白话微机：2.解释总线以及一些考研面试问题

        一. 前言（回顾世界观）

        很久很久以前，有这样一个世界，这个世界有着现实世界一样的元素：那里的人又有一个别的名字叫做“数据”，人有0有1；人们也有住房，这些住房在这个世界叫做“存储器”；地上有路，这些路叫做“数据总线”(相比于第一篇进行修正)；这里也有行政部门，比如公安局之类的，又有个名字叫“寄存器”；有中央政府，政府又叫做“中央处理器”等。关于存储器的分类以及考研面试常问的问题可以见我上一篇文章，这篇文章来详细聊一下总线。

        二. 总线（交通系统）

        总线在“数据世界”扮演的是连接不同地点：如住房（存储器）和行政部门（寄存器）以及中央政府（中央处理器）的道路。下面对这些道路进行一个分类。

           1)分类

             1]数据总线(走人的路)

                数据总线是承载“人”（数据）本身的主要街道或公路。这条路的宽度（即总线宽度）决定了一次可以承载多少“人”（数据位）。比如一条宽度为32位的数据总线，一次可以允许32位数据并行通过，即允许32个人同时并排走过。

             2]地址总线(同步地图)

                地址总线是门牌编号系统，或者用于定位住宅（存储器单元）的线上详细同步地图。地址总线告诉“人”（数据）应该去哪个“住房”（内存地址），或者从哪个“住房”出来。地址总线的宽度决定了可以访问多少个不同的“住房”，存储了多少个“住房”的信息（即内存地址空间的大小）。

             3]控制总线(交通信号灯)

                控制总线是是交通指挥系统，比如信号灯、交通标志和指引标识。控制总线负责发出指令，指示“人”（数据）何时应该行动（例如，何时开始移动），以及如何行动（例如，是去存储器还是来自存储器）。控制总线携带诸如读/写信号、中断请求等控制信息。

          2)数据传输过程

               基于上述设定，让我们将总线的“一主多从”模式想象为一个有主导的城市交通体系，在这个系统中，"主"的交通参与者大巴士（主设备）控制着道路（数据总线）的使用权，而“从”是需要使用这条道路的其他交通参与者（从设备）。现在，我们来详细描述整个数据传输过程：

           1]总线请求和仲裁(人向交警申请过马路)

              有很多人（从设备）想要通过一条繁忙的大街（总线），但是街上已经有一辆大巴士（主设备）在运行。如果其他人也想要使用这条路，他们需要交警（总线仲裁器）发出信号表明他们想要通行。交警根据交通规则（仲裁逻辑）决定谁有优先权使用这条路。巴士在使用道路时有最高优先级，其他人必须等它通行完毕。

           2]寻址阶段(大巴车屏幕公示目的地)

               当大巴士（主设备）获得使用权时，它会通过广播播报或显示要去的地方的地址（地址总线）来告诉所有人它要去的目的地（存储器单元的地址），在交通的线上地图同步。

           3]数据传输(绿灯后，大巴过路靠站停)

               路上的信号灯（控制总线）现在显示绿灯，让大巴士（主设备）开始行驶。乘客们（数据）安全地在街道（数据总线）上移动，直达目的地。大巴士在每个站点按照预定的顺序停靠，准确无误地让乘客们上下车。

           4]结束阶段(红灯后，大巴停、人过街)

               当大巴士（主设备）完成它的路线时，司机会通知交警（总线控制器）他的行程已经结束，大街（总线）又可以供其他人使用了。信号灯（控制总线）变回红灯，提示所有人大巴士的行程结束，公路重新开放给等待的人群。

            3)考研面试常问问题

               1]简述系统总线的概念，按系统总线传输信息不同分为哪三类并说明各自用途？

                 上述比喻其实已经解决了，这里解释一下官方答案。

                 (1)概念：系统总线是指CPU(政府)、主存(住房)、I/O设备(高速路口)，各大设备之间的信息传输线(交通道路)。

                 (2)分类：1）数据总线(走人的路):用来传输各功能之间的数据信息(人)；

                                2）地址总线(同步地图):用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址(住房的门牌号)或I/O设备的地址(高速路口门牌号)；

                                3）控制总线(交通信号灯):用来发出各种控制信号的传输线。

                2]简述总线的特征？

                 (1)机械特征:

                 总线的机械特征可以类比为大街（数据总线）的实际物理结构。就像街道有其宽度、长度和布局，数据总线也有其物理属性，包括：

• 总线宽度：相当于大街的宽度，决定了一次可以容纳多少行人（即多少位数据）并行通过。
• 连接器类型：相当于街道的入口和出口，决定了哪些车辆（设备）可以接入这条街道。

                 (2)电气特性:

                电气特性对应于数据总线在电气层面的特点，比如：

• 信号电平：在我们的比喻中，这可以类比为交通灯的状态，指示数据何时可以移动。
• 阻抗匹配：好比街道的平整程度，影响了人群（数据）的移动速度和舒适度。

                 (3)功能特性:

                 功能特性关联到总线能够执行的操作和所能承载的信息类型，具体包括：

• 地址总线：就像每个住宅的门牌号码，用来唯一地定位每个存储单元。
• 数据总线：街道本身，承载着人（数据）从一个地点移动到另一个地点。
• 控制总线：交通信号灯和交通标志，它们指导交通流和控制数据流的准确行动。

                  (4)时间特性:

                   时间特性涉及到数据传送和接收的同步性，就像是在交通体系中的时间安排：

• 同步：总线的操作可以被时钟信号控制，就像城市交通依赖于交通灯的规律性变化。
• 传输速率：类似于街道上行人的走路速度，决定了数据在总线上移动的速度。                               
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  • 3]冯诺依曼架构和哈佛架构的区别？

  • 1)冯诺依曼架构:所有的“人”(数据和指令)都走同一条路(数据总线)前往或离开它们共同的住房(存储器)。即数据和指令共享同一个存储器和总线系统。基于这个架构用过的有STC89C52。
  • 2)哈佛架构:有两条完全独立的道路系统——一条专门为叫"数据"的人通行的路（数据总线），另一条专门为叫“指令”通行的路（指令总线），两条路分别通往两个独立的住房。即数据和指令拥有各自的存储空间和总线。基于这个架构用过的有STM32(类哈佛)、ESP32、MSP430、MAX78000。

  • 4]分离式通讯有何特点？

  • (1)各模块有权申请占用总线: 所有的“人”（从设备）都可以向交警（仲裁器）申请过“大街”（总线）。不仅是大巴士（主设备）有权使用道路，其他交通参与者也可以申请使用。在分离式通讯系统中，任何模块都可以发起数据传输的请求。

  • (2)采用同步方式通信不等对方回答: 当大巴车（主设备）开始移动时，它不会等待个别乘客（数据响应）来决定它的行进速度或路线。在分离式通讯中，一旦通信开始，发送方将数据发送到总线上，不需要等待接收方确认，从而使通信过程更加高效。

  • (3)各模块准备数据时不占用总线: 在大巴士（主设备）等待绿灯时，乘客（数据）可以在站台（模块内）准备好，等待上车。这在通讯系统中相当于模块在准备数据时不会占用总线；它们只有在数据准备好，并且总线可用时，才真正开始使用总线进行数据传输。

  • (4)总线被占用时无空闲: 如果大巴士（主设备）正在使用大街（总线），那么这条街道就没有空闲时间，其他所有人（从设备）都必须等待。在分离式通讯中，一旦主设备开始使用总线进行数据传输，直到传输完成之前，总线是不会空闲的，这样可以确保数据传输的连续性和减少中断的可能性。

  • 5]冯诺依曼设计思想？

  • (1)计算机包括运算器、存储器、输入输出设备: 运算器可以看作是中央政府（中央处理器），负责处理所有的决策和计算任务。存储器相当于住房，是存放“人”（数据）的地方，也就是内存。输入输出设备则是这个世界的交通工具，如公共汽车和出租车，帮助“人”（数据）进入和离开这个世界（计算机系统）。这些组件共同工作，使整个“城市”（计算机系统）能够顺畅运转。

  • (2)内部采用二进制表示指令和代码: 每个“人”（数据）都是由0和1的存在（二进制）来定义的，这就好比世界上的每个人都有唯一的身份标识。同样地，计算机内部的所有指令和代码都用二进制数字来表示，这样计算机才能理解和执行。

  • (3)将编号的程序送入内存储器中，然后启动计算机工作，能顺序逐条取出指令和执行指令: 在这个世界中，把编号的程序送入存储器，可以想象在线上同步地图上标出一系列“住房”（内存）地理位置，并把门牌信息(指令)存在住房，然后中央政府（中央处理器）开始根据这张地图工作，按顺序访问每个“住房”（内存地址），并执行存储在那里的指令（程序代码）。大巴（主设备）按照既定的线路（程序），依次在每个车站（内存地址）停靠并执行特定的行动（指令执行）。