计组-6.1 总线概述

6.1 概述

基本概念

• 总线是一组能为多个部件 ==分时 共享== 的公共信息传送线路
• 总线的由来：
  • 早期外部设备少，用的是分散连接方式
  • 后来外部设备多，采用总线连接方式

（设计）总线的特性

总线的分类及经典结构

A.按数据传输格式

串行总线：

• 一次发送一个位（bit）
• 优点：成本低（只用一根），适用于长距离传输
• 缺点：数据收发需要进行串行-并行转换。（eg电脑内部一次发送的数据一般是64位）
• attention：
  • 串行：强调的是 *”一位一位传输”*（物理层面）
  • 复用：强调的是 *”多个功能共享同一套线路”*（逻辑层面）

并行总线：

• 一次能并行发送很多个位（eg数据总线就是并行总线）
• 优点：总线的逻辑时序简单，电路实现容易。
• 缺点：布线空间大。远距离传输成本高。工作频率不能太高（or造成不同线的数据有的到了有的没到）。高频数据线干扰。
  • 造成的问题：并行总线不一定比串行总线快 （v = 数据线宽度*频率）
• 

B.按总线功能

a.片内总线：CPU内部的总线

c.通信总线：连接计算机与计算机之间的总线

b.系统总线：计算机内部之间相互连接的总线

数据总线：

• ==传输数据信息（指令，操作数）==
• 位数 与 机器字长，存储字长有关。（==机器字长意味着指令一次就能取出来，不用两次。 ==存储字长意味着存储的数据一次就能取出来）
• 双向
• 区分：
  • 数据通路是数据流经的路径（是虚拟的）
  • 数据总线是实体的媒介。

地址总线

• 传输地址信息
• 位数 与 主存地址空间和设备数量有关（if有设备，地址空间=max（主存位数，设备位数））
• 单向

控制总线

• 传输控制信号

• 有出：CPU送出的控制命令

• 有入：主存（或外设）返回的控制信号。（eg键盘的输入打断CPU的工作）

• 一根看是单向，整体看是双向。（整体一部分是焊死的朝A一部分是焊死的朝B）

  • 控制信号：CPU→设备
  • 状态信号：设备→CPU

• 控制总线是总线中最复杂、最能体现“控制”精髓的部分。它除了读写命令、中断请求，还包括时钟信号、复位信号、总线请求和允许、DMA响应等等

C.系统总线的结构

单总线结构

• ==一组==总线接到计算机内部
• 优点：结构简单成本低。易于接入新的设备。
• 缺点：①带宽低。②负载重，多个设备只能争用唯一的总线。③且不支持并行传送操作。④且因为io传输慢而总线被迫降速。
  • 故而产生了双总线结构。

双总线结构

• 通道：小CPU，管理IO设备。
• CPU内存和通道三个传输快的连接到主存总线
  • 主存总线，支持 突发 操作（只传送一次地址，之后从主存收到连续几个数据）
• IO设备（传输慢）连接到IO总线
• 优点：fast
• 缺点：需要增加通道等硬件设备。

三总线结构

• 增加了主存和高速外设的DMA总线
• 优点：提高了IO设备的性能，高速有DMA总线，低速是直连的（相比于通道）。提高系统吞吐量（高速）
• 缺点：系统工作效率较低（三条IO总线，一次工作一个）

性能指标

1.总线的传输周期（==总线周期==）

• 一次总线操作所需的时间。
• 4个阶段（申请，寻址，传输，结束）
• 通常一个总线周期包含多个时钟周期
  • 少数，一个总线周期对应一个时钟周期
  • 少数，一个时钟周期对应多个总线周期（就像超流水一样）

2.总线时钟周期

• == 机器时钟周期

3.总线的工作频率

• == 总线周期的倒数
• 即一秒内传送几次数据

4.总线的时钟频率

• == 总线时钟周期的倒数
• 即一秒内有多少个时钟周期

5.总线宽度

• 位宽（一次能同时传输多少个数据位）

6.总线带宽

• 总线每秒能传送多少数据
• 通常是数据总线的宽度
• ==总线带宽 == 总线工作频率 * 总线宽度（bit/s）⭐==
• 此处是最高速率。有效速率得用 实际传输数据量/t
• 

7.总线复用

• eg地址总线和数据总线复用

8.信号线数

• 信号线的最小的传输线（收发1bit）
• 信号线数 == 数据信号线数+地址信号线数+控制信号线数（以系统总线为例）