Day 4 系统总线（2）

1.4 总线结构

  总线结构可以分为单总线结构和多总线结构两种

1.4.1 单总线结构

  单总线结构将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，并允许I/O设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。

  这种结构简单，也便于扩充，但所有的传送都通过这组共享总线，极易形成计算机系统的瓶颈。

1.4.2 多总线结构

  双总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。这种结构大多用于大、中型计算机系统。

  如果将速率不同的I/O设备分类，然后接在不同的通道上，那么计算机系统的工作效率会更高，由此发展成多总线结构。

1.5 总线控制

1.5.1 总线判优控制

  总线上的设备，可以分为主设备和从设备两种。主设备对总线有控制权，从设备只能响应从主设备发来的总线命令。总线判优控制分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处，而后者则将其分散在各个部件或设备上。

  常见的集中控制优先权仲裁方式有以下三种：

（1）链式查询

  图中控制总线中有3根线用于总线控制，其中总线同意信号BG是串行地从一个I/O接口送到另一个接口。如果BG到达的接口有请求，就不再往下传，该接口获得总线使用权，并建立总线忙BS信号。可见，在该种查询方式中，离总线控制部件最近的设备具有最高的优先级。

  特点：需要的线很少，并很容易扩充设备，结构简单，但对电路故障敏感，并且优先级低的设备可能很难获得请求。

（2）计数器定时查询

  该查询方式相比链式查询多了一根设备地址线，少了一根总线同意线BG。总线控制部件接到BR送来的总线请求信号后，若总线未被使用，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地址与计数值一致时，便获得总线使用权，停止计数查询。

  特点：若计数从“0”开始，设备使用总线的优先级相等。更改计数器的初始值，还可以改变优先次序（优先级确定灵活）。对电路故障不如链式查询敏感，但增加了设备地址线，控制较复杂。

（3）独立请求方式

  该查询方式中每一台设备均有一对总线请求线BR和总线同意线BG。总线控制部件中有一个排队电路，可以根据优先次序决定响应哪一台设备的请求。

  特点：响应速度快，优先次序控制灵活，但控制线数量多，总线控制更复杂。

1.5.2 总线通信控制

目的：解决通信双方协调配合问题

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：由主模块（主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定下一传输周期的总线使用权。

②寻址阶段：取得了使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块（从设备）的地址及有关命令，启动参与本次运输的从模块。

③传数阶段：主模块和从模块进行数据交换。

④结束阶段：主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。

  总线通信控制通常有四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。

1.同步通信

  通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信。时标通常由CPU的总线控制部件发出，送到总线上的所有部件；也可以由每个部件各自的时序发生器发出，但必须由总线控制部分发出的信号时钟对它们同步。

  图中一共有4个时钟周期T1，T2，T3，T4。CPU在T1上升沿发出地址信息；在T2的上升沿发出读命令；与地址信息相符合的输入设备按命令进行一系列内部操作，且必须在T3的上升沿到来之前将CPU所需的数据送到数据总线上；在T3时钟周期内，CPU将数据线上的信息送到其内部寄存器中；CPU在T4的上升沿撤销读命令，输入设备不再传输数据，撤销它对数据总线的驱动。

  特点：优点是规定明确、统一、模块间的配合简单一致。缺点是主、从模块时间配合强制性“同步”，这就必须按最慢速度的部件来设计公共时钟，严重影响总线的工作效率，也给设计带来了局限性。

  同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。

2.异步通信

  异步通信不要求所有部件严格的统一操作时间，而是采用应答方式。应答方式又可分为3种：不互锁，半互锁和全互锁。

（1）不互锁方式

  主模块发出请求信号后，不必等待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间，确认从模块已收到请求后，就撤销请求信号；从模块接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并在一端时间后，自动撤销回答信号。

（2）半互锁方式

  主模块发出请求信号后，必须等待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号（即互锁关系）；从模块接到请求信号后发出回答信号，但不必等待获知主模块的请求信号再撤销，而是自动撤销回答信号（即无互锁关系）。

（3）全互锁方式

  主模块发出请求信号，必须等待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号（即互锁关系）；从模块必须获知主模块请求信号已经撤销后，再撤销其回答信号，双方都存在互锁关系。

3.半同步通信

  半同步通信是同步、异步结合的一种通信方式，如：所有的地址、命令、数据信号的发出时间，都严格参照系统时钟的某个前沿开始，而接收方都采用系统时钟后沿时刻来进行判断识别；同时又能允许不同速度的模块和谐地工作。为此增设了一条“等待”（WAIT）响应信号线。

4.分离式通信

  分离式通信方式的基本思想是将一个传输周期（或总线周期）分解为两个子周期。在第一个子周期中，主模块A在获得总线使用权后，将命令、地址以及其他有关信息，包括该主模块编号发到系统总线上，由从模块B接受。主模块A向系统总线发布这些信息只占用很短的时间，一旦发送完，立即放弃总线使用权。在第二个子周期中，模块B接受到有关命令信号后，经选择、译码、读取等一系列内部操作，将所需的数据准备好，便由B模块申请总线使用权，一旦获准，便将一系列信息送到总线上，供A模块接收。

图片来源：计算机组成原理（刘宏伟）

注：本文内容基于学习：唐朔飞，《计算机组成原理》-- 3版，-- 北京：高等教育出版社，2020.10（2024.5重印）后编写