计算机组成原理
第三章 系统总线
重点：
①有关总线的基本概念；
②如何克服总线的瓶颈；
③如何对总线进行管理，包括判优控制和通信控制。
难点：
总线的通信控制，既要解决通信双方如何获知传输的开始和结束，又要使通信双方按规定的协议互相协调来完成通信任务。
一、总线的概念
1、总线
物理上：一根根导线的集合；
逻辑上：分为地址总线、控制总线和数据总线。
（1）地址总线
地址总线的宽度直接决定了可以访存的内存的地址单元的个数。
例：
一个CPU有n根地址线，则地址总线宽度为n,
那么寻址的内存单元有多少？
答：
2^n
（2）数据总线
数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传送速度。
即：
8根数据总线一次可以传送一个8位二进制数据（一个字节）；
16根数据总线一次可传送两个字节。
2、总线的基本概念
（1）什么是总线
总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。
注意：某一时刻，只允许一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接受相同的信息。
（2）总线上信息的传送
串行
并行
3、总线结构的计算机
（1）面向CPU的双总线结构框图
（2）单总线结构框图
容易造成总线的阻塞。
（3）以存储器为中心的双总线结构框图
二、总线的分类
1、按数据传送方式
并行传输总线、串行传输总线
2、总线的使用范围
计算机总线、测控总线、网络通信总线等
3、按连接部件不同划分
（1）片内总线
芯片内部的总线
（2）系统总线
计算机各部件（CPU、内存、I/O接口）之间的信息传输线
分为：
①数据总线（DB）：双向的，与机器字长、存储字长有关。
②地址总线（AB）：单向（CPU->存储器），与存储地址、I/O地址有关。
③控制总线（CB）：有出（存储器读，写等）、有入（中断请求，总线请求），双向。
（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（如控制表、移动通信等）之间的通信。
传输方式：
①串行通信总线：由低位向高位逐位传送，适合远距离，代价低。
②并行通信总线：适合近距离，代价高。
三、总线特性及性能指标
1、总线的特性
（1）机械特性
保证尺寸、形状、管脚数及排列顺序。
（2）电气特性
保证传输方向和有效的电平范围。
（3）功能特性
每根传输线的功能：地址、数据、控制。
（4）时间特性
信号的时序关系。
2、总线的性能指标
（1）总线的宽度
数据线的根数
（2）标准传输率
每秒传输的最大字节数（MBps）
（3）时钟同步/异步
总线上的数据与时钟是同步、还是不同步。
（4）总线复用
一条信息线上分时传送两种信息。如：地址线与数据线复用
（5）信号线数
地址线、数据线和控制线三种总线数的总和
（6）总线控制方式
并发、自动、仲裁、逻辑、计数
（7）其他指标
负载能力等
总线带宽（又称总线的数据传输速率）：
单位时间内总线上传输数据的位数，通常以每秒传输信息的字节数来衡量，单位：MBps（兆字节每秒）。
例：
总线工作频率为33MHz，总线宽度32为，求总线带宽？
总线带宽=33x（32/8）=132MBps
四、总线结构
1、单总线结构
（1）特点：系统中只有一条总线，所有设备都以总线设备的形式连接到这条总线上
（2）问题：系统工作效率不高。
（3）原因：
①大量设备竞争总线使用权
②总线设备存在巨大的速度差异。
③影响计算机的扩展能力。
2、多总线结构
（1）双总线结构
优点：减少了CPU等待访问存储器的开销。
①
特点：
CPU把一部分功能下放给通道，另外，将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来。
通道：
具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一管理。
②以存储器为中心的双总线结构框图
特点：
保留了I/O设备与存储器交换信息时不经过CPU特点，因为增加了快速的存储总线，提高了传输效率，减轻了系统总线的负担。
（2）三总线结构
DMA：
DMA直接内存存取原理是指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。
采用DMA方式，可以解决效率和速度问题
功能：
①能向CPU发出系统保持（HOLD）信号，提出总线接管请求；
②当CPU发出允许接管信号后，负责对总线的控制，进入DMA方式；
③能对存储器寻址及能修改地址指针，实现对内存的读写操作；
④能决定本次DMA传送的字节数，判断DMA传送是否结束
⑤发出DMA结束信号，使CPU恢复正常工作状态。
五、总线控制
1、总线判优控制
（1）基本概念
主设备（模块）：对总线有控制权
从设备（模块）：响应从主设备发来的总线命令
总线判优控制分为：集中式（链式查询、计数器定时查询、独立请求）、分布式
（2）链式查询方式
特点：
离总线控制部件最近的设备具有最高的优先级。只需很少几根线（3根）就按一定优先次序实现总线控制，且易扩充设备，但对电路敏感，且优先级低的设备可能很难获得请求。
（3）计时器定时查询方式
特点：
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，此时终止计数查询。
优先次序可以改变（可由程序设置初始的计数值），电路故障不如链式查询方式敏感，
但增加的控制线（设备地址线），控制较复杂（设备地址线有
（4）独立请求方式
特点：
响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序改变），但控制线数量多（2n根），总线控制复杂。
2、总线通信控制
（1）目的
解决通信双方如何获知传输开始和结束，如何协调配合问题。
（2）总线传输周期
**总线周期：**完成一次总线操作的时间。
①申请分配阶段
主模块申请，总线仲裁决定。
②寻址阶段
主模块向从模块给出地址和命令
③传数阶段
主模块和从模块交换数据
④结束阶段
主模块撤销有关信息
（3）总线通信的四种方式
①同步通信
由统一时标控制数据传送
②异步通信
采用应答方式，没有公共时钟标准
③半同步通信
同步、异步结合
④分离式通信
充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力
（4）同步通信
①同步式数据输入（外设->CPU传输数据）
②同步式数据输出（CPU传输数据->外设）
③同步通信的优缺点
**优点：**规定明确、统一，模块间的配合简单一致。
**缺点：**主、从模块实际配合属于强制性“同步”，必须按最慢的部件来设置公共时钟，严重影响了总线的工作效率，设计带来局限性，缺乏灵活性。
例：
假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传输周期为4个时钟周期，总线的宽度为32位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？
解：
(1)
方法一：
根据总线的时钟频率为100MHz，得
1个时钟周期为：1/100MHz=0.01us;
总线传输周期为：0.01x4=0.04us;
由于总线的宽度为：32/8=4B(字节)；
所以总线的数据传输率为：4B/0.04us=100MBps
方法二：
设总线的数据传输率为x,则
1/100MHz*4:32/8B=1s：x
x=100MBps
总线的传输周期/总线的宽度=1s：总线的数据传输率
(2)
若想提高一倍数据传输率，可以在不改变总线时钟频率的前提下，使数据宽度改为64位，也可以仍保持数据宽度32位，但使总线的时钟频率增加到200MHz。
（5）异步通信
采用应答方式：
当主模块发出请求信号时，一直等待从模块响应信号后，才开始通信。（在主从模块之间增加两条应答线）。
①异步并行：
使用“Ready”和“Strobe”联络信号。
②异步串行
没有同步时钟，也不需要在数据传送过程中传送同步信号。为了确认被传送的字符，约定字符格式为：
1个起始位（低电平），5*－*8个数据位，1个奇偶校验位、1或1.5或2个终止位（高电平）
传送时起始位后面紧跟要传送字符的最低位，每个字符结束是一个高电平的终止位。
起始位至终止位构成1帧。两帧之间的间隔可以是任意长度的。
异步串行通信的数据传输速率用波特率来衡量
③波特率
单位时间内传送二进制数据的位数，用bps（位/秒）表示，记作波特。
④例题
在异步串行传输系统中，假设每秒传输120个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位，7个数据位，1个校验位，1个终止位，试计算波特率。
解：
一帧包含1+7+1+1=10（位）；
所以波特率=10x120=1200bps=1200波特
（6）半同步通信（同步、异步结合）
以输入数据为例的半同步通信时序：
（7）分离式通信
特点：
①各模块有权申请占用总线；
②采用同步方式通信，不等对方回答；
③各模块准备数据是，不占用总线；
④总线被占用时，无空闲
⑤充分提供了总线的有效占用；
⑥控制线路比较复杂。