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

博客昵称：吴NDIR
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

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系统总线

总线的基本概念

总线的分类

总线特性及性能指标

总线结构

总线控制

片内总线

系统总线

通信总线

总线特性

总线性能指标

总线标准

单总线结构

多总线结构

总线结构举例

总线判优控制

总线通信控制

总线的基本概念

计算机系统的五大部件间的互连方式：
互联方式 { 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互联方式\begin{cases} 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{cases} 互联方式{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

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 { 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 C P U 效率弊端\begin{cases}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{cases} 弊端⎩ ⎨ ⎧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
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。

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 { 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 C P U 效率弊端\begin{cases}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{cases} 弊端⎩ ⎨ ⎧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

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：
{ 按数据传送方式 { 并行传输总线： 8 位、 16 位、 32 位、 64 位等串行传输总线按总线的使用范围 { 计算机总线测控总线网络通信总线 \begin{cases} 按数据传送方式\begin{cases}并行传输总线：8位、16位、32位、64位等\\串行传输总线\end{cases} \\\\按总线的使用范围\begin{cases}计算机总线\\测控总线\\网络通信总线\end{cases} \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧按数据传送方式{并行传输总线：8位、16位、32位、64位等串行传输总线按总线的使用范围⎩ ⎨ ⎧计算机总线测控总线网络通信总线

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。
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 { 1. 数据总线 2. 地址总线 2. 控制总线系统总线\begin{cases} 1.数据总线\\2.地址总线\\2.控制总线 \end{cases} 系统总线⎩ ⎨ ⎧1.数据总线2.地址总线2.控制总线
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 2^{30} 230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）

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 { 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。通信总线\begin{cases}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{cases} 通信总线{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。

总线特性及性能指标

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

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	{ 突发工作自动配置仲裁方式逻辑方式计数方式 \begin{cases}突发工作\\自动配置\\仲裁方式\\逻辑方式\\计数方式\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧突发工作自动配置仲裁方式逻辑方式计数方式
其他指标	{ 负载能力电源电压总线宽度能否扩展 \begin{cases}负载能力\\电源电压\\总线宽度能否扩展\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧负载能力电源电压总线宽度能否扩展

总线结构

总线结构 { 单总线结构：适用小型或微型计算机多总线结构总线结构\begin{cases}单总线结构：适用小型或微型计算机\\多总线结构\end{cases} 总线结构{单总线结构：适用小型或微型计算机多总线结构

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

优点：结构简单，便于扩充
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 { 双总线结构 n 总线结构多总线结构\begin{cases}双总线结构\\n总线结构\end{cases} 多总线结构{双总线结构n总线结构
双总线结构图示：

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

总线判优控制

连接总线的各类设备(模块)可分为：
{ 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 \begin{cases}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{cases} {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
总线判优控制可分为：
{ 集中式 ( 将控制逻辑集中一处 ) { 链式查询计数器定时查询独立请求方式分布式 ( 将控制逻辑分散在与总线连接的各个设备上 ) \begin{cases}集中式(将控制逻辑集中一处)\begin{cases}链式查询\\计数器定时查询\\独立请求方式\end{cases}\\\\分布式(将控制逻辑分散在与总线连接的各个设备上)\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧集中式(将控制逻辑集中一处)⎩ ⎨ ⎧链式查询计数器定时查询独立请求方式分布式(将控制逻辑分散在与总线连接的各个设备上)
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 BR_i BRi和一对总线同意线 B G i BG_i BGi。
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。

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

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结束阶段

传数阶段

寻址阶段

申请阶段

决定

让出总线使用权

从系统总线撤除主设备的有关信息

主从设备交换数据

源设备提供数据到目的设备

启动参与本次传输的从设备

获得使用权的主设备发出本次要访问从设备的地址和有关命令

某一申请者被授予总线使用权

经仲裁结构

某主设备提出申请

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 { ① . 同步通信 ② . 异步通信 ③ . 半同步通信 ④ . 分离式通信总线通信控制方式\begin{cases} ①.同步通信\\②.异步通信\\③.半同步通信\\④.分离式通信 \end{cases} 总线通信控制方式⎩ ⎨ ⎧①.同步通信②.异步通信③.半同步通信④.分离式通信
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：
{ 不互锁方式半互锁方式全互锁方式 \begin{cases}不互锁方式\\半互锁方式\\全互锁方式\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧不互锁方式半互锁方式全互锁方式

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；