計算機組成原理複習總結（六）總線系統

第六章總線系統#

6.1 總線的概念和結構形態#

6.1.1 總線的基本概念（重點）#

數字計算機是由若干系統功能部件構成的，這些系統功能部件在一起工作才能形成一個完整的計算機系統。

總線定義#

計算機的若干功能部件之間不可能採用全互聯形式，因此就需要有公共的信息通道，即總線。
總線是構成計算機系統的互聯機構，是多個系統功能部件之間進行數據傳送的公共通路。借助於總線連接，計算機在各系統功能部件之間實現地址、數據和控制信息的交換，並在爭用資源的基礎上進行工作。
總線可分為以下幾類：
內部總線：CPU 內部連接各寄存器及運算器部件之間的總線。
系統總線：外部總線。CPU 和計算機系統中其他高速功能部件相互連接的總線。
I/O 總線：中低速 I/O 設備相互連接的總線。

總線的特性#

總線的特性可分為：物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性。

物理特性：總線的物理連接方式（根數、插頭、插座形狀，引腳排列方式）
功能特性：每根線的功能
電氣特性：每根線上信號的傳遞方向及有效電平範圍。
時間特性：規定了每根總線在什麼時間有效。

總線的標準化#

相同的指令系統，相同的功能，不同廠家生產的各功能部件在實現方法上幾乎沒有相同的，但各廠家生產的相同功能部件卻可以互換使用，其原因何在呢？
為了使不同廠家生產的相同功能部件可以互換使用，就需要進行系統總線的標準化工作。目前，已經出現了很多總線標準，如PCI、ISA等。
采用標準總線的優點
- 簡化系統設計簡化系統結構，提高系統可靠性
- 便於系統的擴充和更新

總線帶寬#

總線本身所能達到的最高傳輸速率。
單位：兆字節每秒 (MB/s)

一次操作可以傳輸的數據位數
如 S100 為 8 位，ISA 為 16 位，EISA 為 32 位，PCI-2 可達 64 位。
總線寬度不會超過微處理器外部數據總線的寬度。

【例 1】（1）某總線在一個總線周期中並行傳送 4 個字節的數據，假設一個總線周期等於一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為 33MHz，總線帶寬是多少？
（2）如果一個總線周期中並行傳送 64 位數據，總線時鐘頻率升為 66MHz，總線帶寬是多少？

解：（1）設總線帶寬用 Dr 表示，總線時鐘周期用 T=1 /f 表示，一個總線周期傳送的數據量用 D 表示
根據定義可得 Dr = D / T = D×（1 / T）= D×f = 4B×33×106/s = 132MB/s
（2）64 位 = 8B
Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s

6.1.2 總線的連接方式#

外圍設備種類繁多，速度各異，不可能簡單地把外圍設備連接到 CPU 上。
適配器（介面）：實現高速 CPU 與低速外設之間工作速度上的匹配和同步，並完成計算機和外設之間的所有數據傳送和控制。
大多數總線以相同方式構成，不同之處在於總線中數據線和地址線的寬度以及控制線的多少及其功能。
單機系統中總線結構的兩種基本類型：
- 單總線：使用一條單一的系統總線來連接 CPU、內存和 I/O 設備。
  - 特點：在單總線結構中，要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在某些設備需要使用總線時，能迅速獲得總線控制權；而當不再使用總線時，能迅速放棄總線控制權。
  - 否則，由於一條總線由多種功能部件共用，可能導致很大的時間延遲。
- 多總線：在 CPU、主存、I/O 之間互聯採用多條總線。如圖所示。
  - 高速的 CPU 總線：CPU 和 cache 之間採用
  - 系統總線：主存連在其上。高速總線上可以連接高速 LAN（100Mb/s 局域網）、視頻接口、圖形接口、SCSI 接口（支持本地磁盤驅動器和其他外設）、Firewire 接口（支持大容量 I/O 設備）。高速總線通過擴充總線接口與擴充總線相連，擴充總線上可以連接串行方式工作的 I/O 設備。
  - 通過橋 CPU 總線、系統總線和高速總線彼此相連。橋實質上是一種具有緩衝、轉換、控制功能的邏輯電路。
  - 多總線結構體現了高速、中速、低速設備連接到不同的總線上同時進行工作，以提高總線的效率和吞吐量，而且處理器結構的變化不影響高速總線。