说明

1. 博客作为笔记备份，不定时更新
2. 参考内容为《计算机组成原理（第3版）》唐朔飞 高等教育出版社；王道考研《计算机组成原理考研复习指导2023》
3. 文中的例题摘自王道考研《计算机组成原理考研复习指导2023》，大多是我个人认为较为典型的题目以及错题的部分整理

总线

1. 概述

1.1 基本概念

总线的定义

• 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
• 分时：同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息
• 共享：总线上可以挂接多个部件

总线设备

• 主设备：获得总线控制权的设备
• 从设备：指被主设备访问的设备，它只能响应从主设备发来的各种总线命令

总线特性

• 机械特性（尺寸、形状等）
• 电气特性（传输方向和有效的电平范围）
• 功能特性（每根传输线的功能）
• 时间特性（信号和时序的关系）

1.2 总线分类

片内总线

• 芯片内部的总线
• 顾名思义，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

• CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。根据传输信息内容的不同，分为数据总线、地址总线、控制总线
• 数据总线
  • 用来传输各个功能部件之间的数据信息
  • 是双向传输总线
  • 其位数与机器字长、存储字长有关
• 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端口的地址
  • 是单向传输线
  • 其位数与主存地址空间的大小有关
• 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
• 注：区分数据通路和数据总线
  • 数据通路：各个功能部件通过数据总线连接形成的数据传输路径，表示数据流经的路径
  • 数据总线：承载的媒介

I/O总线

• 主要用于连接中低速的I/O设备
• 将低速设备与高速总线分离，以提升总线的系统性能，常见的有USB、PCI总线

通信总线

• 计算机系统之间或计算机系统与其他系统（远程通信设备、测试设备等）之间传送信息的总线

1.3 系统总线的结构

单总线结构

• 将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与主存之间直接交换信息。CPU与主存、CPU与外设之间可直接进行信息交换，无需经过中间设备的干预
• 单总线不是指只有一根信号线（是一组），系统总线按传送的信息不同可分为地址总线、数据总线、控制总线
• 优点：结果简单，成本低，易于接入新设备
• 缺点：带宽低、负载重，多个部件之间只能争用唯一的总线，不支持并发传送操作

双总线结构

• 从图中可见，双总线结构有两条总线：主存总线和I/O总线
• 主存总线：用于在CPU、主存和通道之间传送数据
• I/O总线：用于在多个外设与通道之间传送数据
• 优点：将低速I/O设备从单总线上分离出来，实现了存储器总线和I/O总线的分离
• 缺点：需要增加通道等硬件设备

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：主存总线、I/O总线、直接内存访问（DMA）总线
• 主存总线：在CPU与内存之间传送地址、数据和控制信息
• I/O总线：在CPU和各类外设之间通信
• DMA总线：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，使其更快的响应命令，提高系统的吞吐量
• 缺点：系统工作效率较低

1.4常见的总线标准

总线标准的含义

• 总线标准可视为系统与各个模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面
• 这个界面它的两端是透明的，即界面的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一方接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求
• 采用总线标准的好处
  • 可以为计算机接口的软硬件设计提供方便
  • 对硬件设计来说，使各个模块的接口芯片设计相对独立
  • 对软件设计而言，更有利于接口软件的模块化设计

常见的总线标准

• ISA：工业标准体系结构，是最早出现的微型计算机的系统总线，应用在IBM的AT机器上
• EISA：扩展的ISA，是为了配合32位CPU而设计的扩展总线，对ISA完全兼容
• VESA：视频电子标准协会，使用一个32位的局部总线，是针对多媒体PC要求高速传送活动图像的大量数据而推出的
• PCI：外部设备互连，是高性能的32位或64位总线，是专为高度集成的外围部件、扩充插板和处理器/存储系统设计的互连机制。常用的PCI适配器有显卡、声卡、网卡等。PCI总线支持即插即用，是一个与处理器时钟频率无关的高速外围总线，属于局部总线，是半同步总线
• AGP：加速图形接口。是一种视频接口标准，专用于连接主存和图形存储器，用于传送视频和三维图形数据，属于局部总线
• PCI-E：最新的总线接口标准，将全面取代现行的PCI和AGP
• RS-232C：是由美国电子工业协会推荐的一种串行通信总线，是应用于串行二进制交换的数据终端设备和数据通信设备之间的标准接口
• USB（通用串行总线）：广泛应用于笔记本电脑的一种接口标准，是一个用于扩展功能的小型插槽，具有即插即用的功能
  • 补充：USB特点：即插即用；热插拨；有很强的连接能力，采用菊花链形式将众多外设连接起来；有很好的扩充性；高速传输
• IDE：集成设备电路，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：小型计算机系统接口，是一种用于计算机和智能设备之间系统级接口的独立处理器标志
• SATA：串行高级技术附件，是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口
• 注
  • 高速设备采用局部总线连接，可节省系统的总带宽
  • 2010年考察了这些总线标准名词，选择英文缩写均为总线标准的选项
  • 2012年考察了USB总线特性，选择对USB总线错误描述的选项
  • 2013年考察了设备和设备控制器之间互连的接口标准

1.5总线的性能指标

总线传输周期

• 一次总线操作所需的时间
• 包括总线申请阶段、寻址阶段、传输阶段、结束阶段
• 通常由若干个总线时钟周期组成

总线时钟周期

• 即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受该时钟的控制

★总线工作频率

• 总线上各种操作的频率，是总线周期的倒数
• 实际指1秒内传送几次数据

总线时钟频率

• 即机器的时钟频率，是时钟周期的倒数

★ 总线宽度

• 又称为总线位宽，是总线上同时能传输的数据位数，通常指数据总线的位数

★总线带宽

• 可理解为总线的最大数据传输率，即单位时间内总线上最多可传输数据的位数
• $总线带宽=总线工作频率\times \frac{总线宽度}{8}$

总线复用

• 指一种信号线在不同的时间传输不同的信息

信号线数

• 地址总线、数据总线和控制总线3种总线数之和称为信号线数

1.6 例题

总线传输内容

1. （$P_{277}$）间址寻址第一次访问内存所得到的的信息经系统总线的（）传送到CPU
   A. 数据总线 B. 地址总线 C. 控制总线 D. 总线控制器
   解答：间址寻址第一次访问内存得到的是操作数的有效地址，该地址作为数据通过数据总线传送至CPU，地址总线是用于CPU选择主存单元地址和I/O端口地址的单向总线，不能回传。
   地址总线由单向的多条信号线组成，可用于CPU向主存、外设传送地址信息；数据总线由双向的多条信号线组成，CPU可沿着这些线从主存或外设读写数据；控制总线上传输控制信息，包括控制命令和反馈信息等。选A
   错误原因：错选B，地址线不能双向传输
2. （$2011$）在系统总线的数据线上，不可能传输的是（）
   A. 指令 B. 操作数 C. 握手（应答）信号 D. 中断类型号
   解答：首先可知握手（应答）信号属于通信联络控制信号，应在控制总线上传输，选C。取指令时，指令在数据线上传输；操作数显然是在数据线上传输；中断类型号用来指出中断向量地址，CPU响应中断请求后，将中断应答信号INTR发回数据总线，CPU从数据总线上读取中断类型号后，查找中断向量表，找到对应的中断处理程序入口

2. 总线事务和定时

• 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，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

2.1 总线事务

• 从请求总线到完成总线使用的操作序列称为总线事务，典型的总线事务包括：
  • 请求阶段：主设备（CPU或DMA）发出总线传输请求，并获得总线控制权
  • 仲裁阶段：总线仲裁机构决定将下一个传输周期的总线使用权授予某个申请者
  • 寻址阶段：主设备通过总线给出要访问的从设备的地址及有关命令，启动从模块
  • 传输阶段：主从模块交换数据，单向或双向，一般只能传输一个字长的数据
  • 释放阶段：主模块的有关信息均从系统总线上撤出，让出总线使用权
• 突发传送方式（之前做题遇到过）
  • 突发传送方式能进行连续成组数据的传送
  • 其寻址阶段发送的是连续数据单元的首地址
  • 在传输阶段传送多个连续单元的数据
  • 每个时钟周期可传送一个字长的信息，但是不释放总线，直到一组数据全部传送完成后，再释放总线

2.2 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发的传送定时关系
• 时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期
• 在一个总线周期内，发送方和接收方可进行一次数据传送
• 采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线周期结束，下一个总线的传送周期开始
• 也就是说，同步通信在系统总线设计时，对每个总线周期都有明确的规定，比如对第一个总线周期$T_1$，$T_1$主模块发送地址，$T_2$主模块发送读命令（假设是读操作），$T_3$从模块提供数据，$T_4$主模块撤销读命令，从模块撤销数据
• 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，可靠性差
• 适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间较接近的系统

2.3 异步定时方式

• 没有统一的时钟，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较大的部件或设备之间可靠的进行信息交换，自动适应时间的配合
• 缺点：比同步控制方式稍复杂，速度比同步定时慢
• 分类
  • 不互锁方式
    • 主设备发出请求信号后，不必等从设备的回答信号，而是经过一段时间后撤销请求信号
    • 从设备接到请求信号后，发出回答信号，并经一段时间后自动撤销回答信号
  • 半互锁方式
    • 主设备发出请求信号后，必须在接到从设备的回答信号后，才能撤销请求信号
    • 从设备接到请求信号后，发出回答信号，但不必等获知主设备的请求信号已撤销，而是等一段时间后自动撤销回答信号
  • 全互锁方式
    • 主设备发出请求信号后，必须在从设备回答后才能撤销请求信号
    • 从设备发出回答信号后，必须在知道主设备请求信号已经撤销后，才能撤销回答信号

2.4 补充：半同步通信和分离式通信

• 课本$P_{64}$
• 半同步通信
  • 既保留了同步通信的基本特点，如所有的地址、命令、数据信号的发出时间都严格按照系统时钟的某个前沿开始，而接收方都采用系统时钟后沿时刻来进行判断识别
  • 又像异步通信那样，允许不同速度的模块和谐工作
  • 增设一条“等待”$\overline{WAIT}$响应信号线，采用插入时钟（等待）周期的措施来协调通信双方的配合问题
  • 适用于系统工作速度不高但又包含了由许多工作速度差异较大的各类设备组成的简单系统
• 分离式通信
  • 基本思想：将一个传输周期（或总线周期）分为两个子周期。第一个子周期内，主模块A获得总线使用权后将命令、地址、主模块编号等有关信息发到系统总线上，一旦发送完，立即释放总线使用权；第二个子周期内，模块B收到模块A发来的命令后，经选择、译码、读取等一系列操作后，将模块A所需的数据准备好，模块B申请总线使用权，一旦获准就将模块A的编号、模块B的地址、模块A所需数据等一系列信息送到总线上
  • 特点
    • 各个模块欲占用总线时均需提出申请
    • 在得到总线使用权后，主模块在限定的时间内向对方传送信息，采用同步方式传送，不再等待对方的回答信号
    • 各个模块在准备数据的过程中都不占用总线，使总线可接收其他模块的请求
    • 总线被占用期间都在做有效工作，充分的利用了总线的有效占用
  • 一般用于大型计算机系统，由于控制复杂，在普通微型计算机系统中很少采用

2.5 例题

1. （$P_{285}$）在不同速度的设备之间传送数据，（）
   A. 必须采用同步控制方式
   B. 必须采用异步控制方式
   C. 可选用同步控制方式，可也选用异步控制方式
   D. 必须采用应答方式
   解答：异步方式主要用于在不同的设备之间进行通信，两种速度不同的设备使用同一时钟进行控制时，采用同步控制方式也能实现数据的传送，但不能发挥快速设备的高速性能。选C
2. 在异步总线中，传送操作（）
   A. 由设备控制器控制 B. 由CPU控制 C. 由统一时序信号控制 D. 按需分配时间
   解答：在异步方式下，没有公共的时钟，完全依靠传送双方相互制约的握手信号来实现定时控制，传送操作是由双方按需分配时间的。选D

3. 小结

引入总线的好处

• 简化了系统结构，便于系统设计制造
• 大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性
• 便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口
• 便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化
• 便于设备的软件设计，所有接口的软件对不同的接口地址进行操作
• 便于故障诊断和维修，同时也能降低成本

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