隨談--計算機組成原理--總線結構

目錄

• 總線概述
  • 總線分類（按鏈接部件的不一樣）
    • 片內總線
    • 系統總線（CPU，主存，IO互連）
  • 總線特性和指標
    • 總線特性
    • 總線指標
  • 總線結構

總線概述

總線是鏈接多個部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質。多個部件與總線相連時，若是出現兩個或者兩個以上部件同時向總線發送消息，將會致使信號衝突，傳輸無效。所以：某個時刻，只容許一個部件向總線發送消息，多個部件能夠同時接收相同的信息。總線由許多傳輸線或者通道組成，每條線能夠傳輸一位二進制代碼；形象類比於：Java中的可重入讀寫鎖ReentrantReadWriteLock，只能有一個線程在某個時刻擁有寫鎖，其餘線程沒法同時寫權限，讀鎖多個線程能夠同時從資源處得到讀權限。如下爲總線在計算機體系中所處位置：

從上圖能夠看到，總線主要爲CUP外鏈接存儲器，IO和CUP的系統總線--鏈接CUP和存儲器的成爲存儲總線（M總線），鏈接CUP和各IO設備成爲IO總線；以及CUP內部互連AUL，CU和寄存器的片內總線。

單總線結構：

其中CUP，主存，IO設備都掛到一組總線上

面向CPU的雙總線結構：

其中與單總線最大的特色是：單總線結構中IO設備與主存交換信息時，原則上不影響CPU工做。

以存儲器爲中心的雙總線結構：

它在單總線基礎上開闢了CPU和主存之間的總線，成爲存儲總線，這組總線速度高，只供主存和CPU之間傳輸信息。既提升了傳輸速率，又減輕了系統總線負擔，還保留了IO和存儲器交換信息不通過CPU的特色。

總線分類（按鏈接部件的不一樣）

片內總線

主要爲芯片內部的總線，如CPU芯片內部，寄存器和寄存器之間，寄存器和AUL之間都由片內總線鏈接。

系統總線（CPU，主存，IO互連）

1. 數據總線：傳輸各功能部件之間的數據信息，爲雙向傳輸總線，位數與機器字長和存儲字長有關；若是數據總線寬度爲8，指令字長爲16位，那麼CPU取指階段必須兩次訪問主存。
2. 地址總線：用來指出數據總線上源數據或者目的數據在主存單位地址或者IO設備地址；如：從存儲器中讀數據，CPU將此數據所在存儲單元地址送至地址線中，又：欲將某數據經IO輸出，則CPU除了須要將數據送到數據總線上，還須要將IO地址送到IO地址總線上；所以地址線的代碼用來指明CPU將訪問的存儲單元或IO端口地址，由CUP輸出，單向傳輸，與存儲單元個數有關；
3. 控制總線：主要用於控制各部件在不一樣時刻的佔有總線使用權，就是用來發出各類控制信號的傳輸線。常見的控制信號：

• 時鐘：用來同步各類操做；
• 復位：初始化全部部件；
• 總線請求：表示某部件須要得到總線控制權；
• 總線容許：表示須要總線使用權的部件已經得到控制權；
• 中斷請求：某部件提出中斷請求；
• 中斷響應：中斷請求已接收；
• 存儲寫：數據總線數據寫入指定存儲單元；
• 存儲讀：指定存儲單元數據讀至數據總線上；
• IO讀：從指定IO端口將數據讀到數據總線；
• IO寫：數據總線數據輸出到指定IO端口內；
• 傳輸響應：表示數據已被接收，或送至數據總線上；

總線特性和指標

總線特性

1. 機械特性：指總線在機械鏈接方式的特性，如：插頭和插座標準，幾何尺寸，引腳個數和排列順序，接頭處可靠鏈接；
2. 電氣特性：總線每根傳輸線信號的傳遞方向和有效電平範圍，一般規定，CPU發出的信號爲輸出信號，送入CPU的信號爲輸入信號；有的定義爲高電平有效，也有定義爲低電平有效；
3. 功能特性：總線中每根線功能，如地址總線用來指出地址碼，數據總線傳輸數據，控制總線發出控制信號；
4. 時間特性：指總線中任一根線在什麼時間內有效，每條總線上各信號互相存在一種有效時序的關係；

總線指標

1. 總線寬度：指數據總線根數，用位表示；
2. 總線帶寬：可理解爲總線的傳輸速率，即單位時間內總線上傳輸數據的位數，一般用每秒傳輸的字節數衡量，單位MBps;
3. 時鐘同步異步：總線上數據與時鐘同步工做的總線稱爲同步總線，與時鐘不一樣步工做的總線稱爲異步總線；
4. 總線複用：一條信號線分時傳輸兩種信號；

總線結構

此文主要介紹多總線結構：雙總線結構和三總線結構

雙總線結構：

其特色是：將速度較低的IO設備從單總線中分離，造成主存總線和IO總線分開的結構，其中通道爲特殊功能的處理器，CPU將一部分功能下放到通道，使其對IO設備具備統一的管理能力。

三總線結構：

此結構主要CPU和主存之間傳輸，IO總線CPU和各IO設備信息交換，DMA總線用於高速IO和主存之間交換信息，此結構中，任一時刻只能使用一種總線；主存總線和DMA沒法同時對主存操做，IO總線只有CPU執行IO指令時用到；