计算机组成原理第三章-（总线）

总线概念

用来连接CPU、主存、输入设备、输出设备，并形成一条通路，使它们可以进行数据传送。

总线分类

下面的总线分类，是依照连接部件不同来分类的。

片内总线

片内总线是芯片内部的总线。

如：在CPU芯片的内部、寄存器与寄存器之间、寄存器与算数逻辑单元之间等等。

系统总线

系统总线是指CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线。

由于这些部件通常安装在主板或各个插件版上，故又称作板级总线。

系统总线按照传输信息的不同，又可分为三类：“数据总线”、“地址总线”、“控制总线”。

数据总线

数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息。

它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位等等。

数据总线的位数又被称为数据总线宽度，是衡量系统性能的一个重要参数。

地址总线

地址总线主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址。

它是单向传输总线，主要由CPU来输出给它信息。

地址总线的位数与存储单元的个数有关，如地址线为20根，则对应的单元个数为。

控制总线

由于数据总线、控制总线都是被挂在总线上的所有部件共享的，因此需要控制总线来控制各部件在

不同时刻对数据总线、控制总线的占有使用权（优先权）。

它是单向传输总线，用来发出各种控制信号。

通信总线

这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表等）之间的通信。

总线特性及性能指标

总线特性

总线特性包括：“机械特性”、“电气特性”、“功能特性”、“时间特性”。

机械特性

机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能，如插头与插座的使用标准。

电气特性

电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。

功能特性

功能特性是指总线中每根传输线的功能。

例如：地址总线用来指出地址码、数据总线用来传输数据。

时间特性

时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。

时间特性一般可以用信号时序图来描述。

总线性能

总线性能指标主要包括：“总线宽度”、“总线带宽”、“时钟同步/异步”、“信号线数”，等等。

总线宽度

总线宽度通常是指数据总线根数，用bit(位)表示，

如：8位、16位、32位、64位--->(8根、16根、32根、64根)

总线带宽

总线带宽可以理解为总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常由每秒传输

信息的字节数来衡量，单位可用Mbps（兆每字节）

时钟同步/异步

总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的称为异步总线。

信号线数

地址总线、数据总线、控制总线三种总线数的总和。

总线结构

主要包括：“三总线结构”、“四总线结构”、“PCI总线结构”。

三总线结构

?处理器与Cache之间有一条局部总线，它将CPU与Cache、部分I/O设备连接在一起。

此外还有一条扩展总线，扩展总线上有各种接口，这些接口又可以与大量I/O设备连接。

因此三总线结构可以支持相当多的I/O设备，并且各自的效率也得到了提升。

四总线结构

四总线结构相对于三总线结构，又增加了一条：“高速总线”。

在高速总线上挂载了一些高速I/O设备，例如：高速局域网、图形工作站等等。

它们通过Cache控制机构中的高速总线桥或高速缓冲器与系统总线和局部总线相连。

而一些速度较慢的I/O设备仍然挂载到扩展总线上。

这样可以保证各部分的逻辑相互独立，并不会产生相互影响，同时各部分的速度大大提升。

PCI总线结构

PCI总线是通过PCI桥路（包括PCI控制器和PCI加速器）与CPU总线相连。

这种结构使CPU与PCI总线相互隔离，具有更高的灵活性，可以支持更多的高速I/O设备，并且具有

即插即用的特性。

（通常高速GPU等插在PCI上）

挂载PCI总线上的设备必须都具有高速传输能力，而不具有高速传输能力的设备仍然挂载到ISA、

ESIA总线上（标准总线）。

此外，还有一种多层PCI总线结构

总线控制

总线控制主要包括：“判优控制（仲裁逻辑）”、“通信控制”。

总线判优控制

总线上连接的各类设备，按其对总线有无控制功能，可分为主设备（模块）和从设备（模块）。

主设备对总线有控制权，从设备对总线没有控制权，只能响应从总线接收到的命令。

当有多个主设备同时要使用总线时，就需要总线控制器的判优控制，确定哪一个主设备的优先级

高，哪一个主设备用。

常见的控制优先权仲裁方式有三种：“链式查询”、“计数器定时查询”、“独立请求方式”

链式查询

在该种控制方式下，有三根控制总线（BS总线忙、BR总线请求、BG总线同意）。

其中，总线同意信号BG是串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口，如果BG到达的I/O设备有

BR总线请求信号，那么BG信号就不会向下传递了。

可见，离总线控制部件越近的I/O设备拥有越高的优先级（越先获得总线）。

这种方式的特点是：结构简单，只需要三根线就可以完成控制，也很容易扩展设备。但是对于电路

故障很敏感，且优先级低的设备很难获得总线。

计数器定时查询

在该方式下，没有BG同意线，多了一组设备地址线。

总线控制部件接到由BR送来的总线请求后，在总线未被使用（BS=0）的情况下，总线控制部件中

的计数器开始计数，并通过设备地址线，向各设备发出一组地址信号。当某个请求占用总线的设备

的地址与计数值一致时，该设备获得总线使用权。

这种方式的特点是：计数可以从“0”开始，也可以从上一次结束的位置开始，并且设备的地址号一

旦被固定，那么它们的设备优先权也被固定了。该方式同时对电路故障不敏感，但是控制较为复

杂。

独立请求方式

在该方式下，每一台设备都有一对总线请求线BR和总线同意线BG。

当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线控制部件中有一个排队电路，可根据优先

顺序来确定先响应哪一个设备的请求。

特点是：响应速度快，优先次序控制灵活，但是控制线非常多，总线控制更复杂。

在链式查询中只需要三根线，在计数器查询中需要根线，在独立请求中则需要2N根线。

总线通信控制

在通信时间上，对于总线的占用权，应该按照分时方式来处理，即以获得总线使用权的先后顺序分

时占用总线。（即哪一个部件获得使用权，此刻就由它来传送，下一部件获得使用权，接着下一时

刻发送）

通常将完成一次总线操作的时间称为总线周期，可分为以下4个阶段

1.申请分配阶段

2.寻址阶段

3.传数阶段

4.结束阶段

总线通信控制主要解决通信双方如何知道传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调如何配合，

主要有四种方式：“同步通信”、“异步通信”、“半同步通信”、“分离式通信”。

本章重点题

一、假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传输周期为4个时钟周期，总线的宽度为32位，试求

总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？

分析：求数据传输率，就是求数据带宽（每秒传输的数据量）

解法：

一个时钟周期为：1 / 100 MHz = 0.01us

一个总线周期为：0.01us * 4 = 0.04us

总线宽度为：32 / 8 = 4B(字节)

总线带宽为：总线宽度?/?总线周期（速度=路程/时间）：

即：4 / 0.04 = 100MBps

同时，我们也可以推导出一个简介公式：

我们假设总线时钟频率为F，总线周期是时钟周期的N倍，总线宽度为W。

可得：总线带宽 = W * F /?N

二、设总线的时钟频率为8MHz，一个总线周期等于一个时钟周期。如果一个总线周期中并行传送

16位数据，那么总线的带宽是多少？

分析：求数据带宽，要么套公式，要么自己推，和上面第一题一样

解法：

一个时钟周期为：1 / 8 = 0.125us

一个总线周期为：1 * 0.125us = 0.125us

总线宽度为：16 / 8 = 2B(字节)

总线带宽为：

总线宽度 /?总线周期 = 2 / 0.125 = 16MBps

三、在一个32位总线系统中，总线的时钟频率为66MHz，假设总线最短传输周期为4个时钟周期，

请计算总线的最大数据传输率。若想提高数据传输率，可采取什么措施？

分析：这个题和上面的题是一样的，作者就不赘述了，就留给读者们自行求解，当然，你也可以将

自己的答案分享到评论区。