计算机组成原理-第六章 总线【期末复习|考研复习】

前言

总结整理不易，希望大家点赞收藏。

给大家整理了一下计算机组成原理中的重点概念，以供大家期末复习和考研复习的时候使用。
参考资料是王道的计算机组成原理和西电的计算机组成原理。

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计算机组成原理系列文章传送门：
第一/二章 概述和数据的表示和运算
第三章 存储系统
第四章 指令系统
第五章 中央处理器
第六章 总线
第七章 输入/输出系统

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第六章 总线

6.1 总线概述

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。分时和共享是总线的两个特点。
总线特性：
机械特性（尺寸）、电气特性（有效D电平）、功能特性（传输线的功能）、时间特性（时序）。

6.1.1 总线的分类

1） 片内总线 ：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。
2） 系统总线 ：计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间相互连接的总线。
a. 数据总线 ：用来传输各功能部件之间的数据信息，双向传输，其位数与机器字长、存储字长有关。
b. 地址总线 ：用来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接口的地址，单向传输，其位数与主存地址空间有关。
c. 控制总线 ：传输控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外设）返回CPU的反馈信号。
3） 通信总线 ：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，也称为 外部总线。

6.1.2 系统总线的结构

1）单总线结构：CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上。
优点：简单，成本低，易拓展。缺点：带宽低，负载重，不支持并行操作。
2）双总线结构：主存总线、I/O总线。
优点：将低速I/O设备从总线分离出来。缺点：需要增加通道等硬件设备。
3）三总线结构：主存总线、I/O总线、DMA总线。
主存总线用于在CPU和内存之间传送地址数据和控制信息。I/O总线用于在CPU和各类外设之间通信。DMA总线用于在内存和高速外设之间直接传送数据。
优点：提高了I/O设备的性能，提高系统吞吐量。缺点：系统工作效率较低。

6.1.3 总线的性能指标

总线宽度 ，又称总线位宽，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
总线带宽 ，总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，总线带宽=总线工作频率 * (总线宽度/8)

6.2 总线操作和定时

一个总线周期可分为4个阶段：
1）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，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。
2）寻址阶段：主模块通过总线发出本次要访问的从模块（或从设备）的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。
3）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。
4）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。

6.2.1 同步定时方式

同步定时方式：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递定时关系。适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。
优点：传送速度快，具有较高的传输速率；总线控制逻辑简单。缺点：主从设备属于强制性同步；不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。

6.2.2 异步定时方式

异步定时方式：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：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。
1）不互锁方式：主设备自动撤销"请求"信号，从设备自动撤销"回答"信号，双方不存在互锁关系
2）半互锁方式：主设备发出"请求"信号后，必须待接到从设备的"回答"信号后，才撤销"请求"信号，有互锁关系；而从设备在接到"请求"信号后，发出"回答"信号，但不必等待获知主设备的"请求"信号已经撤销，而是隔一段时间后自动撤销"回答"信号，不存在互锁关系。
3）全互锁关系：主设备发出"请求"信号后，必须待从设备"回答"后，才撤销"请求"信号；从设备发出"回答"信号，必须待获知主设备"请求"信号已撤销后，再撤销其"回答"信号。双方存在互锁关系。

6.3 总线标准

系统总线：
ISA总线 ：最早出现的微型计算机的 系统总线标准，应用在IBM的AT机上
EISA总线：为配合32位CPU而设计的总线扩展标准，EISA对ISA完全兼容
局部总线：
VESA总线：32位标准的计算机局部总线 ，是针对多媒体PC要求高速传送活动图像的大量数据应运而生的
PCI总线：高性能的32位或64位总线，专为高度集成的外围部件、扩充插板和处理器/存储器系统而设计的互联机制。目前常用的PCI适配器有 显卡、声卡、网卡 等。PCI总线支持即插即用，与处理器时钟频率无关，属于局部总线，可以通过桥连接实现多层PCI总线。
AGP：是一种视频接口标准，专用于连接主存和图形存储器，属于局部总线。AGP技术为传输视频和三维图形数据提供了切实可行的解决方案。
PCI-Express（PCI-E ）是最新的总线和接口标准，将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。
设备总线：
RS-232C总线是由美国电子工业协会（EIA）推荐的一种串行通信总线标准 ，是应用于串行二进制交换的数据。终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的标准接口。
USB总线：连接外部设备的I/O总线标准，属于设备总线 ，具有即插即用、热插拔等优点，有很强的连接能力。串行
PCMCIA：广泛应用于笔记本电脑中的一种接口标准，是一个小型的用于扩展功能的插槽，可即插即用。
连接硬盘：
IDE总线：ATA，是一种IDE接口磁盘驱动器接口类型，硬盘和光驱通过IDE接口与主板连接。
SCSI：用于计算机和智能设备之间（硬盘、软驱、光驱、打印机等）系统级接口的独立处理器标准。
SATA：基于行业标准的串行硬件驱动器接，硬盘接口规范。串行

7 练手题

7.1

7.2

7.3

7.4

7.5

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第七章 输入/输出系统