计算机组成原理学习笔记：六 总线 一、总线基本概念 总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。 
系统总线又分为以下几种： 
总线传输的四个阶段： ①申请分配阶段：分配下一周期的总线使用权，包括传输请求、总线仲裁。 ②寻址阶段：取得主模块要访问的从模块的地址和命令。 ③传输阶段：主模块和从模块进行数据交换，单向或双向。 ④结束阶段：信息从总线撤除，让出总线使用权。总线设备主设备：获得总线控制权的设备。从设备：指被主设备访问的设备，它只能响应从主设备发来的各种总线命令。猝发传输方式：在一个总线周期内传输存储地址连续的多个数据字，也就是说一次传输一个地址和一批地址连续的数据。 二、总线定时方式 1.同步定时方式 所谓同步定时方式，是指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。时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。在一个总线周期中，发送方和接收方可以进行一次数据传送。适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。 优点∶传送速度快；总线控制逻辑简单。 缺点∶可靠性较差。 2.异步定时方式 在异步定时方式中，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。通常，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”信号，经接口传送到从设备;从设备接到主设备的请求后，通过接口向主设备发出”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部件或设备之间 可靠地进行信息交换，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。 
不互锁方式：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。半互锁方式：主设备发出”请求”信号后，必须在接到从设备的”回答”信号后，才撤销”请求”信号，有互锁的关系。全互锁方式：主设备发出”请求”信号后，必须在从设备”回答”后才撤销”请求”信号；从设备发出”回答”信号后，必须在获知主设备”请求”信号已撤销后，再撤销其”回答”信号。 三、总线的性能指标 总线周期/总线的传输周期：一次总线操作所需时间，包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段、结束阶段。注意，它不等同于时钟周期。总线时钟周期/CPU时钟周期/机器时钟周期：都是时钟周期，只是说法不同而已。总线的工作频率：总线周期的倒数。主频/总线的时钟频率：时钟周期的倒数。总线宽度：数据总线的位数。总线带宽：总线的数据传输率，通常是每秒传送的字节数。总线复用：一种信号线在不同的时间传输不同的信息，因此可以使用较少的线传输更多的信息，节约空间和成本。信号线数：3种总线数之和。 总线最主要的性能指标：总线带宽=总线宽度*总线工作频率 四、总线标准 反正从来没记住过。 
五、总线仲裁 为解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，应当采用总线仲裁部件，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权。只有获得了总线控制权的设备，才能开始传送数据。 1.集中仲裁方式 将所有的总线请求集中起来，根据裁决算法进行裁决。链式查询方式： 在链式查询中，部件离总线控制器越近，其优先级越高；部件离总线控制器越远，其优先级越低。 优点∶链式查询方式优先级固定，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。
计数器定时查询方式：原理：当总线控制器收到总线请求信号并判断总线空闲时，计数器开始计数，计数值通过设备地址线发向各个部件。当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时，该设备获得总线控制权，同时中止计数器的计数及查询。 优点∶优先次序可以固定也可以改变；这种方式对电路的故障没有链式查询方式敏感。 缺点∶增加了控制线数，控制也比相对链式查询要复杂。
独立处理方式：原理：每个设备均有一对总线请求线 BR，和总线允许线 BG。当总线上的部件需要使用总线时，经各自的总线请求线发送总线请求信号，在总线控制器中排队，当总线控制器按一定的优先次序决定批准某个部件的请求时，给该部件发送总线响应信号，该部件接到此信号后就获得了总线使用权，开始传送数据。 优点∶响应速度快，对优先次序的控制相当灵活。 缺点∶控制线数量多，总线控制逻辑更复杂。
三种方式对比：
2.分布仲裁方式 分布仲裁方式不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁号(有优先级)和仲裁器。当它们有总线请求时，就会把它们各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较。若仲裁总线上的仲裁号优先级高，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。 六、系统总线的结构 1.单总线结构 
单总线结构将 CPU、主存、I/O 设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上，允许I/O 设备之间、I/O设备与主存之间直接交换信息，如图6.1 所示。CPU 与主存、CPU与外设之间可直接进行信息交换，而无须经过中间设备的干预。 注意，单总线并不是指只有一根信号线，系统总线按传送信息的不同可细分为地址总线、数据总线和控制总线。 优点∶结构简单，成本低，易于接入新的设备。 缺点∶带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并发传送操作。 2.双总线结构 双总线结构有两条总线∶一条是主存总线，用于在 CPU、主存和通道之间传送数据;另一条是 I/O 总线，用于在多个外部设备与通道之间传送数据，如图所示。 优点∶将低速 I/O 设备从单总线上分离出来，实现了存储器总线和I/O 总线分离。 缺点∶需要增加通道等硬件设备。 
3.三总线结构 优点∶提高了I/O设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。 缺点∶系统工作效率较低。 
附：王道课后选择题笔记 1.某同步总线的时钟频率为100MHz，宽度为32位，地址/数据线复用，每传输一个地址或数据占用一个时钟周期。若该总线支持突发（猝发）传输方式，则一次”主存写”总线事务传输128位数据所需要的时间至少是（50ns）。传送地址10ns，传送128位数据40ns，共需 50ns。 2.一次总线事务中，主设备只需给出一个首地址，从设备就能从首地址开始的若干连续单读出或写入多个数据。这种总线事务方式称为（ 突发传输）。 3.单周期处理器是指所有指令的指令周期为一个时钟周期：不可以采用单总线结构，单总线结构不支持并行。在指令执行过程中控制信号不变。每条指令的CPI为1。由于要考虑执行慢的指令，所以处理器时钟频率较低才能保证每条指令CPI为1。 4.总线复用方式：不同信号在同一信号线上分时传输的方式称为（总线复用方式）。分离事务通信是总线复用的一种，相比单一的传输线路可以提高总线的利用率。 5.提高总线数据传输率的是：增加总线宽度、提高总线工作频率、支持突发传输。采用地址/数据线复用只是减少了线的数量，节省了成本，并不能提高传输率。 6.总线忙的建立者是：获得总线控制权的设备。 7.在计数器定时查询方式下，总线设备的优先级可变。数值从”0″开始，则离总线控制器最近的设备具有最高的优先级。若计数值从上一次的中止点开始，则各个设备使用总线的机会均等。 8.异步总线：在异步方式下，没有公用的时钟，完全依靠传送双方相互制约的”握手”信号来实现定时控制。传送操作是由双方按需求分配时间的。不采用时钟信号，只采用握手信号。
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