计算机组成原理:6总线-学习笔记

6.1 总线概述

总线设备

  • 主设备:有控制权限
  • 从设备:无控制权限

总线分类

  • 片内总线:CPU内部的寄存器、ALU等部件的公共连线
  • 系统总线:CPU、主存、I/O接口的连线
    • 可进一步细分为数据总线、地址总线、控制总线
  • 通信总线:外部总线

系统总线的结构

  • 单总线结构
  • 双总线结构
    • CPU 主存用一个
    • I/O 接口用另一个 方便多个 I/O 接口间传输数据
  • 三总线结构
    • CPU 主存用一个
    • 主存至各 I/O 通过 DMA 控制,用一个
    • 各 I/O 与CPU 用一个

总线的性能指标

  • 总线传输周期:一次完整的总线操作所需要的时间(申请、寻址、传输、结束)
  • 总线时钟周期:机器的时钟周期
  • 总线时钟频率
  • 总线周期:传送一次数据的周期,可以是N个时钟周期
  • 总线的工作频率:总线周期的倒数
  • 总线宽度
  • 总线带宽:总线工作频率*总线宽度/8
  • 总线复用:一种信号线在不同时候传输不同的信息
  • 信号线数:地址总线、数据总线、控制总线的线数总和

6.2 总线仲裁

集中仲裁方式

  • 链式查询方式
    • 各部件通过 BR 发送申请,总线控制器链式地发送允许信号 BG 。如果接受到 BG 的部件暂不需要总线,则将 BG 信号传递给下一个部件,如果需要则部件可以开始使用总线,并部件需要将 BS 置高,表示繁忙。
    • 优点:结构简单,控制线少,容易扩展
    • 缺点:优先级差异明显,且对电路故障敏感
  • 计数器定时查询方式
    • 各部件通过 BR 发送申请,总线控制器根据部件编号循环计数,部件如果发现计数为自己,则可以开始使用总线,且在使用时将 BS 置高电平,表示繁忙。
    • 优点:技术方式可修改,比较灵活
    • 缺点:对 $n$ 个部件,需要至少 $\lceil log_2 n \rceil + 2$ 根控制线,其中 $\lceil log_2 n \rceil$ 用于计数,另外一根 BS,一根 BR
  • 独立请求方式
    • 各部件单独一根请求线 $BR_i$ 和一根允许线 $BG_i$,和共用的一根繁忙线 $BS$
    • 优点:相应快、优先次序灵活
    • 缺点:需要 $2n+1$ 条控制线,控制逻辑比较复杂

分布仲裁方式

  • 当各部件有请求时,将各自的仲裁号发在共享的仲裁总线上,每个部件对比自己的仲裁号和仲裁总线上的仲裁号,若自己的仲裁号优先级低,则撤销,最后仅留下最高的仲裁号在总线上。

6.3 总线操作和定时

总线传输的4个阶段

  1. 申请分配阶段
  2. 寻址阶段:获得总线使用权的主模块通过总线发出本次想要访问的模块的地址
  3. 传输阶段:主模块与从模块进行数据交换
  4. 结束阶段:撤销总线上相关信息

同步定时方式

  • 系统采取统一的时钟来协调发送和接受
  • 优点:传输速度快,控制逻辑简单
  • 缺点:被强制性同步,不能及时进行有效性检验,可靠性较差

异步定时方式

  • 通过握手信号来实现定时控制
  • 方式
    • 不互锁方式
    • 半互锁方式
    • 全互锁方式
  • 优点:灵活,能照顾速度差异较大的两个部件
  • 缺点:比同步控制复杂,且速度较同步控制慢

6.4 总线标准

常见总线标准

  • ISA (Industry Standard Architecture)
  • EISA (Extended Industry Standard Architecture):扩展 ISA
  • VESA(Video Electronics Standards Association):针对多媒体
  • PCI(Peripheral Component Interconnect):外部设备互联,适配显卡、声卡、网卡等
  • PCI-Express(PCI-E):最新标准,将取代现行 PCI 和 AGP
  • RS-232C(Recommended Standard,RS):一种串行通信总线
  • USB(Universal Serial Bus):通用串行总线,用于连接外部设备,有即插即用、支持热插拔等优点
  • PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association):笔记本电脑广泛应用的一种接口
  • IDE(Integrated Drive Electronics):集成设备电路,或称 ATA,磁盘和光驱通过此接口和主板连接
  • SCSI(Small Computer System Interface):小型计算机系统接口,用于计算机和智能设备如硬盘、软驱、光驱、打印机之间
  • SATA(Serial Advanced Technology Attachment):串行高级技术附件,一种硬盘接口规范

串行与并行

  • 串行:每次发送 1 位数据
  • 并行:每次发送多位数据

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