺序降序排列，而且固定不变；计数也可以从上一次的终点开始，即采用一种循环方法，此时设备使用总线的优先级相等。

缺点：增加了控制线数（若设备有n个，则大致需要$lo{g}_{2}n+2$条控制线），控制也比相对链式查询复杂。

独立请求方式

每个设备均有一对总线请求线$B{R}_i$和总线允许线$B{G}_i$。当总线上的部件需要使用总线时，经各自的总线请求线发送总线请求信号，在总线控制器中排队，当总线控制器按一定的优先次序决定批准某个部件的请求时，给该部件发送总线响应信号，该部件接到此信号后就获得了总线使用权，开始传送数据。

优点：响应速度快，总线允许信号BG直接从控制器发送到有关设备，而不必在设备间传递或查询，而且对优先次序的控制相当灵活。

缺点：控制线数量多（设备有n个，需要2n+1条控制线，其中加的那条控制线为BS线，其作用是让设备箱总线控制部件反馈已使用完总线），总线控制逻辑更复杂。

区别与联系

分布仲裁

分布仲裁方式不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，就会将它们各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较。

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总线操作和定时

「总线定时」是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制，这种控制称为「总线定时」，其实质是一种协议或规则，主要有同步和异步两种基本定时方式。

总线传输的四个阶段

申请分配阶段

由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，由「总线仲裁」机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可以将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段。

寻址阶段

取得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。

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。

结束阶段

主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线的使用权。

同步定时方式（同步通信）

系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。在一个总线周期中，发送方和接收方可以进行一次数据传送。因为采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线的传送周期开始，

优点：传送速度快，具体较高的传输效率；总线控制逻辑简单。

缺点：主从设备属于强制性同步；不能及时的进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。

异步定时方式（异步通信）

在异步通信定时方式中，没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制。

优点：总线周期长度可变，能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换，自动适应时间的配合。

缺点：比同步控制方式稍微复杂一些，速度比同步定时方式慢。

根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁，异步定时方式又分为以下3种类型：

不互锁方式

半互锁方式

全互锁方式

数据传输率

异步串行传输方式下，起始位为1位，数据位为7位，校验位为1位，停止位为1位，如果波特率为1200bit/s，求这时有效数据传输率为多少？

「波特率」：单位时间内传送的二进制数据的位数，单位用bps（位/秒）表示，记为波特

「比特率」：单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位用bps表示，bps即bit/s

每传送$(1+1+7+1)=10$个二进制位，就传送了7个有效数据位。

故有效数据传输率为$1200\times 7/(1+1+7+1)=840bit/s$

半同步通信

统一时钟的基础上，增加一个“等待”响应信号$\overline{WAIT}$