计算机组成原理 - 系统总线

计算机硬件系统由中央处理器CPU、存储器、I/O以及连接它们的系统总线组成。

一、系统总线

计算机系统的五大部件之间互连的方式有两种，一种是各部件之间通过单独的连线，叫做分散连线；另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，叫做总线连接。总线是连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质，当多个部件与总线相连时，在某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

总线由许多传输线或通路组成，连接CPU和主存的总线称为存储总线，用来建立CPU和各I/O设备之间交换信息的总线称为输入/输出总线。

片内总线：
之芯片内部的总线，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；

1、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，按系统总线传输的信息的不同又可分为数据总线、地址总线、控制总线。

• 数据总线：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，如16位或32位，数据总线的位数又称为数据总线宽度；
• 地址总线：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的地址或I/O设备的地址，地址总线的位数与存储单元的个数有关，对应的存储单元个数为2的地址总线位数次方；
• 控制总线：数据总线与地址总线都是被挂在总线上的所有部件共享的，如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权，需依靠控制总线来完成，因此控制总线是用来发出控制信号的传输线。

2、通信总线

通信总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信，按传输方式可分为串行通信和并行通信，串行通信是指数据在单条1位宽的传输线上一位一位的按顺序分时传送；并行通信是指数据在多条并行一位宽的传输线上，同时由源传送到目的地；并行通信适近距离数据传输，串行通信适宜远距离传输。

二、总线特性

从物理角度来看，总线由许多导线直接印刷在电路板上，延伸到各个部件。总线特性包括以下几项：
（1）机械特性

机械特性是指在机械连接方式上的一些性能，如插头与插座之间使用的标准，尺寸、形状等；

（2）电气特性

电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围，如地址总线与数据总线都定义为高电平为1、低电平为0

（3）功能特性

功能特性是指总线中每根传输线的功能，如地址总线用来指出地址码，数据总线用来传递数据，控制总线发出控制信号

（4）时间特性

时间特性指总线中任一根线在什么时间内有效

三、总线性能指标

• 总线宽度：通常指数据总线的根数；
• 总线带宽：总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数；
• 时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步的总线称为异步总线；
• 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、控制总线三种总线的总和；
• 总线控制方式：包括突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等；

四、总线标准

所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面，采用总线标准可为计算机接口的软硬件设计提供方便，目前流行的总线标准有ISA、EISA、VESA、PCI总线等；

五、总线结构

总线结构通常可分为单总线结构和多总线结构两种；

1、单总线结构

单总线结构将CPU、IO、主存都挂在一组总线上，允许其任意两两传输信息，这种结构简单，也便于扩充，但所有的传送都通过这组共享的总线，极易造成计算机系统的瓶颈，这类总线多被用于小型计算机或微型计算机。

2、多总线结构

双总线及以上的总线结构即多总线结构，多总线结构的特点是根据各部件之间传输的特点将总线拆分，不同的部件之间使用专有的总线。

（1）双总线结构
双总线结构是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。CPU将一部分功能下放给通道，使其对I/O设备具有统一管理的功能，以完成外部设备与主存储器之间的数据传送。这种结构大多用于大、中型计算机系统。

（2）三总线结构
如果将不同速率的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同的通道上，那么计算机系统的工作效率将会更高，由此发展成为三总线结构。主存总线用于CPU与主存之间的传输，I/O总线供CPU与各类I/O设备之间传递信息；DMA总线用于高速I/O设备（磁盘、磁带等）与主存之间直接交换信息；在三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取，I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才能用到。

另一种三总线结构

处理器与Cache之间有一条局部总线将CPU与Cache或与更多的局部设备连接。这样Cache就可通过系统总线与主存传输信息，而且I/O设备与主存之间的传输也不必通过CPU。扩展总线将局域网、小型计算机接口、调制解调器以及串行接口等都连接起来，并且通过这些接口又可与各类I/O设备相连，因此它可支持相当多的I/O设备。

（3）四总线结构
为了进一步提高I/O设备的性能，使其更快的响应命令，又出现了四总线结构。

四总线结构中增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线，在高速总线上连接了一些高速I/O设备，使得这些高速设备与CPU更密切。这种结构对高速设备而言，其自身的工作可以很少依赖CPU，各自的效率将获得更大的提高。

3、总线结构举例

传统微型计算机总线结构示意图：

由上图可见，不论高速局域网、高性能图形还是低速的FAX都挂在ISA或EISA总线上，并通过ISA或EISA总线控制器与系统总线相连，这样势必出现总线数据传输的瓶颈，只有将高速、高性能的外设尽量靠近CPU本身的总线，并与CPU同步或准同步才能最大化性能，因此可采用多层结构：

六、总线控制

总线控制主要包括判优控制和通信控制

1、总线判优控制：

总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备和从设备两种，主设备对总线有控制权，从设备只能响应从主设备发来的总线命令，对总线没有控制权。

如某个主设备欲与另一个从设备进行通信时，首先由主设备发出总线请求信号，若多个主设备调试同时要使用总线时，就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线，只有获得使用权的主设备才能开始传送数据。

总线判优控制可分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处，后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上

2、总线通信控制

在总线通信中，以获得总线使用权的先后顺序分时占用总线，即哪一个部件获得使用权，此刻就由它传送，下一部件获得使用权，接着下一时刻传送；总线通信控制主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配合，

3、总线周期

• 申请分配阶段：由需要使用总线的主设备提出申请；
• 寻址阶段：取得了使用权的主设备通过总线发出本次要访问的从设备的地址及有关命令，连接参与本次传输的从设备；
• 传输阶段：主设备和从设备进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线流入目的模块；
• 结束阶段：主设备的有关信息从系统总线上撤出，让出总线使用权