计算机组成原理笔记---第二+三章 计算机的发展及应用+系统总线

不经一番寒彻骨，怎得梅花扑鼻香。

第二章计算机的发展及应用

本章内容对于学习计算机组成原理来讲不是那么重要，所以下面放出我借鉴别的博主的笔记，与刘老师的授课内容差不多 连接地址

系统总线

笔记框架

• 3.1 总线基本概念
• 3.2 总线分类
• 3.3 总线特征及性能指标
  • 3.3.1 总线特性
  • 3.3.2 总线特性
• 3.4 总线结构
• 3.5 总线控制
  • 3.5.1 总线判优控制
  • 3.5.2 总线通信控制
• 总结

3.1总线的基本概念

总线定义

 总线是连接多个部件的信息的传输线，是各个部件共享的传输介质

3.2总线的分类

从不同角度可以将总线分为很多类，如果按照连接的部件不同，总线可以分为三类

1.片内总线

片内总线是指芯片内部的总线

如在 CPU 内部，寄存器与寄存器之间，寄存器与 AUL 之间连接的总线

2.系统总线

系统总线是指 CPU ,I/O 设备，主存 各大部件之间信息的传输线

根据总线传输的信息不同，又可分为 ：数据总线，地址总线，控制总线 三类

(1).数据总线

作用：用于各部件之间的数据信息的传递
方向：双向
位数：与机器字长（CPU 一次性处理数据的位数），存储字长有关。（数据总线的位数称为数据总线的宽度，可以理解为一次可以处理多少个数据）

(2).地址总线
作用：用来指出数据总线上的源数据或者目的数据在主存的地址或者 I/O 设备的地址
举例：CPU 想读取某个数据进行处理，就要将此数据的地址送到地址线上；CPU 想要控制某个 I/O 设备，就要将这个 I/O 设备的地址送到 I/O 总线上
方向:由 CPU 输出，单项传输
位数：与存储单元个数有关，20根地址线，就可以组成 20位的地址

(3).控制总线
作用：用来发出各种控制信号的传输线
举例：单向：CPU 发出 存储器读写命令，或者 I/O 设备的读写命令
           双向：当I/O设备准备就绪时向CPU 发出中断请求
方向：既可单项又可双向

3.通信总线

用于计算机系统之间或者计算机系统与其它系统（如手机）之间的通信

传输方式分为两种：串行通信，并行通信
串行通信：单条一位宽的数据线上，数据一位一位的按顺序传送。适合远距离传输数据
并行通信：多条并行1位宽的传输线上，同时由源送到目的地。适合近距离传输数据

3.3总线的特征及性能指标

3.3.1总线特征

总线由许多的导线直接印刷在电路板上 ，各个部件如 CPU,主存，I/O设备等也插在主板上，这就要求总线必须有以下的特性才能将各个部件更好的工作

3.3.2总线的性能指标

下面是几种流行的总线的性能指标数

3.4总线结构

总线一共分为三种结构

1.单总线结构

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局限性：所有的设备都连接到一条总线上，某一时刻多个部件都要使用总线传输数据时就会冲突。

2.多总线结构

多总线结构主要是由于 不同设备之间数据处理的速度不同，进而将一些低速设备进行分离的思想

多总线结构在同一时间只能使用一条总线，也就是同一时间只能有一条总线在传递信息

多总线的连接方式可以有多种，以下为其中几种

（1）双总线结构

CPU 、主存 连接在主存总线，所有 I/O 设备连接在 I/O 总线上，主存总线与 I/O 总线再由通道进行连接

（3）三总线结构

高速外设Cache 为在 CPU 中增加的一个高速存储器，速度比主存快很多，用于暂时存放数据
根据I/O设备速度进一步划分，又衍生出了四总线结构

不同的总线标准用的结构是不同得到（详见课本P55）

3.5 总线控制

总线控制会管理多种问题，比如：决定当由多个设备发送占用总线信息的时候，决定哪对设备优先占用总线；在信息传递的时候，如何防止信息的丢失，等一些问题。它主要包括：判优控制，通信控制

3.5.1判优控制

当一个设备发送请求的时候，首先响应哪个设备的占用请求就需要判优控制决定

首先，根据是否能对总线进行控制可以将设备分为两类

只有主设备才能发出对总线的控制

其次，控制方法可以分为两种：集中式 和 分布式

集中式
集中式的控制方法又分为三种：链式查询，计数器定时查询，独立请求查询

图中控制总线一共有三根对于总线的控制

BS:总先忙，设置总线被占用信息
BR 总线请求，发出控制总线的请求
BG 总线同意，判断是哪个设备发出的请求

请求步骤：当I/O设备1需要占用总线时，它通过 BR 控制总线向总线控制部件发送一个请求。总线控制部件再通过 BG 总线一个个排查看是哪个设备接口发出的控制请求，并同意占用。最后 I/O设备1通过BS将总线设为忙的状态。

优点：通过很少的几根线按照优先次序就能实现对总线控制；很容易扩充设备
缺点：1.对电路故障很敏感，中间的一个I/O设备故障,控制总线就难以向下进行判断其它设备。2.BG总线是根据 I/O 设备的排序情况对设备进行判断，这就造成了排在后面的设备长时间得不到响应。

2.计数器定时查询

BS:总先忙，设置总线被占用信息
BR：总线请求，发出控制总线的请求、
设备地址线

请求步骤：当I/O设备1需要占用总线时，它通过 BR 控制总线向总线控制部件发送一个请求。总线控制部件中放置一个计数器，计数器从0开始。
在 BS=0 即总线未被占用的情况下计数器开始计数，判断计数器中的地址与设备地址是否一致，不一致计数器加一，一致则将满足请求。

优点：总线请求的优先级更加灵活，计数器可以从任意位置开始判断是哪个设备发出的请求，每个设备的优先级相同
缺点：少了 BG 线，增加了设备地址线，这就要求要对每一个设备进行编码，控制也更为复杂

3.独立请求方式

BR 总线请求，发出控制总线的请求
BG 总线同意，判断是哪个设备发出的请求

请求步骤：每个设备都有两条线与控制部件相连。某个设备通过自己的 BR 线发送一个占用总线的请求。在控制部件内部设置一个排队器，排队器根据预先设定好的优先级的顺序（设定的优先级的顺序规则比较灵活）再由控制部件通过 BG 线判断是哪个设备发出的请求并同意。

优点：排队器的使用使得优先级的设定更加的灵活
缺点：线多，个数为 2n 根
         （链式查询为两根，计数器查询为 log₂n 根）

3.5.2总线通信控制

可以理解为当一组部件有了总线的使用权后，这组部件在一定的时间周期内如何协调使用总线传递信息，什么时候哪个部件用总线传递什么样的信息是所要研究的

完成一次总线操作的时间成为总线周期，可以将这个周期分为四个阶段，主要做这四件事

在一组设备进行数据交互的时候都会经历这四个阶段，在下面详细介绍中可以很明显的看到

总线通信主要解决通信双方如何获得数据传输开始传输结束，相当于两个相隔很远的人之间如何通知对方自己已经就绪，你可以进行任务的下一步了

通信方式有四种

1.同步通信
定义：通信双方由统一时标控制数据传输成为同步通信
时标可以由 CPU 的控制总线部件发出送到总线上的所有部件；也可以由总线上的各个部件发出
（1）CPU 从输入设备读取数据

T1 时钟周期的上升沿： CPU 给出另一个设备的地址信号

T2周期的上升沿 ：CPU 给出读命令信号，告诉从设备要从设备中读取数据

T3时钟周期上升沿到达之前：从设备将数字信号传送到数据总线上 ；T3时钟周期内，将数据送往 CPU 内部寄存器内

T4时钟周期上升沿：撤销读命令，输入设备不再向数据总线传输数据

（2）同步数据输出
模拟 CPU 将数据输出到某一个模块上

T1周期的上升沿：给出输出设备的地址信号

T1周期的下降沿：给出数据

T2上升沿：给出写命令，向从设备写入数据

T3周期：写入操作

T4上升沿：CPU 撤销写命令和数据等信号
T4结束：地址信息也撤销

同步数据传输的特点：1.定宽，定距的时钟
                                    2.必须在限定的时间内完成规定的内容
                                    3.同步通信一般用于总线较短，各部件存取时间统一的场合

局限性：如果T4时刻数据设备的数据还没有传输完成，由于时间已经到达中断的时候，所有的通信都要中断

PS ：在上面的图中，阴影部分为不进行任何操作

上升沿与下降沿都是数字电路的知识，可点击跳转知识扩充

2.异步通讯

允许各模块速度不一致，没有公共的时钟标准，通过应答（握手）的方式。这就要求主模块与从模块之间增加请求线与应答线

（1）不互锁方式
主设备发送通信请求信号，从设备接收到请求信号之后进行应答，之后主设备撤销请求信号，从设备撤销应答信号。从设备（接收主设备发出的撤销请求信号），主设备（接收应答信号）无论是否接收到了对方发出的信号，最终都会将自己发出的信号撤销

这样会导致数据的丢失

（2）半互锁
主设备发出请求信号，从设备在接收到信号之后发出应答信号，主设备要是接收到了应答信号再将请求信号进行撤销，但是从设备不会等到主设备发出“撤销请求信号”发出了了再撤销，而是过一段时间之后自动撤销应答信号。

但是这样会一直发送请求信号

（3）全互锁方式
主设备发送请求，从设备接收到请求信号发出应答信号，主设备接收到应答信号撤销请求信号，只有主设备撤销请求信号后从设备才会撤销应答信号

3.半同步通信

半同步通信保留了同步通信的基本特点：所有地址，命令，数据信号的发出时间都严格按照系统时钟的某个前沿开始
又允许不同速度的模块和谐的工作，保留异步通信的特点
增加了一条 WAIT（上划线） 等待响应信号线

（1）以输入数据为例

橙色为同步过程，蓝色为异步过程。

T1：CPU 给出从设备的地址信号
T2：CPU 给出读信号
T3 开始之前：如果从设备无法给出数据，则从设备给出 WAIT 低电平的等待信号
Tw ：等待从设备的数据
T3 开始：WAIT 线可以看到变为了高电平，则读取数据信息
T4：撤销信号

4.分离式通信

上述从模块在准备数据的过程时间长在这时总线一直是被占用状态，于是为了增加总线的运用效率，可以采用分离式通信

分为两个周期：主模块占用总线向从模块发送指令信号，同时放弃总线使用权。当从模块数据准备完毕发出占用总线的请求，向主模块发送数据

分离式通信特点

以上就是总线通信控制的四种方式

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总结

本章重中之重在 3.5 总线控制 下面是课程框架

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