计算机组成原理 系统总线

一、总线结构

总线（bus）是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享信息媒介，某时刻只允许一个部件向总线发信息，但多个部件可同时接受信息。

1.以 CPU 为中心的双总线结构

以 CPU 为中心，I/O 与主存交换信息时占用 CPU ，影响工作效率

 

2.单总线结构

以总线为中心，I/O 与主存交换信息时，原则上 不影响 CPU 工作，结构简单，便于扩充，但只有一条总线，会出现多个部件同时需要使用的情况，因此必须有判优机制，决定设备占用总线优先级。

 

3.以存储器为中心的双总线结构

在单总线结构基础上，新增一条存储总线连接 CPU 与主存，提高了传输效率，减轻了系统总线负担。

 

4.三总线结构

新增一条 DMA 总线，用于高速外设与主存直接交换信息，任一时刻只能使用一条总线，主存总线和 DMA 总线不能同时对主存存取。

 

5.四总线结构

• 在 CPU 与 高速缓冲存储器 cache 间一条总线，同时与系统总线连接
• I/O 与主存间传输不经 CPU
• 高速总线与高性能外设连接，速度快
• 低速设备连在扩展总线上，将高速设备与低速设备分离，提高性能

二、总线的分类

1.片内总线

指 芯片内部 总线，如 CPU 芯片内部，寄存器与寄存器间，寄存器与算术逻辑单元 ALU 间的总线。

2.系统总线

计算机各部件间的信息传输线，又可分为板级总线（一块电路板上）和板间总线。

按传输信息不同分为三类：数据总线、地址总线、控制中心。

• 数据总线：传输数据信息  ，双向 传输
• 地址总线：指出目的数据在主存的地址或 I/O 端口地址，单向传输（CPU发）
• 控制总线：发出各种控制信号，对 任一 控制线传输是 单向 的，对控制总线 整体，是双向的

数据总线条数称为 数据总线宽度，是衡量系统性能的重要参数

常见控制信号：时钟、复位、总线请求、总线允许、中断请求、中断允许、存储器写、存储器读

数据确认、I/O 读、I/O 写

3.通信总线

用于计算机系统之间，计算机与其他系统通信，分为串行通信总线和并行通信总线

 

三、总线性能指标

1.总线特性

• 机械特性：总线在机械连接方式上的性能，如插头标准、尺寸形状、引脚个数等。
• 电气特性：信号传递方式及有效电平范围。
• 功能特性：总线中每根传输线功能。
• 时间特性：任一根线在什么时间内有效。

2.性能指标

• 总线宽度：数据总线根数，用 bit （位）表示。
• 标准传输率：总线上每秒能传输的最大字节量，用 MB/s 表示。
• 时间同步/异步：总线上数据与时钟同步工作叫同步总线，但是不同步工作的并非一定是异步总线。
• 总线复用
• 信号线数：地址总线、数据总线、控制总线数之和
• 总线控制方式

3.总线标准

四、总线控制

1.总线判优控制

将设备分为主设备和从设备，主设备有总线控制权，从设备只能响应总线请求

• 链式查询：结构最简，容易扩充设备，但对电路故障敏感，按照连接方式确定优先次序
• 计数器定时查询：计算器初始值可由程序设定，因此优先次序可变，控制相对复杂
• 独立请求模式：响应速度快，优先次序灵活，总线控制复杂

2.总线通信控制

（1）目的：解决通信双方协调配合的问题

（2）总线传输周期：

1. 申请分配阶段：需使用总线的主设备提出申请，总线仲裁结构授权
2. 寻址阶段：获得使用权的主设备，发出要访问的地址及命令
3. 传数阶段：数据交换
4. 结束阶段：主设备信息从总线撤出，让出总线使用权

（3）通信四种方式

• 同步通信：统一时标，总线长度较短，配合简单一致，但严重影响工作效率，不灵活

• 异步通信：应答方式（又称握手方式），即当主模块发出请求，等到从模块响应信号后才开始通信，无统一时标，分为不互锁、半互锁、全互锁

• 半同步通信：增设“等待”响应信号线，是不同速度模块可以和谐工作，可靠性高，要求时钟频率不能太高

以上三种方式的缺点：从模块收到命令后准备数据的时间，仍在占用总线使用权，影响总线使用效率

• 分离式通信：将一个总线传输周期分为两个子周期，如下，每个模块都可作为主模块向总线发出请求，主模块发送信息采用同步通信方式，效率高，但控制复杂

 

 

本文中图片均为刘宏伟教授在中国大学MOOC上的课件截图