本篇博客是考研期间学习王道课程传送门的笔记,以及一整年里对
计算机组成
知识点的理解的总结。希望对新一届的计算机考研人提供帮助!!!关于对
总线
章节知识点总结的十分全面,涵括了《计算机组成原理》课程里的全部要点(本人来来回回过了三遍视频),其中还陆陆续续补充了许多内容,所以读者可以相信本篇博客对于考研计算机组成原理 “总线” 章节知识点的正确性与全面性;但如果还有自主命题的学校,还需额外读者自行再观看对应学校的自主命题材料。
计算机组成原理
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食用说明书:
第一遍学习王道课程时,我的笔记只有标题和截图,后来复习发现看只看图片,并不能很快的了解截图中要重点表达的知识点。
在第二遍复习中,我给每一张截图中标记了重点,以及每张图片上方总结了该图片对应的知识点以及自己的思考。
最后第三遍,查漏补缺。
所以 ,我把目录放在博客的前面,就是希望读者可以结合目录结构去更好的学习知识点,之后冲刺复习阶段脑海里可以浮现出该知识结构,做到对每一个知识点熟稔于心!
请读者放心!目录展示的知识点结构是十分合理的,可以放心使用该结构去记忆学习!
注意(⊙o⊙)!,每张图片上面的文字,都是该图对应的知识点总结,方便读者更快理解图片内容。
《计算机组成原理》第6章 总线
【考纲内容】
王道 P286 ~ 301
网课耗时:
0.5 h + 0.5 h + 0.5 h
总线的基本概念;总线的组成及性能指标;总线事务和定时;
【复习提示】
总线章节一般考察选择题,特别是总线的特点、猝发传输方式、性能指标、定时方式 及 常见的总线标准;
总线带宽的计算也可能结合其他章节出综合题;
除课后习题外,王道课本内容笔记里都包含;
6.1 总线概述
6.1.1 总线的基本概念
1. 总线的基本概念
① 计算机系统五大部件的互连方式
随着技术发展,计算机结构从分散连接发展为总线连接:
分散连接:各部件之间使用单独的连线;
总线连接:各部件连到一组公共信息传输线上;
② 为什么要使用 总线连接方式 ?
分散连接是两两相连,需要通信的两个部件,使用线路连接起来;
但是如果两两连接的数量太多时,不仅成本高,而且连接太麻烦了!
并且两两进行连接,就要求有对应的接口,但不可能有那么多接口,即占用空间,而且后续还难扩展!
所以逐渐使用总线连接的方式进行部件之间的连接;
③ 总线上的信息传输
串行传输:一位一位地传输,一位一位地接收。(适合长距离传输)
并行传输:多位同时传输,多位同时接收。需要多条线,传输距离变长时,线与线之间会产生干扰,信号可能会发送变形。
(适合短距离传输)
2. 总线的定义和特性
总线(Bus)是连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输介质;(唐朔飞版本定义) 总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传输线路;(王道版本)
分时:同一时刻只能有一个部件占用总线,避免多个部件向总线发送信息时,出现信号冲突问题(分时发送、同时接收);共享:每个部件交换的信息可通过这组线路分时共享,接收相同信息;
从物理角度来看,总线由许多导线直接印刷在电路板上,延伸到各个部件(CPU、主存、I/O),这就要求其满足一些相应的物
理特性:
1. 机器特性:尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序;
2. 电气特性:传输方向 和有效的 电平 范围;
3. 功能特性:每根传输线的功能(地址、数据、控制);
4. 时间特性:信号之间的时序关系;
6.1.2 总线的分类
1. 按数据传输格式分类
串行总线:每次传输一位数据;
并行总线:每次传输多位数据;
2. 按总线功能分类⭐
① 片内总线
芯片内部的总线
(CPU内部级别)
;② 系统总线⭐
计算机各部件之间的信息传输线
(计算机内部级别)
按系统总线传输信息进一步划分:
数据总线:传输各功能部件之间的数据信息。是双向的,其位数与机器字长、存储字长相关;地址总线:指出 数据总线上源数据或目的数据 在 主存或I/O设备上的地址。是单向的,其位数与存储单元个数(存储地址、I/O设备)相关;控制总线:用来发出各种控制信号的传输线,有出、有入。
例如:中断请求、总线请求、存储器读、存储器写、总线允许、中断确认等;
③ 通信总线
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、移动通信等)之间的通信
(计算机级别)
传输方式:串行通信总线、并行通信总线;
IO总线主要用于连接中低速的IO设备,通过IO接口与系统总线相连接,目的是将低速设备与高速总线分离,以提升总线的系统性能,常见的有USB、PCI总线。
3. 按时序控制方式
略,非重点
6.1.3 总线的连接方式
① 单总线结构
特点:一组总线、容易冲突;
针对总线冲突问题,可以设置总线判优逻辑,各部件按优先级来占用总线,但会影响整机的效率;
② 双总线结构
面向CPU的双总线结构,如下图所示(了解即可);
缺点:I/O设备与主存交换信息时仍然要占用CPU,所以会影响CPU效率;
以存储器为中心的双总线结构,如下图所示(了解即可);
增加了存储总线,即减轻了单总线结构中的总线负担问题,又不会出现面向CPU的双总线结构中影响CPU效率的情况;
不过现阶段,主存还是无法同时使用系统总线和存储总线。
加入通道的双总线结构,如下图所示;
单总线已经无法解决CPU、主存和I/O设备之间的传输速率不匹配问题,所以改进采用多总线结构;
③ 三总线结构
将速率不同的I/O设备进行分类,然后将它们连接在不同的总线上,进一步提高计算机效率;
主存总线:CPU与主存之间的传输;
I/O总线:CPU与各类I/O设备之间传递信息;
DMA总线:高速I/O设备与主存之间直接交换信息;
任一时刻里,三总线只能使用一种总线;
主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取,I/O总线只能在CPU执行I/O指令时才能使用;
三总线结构的又一形式(简单了解,非重点)
CPU与主存的传输速率差距越来越大,所以在它们之间增加了Cache作为缓存,所以增加局部总线;
另外还有扩展总线,通过扩展总线接口与系统总线相连,其他接口与I/O设备相连实现扩展。
④ 四总线结构(简单了解,非重点)
在三总线结构的又一形式的结构中,多种不同传输速率的设备都连接到了扩展总线,这是会影响外部设备的工作效率。
所以又增加了高速总线,负责哪些高速设备的传输。低速设备还是连接原来的扩展总线,系统效率得到进一步提升!
小结
6.1.4 总线的性能指标
① 总线的传输周期 (总线周期)
② 总线时钟周期
③ 总线的工作频率
④ 总线的时钟频率
⑤ 总线宽度
总线位宽,指 数据线的根数;
⑥ 总线带宽 (标准传输率)
指每秒传输的最大字节数;
数据线和地址线复用:分时使用同一组总线;
突发传输方式:传送一次地址,之后可以连续读出(或写入)这个地址之后的多个数据;
串行总线和并行总线的总线带宽
⑦ 总线复用
地址线 与 数据线 复用;
⑧ 信号线数
地址线、数据线和控制线的数量总和;
小结
6.2 总线判优控制 *
总线上连接的多个设备,在数据传输时就需要面对多种控制问题,本节重点研究以下两个问题:
总线判优控制: 总线仲裁总线通信控制:总线操作和定时
1. 总线仲裁的基本概念
==主设备(模块):==对总线有控制权
==从设备(模块):==响应从主设备发来的总线命令
==总线判优控制方式:==集中式(将控制逻辑集中在一处)、分布式(将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上)
2. 集中仲裁方式
① 链式查询方法
下图三条线用于总线控制,设备通过BR总线请求线发出总线占用请求;
如果每个设备占用总线,就使用BS=1总线忙进行声明;BG是总线授权线;
其中总线同意信号BG是串行连接一个个I/O接口(逐个),当遇到接口有总线请求,就不继续往下传了。
特点:
结构简单易实现,易扩充设备;串行导致对电路故障敏感,并且优先级低(离控制部件远)的部件很难获得请求;
② 计数器定时查询方式
与链式查询方法相比,多了设备地址线,少了总线同意线BG;
设备地址线上传输的地址是计数器给出的,通过这个地址来查找某个设备是否发出占用请求;
特点:设备优先级设置灵活,对电路问题不敏感了;但增加了设备地址线,控制变复杂了;
③ 独立请求方式
每个设备均有一对总线请求线BRi和总线同意线BGi;
总线控制部件有一排队电路,可以根据优先级确定响应那一台设备的请求;
特点:响应速度快,优先次序控制灵活。但控制线数量多,总线控制复杂;
三种集中控制方式小结
链式查询仅使用两根线确定总线使用权属于哪个设备;
计数器查询使用log2n根线;
独立请求方式使用2n根线;
3. 分布仲裁方式
小结
6.3 总线通信控制
1. 总线通信控制的目的
解决通信双方协调配合问题;
2. 总线传输周期 (总线事务)
总线传输周期是指主设备与从设备完成一个完整可靠的通讯(总线操作)使用的时间,分成四个阶段;
【补充】
突发 (猝发) 传送方式能够进行连续成组数据的传送,
其寻址阶段发送的是连续数据单元的首地址,在传输阶段传送多个连续单元的数据,每个时钟周期可以传送一个字长的信息,但是不释放总线,直到一组数据全部传送完毕后,再释放总线。
3. 总线通信 (总线定时) 的四种方式
① 同步定时方式 (同步通信)
② 异步定时方式 (异步通信)
③ 半同步通信
④ 分离式通信
小结
6.4 总线标准 *
1. 总线标准的基本概念
2. 局部总线标准
3. 设备总线标准
小结
6.5 常见问题和易混淆点
1. 同一个总线不能既采用同步方式又采用异步方式通信吗?
半同步通信总线可以;
这类总线既保留了同步通信的特点,又能采用异步应答方式连接速度相差较大的设备;
通过在异步总线中引入时钟信号,其就绪和应答等信号都在时钟的上升沿或下降沿有效,而不受其他时间的信号干扰;
例如,某个采用半同步方式的总线总是从某个时钟开始,在每个时钟到来时,采样Wait信号,若无效,则说明数据未准备好,下个时钟到来时,再采样Wait信号,直到检测到有效,再去数据线上取数据;PCI总线也是一种半同步总线,它的所有事件都在时钟下降沿同步,总线设备在时钟开始的上升沿采样总线信号;
2. 一个总线在某一时刻可以有多对主从设备进行通信吗?
不可以
在某个总线周期内,总线上只有一个主设备控制总线,选择一个从设备与之进行通信(即一对一的关系),或对所有设备进行广播通信(即一对多的关系);
所以一个总线在某一时刻不能有多对主从设备进行通信,否则会发生数据冲突;
1) 引入总线结构有什么好处 ?
答:引入总线结构主要有以下优点:
① 简化了系统结构,便于系统设计制造;
② 大大减少了连线数目,便于布线,减小体积,提高系统的可靠性;
③ 便于接口设计,所有与总线连接的设备均采用类似的接口;
④ 便于系统的扩充、更新与灵活配置,易于实现系统的模块化;
⑤ 便于设备的软件设计,所有接口的软件对不同的接口地址进行操作;
⑥ 便于故障诊断和维修,同时也能降低成本;
2) 引入总线结构会导致什么问题 ?如何解决 ?
答:
引入总线后,总线上的各个设备分时共享同一总线,当总线上多个设备同时要求使用总线时就会导致总线的冲突;
为解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题,应当采用总线仲裁部件,以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权,只有获得了总线控制权的设备才能开始数据传送;