总线

总线¶

总线概述¶

串行总线一次只能传输1bit，并行则是多bit。
地址线不仅用来指定主存地址，也用来指定 I/O 设备接口电路中寄存器（端口）的地址。

通信总线是用来计算机与计算机之间信息传送的总线，也称为外部总线。
通道是具有特殊功能的处理器，能对I/O设备进行统一管理。通道程序放在主存中。
三总线结构系统工作效率低：因为这三根总线中同一时刻只能由一根在工作。

总线的性能指标¶

在大多数时候，一个总线周期包含多个总线时钟周期（一对多）。但有时又是一对一，有时又是多对一（上升沿、下降沿各发一次）。
在计算有效数据传输率时需要去掉类似校验位的东西。
总线带宽 = 总线工作频率 * 总线宽度

因此，不能武断的说串行总线要比并行总线快。一般来说串行总线的频率会比并行总线高（由于并行的信号线会相互干扰）。

总线事务和定时¶

总线操作和定时¶

分离式通信就是利用上设备准备数据的时间，在这段时间里，总线是空闲的，然后将总线让给别的设备。

同步通信的优缺点

同步总线是指总线通信的双方采用同一个时钟信号，但是一次总线事务不一定在一个时钟周期内完成，即时钟频率不一定等于工作频率。

同步与半同步的区别：

纯同步方式（定时收卷）： 老师规定考试时间为 60 分钟（固定时钟周期数）。不管你是学霸 30 分钟写完，还是学渣 60 分钟没写完，时间一到，老师强制收卷。没有任何商量余地。

半同步方式（举手延时）： 老师依然按照钟表计时，计划 60 分钟收卷。但在第 59 分钟时，老师会抬头看一眼。如果有人举手（发出 WAIT 信号），老师就延长 10 分钟。10 分钟后如果还有人举手，再延长 10 分钟，直到没人举手，再统一收卷。

异步通信的三种方式以及优缺点

分离式通信的特点

总线仲裁（408不考，简单了解）¶

它是啥： 它是系统里的“交通警察”或“红绿灯”。

它是干啥的（解决冲突）： 总线是一条共享的单行道。假设 CPU、内存、硬盘在同一微秒都想通过这条总线发送数据，如果大家一起挤上去，数据就会撞车、乱码、彻底损毁。 总线仲裁的作用，就是当多个设备同时举手喊“我要用总线”时，按一定的优先级规则（比如谁更急、谁更重要），决定把“总线使用权”判给谁。 没轮到的设备就得乖乖排队等着。

集中仲裁方式（依赖单一中央仲裁器）

大白话： 相当于系统里有个专门的“交通调度中心（中央仲裁器）”，所有设备想上路，都必须向这个中心申请，由它来统一批复。

链式查询方式： 串联连接。距离越近优先级越高；线数最少，但对电路故障最敏感。
👉 大白话解释（串糖葫芦模式）： 就像大家串成一串排队。调度中心发出一张“通行证”，从第一名开始挨个往后传。离调度中心越近的设备越占便宜（容易截胡，优先级高）。因为大家共用一根线串到底，所以最省硬件电线；但缺点很要命：如果队伍中间有个设备坏了（电路故障），排在它后面的设备就永远拿不到通行证了（一断全断）。
计数器定时查询方式： 计数匹配。优先级配置灵活（取决于计数器初始值设定）。
👉 大白话解释（按学号点名模式）： 就像老师拿着花名册按学号点名。调度中心开始数数（0, 1, 2...），数到谁的号码，谁就可以用总线。这个设计的妙处在于，老师可以规定每次都从 0 号开始点（0 号优先级最高），也可以这次从 3 号点，下次从 8 号点。所以“谁优先”的规矩可以随时改，全看调度中心的计数器怎么设置（优先级配置灵活）。
独立请求方式： 单独连线。响应最快，控制最灵活；但线数最多。
👉 大白话解释（VIP 专线电话模式）： 就像每个设备都往调度中心拉了一部一对一的专线电话。谁急着用总线，直接打电话申请。调度中心瞬间就能接到并直接回复（响应最快），想批给哪条线就批给哪条线（控制最灵活）。但是代价很大：如果设备很多，调度中心背后的电话线就会密密麻麻乱成一锅粥（硬件线数最多）。
分布仲裁方式（无中央仲裁器）

大白话： 相当于“群龙无首”，没有专门的调度中心，大家全凭“江湖规矩”自己商量着来。

执行机制： 各设备自带仲裁号，在总线上进行自我比较以竞争控制权。
👉 大白话解释（群聊比资历模式）： 所有想用总线的设备，都把自己的“资历号码（仲裁号）”发到公共频道里。然后每个设备都自己盯着频道，拿自己的号码跟别人的号码比一比（自我比较）。如果发现频道里有人的号码比自己大，就乖乖闭嘴退下；如果比了一圈发现自己号码最大，就理直气壮地抢下总线控制权开始干活。

总线标准（408不考，简单了解）¶

它是啥： 它是全世界硬件厂商共同遵守的“普通话”和“接口规格”。

它是干啥的（解决兼容）： 如果没有标准，各家主板厂商和显卡厂商各玩各的，接口引脚数量不同、电压不同、传输协议不同，那你买的华硕显卡可能就插不进技嘉的主板里。 总线标准的作用，就是规定死一条总线的物理尺寸、引脚定义、电气特性（用多少伏电压）和传输协议。 它的终极目的就是实现“即插即用”（比如大家都遵守 USB 标准，那么任何品牌的鼠标插到任何电脑上都能直接用）。

核心系统总线（电脑内部的主干道）
PCI：并行总线。支持即插即用，总线时钟与 CPU 时钟相互独立。
👉 大白话解释（老式多车道省道）： 就像早期修的多车道马路（并行）。它的好处是不需要交警（CPU）时刻来打节拍，马路有自己的红绿灯节奏（时钟相互独立）。而且不管什么牌子的车，开上来就能跑（即插即用）。
PCI-E (PCI Express)：串行总线。点对点连接，全双工，速度极高，是目前主流的系统总线。
👉 大白话解释（现代 VIP 专属高铁线）： 它是为了淘汰老省道而生的。它变成了一对一修的单向双轨道（串行、全双工、点对点）。就好比显卡和主板之间修了一条专属的高铁线，来回的列车各跑各的轨道，互不干扰，速度可以飙到极限（速度极高）。
核心外设总线（连接外部设备的通道）
USB：串行总线。支持即插即用和热插拔，采用树形（星型）拓扑结构。
👉 大白话解释（万能的多层插线板）： 大家都最熟这个。它就像一个超级神奇的智能插线板。你不用关机断电，随时插随时用（热插拔）。而且一个 USB 口插上一个扩展坞，扩展坞还能再接扩展坞，像树枝一样一生二、二生三（树形/星型拓扑结构）。
SATA：串行总线。主要用于连接硬盘等大容量存储设备。
👉 大白话解释（仓库专用货运专线）： 这个没什么花样，就是一条专门连着你们家大仓库（机械硬盘/固态硬盘）的单轨运货列车（串行）。
408 必考趋势结论：为什么“单车道”打败了“多车道”？
结论：串行逐渐取代并行（现代的高速总线全都是串行）。
原因：在极高频率下，并行总线的线间串扰严重，难以提升时钟频率；而串行总线抗干扰能力极强，可以通过大幅提高工作频率来实现更高的带宽。
👉 大白话解释（并排跑的跑车容易翻车）： 很多人直觉认为“车道越多（并行），运货越快”，在马车时代确实如此。但是，当你想把数据传输速度逼近光速时，问题就来了：如果安排 32 辆跑车并排全速狂飙，它们并排挤在一起产生的“气流旋涡”会互相撕扯，导致车毁人亡（高频下的线间串扰）。为了不翻车，只能把速度降下来。后来工程师悟了：干脆只留一条车道（串行）！既然旁边没有别的车干扰（抗干扰极强），那这辆车就可以毫无顾忌地装上火箭推进器，把速度飙到百倍、千倍（大幅提高工作频率）。 “天下武功，唯快不破”。虽然每次只运一点，但因为跑得实在太快了，最终运送的总货量（带宽）把多车道远远甩在了身后。

习题笔记¶

在同一时刻只能有一个主设备控制总线传输操作。
主存通过总线的类型识别数据和地址，CPU则是通过CU。