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王道计算机组成原理课代表 - 考研计算机第六章总线究极精华总结笔记

news 2025/7/8 2:08:50

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。

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

在这里插入图片描述

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；

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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；

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6.1.2 总线的分类

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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；

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2. 按总线功能分类 ⭐

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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。

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3. 按时序控制方式

略，非重点

6.1.3 总线的连接方式

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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；

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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；

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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。~~

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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；

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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；

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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。

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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！

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小结

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6.1.4 总线的性能指标

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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

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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；

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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；

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串行总线和并行总线的总线带宽

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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；

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小结

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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

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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）

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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；

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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；

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③ 独立请求方式

每个设备均有一对总线请求线BR_i 和总线同意线BG_i ；

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；

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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；

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3. 分布仲裁方式

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小结

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6.3 总线通信控制

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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。

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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)

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② 异步定时方式 (异步通信)

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③ 半同步通信

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④ 分离式通信

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小结

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6.4 总线标准 *

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1. 总线标准的基本概念

在这里插入图片描述

2. 局部总线标准

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3. 设备总线标准

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小结

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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；

《计算机组成原理》第6章 总线

6.1 总线概述

6.1.1 总线的基本概念

6.1.2 总线的分类

6.1.3 总线的连接方式

6.1.4 总线的性能指标

6.2 总线判优控制 *

6.3 总线通信控制

6.4 总线标准 *

6.5 常见问题和易混淆点

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《计算机组成原理》第6章总线