計算機組成原理
第三章 系統總線
重點：
①有關總線的基本概念；
②如何克服總線的瓶頸；
③如何對總線進行管理，包括判優控制和通信控制。
難點：
總線的通信控制，既要解決通信雙方如何獲知傳輸的開始和結束，又要使通信雙方按規定的協定互相協調來完成通信任務。
一、總線的概念
1、總線
實體上：一根根導線的集合；
邏輯上：分為位址總線、控制總線和資料總線。
（1）位址總線
位址總線的寬度直接決定了可以訪存的記憶體的位址單元的個數。
例：
一個CPU有n根位址線，則位址總線寬度為n,
那麼尋址的記憶體單元有多少？
答：
2^n
（2）資料總線
資料總線的寬度決定了CPU和外界的資料傳送速度。
即：
8根資料總線一次可以傳送一個8位二進制資料（一個位元組）；
16根資料總線一次可傳送兩個位元組。
2、總線的基本概念
（1）什麼是總線
總線是連接配接各個部件的資訊傳輸線，是各個部件共享的傳輸媒體。
注意：某一時刻，隻允許一個部件向總線發送資訊，而多個部件可以同時從總線上接受相同的資訊。
（2）總線上資訊的傳送
串行
并行
3、總線結構的計算機
（1）面向CPU的雙總線結構框圖
（2）單總線結構框圖
容易造成總線的阻塞。
（3）以存儲器為中心的雙總線結構框圖
二、總線的分類
1、按資料傳送方式
并行傳輸總線、串行傳輸總線
2、總線的使用範圍
計算機總線、測控總線、網絡通信總線等
3、按連接配接部件不同劃分
（1）片内總線
晶片内部的總線
（2）系統總線
計算機各部件（CPU、記憶體、I/O接口）之間的資訊傳輸線
分為：
①資料總線（DB）：雙向的，與機器字長、存儲字長有關。
②位址總線（AB）：單向（CPU->存儲器），與存儲位址、I/O位址有關。
③控制總線（CB）：有出（存儲器讀，寫等）、有入（中斷請求，總線請求），雙向。
（3）通信總線
用于計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如控制表、移動通信等）之間的通信。
傳輸方式：
①串行通信總線：由低位向高位逐位傳送，适合遠距離，代價低。
②并行通信總線：适合近距離，代價高。
三、總線特性及性能名額
1、總線的特性
（1）機械特性
保證尺寸、形狀、管腳數及排列順序。
（2）電氣特性
保證傳輸方向和有效的電平範圍。
（3）功能特性
每根傳輸線的功能：位址、資料、控制。
（4）時間特性
信号的時序關系。
2、總線的性能名額
（1）總線的寬度
資料線的根數
（2）标準傳輸率
每秒傳輸的最大位元組數（MBps）
（3）時鐘同步/異步
總線上的資料與時鐘是同步、還是不同步。
（4）總線複用
一條資訊線上分時傳送兩種資訊。如：位址線與資料線複用
（5）信号線數
位址線、資料線和控制線三種總線數的總和
（6）總線控制方式
并發、自動、仲裁、邏輯、計數
（7）其他名額
負載能力等
總線帶寬（又稱總線的資料傳輸速率）：
機關時間内總線上傳輸資料的位數，通常以每秒傳輸資訊的位元組數來衡量，機關：MBps（兆位元組每秒）。
例：
總線工作頻率為33MHz，總線寬度32為，求總線帶寬？
總線帶寬=33x（32/8）=132MBps
四、總線結構
1、單總線結構
（1）特點：系統中隻有一條總線，所有裝置都以總線裝置的形式連接配接到這條總線上
（2）問題：系統工作效率不高。
（3）原因：
①大量裝置競争總線使用權
②總線裝置存在巨大的速度差異。
③影響計算機的擴充能力。
2、多總線結構
（1）雙總線結構
優點：減少了CPU等待通路存儲器的開銷。
①
特點：
CPU把一部分功能下放給通道，另外，将速度較低的I/O裝置從單總線上分離出來。
通道：
具有特殊功能的處理器，由通道對I/O統一管理。
②以存儲器為中心的雙總線結構框圖
特點：
保留了I/O裝置與存儲器交換資訊時不經過CPU特點，因為增加了快速的存儲總線，提高了傳輸效率，減輕了系統總線的負擔。
（2）三總線結構
DMA：
DMA直接記憶體存取原理是指外部裝置不通過CPU而直接與系統記憶體交換資料的接口技術。
采用DMA方式，可以解決效率和速度問題
功能：
①能向CPU發出系統保持（HOLD）信号，提出總線接管請求；
②當CPU發出允許接管信号後，負責對總線的控制，進入DMA方式；
③能對存儲器尋址及能修改位址指針，實作對記憶體的讀寫操作；
④能決定本次DMA傳送的位元組數，判斷DMA傳送是否結束
⑤發出DMA結束信号，使CPU恢複正常工作狀态。
五、總線控制
1、總線判優控制
（1）基本概念
主裝置（子產品）：對總線有控制權
從裝置（子產品）：響應從主裝置發來的總線指令
總線判優控制分為：集中式（鍊式查詢、計數器定時查詢、獨立請求）、分布式
（2）鍊式查詢方式
特點：
離總線控制部件最近的裝置具有最高的優先級。隻需很少幾根線（3根）就按一定優先次序實作總線控制，且易擴充裝置，但對電路敏感，且優先級低的裝置可能很難獲得請求。
（3）計時器定時查詢方式
特點：
當某個請求占用總線的裝置位址與計數值一緻時，便獲得總線使用權，此時終止計數查詢。
優先次序可以改變（可由程式設定初始的計數值），電路故障不如鍊式查詢方式敏感，
但增加的控制線（裝置位址線），控制較複雜（裝置位址線有
（4）獨立請求方式
特點：
響應速度快，優先次序控制靈活（通過程式改變），但控制線數量多（2n根），總線控制複雜。
2、總線通信控制
（1）目的
解決通信雙方如何獲知傳輸開始和結束，如何協調配合問題。
（2）總線傳輸周期
**總線周期：**完成一次總線操作的時間。
①申請配置設定階段
主子產品申請，總線仲裁決定。
②尋址階段
主子產品向從子產品給出位址和指令
③傳數階段
主子產品和從子產品交換資料
④結束階段
主子產品撤銷有關資訊
（3）總線通信的四種方式
①同步通信
由統一時标控制資料傳送
②異步通信
采用應答方式，沒有公共時鐘标準
③半同步通信
同步、異步結合
④分離式通信
充分挖掘系統總線每個瞬間的潛力
（4）同步通信
①同步式資料輸入（外設->CPU傳輸資料）
②同步式資料輸出（CPU傳輸資料->外設）
③同步通信的優缺點
**優點：**規定明确、統一，子產品間的配合簡單一緻。
**缺點：**主、從子產品實際配合屬于強制性“同步”，必須按最慢的部件來設定公共時鐘，嚴重影響了總線的工作效率，設計帶來局限性，缺乏靈活性。
例：
假設總線的時鐘頻率為100MHz，總線的傳輸周期為4個時鐘周期，總線的寬度為32位，試求總線的資料傳輸率。若想提高一倍資料傳輸率，可采取什麼措施？
解：
(1)
方法一：
根據總線的時鐘頻率為100MHz，得
1個時鐘周期為：1/100MHz=0.01us;
總線傳輸周期為：0.01x4=0.04us;
由于總線的寬度為：32/8=4B(位元組)；
是以總線的資料傳輸率為：4B/0.04us=100MBps
方法二：
設總線的資料傳輸率為x,則
1/100MHz*4:32/8B=1s：x
x=100MBps
總線的傳輸周期/總線的寬度=1s：總線的資料傳輸率
(2)
若想提高一倍資料傳輸率，可以在不改變總線時鐘頻率的前提下，使資料寬度改為64位，也可以仍保持資料寬度32位，但使總線的時鐘頻率增加到200MHz。
（5）異步通信
采用應答方式：
當主子產品送出請求信号時，一直等待從子產品響應信号後，才開始通信。（在主從子產品之間增加兩條應答線）。
①異步并行：
使用“Ready”和“Strobe”聯絡信号。
②異步串行
沒有同步時鐘，也不需要在資料傳送過程中傳送同步信号。為了确認被傳送的字元，約定字元格式為：
1個起始位（低電平），5*－*8個資料位，1個奇偶校驗位、1或1.5或2個終止位（高電平）
傳送時起始位後面緊跟要傳送字元的最低位，每個字元結束是一個高電平的終止位。
起始位至終止位構成1幀。兩幀之間的間隔可以是任意長度的。
異步串行通信的資料傳輸速率用波特率來衡量
③波特率
機關時間内傳送二進制資料的位數，用bps（位/秒）表示，記作波特。
④例題
在異步串行傳輸系統中，假設每秒傳輸120個資料幀，其字元格式規定包含1個起始位，7個資料位，1個校驗位，1個終止位，試計算波特率。
解：
一幀包含1+7+1+1=10（位）；
是以波特率=10x120=1200bps=1200波特
（6）半同步通信（同步、異步結合）
以輸入資料為例的半同步通信時序：
（7）分離式通信
特點：
①各子產品有權申請占用總線；
②采用同步方式通信，不等對方回答；
③各子產品準備資料是，不占用總線；
④總線被占用時，無空閑
⑤充分提供了總線的有效占用；
⑥控制線路比較複雜。