系统总线

计算机使用总线结构，便于增减外设，同时减少信息传输线的条数。但相对于专线结构，实际上也降低了信息传输的并行性及信息的传输速度。

总线的分类

总线是一组能为多个部件 分时共享 的 公共 信息传输线路。

分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息
共享是指总线上可以连接多个组件，各个组件之间相互交换的信息都可以通过这组线路分时共享。在某一时刻只允许一个部件向总线发送信息，但多个部件可同时从总线接收相同的信息

总线的猝发传输方式：总线的触发式传输方式相当于 HTTP 持续连接的特性（即一次握手可以传输多个对象）。在这里总线的猝发式传输方式是指在一个总线周期内只需要传输送入一次地址，可以连续传输多个数据。

总线上信息有两种方式：

串行：长距离传输
并行：短距离传输

最简单的总线结构为单总线结构：

由于 CPU 和主存交流十分频繁，所以可以使用双总线结构：

但是这种结构下主存和 IO 设备进行数据交换时需要经过 CPU

在以存储器为中心的计算机结构中，结构如下：

总线的特征及性能指标

总线的物理实现：

总线特性

机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
电气特性：信号的传输方向、有效的电平范围
功能特性：每根传输线的功能（地址信号、数据信号、控制信号等）
时间特性：信号的时序问题

总线的性能指标：

总线的宽度：数据线的数量
标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
时钟同步/异步：同步或不同步
总线复用：地址线与数据线的复用
信号线数：地址线、数据线、控制线的总和
总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
其他指标：负载能力

总线的标准：

以 ISA 为例，其一秒能传输 8M 次，每次传输两个字节。 2B x 8M = 16MB

串行传输：数据的传输在一条单 bit 的线上顺序传输。
并行传输：在一个多 bit 的线上同时传输多个位。
总线复用方式：不同信号在同一条信号线上分时传输的方式
分离事务通信：总线复用的一种，相比单一的传输线路，可以提高总线的利用率

在同步通信方式中，系统采用一个统一的时钟信号，而不是由各设备提供，否则无法实现统一的时钟

并行总线传输通常比串行总线传输入快，但这并不是绝对的。在实际时钟频率较低的情况下，并行总线因为可以同时传输若干比的数据，确实比串行总线快，但是由于时钟频率的提高，并行总线之间的相互干扰越来越严重，当时钟频率提高到一定程度时，传输的数据由于干扰已经无法恢复。而串行总线因为导线少，线间干扰容易控制，反而可以通过不断提高时钟频率来提高传输效率。

总线结构

单总线结构：

单总线并不是指只有一根信号线，而是只有一组系统总线。按传输信息的不同还可以分为地址总线，数据总线和控制总线。
优点：结构简单，成本低、便于接入新的设备
缺点：带宽低、负载重，多个部件只能征用，唯一的总线不支持并发传统操作。总线成为系统的瓶颈

双总线结构：

通道：是一种专用于传输数据的处理器，专门用于输入输出操作。通道的程序是由操作系统控制的，用户无法接触。
优点:将低速的 IO 设备从单总线上分离出来，实现了储存器总线和 IO 总线分离
缺点:需要增加通道等硬件设备

三总线结构：

第一种：
DMA 是用于高速设备与 CPU 传输数据的通道，可以有多个高速外设
第二种：
由于 CPU 与内存速度的不对等，因此加入 Cache 以加速。
优点：提高了 IO 设备的性能，使其更快的响应命令，提高了系统吞吐量
缺点：系统工作效率较低

四总线结构：

各种线间通过桥接器连接。

总线的性能指标

总线的传输周期：一次总线操作所需要的时间。（包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段）简称总线周期
总线的时钟周期：和机器的时钟周期相同
总线的工作频率：总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数
总线的宽度：通常指数据总线的根数
总线带宽：单位时间内，总线上可传输数据的总数。总线带宽 = 总线工作频率 x 总线宽度 bps。
总线复用总线复用是指一根信号线在不同的时间上可以传输不同的信息
信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线的总和

总线的性能指标例题

[2011统考真题] 在系统总线的数据线上不可能传输的是（C）
1. 指令 B. 操作数
2. 握手（应答）信号 D. 中断类型号
  - 取指令时指令便在数据线上传输。
  - 操作数显然是在数据线上传输的
  - 中段类型号用于指出中段向量的地址，CPU 响应中断请求后，将中断应答信号发回数据总线。CPU 从数据总线上读取中断类型号后，查找中断向量表，找到相应的中断处理程序入口
  - 握手（应答）信号属于通讯联络控制信号，应在控制总线上传输
    
    单周期处理器中所有指令的指令周期为一个时钟周期，下列关于单周期处理器的叙述中错误的是（）
3. 可以采用单总线结构数据通路 B. 处理器时钟频率较低
4. 在指令执行过程中控制信号不变 D.每条指令的CPI为 1
  - 单周期处理器是指所有指令的指令周期为一个时钟周期的处理器。因为每条指令的 CPI 为1，要考虑比较慢的指令，所以处理器的时钟频率较低。
  - 单周期处理器并不指采用单总线结构数据通路。
  - 控制信号即指PC中的的内容，在指令执行的过程中控制信号不发生变化

总线的判优控制

主设备（模块）：可以提出总线占有命令，可以控制从设备从设备（模块）：可以响应主设备发来的命令

集中式

总线的判优控制由单独组件负责，并集成到 CPU 中

链式查询：
BS：总线忙线。若有设备占用总线，通过此线告知控制部件 BR：总线请求线。所有设备通过 BR 线发出总线占用请求 BG：总线授权线。BG 通过线一个一个向下查询，
若有部件想要占有总线，则首先通过 BR 线向控制部件发出请求。然后控制部件通过 BG 线进行逐个查询。总线的控制权将会移交给第一个被查询的设备。离控制部件越近，其优先级越高。
- 优点：链式查询方式优先级固定，此外只需要很少几根控制线，就能按一定顺序实现总线控制。结构，简单扩充容易
- 缺点：对硬件电路的故障敏感且优先级不能改变，当优先级高的部件频繁请求使用总线时，会使总线较低的部件长期不能使用主线
计数器定时查询
总线控制部件里有一个计数器。当某设备发出占用请求时，首先通过 BR 发出请求，控制器接收到信号后，若现在可以响应请求时，启动计数器，其值通过 设备地址线 向外输出。比如初始为 0，则先查询接口 0，若接口 0 不希望占有总线，计数器 + 1，然后查询接口 1。若接口 1 需要总线，则通过 BS 发出请求。
- 优点：优先级可以通过调整计数器的值而调整
- 缺点：增加了控制线且控制相对链式查询要复杂
独立请求方式
每个设备现在都有独立的 BR, BG 线，其优先权通过设备控制权内的排队器控制。
- 优点：响应速度快，总线允许信号直接从控制器发生到有关设备，而不必在设备间传递或查询，而且对优先秩序的控制相对灵活
- 缺点：控制线数量多，总线控制逻辑更复杂

分布式

判优控制分散到各个模块中

三种集中仲裁方式的区别与联系：

总线操作和定时

总线定时是指总线在双方交换数据的过程中，需要时间上配合关系的控制，这种控制称为总线定时，其实质是一种协议或规则，主要有同步和异步两种基本技术方式

总线传输的4个阶段

总线传输周期：以下四阶阶段组成一个周期

申请分配阶段：主模块申请，总线裁决决定
寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
传输阶段：主模块和从模块交换数据
结束阶段：主模块撤销相关信息

通信方式：

同步通信
同步定时方式设置系统，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 +
优点：传送速度快，具有较高的传输速度，总线控制逻辑简单
缺点：主从设备属于强制性同步，不能及时进行数据通路的有效性校验，可靠性较差 + 同步通信适用于总线长度较短、总线所接部件的存取时间比较接近的情况
异步通信
在异步定时通信中没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完全依靠传送双方相互制约的握手信号来实现定时控制。把交换信息的两个部件或设备分为主设备和从设备。主设备提出交换信息的请求，从设备接到请求后，向主设备发出回答信号 +
优点：总线周期长度可变，能保证两个工作速度相差很大的步骤或设备之间可靠的进行数据交换，自动适应时间的配合
缺点：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢 + 根据请求和回答信号的撤销情况，异步定时方式就可以分为以下三种类型： +
不互锁方式：主设备发出信号后，等待一段时间后自动撤销请求信号。从设备发出回答信号后，经过一段时间自动撤销回答信号。
半互锁方式：主设备发出请求信号后，必须接收到回答信号，才撤销请求信号，而从设备没有要求
全互锁方式：主设备接收到回答后才撤销请求，从设备在主设备撤销后，才撤销其回答信号
半同步通信
分离式通信

总线标准

总线标准例题

在现代微机主板上，采用局部总线技术的作用是（D）
1. 节省系统的总带宽 B. 提高抗干扰能力
2. 抑制总线终端反射 D. 构成紧耦合系统
  
  高速设备采用局部总线连接，可以节省系统的总带宽.