【计组】总线系统

总线（母线）是构成计算机系统的互联机构，是多系统功能部件之间数据传输的公共通道。它是从一个或多个源部件到一个或多个目的部件的传输线束。

总线是指一组可以服务于多个功能部件的公共信息线。在总线的帮助下，计算机可以在各部件之间传输地址、数据和控制信息。
※计算机系统中的总线大致分为三类：
(1)内部总线：同一部件之间的总线，如CPU各寄存器与运算器之间的内部连接。
(2)系统总线：连接同一计算机系统各部件的总线，如CPU、内存、通道和各种内存I/O接口之间的连接。
(3)多机系统总线：多涉及多机系统的互连。

1.总线的特点
物理特性：
指总线的物理连接方式，包括总线的根数、总线的插头、插座的形状、引脚线的排列等。
功能特性：
描述总线中每条线的功能。
电气特性：
定义每个在线信号的传输方向和有效电平范围。
送入CPU信号称为输入信号(IN)，从CPU发出的信号称为输出信号(OUT)。
时间特性:
定义每条线何时有效。
规定了总线信号的有效时序关系，CPU正确使用。

2.标准化总线
总线带宽：
总线本身的最高传输速率是衡量总线性能的重要指标。(MB/s)。

地址线：用于选择信息传输设备。
例如，CPU与主存储器传输数据或指令时，必须将主存储单元的地址发送到总线地址线，只有主存储器响应该地址，其他设备不响应。
地址线通常是单向线，地址信息由将源部件发送到目的地。
数据线：
用于总线设备之间的设备传输数据信息。
通常是数据线双向线。
例如，CPU主存可以通过数据线输入(取数)或输出(写数)。
控制线：
用于实现控制和监控设备的功能。
例如，CPU与主存传输信息时，CPU通过控制线向主存发送读写命令，启动主存读写操作。同时，通过控制线监控主存MOC回答信号，判断主存是否完成。
通常是控制线单向线，有从CPU 也有从设备发出的。

除上述三条线外，还有时钟线、电源线和地线，分别用于时钟控制和提供电源。
为了减少信号失真和噪声干扰，通常有多条地线，分布格式非常特殊。

在许多小型计算机中，使用单个系统总线连接CPU、主存和I/O称为单总线结构的设备。
CAI演示如图所示：

此时，连接到总线的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时快速获得总线控制权；
当总线不再使用时，总线控制权可以迅速放弃。
否则，一条总线由多个部件共用，可能会导致很大的时间延迟。

(a) 取指令
当CPU拿指令的时候，先拿指令。程序计数器PC中的地址同控制信息一起送至总线上。
取指令的地址是主存地址，此时，地址指定的主存单元的内容必须是一条指令，并将被传送给CPU。

(b)传送数据：
取出指令后，CPU将检查操作码。
操作码规定了对数据要执行什么操作，以及数据是流进CPU还是流出CPU。
但操作码该指令不规定是访问内存还是访问外围设备。

在单总线系统中，主存储、输入和输出设备在同一总线上，设备的地址采用统一的地址编制（即所有主存储单元和外部设备接口寄存器的地址构成连续的地址空间（单总线地址空间））。
因此，访内指令和输入/输出指令是形式上完全一样，区别只在于地址值不同。
也就是说，输入/输出设备的操作可以与内存操作完全相同。
这样，当CPU将指令的地址字段发送到总线时，如果地址字段对应的地址是内存地址，则内存响应。
此时，在CPU数据传输将发生在内存之间，数据传输的方向由指令操作码决定，如图所示。

? I/O操作：
指令地址字段对应外围设备地址的，外围设备的译码器为此做出反应CPU和与该地址相对应的外围设备之间发生数据传送，而数据传送的方向由指令操作码决定。

(d) DMA操作:
一些外围设备也可以指定地址。
若由外围设备组成指定的地址对应于主存单，主存响应，直接存储器将在主存和外设之间传输(DMA)。

采用统一编址法，省去一类I/O指令，简化指令系统。
单总线结构简单，使用灵活，易于扩展。
但是，单总线地址位数与主存地址位数相同，外部设备接口寄存器应找到主存的部分地址空间。
此外，所有部件都通过一条总线进行通信，因此，通信速度慢。
单总线结构通常适用于小型或微型计算机的系统总线。

在单总线系统中，由于所有逻辑部件都挂在同一总线上，总线只能分时工作，即一对部件之间只能传输数据，限制了信息传输的吞吐量。
为此，出现了双总线结构。这种结构保持了单总线系统简单易扩展的优点，但又在CPU和主存一组专门设置在两者之间高速存储总线，使CPU信息可以通过专用总线与存储器交换，减轻了系统总线的负担。同时，主存仍然可以通过系统总线与外设实现DMA不经过操作CPU。
当然，双总线系统是这样的增加硬件这种总线结构广泛应用于高端微型机中。

(内存总线又称存储总线)

系统总线是CPU、内存和通道（IOP）公共通道进行数据传输，
I/O总线是多个外部设备和通道之间数据传输的公共通道。

在DMA在外设和存储器之间直接交换数据的方式CPU，从而减轻了CPU对数据输入输出的控制进一步改进CPU的效率。
通道实际上是一种具有特殊功能的处理器，也被称为IOP (I/O处理器)，它分的一部分CPU实现外设与主存之间的统一管理和数据传输。
显然，由于增加IOP，整个系统的效率将大大提高，但这是为了增加更多的硬件成本。
三总线系统通常用于中大型计算机。

在单总线系统中，总线系统中由计算机字长决定的可能地址总数必须小于。(因设备统一编址)
在双总线系统中，存取主存和外设的判断是使用各自的指令操作代码。由于主存储地址和外设地址出现在不同的总线上，存储容量不会受到外围设备的影响。

在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统。(访问内存操作和I/O操作有不同的指令)
访问主存和I/O传输可以使用相同的操作代码和相同的指令，但它们使用不同的地址。

计算机系统的吞吐量：指流入、处理和流出系统信息的速率。
它取决于CPU将指令和数据从内存中取出或存储，并将结果从内存发送到外围设备。
由于上述原因，采用双端口存储器可以增加主存的有效速度。因为如果把每个端口连到不同的内存总线上，那么内存可以在同一时间内对每个端口完成读/写操作。
在三总线结构中，因为CPU部分功能分配给通道，通道统一管理外围设备，实现外围设备与内存之间的数据传输，因此其吞吐量远强于单总线结构。