计算机组成原理——总线
时间：2023-12-23 05:07:01
文章目录
- 计算机组成原理-总线
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- 一.为什么需要总线？
- 二.什么是总线
- 三.总线的结构
- 四.总线的分类
- 五.总线事务
- 六.总线仲裁
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- 1.集中仲裁
- 2.分布式仲裁
计算机组成原理-总线
一.为什么需要总线？
由于现代计算机中有许多部件需要相互连接，如果各部件单独连接，难度太大，成本太高，难以实现，需要引入公共通道来实现各部件的连接功能，类似于生活中的公交车，所以总线的英语是BUS。
二.什么是总线
总线的定义:总线是一组公共信息传输线，可以分时共享多个部件。分时和共享是总线的两个特点。
三.总线的结构
多总线结构的特点：多总线结构通过桥梁，CPU 总线、系统总线和高速总线相互连接， 主要部件的信息传输不仅通过系统总线；它反映了高速、中速和低速设备的连接 同时在不同的总线上工作，以提高总线的效率和吞吐量，以及处理器结构 变化不影响高速总线。cpu总系速度快，靠近IO总线速度较慢。
四.总线的分类
1.片内总线
芯片内的总线是芯片内的总线，它是芯片内的总线cpu芯片中的寄存器和寄存器之间ALU公共连接。
2.系统总线:系统总线是计算机各功能部件之间相互连接的总线(如cpu，主存和IO设备)。其分类如下：
- 数据总线：用于传输各功能部件之间的数据信息，是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关。
- 地址总线：用于传输主存单元或主存单元的数据I/O端口地址为单向传输总线，地址总线位数与主存储地址空间大小有关。
- 控制总线：用于传输控制信息，包括cpu返回发送的控制命令和主存(或外设)cpu反馈信号。
3.I/O总线
I/O主要用于连接低速总线I/O设备，通过I/O为了提高总线的系统性能，接口与系统总线相连。
4.通信总线
通信总线是计算机系统或计算机系统与其他系统之间传输信息的总线，也称为外部总线。
其它分类：同步总线、异步总线、并行总线、串行总线。
串行总线与并行总线的比较： 串行总线一次只能传输一个数据，并行总线一次可以传输多个数据。
但并不意味着并行总线的传输速度必须高于串行总线，原因如下：
在实际时钟频率较低的情况下，并行总线确实比串行总线快，因为它可以同时传输多个比特。然而，随着时钟频率的增加，当在高时钟频率下传输时，并行总线相邻总线之间的干扰将非常严重，甚至使传输数据无法恢复。并行总线且复杂，串行总线少，干扰易于控制。
五.总线事务
传输过程分为五个阶段：传输请求、总线仲裁、零部件/设备寻址、数据传输和总线释放。
- 1)请求阶段:主设备发出总线传输请求，获得总线控制权
- 2)仲裁阶段:总线总裁决定授予申请人下一个传输周期的总线使用权
- 3)寻址阶段:主设备从设备地址及相关命令通过总线启动。
- 4)传输阶段:主模块和数据交换可以单向或双向传输。
- 5)释放阶段:主模块上的相关信息从系统总线撤出，让出总线使用权。
总线数据传输的基本方式：
- 1)并行传输方式：每个数据都使用多条数据线同时传输，形成并行传输。传输速率高，成本高，传输距离有限。
- 2)串行传输方式:数据用数据线传输，传输速度低，传输距离长，数据线少，成本低。可同步/异步
- 3)分时传输方式:指在不同时间段使用总线上的同一信号线传输不同的信息。又称分时重用。
- 4）信息传输方式：信息传输以猝发的方式传输数据包。猝发是一种在同一总线周期中使用地址段和多个数据段连续传输数据的手段，可以连续传输数据。信息传输使一次传输实现越来越快的信息传输。PCI，USB使用信息传递。
总线通信方式：
- 1)同步通信模式
收发商使用同一时钟，并根据共同时钟的频率进行传输。并使用与时钟相关的固定传输协议。同步通信总线的缺点：1。总线上的每个设备必须使用相同的时钟频率，该频率由最慢的设备决定。2.由于时钟偏移，高速同步通信总线的长度不能太长。 - 2)异步通信模式
异步通信总线不适用于公共时钟定时，总线中没有时钟线，克服了同步通信总线的两个缺点。使用握手协议协调设备和接收设备之间的数据传输。典型的握手信号包括：
数据就绪（DATA RDY）/请求（REQ）和应答（ACK），两握手信号有三种不同的协议：非互锁，半互锁，全互锁。
异步通信有三种方式：
- 1)非互锁模式:发送设备首先将数据放在数据总线上，延迟一段时间后发布DATA RDY数据总线上已通知接收方数据，接收设备在DATA RDY接收数据并发出有效数据ACK进行回应。收到发送设备ACK后撤销数据。特点是DATA RDY和ACK采用定期自动取消方法，简单，有利于提高传输速度，但传输不可靠。当握手时间过短时，慢速设备很容易错过，当握手信号时间过长时，可能会影响下一次传输。
- 2)半互锁方式:将DATA RDY保持发送设备收到ACK到目前为止，已经解决了DATA RDY但是有效时宽问题，ACK定期确定固定宽度。
- 3)全互锁方式:收到发送设备ACK后复位DATA RDY，接收设备在DATA RDY复位后才复位ACK。广泛应用于互锁式总线，适用于各种工作速度的设备，总线周期可变，但比较复杂，不利于提高传输速度。
六.总线仲裁
定义：共享总线允许连接多个主要设备和从设备，多个主要设备可能需要同时使用总线。为了防止总线竞争，共享总线只允许一个主要设备在某个时刻使用总线，并控制总线。哪个主要设备可以使用总线的选择机制称为总线仲裁。仲裁的基础是主要设备使用总线的优先级。仲裁机制可分为集中仲裁和分布式仲裁。
1.集中仲裁
中央总线仲裁器(总线控制器)用于集中仲裁，主设备优先使用总线。
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1)菊花链仲裁(链式查询)
通过三条控制线使用三个控制信号：总线请求BR，总线授权BG，总线忙BB
当BR当线路有效时，表示有一个或多个主要设备要求使用总线。总线仲裁器仅在BB无效时，即总线不忙时响应BR，使BG有效BG有效用总线期间，有效设备将自身连接到总线上BB置为有效。
特点：
连接顺序决定了优先级。当两个以上设备同时要求总线时，更靠近总线控制器的设备将争夺总线的使用和控制。从链头到链尾，设备的优先级从高到低。
缺点：
(1)当优先级高的设备有足够高的要求频率时，优先级低的设备的要求可能永远无法响应，从而影响系统。(2)因为BG链接是串联的，一旦BG链路一处出现问题，会严重影响整个系统的正常仲裁。
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2)轮询仲裁方式(计数器查询)
在轮询总裁方式中，先为每一个参与仲裁的设备分配唯一的设备地址，并且设备地址是连续的。用直接连接到所有设备的轮询计数线代替BG当仲裁器响应时，线BR当轮询计数线产生一组顺序值（与设备地址一致）时，每个设备将设备地址与计数线上的值进行比较，地址与值相同，并向总线提出使用要求的设备获得总线的使用权。将BB将自己有效地连接到总线上。
在该种仲裁方式下，总线设备的优先级由其设备地址在轮询顺序中的位置确定，轮询计数的方法用两种：1.采用循环计数，即下一次设备地址的产生是从上次结束的下一个位置开始的，各设备具有相同优先级。2.总线忙信号复位计数器，即每次计数都从头开始，优先级完全由轮询顺序决定。
特点：
1.优先级设计非常灵活，软件控制下可以改变设备优先级。
2.轮询中一台设备的故障不会影响其他设备。
3.有更多的控制线，用k条计数线代替一条BG线，其中：2^k应大于或等于设备数量
- 3)独立申请仲裁
每个设备都是独立的BR线和BG总线仲裁器可以直接识别的请求设备并作出快速响应。总线仲裁器决定设备的优先级，当多个设备同时提出请求时，总线仲裁器内部的优先级比较电路对同时提出请求的设备优先级进行比较，优先级高的设备先得到BG信号而获得总线的使用权。
特点：仲裁决定响应快速，但是为了控制n个设备需要2n条BR线和BG线，使用的控制线相比其他方式更多。
2.分布式仲裁
分布式仲裁不需要中央仲裁器，仲裁逻辑分布在各个设备中。
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1）自举分布仲裁方式：所有设备的忙信号采用线或的方式连接在一起，所有设备可以监听总线忙BB和比它优先级高的设备发出的总线请求信号BRi，各设备在总线不忙且没有高优先级设备请求的情况下获得总线的使用权。
与集中式仲裁相比，自举分布式仲裁在信号线数量上没有减少，并且连接到共享总线上的设备数量还受到总线请求线数量的限制，但自举分布式仲裁防止了总线潜在的浪费。 -
2）链式分布式仲裁：除了没有中央仲裁器外，与菊花链仲裁方式十分相似。对总线上连接的设备数量没有限制，且总裁所需要的信号线数量极少，是一种廉价的，高速的方式，又因为没有中央仲裁器，所以不会导致仲裁失败。
