计算机组成原理——总线

本系列文章为408考研计算机组成原理知识点整理仅涉及到一些重要的考研知识点并不是完全系统全面的知识，参考书目和视频资料：唐朔飞计算机组成原理（第二版），袁春风计算机组成与系统结构（第二版）王道考研计算机组成原理，B站王道考研计算机组成原理视频课。

6.1 总线概述

6.1.1 总线的基本概念

总线：总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路

共享：是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组线路分时共享
分时：是指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

设计总线时要考虑以下特性：
机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
电气特性：传输方向和有效地电平范围
功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）
时间特性：信号的时序关系

6.1.2 总线的分类

按数据的传输格式分类
串行总线：一次只能发送一个bit的数据
优点：只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输；应用于计算机内部时，可以节省布线空间
缺点：在数据发送和接受的时候，需要进行拆卸和装配，要考虑串行-并行转换的问题

并行总线：一次可以并行发送多个bit的数据
优点：总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易
缺点：信号线数量多，占用更多布线空间；远距离传输成本高昂；另外，在工作频率较高时，并行的信号线之间会产生严重干扰，对每条线等长的要求也越高，所以无法持续提升工作频率

按总线功能（连接的部件）分类
片内总线
片内总线：是芯片内部的总线，它是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、IO接口)之间的相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同，又可以分为3类：数据总线、地址总线和控制总线

数据总线(DATA BUS)：传输功能部件之间的数据信息，包括指令和操作数；其位数与机器字长、存储字长有关；双向传输
地址总线(ADDRESS BUS)：用于指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址；它是单向传输总线；地址总线的位数与主存地址空间的大小有关
控制总线(CONTROL BUS)：传输控制信息；一根控制线传输一个信息；对于单个控制线它是单向的，但是对于整个控制总线来说它是“双向”的，也就是有出（指CPU发出的控制信号）和有入（主存或外设返回的反馈信号）

通信总线
通信总线：是在计算机系统之间或计算机系统与其他系统（比如远程设备，测试设备）之间传送信息的总线，也称为外部总线

6.1.3 系统总线的结构

单总线结构：CPU、主存、I/O设备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，且不支持并行操作；另外像CPU、主存它们的速度是很快的，但是像硬盘这些设备速度要很慢，所以这种方式不科学

双总线结构：具有两条总线，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
优点：将较低速的IO设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和I/O总线的分离
缺点：需要增加通道等硬件设备

其中通道是指具有特殊功能的硬件处理器，能对I/O设备进行统一管理。通道程序放在主存中；另外双总线结构还支持突发（猝发）传送(送出一个地址，收到多个地址连续的数据)

三总线结构：在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，这三条总线分别为主存总线、I/O总线和DMA(直接内存访问)总线
优点：提高了I/O设备的性能，使其能更快地响应命令，提高系统吞吐量
缺点：系统工作效率较低

主存总线：用于CPU和内存之间传送地址、数据和控制信息；
I/O总线：用于CPU和各类外设之间通信
DMA总线：用于内存和高速外设之间直接传送数据

6.1.4 总线的标准

根据总线在计算机系统中的位置，总线可以分为
系统总线：通常与CPU直接相连，用于连接CPU与北桥芯片，或CPU与主存
局部总线：没有直接与CPU连接，通常是连接高速的北桥芯片，用于连接很多重要的硬件部件（比如显卡和声卡等）
设备总线、通信总线：通常由南桥芯片控制，用于连接计算机与计算机，或连接计算机与外部I/O设备

常考总线的总结

ISA：最早出现的微型计算机的系统总线
EISA：系统总线，对ISA完全兼容
VESA：32位的局部总线，针对活动图片数据的传输
PCI：与时钟频率无关的局部总线，支持即插即用，如显卡、声卡、网卡。
AGP：局部总线，用于传输视频和三维图形
PCI-E：全面取代PCI和AGP，串行接口
RS-232C：串行通信总线
USB：串行总线，设备总线，即插即用，热插拔
PCMCIA：即插即用
IDE：集成设备电路（ATA）硬盘光驱接口
SCSI：智能通用接口
SATA：串行硬盘接口

6.1.5 总线的性能标准

①总线传输周期：一次总线操作所需要的时间，通常由若干个总线时钟周期构成。经过一个总线传输周期后就可以完成一组数据的传送：申请阶段：例如总线仲裁；寻址阶段；传输阶段；结束阶段：释放总线使用权

②总线时钟周期：也即机器的时钟周期，我们知道计算机中会有一个统一的时钟，来控制整个计算机的各个部件，总线自然也要受到时钟的控制
需要注意的是，总线周期与总线时钟周期的关系比较复杂：
大多数情况下，一个总线周期包含多个总线时钟周期
有的时候，一个总线周期就是一个总线时钟周期
还有的时候，一个总线时钟周期可以包含多个总线周期

③总线工作频率：总线上各种操作的频率，它是总线周期的倒数。
若总线周期=N个时钟周期，则总线的工作频率为=时钟频率/N, 表示一秒内传送了几次数据
④总线时钟频率：即机器的时钟频率，是时钟周期的倒数。
⑤总线宽度：又称为总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数。比如32根就称为32bit总线
⑥总线时钟带宽：可以理解为总线的数据传输率，也即单位时间内总线上可以传输数据的位数。通常用每秒钟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）

⑦总线复用：是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息，这样做可以使用较少的成本来传输更多得到信息，节省了成本，但是会使传输效率下降

⑧信号线数：是指地址总线、数据总线、控制总线3种总线线的根数之和

6.2 总线定时

6.2.1 总线定时

总线周期：一个总线周期通常会分为以下几个阶段

申请分配阶段：由需要使用总线的主模块（主设备）提出申请，经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，也可将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段
寻址阶段：获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，让出总线使用权

总线定时：是指双方在总线上交换数据时对时间关系的一种控制。本质是一种协议或规则，主要有以下几种
同步通信（同步定时方式）：由统一时钟控制数据传送
异步通信（异步定时方式）：采用应答方式，没有公共时钟标准
半同步通信：同步、异步的结合
分离式通信：充分挖掘系统总线每一瞬间的潜力

6.2.2 同步定时方式

同步定时：总线控制器采用一个统一的时钟信号来协调发送和接受双方的传送定时关系，有如下特点：
若干时钟周期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，发送方和接受方可以进行一次数据传送
采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接受信息都在固定的传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线传送周期开始

优点
传送速度快、传输速率高，总线控制逻辑简单
缺点
主从设备属于强制性同步，不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差

同步通信适用于总线长度较短以及总线所接部件的存取时间比较接近的系统，否则就会出现诸如“主设备跟得上总线的速度，而从设备跟不上总线的速度”这样的尴尬情况