（三）計算機組成原理——總線

總線的基本概念

接下來呢，我們就開始介紹有關總線的相關知識了，說起總線，值得一提的是，它的英文名是BUS，也就是公共汽車，接下來我們會介紹為什么他會叫這個名字。好啦，就讓我們開始今天的學習吧！

首先我們提出一個問題：那就是，我們?yōu)槭裁匆褂每偩€？原因很簡單，就是我們的計算機中有許多的設備，如果使用分散連接，也就是每兩個設備之間互相連接，那樣會造成大量的線路連接，而且還不利于添加刪減設備。舉個不恰當?shù)睦?，把我們的房子想成一個設備，公路想成線路，如果每家每戶都一一連接，房子少的時候還好，但是一旦房子一多起來，就很麻煩了。所以我們設計出來了總線這樣的方式，他就相當于一條靠近大家的大馬路，每家每戶通過這條馬路去通信就好了，這樣既簡單，又便捷。

接下來我們來介紹一下有關總線的介紹：總線是連接多個部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質，每一次只允許兩個設備之間進行通信。而且在總線中，信息傳遞方式分為串行和并行兩種，接下來我們會對其進行詳細介紹。接下來我們來看一看一些總線結構。

單總線

顧名思義，就是只有一根總線。

雙總線

雙總線呢，我們暫時展示兩種，第一種是面向CPU，另外一種就是以寄存器為中心。我們一起來看看吧！

面向CPU

這種面向CPU的方式呢，雖然使得CPU與主存之間通信更快，但是還是有一個問題，就是設備與主存之間訪問需要通過CPU，速度較慢，于是我們設計出來了以存儲器為中心的結構。

以存儲器為中心

存儲器為中心的結構是在單總線基礎上又開辟出的一條 CPU 與主存之間的總線，稱為存儲總線。這組總線速度高，只供主存與 CPU 之間傳輸信息。這樣既提高了傳輸效率，又減輕了系統(tǒng)總線的負擔，還保留了 I/0 設備與存儲器交換信息時不經過 CPU 的特點

總線的分類

接下來我們來具體看一看總線的分類，當然了，根據(jù)不同的分類原則，也就能分成不同的種類，接下來我們是按照連接部件來進行分類的。

片內總線

這個比較好理解，片內總線是指芯片內部的總線，如在 CPU 芯片內部，寄存器與寄存器之間、寄存器與算邏單遠 ALU 之間都由片內總線連接。

系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是指 CPU 、主存、 I/O 設備（通過 I/O接口）各大部件之間的信息傳輸線。由于這些部件通常都安放在主板或各個插件板上，故又稱板級總線或板間總線。按系統(tǒng)總線傳輸信息的不同，又可分為三類：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。接下來我們來一一進行介紹。

數(shù)據(jù)總線

顧名思義，數(shù)據(jù)總線就是用來傳輸數(shù)據(jù)的，并且它是雙向傳輸總線，其位數(shù)與機器字長、存儲字長有關。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)稱為數(shù)據(jù)總線寬度，它是衡量系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)。

地址總線

地址總線主要用來指出數(shù)據(jù)總線上的源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)在主存單元的地址或 I/O 設備的地址。

控制總線

由于數(shù)據(jù)總線、地址總線都是被掛在總線上的所有部件共享的，如何使各部件能在不同時刻占有總線使用權，需依靠控制總線來完成，因此控制總線是用來發(fā)出各種控制信號的傳輸線。通常對任一控制線而言，它的傳輸是單向的。而且控制信號既有輸出，又有輸入。常見的控制信號如：總線請求，中斷請求等等。

通信總線

這類總線用于計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信。主要分為串行通信和并行通信。串行通信是指數(shù)據(jù)在單條位寬的傳輸線上，一位一位地按順序分時傳送。并行通信是指數(shù)據(jù)在多條并行位寬的傳輸線上，同時由源傳送到目的地，適宜近距離的傳輸。

總線特性及性能指標

接下來我們來介紹一下總線特性、性能指標和總線標準。

總線特性

我們現(xiàn)在將介紹一下關于總線的一些特性，首先我們來看一下總線的物理結構。

圖中 CPU 、主存、 I/O 這些插板（又稱插卡）通過插頭與水平方向總線插槽連接。

機械特性

機械特性是指總線在機械連接方式上的一些性能，如插頭與插座使用的標準，它們的幾何尺寸、形狀、管腳數(shù)以及排列的順序，接頭處的可靠接觸等。

電氣特性

電氣特性主要是指總線的每一根傳輸線上信號的傳遞方向和有效的電平范圍。

功能特性

功能特性是指總線中每根傳輸線的功能，主要包含數(shù)據(jù)、地址和控制總線等等。

時間特性

主要涉及的就是信號的時序關系，也可以說總線中的任一根線在什么時間內有效。

性能指標

性能指標的話，其實就是衡量總線能力的一個判斷標準，具體我們就來看看吧！

1. 總線寬度：通常是指數(shù)據(jù)總線的根數(shù)。
2. 總線帶寬：總線帶寬可理解為總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，即單位時間內總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用每秒傳輸信息的字節(jié)數(shù)來衡量，單位可用 MBps （兆字節(jié)每秒）表示。
3. 時鐘同步／異步：總線上的數(shù)據(jù)與時鐘同步工作的總線稱為同步總線，與時鐘不同步工作 的總線稱為異步總線。
4. 總線復用：一條信號線上分時傳送兩種信號。
5. 信號線數(shù)：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三種總線數(shù)的總和。
6. 總線控制方式：包括突發(fā)工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數(shù)方式等。
7. 其他指標：如負載能力、電源電壓（是采用 5V 還是 3.3 V) 、總線寬度能否擴展等。

具體的判斷標準大概如上所示。

總線標準

總線標準的話，有許許多多標準，如：ISA 總線、 EISA 總線、 VESA總線、 PCI 總線、 AGP 總線、RS-232C 總線和USB 總線等等，我們呢，就不一一介紹，書上都有。

總線結構

接下來呢，我們開始介紹總線結構，主要分為單總線與多總線兩種，我們就來一一介紹吧！

單總線

單總線是將 CPU 、主存、 I/O 設備都掛在一組總線上，允許 I/O 設備之間、 I/O 設備與 CPU 之間或 I/O 設備與主存之間直接交換信息。之前簡單介紹過一下，在此就不再贅述了。

多總線

對于多總線結構，主要包括雙總線、三總線、四總線結構等等，我們來一一介紹吧！

雙總線

雙總線結構的特點是將速度較低的 I/0 設備從單總線上分離出來，形成主存總線與 I/0 線分開的結構。有點類似于面向CPU的雙總線模式，但不是。通道可以說是具有特殊功能的處理器，由通道對I/O統(tǒng)一管理。

三總線

如果將速率不同的 I/0 設備進行分類，然后將它們連接在不同的通道上，那么計算機系統(tǒng)的 工作效率將會更高，由此發(fā)展成多總線結構。接下來我們來介紹兩種三總線模式。

這種就是將高速I/O設備通過DMA掛接到主存上面，這樣設備可以快速從主存里面獲得數(shù)據(jù)。

另外一種結構就是通過一個Cache去保存CPU所需的數(shù)據(jù)。也可以達到高速存儲的作用。

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四總線

為了進一步提高 I/0 設備的性能，使其更快地響應命令，又出現(xiàn)了四總線結構，這種結構對高速設備而言，其自身的工作可以很少依賴 CPU ，同時它們又比擴展總線上的設備更貼近 CPU ，可見對于高性能設備與 CPU 來說，各自的效率將獲得更大的提高。

總線控制

接下來我們介紹的就是關于總線控制的相關內容，主要包括判優(yōu)控制和通信控制，而且這一部分內容就是我們的重難點，所以我也會著重進行講解。

總線判優(yōu)控制

首先我們根據(jù)設備是否對總線有控制權，我們把其分為主設備和從設備。主設備對總線有控制權，從設備只能響應從主設備發(fā)來的總線命令，對總線沒有控制權?？偩€判優(yōu)也分為集中式和分布式兩種，接下來我們會一一進行介紹。

鏈式查詢

鏈式查詢，顧名思義，就是跟一條鏈子一樣，一個一個查詢過去?？刂瓶偩€中有3根線用于總線控制（BS 總線忙、 BR 總線請求、 BG 總線同意），其中總線同意信號 BG 是串行地從一個 I/O 接口送到下 一個 I/O 接口。

具體操作就是，BG一個一個去查詢有沒有設備發(fā)送總線請求BR，當發(fā)現(xiàn)了有之后，這個設備就會發(fā)送總線忙信號BS，這樣就占有了總線，然后下一次也是如此循環(huán)。

這樣的話只需很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序實現(xiàn)總線控制，并且很容易擴充設備，但對電路故障很敏感，且優(yōu)先級別低的設備可能很難獲得請求。

計數(shù)器定時查詢

接下來介紹的是計數(shù)器定時查詢，與鏈式查詢相比，多了一組設備地址線，少了一根總線同意線 BG ?？偩€控制部件接到由 BR 送來的總線請求信號后，在總線未被使用 (BS= 0) 的情況下，總線控制部件中的計數(shù)器開始計數(shù)，并通過設備地址線，向各設備發(fā)出一組地址信號。這樣的好處是可以自己設定優(yōu)先級，并且可以通過循環(huán)的方式去一一遍歷設備（每此從中斷點開始計數(shù)）。

獨立請求方式

獨立請求方式就是每個設備都與總線控制部件相連，當設備要求使用總線時，便發(fā)出該設備的請求信號?？偩€控制部件中有一排隊電路，可根據(jù)優(yōu)先次序確定響應哪一臺設備的請求。

這種方式的特點是：響應速度快，優(yōu)先次序控制靈活，但控制線數(shù)量多，總線控制更復雜。

總線通信控制

接下來我們要介紹的就是總線通信控制了，主要就是用來解決通信雙方協(xié)調配合的問題的。一共分為4個階段，申請分配、尋址、傳輸和結束階段。通信方式也剛好是四種，分為同步、異步、半同步和分離式四種，好了，就讓我們開始吧！

同步通信

通信雙方由統(tǒng)一時標控制數(shù)據(jù)傳送稱為同步通信。時標通常由 CPU 的總線控制部件發(fā)出，送到總線上的所有部件；也可以由每個部件各自的時序發(fā)生器發(fā)出，但必須由總線控制部件發(fā)出的時鐘信號對它們進行同步。

對于讀命令，其傳輸周期如下：

1. T₁主模塊發(fā)地址。
2. T₂主模塊發(fā)讀命令。
3. T₃從模塊提供數(shù)據(jù)。
4. T₄主模塊撤銷讀命令，從模塊撤銷數(shù)據(jù)。

對于寫命令，其傳輸周期如下：

1. T₁主模塊發(fā)地址。
2. T_1.5主模塊發(fā)讀命令。
3. T₂從模塊提供數(shù)據(jù)。
4. T₄主模塊撤銷讀命令，從模塊撤銷數(shù)據(jù)。

特點

這種通信的優(yōu)點是規(guī)定明確、統(tǒng)一，模塊間的配合簡單一致。其缺點是主、從模塊時間配合屬于強制性”同步”，必須在限定時間內完成規(guī)定的要求。并且對所有從模塊都用同一限時，這就勢必造成，對各不相同速度的部件而言，必須按最慢速度的部件來設計公共時鐘，嚴重影響總線的工作效率，也給設計帶來了局限性，缺乏靈活性。

所以同步通信一般用千總線長度較短、各部件存取時間比較一致的場合。而且，總線傳輸周期越短，數(shù)據(jù)線的位數(shù)越多，直接影響總線的數(shù)據(jù)傳輸率。

異步通信

異步通信克服了同步通信的缺點，允許各模塊速度的不一致性，給設計者充分的靈活性和選擇余地。他是是采用應答方式（又稱握手方式），即當主模塊發(fā)出請求 (Request) 信號時，一直等待從模塊反饋回來“響應 ”信號后才開始通信。應答方式可分為不互鎖、半互鎖和全互鎖三種類型。

我們在這里采用出租車的例子去幫助大家理解這三種方式的區(qū)別，請大家想像自己在和出租車司機交流。

不互鎖

這就是第一種情況，熱情司機與高冷乘客，首先司機詢問：你去哪?。浚ㄕ埱笮盘枺?。但是乘客不回答，這個時候司機只能按照打車軟件的地址將乘客安全送達，或者只能讓他下車了。

半互鎖

這個屬于第二種情況，高冷司機與熱情乘客，首先司機詢問：你去哪??？（請求信號）。乘客回答：機場（回答信號）。這個時候司機便不再回答。這種情況看起來不錯，但是會照成一個情況，就是顧客怕司機沒聽清楚，便一直回答。

全互鎖

這個屬于第三種情況，熱情司機與熱情乘客，首先司機詢問：你去哪啊？（請求信號）。乘客回答：機場（回答信號）。這個時候司機便回答：好嘞。這種情況就比較完美了。

半同步通信

半同步通信既保留了同步通信的基本特點，如所有的地址、命令、數(shù)據(jù)信號的發(fā)出時間，都嚴格參照系統(tǒng)時鐘的某個前沿開始，而接收方都采用系統(tǒng)時鐘后沿時刻來進行判斷識別；同時又像異步通信那樣，允許不同速度的模塊和諧地工作。

其實就是加了一個等待信號，以便于不同速度的模塊能一起工作。對于讀命令，其傳輸周期如下：

1. T₁主模塊發(fā)地址。
2. T₂主模塊發(fā)讀命令。
3. T_w$\overline{WAIT}$為低電平時，進入等待，八的寬度與 的寬度一致。
4. T₃從模塊提供數(shù)據(jù)。
5. T₄主模塊撤銷讀命令，從模塊撤銷數(shù)據(jù)。

然后輸出也是一樣的，就不再贅述了。

我們總結一下上面三種通信的共同點，我們可以得到如下信息：

• 主模塊發(fā)地址、命令 占用總線
• 從模塊準備數(shù)據(jù) 不占用總線
• 從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù) 占用總線

于是在此基礎上，我們設計出來了分離式通信。充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力。

分離式通信

我們主要分為兩個周期：

• 主模塊申請占用總線，使用完后既放棄總線的使用權。
• 從模塊申請占用總線，將各類學習傳輸?shù)娇偩€上。

特點

1. 各模塊欲占用總線使用權都必須提出申請。
2. 在得到總線使用權后，主模塊在限定的時間內向對方傳送信息，采用同步方式傳送，不再等待對方的回答信號。
3. 各模塊在準備數(shù)據(jù)的過程中都不占用總線，使總線可接受其他模塊的請求。
4. 總線被占用時都在做有效工作，或者通過它發(fā)送命令，或者通過它傳送數(shù)據(jù)，不存在空閑等待時間，充分地利用了總線的有效占用，從而實現(xiàn)了總線在多個主、從模塊間進行信息交叉重疊并行式傳送，這對大型計算機系統(tǒng)是極為重要的。

總結

好啦，關于總線的知識我們就講解這么多，謝謝大家的閱讀了。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-806607.html

到了這里，關于（三）計算機組成原理——總線的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！