寫在前面：本文經過王道論壇的計算機組成原理單科書整理而來。

請帶著如下問題閱讀文章
1）引入總線結構有什么好處？
2）引入總線結構會導致什么問題？ 如何解決？

文章目錄

• • 6.1 總線概述
  • • 6.1.1 總線基本概念
    • • 1. 總線的定義
      • 2. 總線設備
      • 3. 總線特性
      • 4 總線的猝發傳輸方式
    • 6.1.2 總線的分類
    • • 片內總線
      • 系統總線
      • 通信總線（外部總線）
    • 6.1.3系統總線的結構
    • • 1 單總線結構
      • 2 雙總線結構
      • 3 三總線結構
    • 6.1.4 總線的性能指標
  • 6.2 總線仲裁
  • • 6.2.1 集中仲裁方式
    • • 1 鏈式查詢方式
      • 2 計數器定時查詢方式
      • 3 獨立請求方式
    • 6.2.2 分布仲裁方式
  • 6.3 總線操作和定時
  • • 6.3.1 總線傳輸的4個階段
    • 6.3.2 同步定時方式
    • 6.3.3 異步定時方式

6.1 總線概述

隨著計算機的發展和應用領域的不斷擴大，I/O設備的種類和數量也越來越多。 為了更好地解決I/O設備和主機之間連接的靈活性問題，計算機的結構從分散連接發展為總線連接。 為了進一步簡化設計，又提出了各類總線標準。

6.1.1 總線基本概念

1. 總線的定義

總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路。分時和共享是總線的兩個特點。

分時是指同一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，若系統中有多個部件，則它們只能分時地向總線發送信息。

共享是指總線上可以掛接多個部件，各個部件之間互相交換的信息都可通過這組線路分時共享。在某一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，但多個部件可同時從總線上接收相同的信息。

2. 總線設備

總線上所連接的設備，按其對總線有無控制功能可分為主設備和從設備兩種。

主設備：總線的主設備是指獲得總線控制權的設備。
從設備：是指被主設備訪問的設備，它只能響應從主設備發來的各種總線命令。

3. 總線特性

總線特性是指機械特性（尺寸、形狀）、電氣特性（傳輸方向和有效的電平范圍）、功能特性（每根傳輸線的功能）和時間特性（信號和時序的關系）。

4 總線的猝發傳輸方式

在一個總線周期內傳輸存儲地址連續的多個數據字的總線傳輸方式，成為猝發傳輸。

6.1.2 總線的分類

計算機系統中的總線，按功能劃分可分為以下3類。

片內總線

片內總線是芯片內部的總線，它是CPU芯片內部寄存器與寄存器之間、寄存器與ALU之間的公共連接線。

系統總線

系統總線是計算機系統內各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之間相互連接的總線。

按系統總線傳輸信息內容的不同，可以將系統總線分為3類：數據總線、地址總線和控制總線。

1）數據總線用來傳輸各功能部件之間的數據信息，它是雙向傳輸總線，其位數與機器字長、存儲字長有關。

2）地址總線用來指出數據總線上的源數據或目的數據所在的主存單元或I/O端口的地址，它是單向傳輸總線，地址總線的位數與主存地址空間的大小有關。

3）控制總線傳輸的是控制信息，包括CPU送除的控制命令和主存（或外設）返回CPU的反饋信號。

通信總線（外部總線）

通信總線是在計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如遠程通信設備、測試設備）之間傳送信息的總線，通信總線也稱為外部總線。

此外，按照時序控制方式可將總線劃分為同步總線和異步總線。

按照數據傳輸格式可分為并行總線和串行總線。

6.1.3系統總線的結構

總線結構通常分為單總線結構、雙總線結構和三總線結構等。

1 單總線結構

單總線結構將CPU、主存、I/O設備（通過I/O接口）都掛在一組總線上，允許I/O設備之間、I/O設備與主存之間直接交換信息。 CPU與主存、CPU與外設之間可直接進行信息交換，而無需經過中間設備的干預。

注意： 單總線并不是只有一根信號線，系統總線按傳送信息的不同可細分為地址總線、數據總線和控制總線。

優點：結構簡單，成本低，易于接入新的設備；

缺點： 帶寬低、負載重，多個部件只能爭用唯一的總線，且不支持并發傳送操作。

2 雙總線結構

雙總線結構有兩條總線：一條是主存總線，用于在CPU、主存和通道之間傳送數據；另一條是I/O總線，用于在多個外部設備與通道之間傳送數據。

優點： 將低速I/O設備從單總線上分離出來，實現了存儲器總線和I/O總線分離。

缺點： 需要增加通道等硬件設備。

3 三總線結構

三總線結構是在計算機系統各部件之間采用3條各自獨立的總線來構成信息通路，這3條總線分別是主存總線、I/O總線和直接內存訪問（DMA）總線。

主存總線用于在CPU和內存之間傳送地址、數據和控制信息。
I/O總線用于在CPU和各類外設之間通信。
DMA總線用于在內存和高速外設之間直接傳送數據。

優點： 提高了I/O設備的性能，使其更快地響應命令，提高系統吞吐量。

缺點： 系統工作效率較低。

6.1.4 總線的性能指標

1）總線的傳輸周期。
指一次總線操作所需要的時間（包括申請階段、尋址階段、傳輸階段和結束階段），簡稱總線周期。總線周期通常由若干總線時鐘周期構成。

2）總線時鐘周期

即機器的時鐘周期。 計算機有一個統一的時鐘，以控制整個計算機的各個部件，總線也要受此時鐘的控制。

3） 總線的工作頻率。

總線上各種操作的頻率，為總線周期的倒數。 實際上指1秒內傳送幾次數據。

$若總線周期=N個時鐘周期，則總線的工作頻率=\frac{時鐘頻率}{N}$

4） 總線的時鐘頻率

即機器的時鐘頻率，它是時鐘周期的倒數。

5） 總線寬度

又稱總線位寬，它是總線上同時能夠傳輸的數據位數，通常指數據總線的根數，如32根稱為32位總線。

6） 總線帶寬

可理解為總線的數據傳輸率，即單位時間內總線上可傳輸數據的位數，通常用每秒傳送信息的字節數來衡量，單位可用字節/秒(B/s)表示。

$總線帶寬=總線工作頻率\times 總線寬度（b/s）=總線工作頻率\times （總線寬度/8）(B/s)$

7 ) 總線復用

總線復用指的是一種信號線在不同的時間傳輸不同的信息，因此可以使用較少的線傳輸更多的信息，從而節省空間和成本。

8） 信號線數

地址總線、數據總線和控制總線3種總線數的總和稱為信號線數。其中，總線的最主要性能指標為總線寬度、總線頻率、總線帶寬，總線帶寬是總線本身所能達到的最高傳輸速率，它是衡量總線性能的重要指標。

三者關系： 總線帶寬=總線寬度×總線頻率。

例如，總線工作頻率為22MHz，總線寬度為16位，則總線帶寬為:22× 16/8=44MB/s

6.2 總線仲裁

為解決多個主設備同時競爭總線控制權的問題，應當采用總線仲裁部件，以某種方式選擇一個主設備優先獲得總線控制權。只有獲得了總線控制權的設備，才能開始傳送數據。

6.2.1 集中仲裁方式

總線控制邏輯基本上集中于一個設備（如CPU）中。將所有的總線請求集中起來，利用一個特定的裁決算法進行裁決，稱為集中裁決方式。 集中裁決方式有鏈式查詢方式、計數器定時查詢方式和獨立請求方式三種。

1 鏈式查詢方式

鏈式查詢方式總共有3根線（BG總線允許；BR總線請求；BS總線忙）總線上所有的部件共用一根總線請求線（BR）,當有部件請求使用總線時，需經過BR線發出總線請求信號到總線控制器。 由總線控制器檢查總線是否忙，若總線不忙，則立即發總線響應信號，經總線響應線（BG）串行地從一個部件傳送到下一個部件，依次查詢。 若響應信號到達的部件無總線請求，則該信號立即傳送到下一個部件；若響應信號到達的部件有總線請求，則信號被截住，不再傳下去。

在鏈式查詢方式中，部件離總線控制器越近，其優先級越高；部件離總線控制器越遠，其優先級越低。

優點：
結構簡單；易于擴充；

缺點：
對電路故障敏感，優先級不能改變，不靈活；
當優先級高的部件頻繁請求使用總線時，會使優先級較低的部件長期不能使用總線。

2 計數器定時查詢方式

計數器定時查詢方式采用一個定時器控制總線的使用權，相對鏈式查詢方式多了一組設備地址線，少了一根總線響應線（BG），它仍然共用一根總線請求線（BR），當總線控制器收到總線請求信號并判斷總線空閑時，計數器開始計數，計數值通過設備地址線發向各個部件。當地址線上的計數值與請求使用總線設備的地址一致時，該設備獲得總線控制權，同時終止計數器的計數及查詢。

優點：

優先級靈活。

缺點：

控制線多（總線忙1根+總線請求1根+總線允許$?lo{g}_{2}n?$=$?lo{g}_{2}n?$+2條），控制也比鏈式查詢要復雜。

3 獨立請求方式

每個設備均有一對總線請求線BR和總線允許線BG。當總線上的部件需要使用總線時，經過各自的總線請求線發送請求信號，在總線控制器中排隊，當總線控制器按照一定的優先次序決定批準某個部件的請求時，給該部件發送總線響應信號，該部件接到此信號后就獲得了總線使用權，開始傳送數據。

優點：

響應速度快；對優先級控制靈活。

缺點：

控制線數量多（設備有n個，需要2n+1條控制線，其中加的那條線為總線忙（BS）線）；總線控制更復雜。

6.2.2 分布仲裁方式

分布仲裁方式不需要中央仲裁器，每個潛在的主模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。當它們有總線請求時，就會把它們唯一的仲裁號發送到共享的仲裁總線上，每個仲裁器將從仲裁總線上得到的仲裁號與自己的仲裁號進行比對。若仲裁總線上的仲裁號優先級高，則它的總線請求不予響應，并撤銷它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。

6.3 總線操作和定時

6.3.1 總線傳輸的4個階段

一個總線周期通常可以分為以下4個階段：

1）申請分配階段： 由需要使用總線的總模塊（或主設備）提出申請，經總線仲裁機構決定將下一傳輸周期的總線使用權授予某一申請者。 也可將此階段分為傳輸請求和總線仲裁兩個階段。

2）尋址階段：取得使用權的主模塊通過總線發出本次要訪問的從模塊（或從設備）的地址及有關命令，啟動參與本次傳輸的從模塊。

3）傳輸階段： 主模塊和從模塊進行數據交換，可單向或雙向進行數據傳送。

4） 結束階段： 主模塊的有關信息均從系統總線上撤出，讓出總線使用權。

6.3.2 同步定時方式

所謂同步定時方式，是指系統采用一個統一的時鐘信號來協調發送和接受雙方的傳送定時關系。 時鐘產生相等的時間間隔，滅個間隔構成一個總線周期。 在一個總線周期中， 發送方和接收方可以進行一次數據傳輸。

優點：傳輸速度快，具有較高的傳輸速率；總線控制邏輯簡單

缺點： 主從設備屬于強制性同步； 不能及時進行有效性檢驗，可靠性較差。

同步通信適用于總線長度較短及總線所接部件的存取時間比較接近的系統。

6.3.3 異步定時方式

在異步定時方式中，沒有統一的時鐘，也沒有固定的時間間隔，完全依靠傳送雙方相互制約的“握手”信號來實現定時控制。通常，把交換信息的兩個部件或設備分為主設備和從設備，主設備提出交換信息的“請求”信號，經接口傳送的到從設備；從設備接收到主設備的請求后，通過接口向主設備發出“應答”信號。

優點：總線周期長度可變，能保證兩個工作速度相差很大的部件或設備之間可靠地進行信息交換，自動適應時間的分配。

缺點：比同步控制方式稍復雜一些，速度比同步定時方式慢。

根據“請求”和“回答”信號的撤銷是否互鎖，異步定時方式分為以下三種類型。

1）不互鎖方式。

主設備發出“請求”信號后， 不必等到接到從設備的“回答”信號，而是經過一段時間便撤銷“請求”信號。而從設備在接到“請求”信號后，發出 “回答”信號 “，并經過一段時間后自動撤銷回答”信號。雙方不存在互鎖關系。

2） 半互鎖方式。

主設備發出“請求”信號后，必須在接到從設備的“回答”信號后，才撤銷“請求”信號，有互鎖關系。 而從設備在接到“請求”信號后，發出 “回答”信號 “，并經過一段時間后自動撤銷“回答”信號。

3）全互鎖方式。

主設備發出“請求”信號后，必須在接到從設備的“回答”信號后，才撤銷“請求”信號；從設備發出”回答“信號后，必須在獲知主設備”請求信號“已撤銷后，再撤銷”回答“信號。雙方存在互鎖現象。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成原理第6章-总线的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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