计算机组成原理知识总结

计算机组成原理知识总结（一）计算机概论
计算机组成原理知识总结（二）运算方法和运算器
计算机组成原理知识总结（三）存储系统
计算机组成原理知识总结（四）指令系统
计算机组成原理知识总结（五）中央处理器

6.1 总线的概念和结构形态

6.1.1 总线的基本概念

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。
一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：

1. CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线。
2. CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线，称为系统总线。
3. 中、低速I/O设备之间互相连接的总线，称为I/O总线。

总线的特性

• 物理特性 总线的物理特性是指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。
• 功能特性 功能特性描述总线中每一根线的功能。
• 电气特性 电气特性定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。
• 时间特性 时间特性定义了每根线在什么时间有效。

总线的标准化

各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，它们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。
衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率，单位是兆字节每秒(MB/s)。

6.1.2 总线的连接方式

通过适配器可以实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。适配器通常简称为接口。
根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有两种基本类型：①单总线结构；②多总线结构。

单总线结构

多总线结构

多总线结构确保高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。

6.1.3 总线的内部结构

信号线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。地址线是单向的，用来传送主存与设备的地址；数据线是双向的，用来传送数据；控制线一般而言对每一根线是单向的(CPU发向接口，或接口发向CPU)，用来指明数据传送的方向(存储器读、存储器写、I/O读、I/O写)、中断控制(请求、识别)和定时控制等。

整个总线分成如下四部分。

1. 数据传送总线 由地址线、数据线、控制线组成。
2. 仲裁总线 包括总线请求线和总线授权线。
3. 中断和同步总线 用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。
4. 公用线 包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。

6.1.4 总线结构实例

6.2 总 线 接 口

6.2.1 信息传送方式

串行传送

当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。

并行传送

用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。

6.2.2 总线接口的基本概念

I/O功能模块通常简称为I/O接口，也叫适配器。


功能如下
控制 接口模块靠指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。
缓冲 接口模块在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。
状态 接口模块监视外围设备的工作状态并保存状态信息。
转换 接口模块可以完成任何要求的数据转换，如并-串转换或串-并转换，因此数据能在外围设备和CPU之间正确地进行送。
整理 接口模块可以完成一些特别的功能，例如，在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。
程序中断 每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口模块即发生一个中断请求信号到CPU。

6.3 总 线 仲 裁

对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。

6.3.1 集中式仲裁

链式查询方式 为减少总线授权线数量，采用了图6.10(a)所示的菊花链查询方式，其中A表示地址线，D表示数据线。

计数器定时查询方式 计数器定时查询方式原理示于图6.10(b)。总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。

独立请求方式 独立请求方式原理示于图6.10©。

6.3.2 分布式仲裁

分布式仲裁不需要集中的总线仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。

6.4 总线的定时和数据传送模式

6.4.1 总线的定时

总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址(目的地址)，信息传送，状态返回(或错误报告)。为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协定。

同步总线定时协定

异步总线定时协定

半同步总线定时协定

周期分裂式总线定时协定

在分离式总线定时协定中，由于每个设备都要申请总线使用权，故读数据的双方都是总线主方。分离式总线定时协定以硬件复杂度的提高换取总线性能的提升。

6.4.2 总线数据传送模式

读、写操作 读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。
块传送操作 只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。
写后读、读修改写操作 这是两种组合操作。
广播、广集操作 一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。

6.5 PCI总线和PCIe总线

6.5.1 多总线结构

6.5.2 PCI总线信号

6.5.3 PCI总线周期类型

6.5.4 PCI总线周期操作

6.5.5 PCI总线仲裁

PCI总线采用集中式仲裁方式，每个PCI主设备都有独立的nREQ(总线请求)和nGNT(总线授权)两条信号线与中央仲裁器相连。

6.5.6 PCIe总线

PCIe总线全称为PCI-Express，是基于PCI总线技术发展起来的总线标准，对PCI总线有良好的继承性，在软件和应用上兼容PCI总线。

总结

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道，并在争用资源的基础上进行工作。

最后

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