计算机组成原理复习重点笔记

第二篇 计算机系统的硬件结构

• 第3章 系统总线
• 第4章 存储器
• 第5章 输入输出系统

第３章 系统总线

3.1 总线的基本概念

一、为什么要用总线

计算机的各个系统功能部件连在一起才能协同工作，部件之间不可能采用全互联形式，因此就需要有公共的信息通道，即总线。

二、什么是总线

• 总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换。
• 在争用资源的基础上进行工作（分时、共享）。即某一时刻，只允许一个部件向总线发送数据，其他部件可同时从总线上接收相同的数据。

3.2 总线的分类

• 片内总线：内部总线，连接CPU内部各部件。
• 系统总线：外部总线，连接CPU、主存、I/O设备。根据传输信息的不同，可分为地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）。（P44）
• 通信总线：用于计算机系统之间的通信。分为串行通信、并行通信两种工作方式。
  

3.3 总线特性及性能指标

一、总线物理实现

二、总线特性

三、总线的性能指标

• 总线传输周期：简称总线周期，是指总线传送一次数据所需要的时间（包括申请、寻址、传输、结束四个阶段）。一个总线周期包含若干个总线时钟周期。
• 总线工作频率：总线周期的倒数，即1秒内总线传送数据的次数。
• 总线时钟周期：即机器时钟周期。计算机有一个统一的时钟信号控制各部件协调工作。
• 总线时钟频率：即机器的时钟频率。
• 总线宽度：总线线数。通常指的是数据总线的线数。
• 总线带宽：总线的数据传输速率。
• 总线复用：同一种信号线不同阶段传输不同的数据。
• 信号线数：三种总线的线数之和。

四、总线标准

• 总线标准是系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。
• 机械特性、电气特性、功能特性、时间特性，总线线数、工作频率、数据传输速率、同步方式、仲裁方式等。
  
  四、总线标准(自学)
  

3.4 总线结构

一、单总线结构

优点：
结构简单、成本低、易扩展。

缺点：
系统总线的共享度高，并行度低，成为系统的性能瓶颈。

2. 双总线结构
   

优点：
将低速的I/O设备从主存总线分离出来，实现通道/CPU的并行。

缺点：
需增加通道设备。

3. 三总线结构
   

优点：
提高系统的吞吐量。

缺点：
总线效率降低。

4. 三总线结构的又一形式
   

5. 四总线结构
   

三、总线结构举例（自学）

1. 传统微型机总线结构
   
2. VL-BUS局部总线结构
   
3. PCI 总线结构
   
4. 多层 PCI 总线结构
   

3.5 总线控制

一、总线判优控制

1. 基本概念
   
2. 链式查询方式
   

• 特点：共用一根总线请求线。共用一根总线同意线。
• 优点：优先级固定。离总线控制器近的设备，优先得到响应；
  少数几根线就能按照事先确定优先级实现总线控制；
  结构简单，扩充容易。
• 缺点：优先级不能改变，有失灵活。

3. 计数器定时查询方式
   

• 特点：共用一根总线请求线，少了总线同意线，多了设备地址线。
• 优点：计数器从0开始，优先级固定。
  计数器接续上次计数，各设备优先级一样。
  通过设置计算机初值，可以动态调整优先级。
• 缺点：与链式相比，控制稍微复杂一点。增加了设备地址线。

4. 独立请求方式
   

• 特点：每个设备均有一根总线请求线和一根总线同意线。
• 优点：相应速度快。
  根据需要，修改排队策略，进而改变优先级。
• 缺点：控制线数量多，总线控制逻辑更加复杂。

二、总线通信控制

1. 目的

解决通信双方协调配合问题

2. 总线传输的四个阶段

一个总线周期通常包括以下四个阶段：

3. 总线通信的四种方式

同步定时方式：系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。在一个时钟周期中，收发双方可以进行一次数据传送。

• 优点：总线控制简单。
• 缺点：采用统一时钟周期，完成一次数据交换的时间是固定的，因此属于强制同步，因此必须以最慢的设备来设计时钟周期，影响总线效率。
• 结论：适用于总线长度较短、主从设备存取时间比较接近的系统。

异步定时方式：没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完成一次数据交换的时间是不固定的，依靠“握手”方式实现定时控制。主设备请求，从设备应答。

• 优点：总线周期长度可变，时间选择灵活，能保证两个速度差别较大的部件之间可靠传送数据。
• 缺点：控制复杂， 速度较慢。
• 结论：适用范围较广。

异步通信分三种方式：不互锁

• 主设备发出“请求”信号后，不必等到接到从设备的“回答”信号，而是经过一段时间，便撤销“请求”信号。
• 从设备接到“请求”信号后，发出“回答”信号，并经过一段时间，自动撤销“回答”信号。
• 双方不存在互锁关系。

异步通信分三种方式：半互锁

• 主设备发出“请求”信号后，必须等接到从设备的“回答”信号后，才撤销“请求”信号。
• 从设备接到“请求”信号后，发出“回答”信号，但不必等到获知主设备的“请求”信号撤销，而是经过一段时间，自动撤销“回答”信号。
• 主设备锁定从设备，从设备不锁主设备。
  

异步通信分三种方式：全互锁

• 主设备发出“请求”信号后，必须等到接到从设备的“回答”信号，才撤销“请求”信号。
• 从设备接到“请求”信号后，发出“回答”信号，必须获知主设备撤销“请求”信号才撤销其“回答”信号。
• 双方存在互锁关系。

半同步方式：保留同步通信的基本特点，但当从设备速度较慢不能同步时，告知主设备“等一下”，主设备收到信号就“等一等”，直到条件成熟，才继续传输数据。

• 优点：具有同步通信的优点。
• 缺点：系统时钟频率不能太高，速度较慢。
• 结论：适用于在工作速率差别较大的设备间以同步方式传送数据。
  
  **分离式：**一次传输周期分为两个子周期，前一个子周期主模块发送命令、地址等信息给从设备后释放总线。后一个子周期从设备准备好数据后申请使用总线，将数据传给主模块。
• 优点：有效提高总线利用率。
• 缺点：控制复杂。
• 结论：普通微型机很少使用。

编辑于2022年12月14日；
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