【计算机组成原理】计算机系统的硬件结构系统总线司夏的博客-

学习目标：系统总线的基本概念及其分类、结构和总线控制逻辑。对系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用有所了解。

一、总线的基本概念

计算机系统的五大部件（运算器、存储器、控制器、输入、输出设备(I/O)之间的互连方式有两种,一种是各部件之间使用单独的连线,称为分散连接;另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上,称为总线连接。

总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

二、总线的分类

总线的应用很广泛,从不同角度可以有不同的分类方法。下面按连接部件不同,介绍三类总线

1. 片内总线：片内总线是指芯片内部的总线

2. 系统总线：系统总线是指CPU、主存、I/O设备(通过I/0接口)各大部件之间的信息传输线。
   按系统总线传输信息的不同
   数据总线：数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线
   地址总线：地址总线主要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或I/O设备的地址
   控制总线：由于数据总线、地址总线都是被挂在总线上的所有部件共享的,如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权,需依靠控制总线来完成,因此控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。

3. 通信总线：这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(如控制仪表、移动通信等)之间的通信
   按数据传送方式分
   串行通信：在串行传送中,1字节的数据要通过一条传输线分8次由低位到高位按顺序逐位传送
   并行通信：在并行传送中,要通过8条并行传输线同时由源传送到目的地。
   在短距离内，并行数据传送速率比串行数据传送速率高得多

三、总线特性及性能指标

总线特性

从物理角度来看,总线由许多导线直接印制在电路板上,延伸到各个部件。

(1)机械特性

机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能,如插头与插座使用的标准,它们的几何尺，寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等。

(2)电气特性

电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。通常规定由CPU发出的信号称为输出信号,送入CPU的信号称为输人信号。例如，地址总线属于单向输出线,数据总线属于双向传输线,它们都定义为高电平为“1″ ,低电平为“0”。.

(3)功能特性

功能特性是指总线中每根传输线的功能,例如:地址总线用来指出地址码;数据总线用来传递数据;控制总线发出控制信号

(4)时间特性

时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号互相存在一种有效时序的关系,因此,时间特性一般可用信号时序图来描述。

总线的性能指标

1.总线宽度 数据线的根数，如8位、16位、32位、64位
2.标准传输率（带宽） 每秒传输的最大字节数(MBps)
3.时钟同步/异步 同步、不同步
4.总线复用 地址线与数据线复用
5.信号线数 地址线、数据线和控制线的总和
6.总线控制方式 突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7.其他指标 负载能力

总线标准

所谓总线标准,可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。

在总线的统一标准下,完成系统设计,模块制作。这样,系统、模块、设备与总线之间不适应、不通用及不匹配的问题就迎刃而解了。

下图为一些流行标准

四、总线结构

总线结构通常可分为单总线结构和多总线结构两种。

单总线这种结构简单,也便于扩充,但所有的传送都通过这组共享总线,因此极易形成计算机系统的瓶颈。它也不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息,这就必然会影响系统工作效率的提高。这类总线多数被小型计算机或微型计算机所采用。

双总线结构的特点是将速度较低的I/0设备从单总线上分离出来,形成主存总线与I/O总线分开的结构。吞吐能力可以相当大。这种结构大多用于大、中型计算机系统。

五、总线控制

由于总线.上连接着多个部件,什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时,如何防止信息丢失,如何避免多个部件同时发送，如何规定接收信息的部件等一系列问题都需要由总线控制器统一管理。 它主要包括判优控制(或称仲裁逻辑)和通信控制。

总线判优控制

总线上所连接的各类设备,按其对总线有无控制功能可分为主设备(模块)和从设备(模块)

• 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

线通信控制

1.目的解决通信双方协调配合问题

2.总线传输周期

• 申请分配阶段 —- 主模块申请， 总线仲裁决定
• 寻址阶段 —- 主模块向从模块给出地址和命令
• 传数阶段 —- 主模块和从模块交换数据
• 结束阶段 —- 主模块撤消有关信息

3.同步通信

通信双方由统–时标控制数据传送称为同步通信。同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。

4.异步通信

异步通信克服了同步通信的缺点，允许各模块速度的不一致性,给设计者充分的灵活性和选择余地。它没有公共的时钟标准,不要求所有部件严格的统一操作时间,而是采用应答方式（握手方式）。

5.半同步通信(同步、异步结合)