计算机组成原理总线基本实验,计算机组成原理之系统总线

总线的基本概念

一、 什么是总线

总线是链接各个部件的信息传输线，是 各个部件共享的传输介质，在任何时候，每条总线只能给任意某一个部件使用。

二、总线信息传送方式

总线信息传送分为并行和串行两种。

三、 总线结构的计算机举例1. 单总线结构框图

存在的问题：总线的征用

信息传输的时间延迟

CPU执行程序的过程被频繁中止2. 面向CPU的双总线结构(以CPU为核心)

存在的问题：当主存与IO设备通信时必须经过CPU，仍会打断CPU运行。3. 以存储器为核心的双总线结构

但是就目前技术而言，系统总线和储存总线也不能同时工作。

总线的分类片内总线：芯片内部的总线

系统总线: 计算机各部件之间的信息传输线

1.数据总线:双向 与机器字长，存储字长相关。通常小于等于机器字长，存储字长。64位电脑中可以使用8位总线

2.地址总线：单项 与存储地址，IO地址有关。

3.控制总线：有出 有入

通信总线：用于计算机之间，或计算机与其他系统(如控制仪表等)的通信

总线特性及性能指标

一、总线的物理实现

二、总线特性机械特性

尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序电气特性

传输方向 和有效电平范围功能特性

每根传输线的功能(地址、数据、控制)时间特性

信号间时序关系

三、总线的性能指标总线宽度

数据线的根数标准传输率

每秒传输的最大字节数(MBps)时钟同步

同步、不同步总线复用

地址线与数据线复用(共用)

例：8086CPU，20条地址总线，有16条也作为数据线使用。

目的：减少芯片管脚数->减小芯片封装体系信号线数

地址线、数据线、控制线数的总和。总线控制方式

突发、自动、仲裁、逻辑、计数其他指标

负载能力

四、总线标准

总线结构双总线结构

一般来说，通道有自己的控制器、指令系统，可以执行简单的通道程序。但是这些程序均由操作系统编写。三总线结构之一

DMA：直接存储器访问，外部部件直接访问存储器三总线结构之二

Cache：缓存四总线结构

特点：实现高速设备与低速设备分离

总线结构举例传统微型机总线结构：

VL-BUS局部总线结构

特点：同样实现高速设备与低速设备分离(VL-BUS总线就是一条高速总线)，通过标准总线控制器扩展出ISA/EISA总线(低速总线)

3.PCI总线结构

特点：通过PCI桥扩展出PCI总线(高速总线)，通过标准总线控制器扩展出ISA/EISA总线(低速总线)多层PCI总线结构

特点：当连接数量过多，总线驱动能力不够，于是通过PCI桥进行扩展

总线控制就目前来说，实现总线控制，必须要实现下面两个问题：1、判优控制，2、通信过程。

一、 判优控制：

描述：当多个设备同时向总线发送占用请求时，让哪个设备使用？基本概念：主设备(模块) 对总线有控制权

从设备(模块) 相应从主设备发来的总线命令

总线判优控制：

(1)集中式(总线控制部件集中在一起)

链式查询

计数器定时查询

独立请求方式

(2)分布式

链式查询方式

BR(总线请求)：所有的设备都通过BR发出总线占用/使用的请求。

BS(总线忙)：当某一设备

占用总线之后，通过BS告诉总线控制部件/其他部件 总线已被占用。

BG(总线同意/授权)：当挂接在总线上的IO设备有总线占用请求，会通过BR想总线控制部件提出请求。

判优过程：当控制部件收到请求后，通过BG逐个查询。直到碰到第一个提出请求的接口。(因此接口的排列顺序就是接口占用总线优先权的顺序)

缺点：对电路故障特别敏感

优点：结构简单、增删设备容易、可靠性设计容易实现。计数器链式查询

总线控制部件里面存在一个计时器

判优过程：当某一主设备想要占用总线，且某一从设备想要数据传输，通过BR提出占用请求，若总线控制器能够让出总线控制权的情况下，就会启动这个计数器，计数器的值通过‘设备地址(宽度为$ \lceil log_2 N \rceil $)’总线向外输出。例如此时计数器的值为0，那么就会查看0号接口有没有提出占用请求，如果没有，计数器自动加1，接着询问接口1有没有发出过占用请求。如果接口1提出占用请求，那么接口1就会相应，通过BS进行应答。

优点：优先级确定灵活独立请求方式

特点，任何一个IO接口都增加了属于他们自己的BG、BR总线。优先级由总线内部设置(排队器)。

缺点：总线数较多。

二、 通信过程：

描述：如何保证通信过程的正确性目的： 解决通信双方协调配合问题

总线传输周期：申请分配阶段：主模块申请，总线判优决定

寻址阶段：主模块想从模块给出地址和指令

数据传输阶段：珠模块和从模块交换数据

结束阶段：主模块撤销有关消息

总线通信的四种方式同步通信：用统一时标控制数据传送

异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准

半同步通信： 同步，异步结合

分离式通信：充分挖掘系统总线每一瞬间的潜力

同步数据：特点，有一个定宽定距的时钟控制数据传输，主从模块强制同步，取速度最慢的模块

发送方用系统时钟前沿发信号

接收方用系统时钟后沿 判断、识别同步数据数据输入：

2. 同步数据数据输出：

应用：总线长度较短(为什么)，存取时间一致。异步通信：特点，分为主设备(发起总线通讯)和从设备(受主设备控制)，无定宽定距时钟限制，但要增加两条线：请求线(主设备发出请求)和应答线(从设备应答)不互锁：主设备不管是否接收到了应答信号，一段时间之后都会撤销请求信号(从设备也一样)

2. 半互锁：

半互锁有什么缺陷？

3. 全互锁：

半同步通信(同步和异步结合)

三种通信共同特点：

在一个总线传输周期为例：主模块发地址、命令 占用总线

从模块准备数据 不占用总线 总线空闲

从模块向主模块发送数据 占用总线

分离式通信：

特点：各个模块都可申请占用总线

采用同步通信方式，不等回应

各模块准备数据时，不占用总线

总线无空闲