计算机组成原理笔记（2）
一、系统总线的基本概念
- 定义：系统总线是多部件共享的公共传输线，采用分时复用的方式，让多个部件轮流使用同一组总线进行数据传输。
- 传输特点：采用分时共享机制，信号通常是单向发送、多向接收，保证同一时间内只有一个部件占用总线发送数据，避免冲突。
- 优势：结构简单、成本低、易于扩展，是计算机中CPU、主存和外设之间通信的核心通道。
二、系统总线的分类与组成
- 按数据传输方式划分
- 并行总线：多条数据线同时传输多位数据，传输速度快，但易受干扰，不适合长距离传输。
- 串行总线：单条线路逐位传输数据，抗干扰能力强，适合长距离传输，成本更低。
- 按总线所处层次划分
- 片内总线：位于芯片内部的总线，用于连接CPU内部的寄存器、ALU等部件，实现高速数据交互。
- 系统总线：连接CPU、主存、I/O设备的核心总线，由三部分组成：- 数据总线：双向传输，负责传输数据和指令，宽度决定单次数据传输量。
- 地址总线：单向传输，由CPU发送地址信号，指定要访问的主存单元或I/O设备。
- 控制总线：既有双向也有单向，传输控制信号（如读/写、同步信号）和状态信号。
- 通信总线：用于主机与外部设备之间的通信总线，如USB、RS-232等，负责实现外设与主机的数据交互。
- 按总线结构划分
- 单总线结构：所有部件共享同一组系统总线，结构简单，但同一时间只能有一对设备通信，传输效率较低。
- 多总线结构：包含主存总线、I/O总线、DMA总线等不同层级的总线，分别处理不同设备的通信需求，提高了系统的整体传输效率。
三、总线控制（总线仲裁）
总线仲裁的目的是解决多个设备同时请求总线使用权的冲突，分为集中式仲裁和分布式仲裁，其中集中式仲裁是重点。
集中式总线仲裁的三种方式
- 链式查询（菊花链查询）- 特点：优先级固定，离总线控制器越近的设备，优先级越高。
- 优点：电路结构简单，容易扩展设备。
- 缺点：优先级不可调整，若高优先级设备频繁请求，会导致低优先级设备长期无法获得总线使用权；故障影响范围大，链路上任一设备故障都会阻塞后续设备的总线请求。
- 计数器定时查询- 特点：优先级可通过计数器设置调整，设备优先级由计数器的计数顺序决定，实现灵活。
- 优点：优先级调整方便，可通过修改计数器参数适配不同场景的需求。
- 缺点：电路比链式查询复杂，仲裁速度较慢。
- 独立请求方式- 特点：每个设备都有独立的总线请求线和总线授权线，总线控制器直接根据优先级响应请求。
- 优点：响应速度快，优先级可灵活设置，设备之间的故障互不影响。
- 缺点：需要的信号线数量多，电路复杂，成本较高。
四、总线的核心性能指标
- 总线宽度：数据总线一次能同时传输的二进制位数，如8位、16位、32位、64位，宽度越大，单次传输的数据量越多。
- 总线时钟频率：总线每秒的传输周期数，单位为MHz，决定了总线的基础传输速度上限。
- 总线带宽：单位时间内总线能传输的数据总量，是衡量总线传输能力的核心指标，计算公式为：
总线带宽（B/s） = 总线宽度（bit） × 总线时钟频率（Hz） / 8 - 传输方式：包括同步传输（由统一时钟控制数据传输）和异步传输（由握手信号协调传输，无需统一时钟）。
- 负载能力：总线能稳定连接的设备数量上限，受总线驱动能力和信号完整性限制。