计算机硬件结构系统总线思维导图

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2022-07-20

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计算机硬件结构系统总线思维导图

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计算机硬件结构系统总线基本介绍

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思维导图大纲

系统总线

总线概述

总线的基本概念：为什么要使用总线？

早期计算机大都采取分散连接方式，现在外部设备太多，如果使用分散连接方式，则随时增减外部设备不易实现。以运算器为中心的结构，其内部连线十分复杂，尤其是当I/O与存储器交换信息时，都需要经过运算器，致使运算器停止运算，严重影响了CPU的工作效率。

什么是总线？

总线是连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

总线的传输周期：是指CPU通过总线对存储区或I/O端口进行一次访问所需要的时间；包括总线申请阶段、寻址阶段、传输阶段、结束阶段；

总线宽度：总线实际上是由许多传输线或通路组成的，每条线可以一位一位的传送二进制代码。

总线的分类

不同的角度可以有不同的分类方法。

按数据传送方式可分为串行传输总线和并行传输总线。

按使用范围分则有计算机总线、测控总线、网络通信总线等。

按连接部件不同

片内总线

是指芯片内部总线，如在CPU芯片内部、寄存器与寄存器之间、寄存器与逻辑单元ALU之间都由片内总线相连。

系统总线：连接五大部件之间信息传输线。

数据总线：用来传送各功能部件之间的数据信息，他是双向传输总线。数据总线的位数称为数据总线宽度。

地址总线：它是单向传输总线。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Ｏ／Ｉ设备的地址。地址线的位数与存储单元的个数有关。

控制总线：由于数据总线和地址总线是被所有部件共享的，如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权还需要控制总线来完成，因此控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。

时钟：用来同步各种操作。

复位：初始化所有部件。

总线请求：表示某部件需获得总线得使用权

总线允许：表示需要获得总线的使用权的部件以获得了控制权。

中断请求：表示某部件提出中断请求。

中断响应：表示中断请求已被接收。

存储器写：将数据总线上的数据写至存储器的指定地址单元内。

存储器读：将制定存储单元中的数据读到数据总线上。

I/O读：从指定的I/O端口将数据读取到数据总线上面。

I/O写：将数据总线上的数据输出到指定的I/O端口内。

传输响应：表示数据已被接收，或已将数据送至数据总线上。

通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。

串行通信：适合远距离传输。

并行通信：适合近程的数据传输。

总线组成以及性能指标

总线的组成

通常由一组控制线一组数据线和一组地址线组成。但也有例外:某些总线没有单独的地址线，地址信息也通过数据线来传送，这种情况被称为数据线和地址线的复用

总线特性

机械特性：尺寸、形状。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，它们的几何尺寸、形状、引脚个数以及排列顺序，接头处的可靠接触等。

电器特性：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：每根传输线的功能（如传送地址、传送数据、传送控制信号）。

时间特性：信号的时序关系（那根线在什么时间内有效）。

总线结构

单总线结构

单总线的特点：由于I/O设备与主存共用一组地址线，因此主存和I/O设备是统一编址的，CPU就可以像访问内存一样访问外部设备。

多总线结构

双总线结构：特点是将速度较低的I/O设备从单总线中分离出来，形成总线与I/O总线分开的结构。

三总线结构：与双总线相比，三总线的结构增加了一条小路（DMA总线），专门用于I/O设备与主存之间直接交换消息。

四总线结构：

总线性能指标

总线宽度：通常是指数据总线的根数，用bit（位）表示。

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，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可用MBps（兆字节每秒）来表示。

时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线被称为同步总线，与时钟不同步工作的总线被称为异步总线。

总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。

信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的和。

总线控制方式：包括突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。

其他指标：负载能力、电源电压、总线宽度是否能拓展等。

总线控制

判优控制（总线仲裁）

集中式：将控制逻辑集中在一处（如CPU）

分布式：将逻辑控制分散在与总线连接的各个部件或设备上。

总线通信方式

同步通信（同步定时方式，地址信号全程陪伴）

异步通信（异步定时方式）

异步通信没有公共时钟标准，不要求所有部件严格的统一操作时间，而是采用应答的方式（或称握手方式）。

应答方式（简略）

异步通信可用于并行传送或串行传送。

异步通信的数据传送速率用波特率来衡量。

半同步通信

既保留了同步通信的基本特点，如所有的地址、命令、数据信号发出的时间，都有严格参照系统时钟的某个前沿开始。又像异步通信那样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。

适用于系统工作速度不高但又包含了由许多工作速度差异较大的各类设备组成的简单系统

优点：比异步通信简单，在全系统内各模块又在统一的系统时钟控制下同步工作，可靠性高，同步结构较方便。

缺点：对系统时钟频率不能要求太高，故从整体来看，系统工作的速度还不是很高。

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