在這個系列文章的第一講，漫談計算機組成原理(一)之程式執行的過程 中說過，現代計算機是從馮若伊曼計算機發展起來的。其組成部分有儲存器、運算器、控制器、輸入裝置、輸出裝置，在現代計算機中，人們將運算器與控制器封裝起來成為CPU（中央處理單元）。計算機的各種部件想要進行資料互動，就必須讓這些部件形成一定的連線關係，以便資料互動的進行。
連線的方式有兩種，一種是各個部件之間使用不同的線相互連線，很明顯，這種互動方式有很大的弊端，如連線複雜造成的控制複雜，還有就是當部件較多的情況下，簡直就是個災難。所以就催生了另外一種連線方式——匯流排連線，也就是我們這一講要講述的東西。
匯流排連線是指，將所有就的部件連線在一組公共的資訊傳輸線上，這樣做就避免了上面那種傳輸方式的弊端。現代計算機幾乎所有的都是採用匯流排連線。

概述

從引言中，我們基本上能夠了解到匯流排在計算機系統中的作用。但是上面的說法只是一個概論，我們需要給出更加詳細的匯流排的作用：匯流排是計算機中各個部件的資訊傳輸線。在計算機中，幾乎所有需要資訊傳輸的地方，都是存在匯流排的。
那麼，匯流排傳輸的資訊具體來講是什麼呢？總的來講，匯流排傳輸的資訊可以使資料、地址（詳情請看第一講https://blog.csdn.net/yanmiao0715/article/details/80338802）等，接下來會詳細介紹。
另外，從傳輸方式上來講，共有兩種傳輸方式。一種是並行的，另外一種序列的方式，兩種方式各有利弊。

匯流排的傳輸方式

• 並行方式
  

  
  並行傳輸方式很簡單，就是在同一時間內，傳輸多位資料，而計算機的位數，就是按照系統匯流排傳輸的資料位數劃分的，常見的有32位、64位等。
  注意，並行方式並不合適遠距離資料傳輸，因為並行傳輸方式，一旦距離過長，那麼各條匯流排的相互干擾則十分強大，資料丟失、錯誤也就成了必然。
  所以，並行傳輸用在計算機內部，就非常可靠了。既保證了傳輸速度，又保證了資料傳輸的可靠性。

• 序列方式
  
  序列方式很明顯不適用於計算機內部的資料傳輸，一來一條匯流排傳輸速度實在是慢，另外會導致計算機的匯流排分佈過於複雜。
  不過，與上面的方式正好相反的是，這種方式可以避免遠距離傳輸的資料干擾。

匯流排的結構框圖

在瞭解了基本的匯流排傳輸方式後，我們將從比單根匯流排更大的方面來介紹匯流排的具體結構。
所謂的匯流排結構，就是匯流排在計算機中的具體分佈位置，這個位置的不同，會導致計算機的各個方面的不同，下面就來一一介紹。

• 面向CPU的雙匯流排結構
  
  在這種結構中，包括了M匯流排（CPU與主存之間的資料傳輸匯流排）、I/O匯流排。優點是多條總匯流排，並行傳輸，效率高。缺點也很明顯，其一是事件執行過程容易被打斷，比如當前IO裝置正在佔用匯流排，與CPU或者主存之間在傳輸資料，而另外一個裝置此時卻發起了佔用請求，IO匯流排還要停下來處理佔用請求；其二是IO裝置無法直接與主存進行資訊互動，只能通過CPU這個介質，但是這就無端端的佔用了CPU，CPU完全可以在被佔用的這段時間處理資料，所以，就需要改進。

• 單匯流排結構
  
  這種結構中，只有一條匯流排：系統匯流排。計算機中的所有裝置都連線在這條總線上。這種方式的優點基本可以忽略了，缺點太多：
  當CPU進行資料處理的時候，非常容易被打斷，類似於上面的情況，就導致了CPU的效率過低；如果計算機中有很多的裝置，很難想象這條匯流排要長到什麼程度，匯流排越長，延遲越高；最後，這麼多的裝置，只有一條系統匯流排，典型的狼多肉少，這些裝置之間一定會打架的。

• 以儲存器為中心的雙匯流排結構
  
  最後的這種以儲存器為中心的雙系統匯流排結構，也就是在第一講之中提過的現代計算機的結構。這種結構整合了上面兩種方式的結構，做到了揚長避短。雖然和單匯流排結構挺像，但是，它在CPU和主存之間加入了一條儲存匯流排，這樣保證了CPU和主存互動是不佔用系統匯流排，也就避免了CPU的執行被打斷，CPU需要的資料既可以從主存中獲取，又可以從匯流排中獲取，非常強大；另外，系統匯流排和儲存匯流排飛凱，提高了效率的同時，還減輕了系統匯流排的負擔。

匯流排分類

片內匯流排

所謂的片內匯流排，就是CPU內部的匯流排，連線著CPU內部的各個部件。

系統匯流排

• 資料匯流排：資料匯流排是雙向傳輸的，和機器字長、儲存字長有關係
• 地址匯流排：地址匯流排是單向的，包括儲存地址、IO地址
• 控制匯流排：有入、有出，發出各種控制訊號

當然，匯流排分類的內容還有很多，包括一些常見的術語，這裡就不再贅述了，在後面的講解中遇到什麼就會解釋什麼。

匯流排效能指標

• 匯流排寬度：資料匯流排的根數
• 匯流排頻寬：匯流排的資料傳輸速率，也就是每秒傳輸的最大位元組數，單位MBp/S
• 匯流排複用：一條訊號線上分時傳送兩種訊號
• 訊號線數：地址匯流排、資料匯流排 、控制匯流排的數目總和
• 匯流排控制方式

匯流排結構

單匯流排結構

單匯流排結構在匯流排結構框圖中其實已經說過了。就是上面那種問題特別多的匯流排結構。這裡就不再贅述。

多匯流排結構

雙匯流排結構

可以看到，這種方式，是將I/O介面接在了與主存匯流排通訊的通道上，那麼這個通道是什麼呢？這個通道實際上是由計算機作業系統控制的一個特殊的處理器，用來對I/O裝置進行管理。
圖中所示只有一個通道，實際上是有很多通道的。人為的將不同速度的I/O裝置換分為不同的組，進而將這些組分別接在不同的通道上，可以預見，這種結構的匯流排資料吞吐量是十分高的，就實現了一個相當強大的計算機系統。
而這種結構，通常被用在大型計算機上。

三匯流排結構

• 第一種

這種結構的匯流排包括：主存匯流排、DMA匯流排（直接儲存器訪問，顧名思義，使用這條匯流排的I/O裝置可以直接向主存的讀寫資料）、I/O匯流排。
其中，DMA匯流排連線的是告訴I/O裝置，最好能夠和主存（記憶體條）的速度在一定程度上匹配。
在這種結構中，任意時刻，只有一條匯流排被佔用。主存匯流排肯定不能和DMA匯流排同時被佔用，而I/O裝置只在CPU呼叫I/O指令的時候才會被用到。
我覺得你有可能會有這麼個疑問：I/O匯流排會不會和DMA匯流排同時被佔用？肯定是不能的，因為前面說了，I/O匯流排只有在呼叫I/O指令的時候才會被佔用，在佔用的過程中，沒有CPU的控制，高速I/O裝置怎麼可能會和主存互動。

• 第二種

這種結構，是將CPU和Cache（快取裝置）之間加入了局部匯流排，不僅如此，主存和Cache都連線在系統總線上，去掉了CPU和主存的資訊傳輸，此時與CPU直接進行資訊傳輸的是Cache，我們知道，Cache是一種比主存更快的裝置，Cache可以直接通過匯流排讀取主存中的資訊，然後交給CPU，這樣就速度就會飛起。另外，擴充套件匯流排的存在，使得裝置擴充套件變得極為容易。

四匯流排結構

對比三匯流排結構，四匯流排就是將三匯流排更加細分，將I/O匯流排分成了高速匯流排和低速擴充套件匯流排。由於四匯流排結構並不是特別常見，這裡就不詳細說明了，感興趣的小夥伴可以自己查閱一下相關的資料。

匯流排控制（重要內容）

接下來的這個內容，可以說是系統匯流排這一講中最為核心的部分。

概述

匯流排的控制主要是兩個方面的內容。
首先，我們可以想象到，當某一個時間點上，有了多個裝置同時發出匯流排的佔用請求，那麼匯流排應該去響應哪一個裝置的佔用請求呢？再者，我們講了，在資訊傳輸的過程中，不可避免的會出現資訊丟失，如何保證資料傳輸的完整性呢？這就是我們要討論的第一個問題——匯流排的判優控制。
其次，雖然匯流排的判優控制解決了匯流排應該與哪一個裝置互動的問題，但是還是存在這樣一個問題的：兩個裝置，一個主裝置（對匯流排有控制權的裝置）和一個從裝置（只能響應從匯流排發來的命令）進行互動的時候，主裝置何時佔用傳輸資料？從裝置何時傳送響應資料？這就是我們要講的第二個問題，也就是匯流排的通訊控制。它的作用就是解決通訊雙方的協調配合的問題。

匯流排的判優控制

具體的講，匯流排的判優控制共有兩種方式，一種是集中式，將所有的控制邏輯集中在一個部分；另外一種是分散式，也就是將控制邏輯集中在各個部分。而分散式並不常見，這裡只介紹集中式的判優控制。

• 鏈式查詢
  
  首先來說明一下這張圖片上各個英文名稱的意義。BS：匯流排忙，也就是當前匯流排正在被使用；BR：匯流排請求：裝置的匯流排請求訊號就是從這條線上發出的；BG：匯流排同意，當匯流排同意裝置的佔用請求時，同意訊號將會從這裡發出。
  鏈式查詢方式，顧名思義，就是將所有裝置像鏈子一樣串聯起來。
  工作流程如下：某一個裝置檢測到當前匯流排空閒，則通過BR線向匯流排發出佔用請求，當匯流排控制部件收到了佔用請求後，他只知道收到了佔用請求，卻不知道是哪個裝置發出的佔用請求；此時就會通過匯流排同意BS線查詢，直到查詢到傳送匯流排佔用請求的裝置即停止。
  可以看到，這種判優控制中，裝置的優先順序是按照位置確定的，總是離匯流排最近的那個裝置會有限被查詢到。也就是說，最後一個裝置可能永遠無法佔用到匯流排。這就非常坑了，如果無法佔用匯流排，也就代表著無法正常工作，那還要這個裝置做什麼呢？
  還有一點，前面說了，這些裝置是串聯起來的，通過一根BS線，那麼，當BS線某處發生了損壞，則查詢將無法進行。

• 計數器定時查詢
  
  很明顯，第一種鏈式查詢方式在實際使用中肯定是各種問題，這種方式能夠大大的改進種種情況。
  相比較於鏈式查詢方式，這種方式去掉了BG（匯流排同意）線，而增加了裝置地址線，也就是定時查詢計數所指示的那條線。
  當匯流排接收到BR線的請求訊號後，在匯流排未被佔用的情況下，匯流排控制部件中的計時器開始計數，通過裝置地址線向裝置傳送地址，當某裝置地址與傳送請求的裝置地址一致時，裝置則獲得匯流排控制權，計數器停止計數。
  如果在查詢過程中，當前計數地址與傳送請求的裝置地址沒匹配上，則計數器+1，直到找到這個裝置為止。
  這個計數器的值是可以通過軟體來設定的，這樣，就能夠人為的確定裝置的優先順序。
  【注】這種方式的裝置地址線的條數為[log2n]條（n為裝置數）。

• 獨立請求方式
  
  這種方式就非常有意思思了，簡單的講，就是將匯流排請求（BR）和匯流排同意（BG）線給每個裝置都分配一下，當然，每個裝置都需要連線一下地址線和資料線。
  總的過程和上面的方式沒有太大區別，主要的區別在於，這裡的優先權控制變成了排隊器，給每個請求排隊，然後再執行。當然，這種方式是很有好處的，最起碼執行速度非常的快，但是，一旦裝置過多，那又變成了災難。

匯流排的通訊控制

由於匯流排的通訊控制主要解決的就是：通訊雙方的協調配合問題，那麼在不同時間段，就會出現不同的狀態。所以我們這裡引入一個匯流排生命週期的概念。

匯流排的生命週期

匯流排生命週期，是指主從裝置完成一次完整的資訊通訊的過程。這個過程包括三個階段：

• 申請分配階段
  就是主裝置申請匯流排控制權的過程

• 定址階段
  也就是匯流排控制器尋找到底是哪個裝置發起的控制請求的過程。

• 資料傳輸階段

• 結束階段

而我們接下來要討論的內容就是資料傳輸階段的通訊過程。

通訊方式

• 同步通訊：由統一時標控制通訊的資料傳輸
  
  這張圖片表示的是某個裝置向CPU傳輸資料的過程。
  整個的傳輸過程如下：
  
  • 在T1時間的上升沿（上升沿這個詞其實不難理解，就是時鐘向上走的部分，對應下降沿就是時鐘線向下走的過程），主裝置（CPU）給出讀資料的目的地址
  • 在T2上升沿，主裝置（CPU）給出讀命令
  • 在T3上升沿，從裝置給出資料資訊，執行讀資料操作
  • T3下降沿，讀命令、資料訊號撤銷
  • T4，地址線撤銷

這種方式，比較中規中矩，就是說在每一個時間段，執行固定的操作，模組間的配合較為簡單。缺點也很明顯，就是中規中矩的缺點，不夠靈活，裝置必須在規定的時間內執行完成相應的操作。
在這中方式中，主從模組的操作按照統一的時標操作。主從裝置的速度如果相差較大，那麼速度快的裝置必須等待速度慢的裝置執行。
【適用範圍】適用於匯流排長度較短、各部件存取時間比較一致的場合。

• 非同步通訊
  
  非同步通訊就比較靈活了，沒有統一的時標，只需要主裝置發出請求，從裝置發出響應即可。非同步通訊分成了三種方式：
  
  • 不互鎖
    想象這樣的一個場景，一個人向另外一個人打招呼，打完招呼就去忙自己的事情了，不管那個人是否聽到了自己的問候，都去做自己的事情。類比這種情況：主裝置發出請求，發完請求後就去執行其他的操作了，不管從裝置是否收到了回答。理想的狀況下肯定是需要從裝置回答的，這就衍生了另外一種方式。
  • 半互鎖
    再想象一個場景，A向B打招呼，如果B和A沒有仇的話，B肯定是會回覆A的，如果A發現B沒有搭理他，那麼他一般會再和B打招呼，如果B依然不迴應，那麼這個過程就會持續下去。
    到這裡也是一樣的，當主裝置向從裝置發出訊號時，如果從裝置接收到這個訊號，那麼就會向主裝置傳送響應資訊。如果主裝置一直沒有接收到這個訊號，就會一直向從裝置傳送資訊。
  • 全互鎖
    全互鎖，就是半互鎖的升級版本。在半互鎖中，如果主裝置沒有收到從裝置發出的響應訊號，除了是從裝置沒有接收到主裝置的訊號外，還有可能是因為從裝置傳送的訊號主裝置沒有收到，如果是這種情況，主裝置也會一直請求下去。
    在全互鎖的情況中，如果主裝置發出訊號後，從裝置也收到了訊號，則會向主裝置傳送響應訊號；如果主裝置接收到了訊號，那麼就會再從裝置傳送一個表示接收到了的訊號，此時從裝置就可以撤銷響應訊號了。如果沒有收到，則從裝置就會保持這個響應訊號。
    總結一句話就是，主裝置一直請求，從裝置一直應答。
• 半同步通訊（同步、非同步結合）
  
  為什麼說半同步通訊是同步通訊和非同步通訊相互結合的方式呢？因為半同步通訊保留了同步通訊的時鐘週期，又繼承了非同步通訊的能夠使得不同速度的裝置協調工作的優點，可以說是十分的強大。
  從圖中可以看到，半同步通訊不同於同步通訊的一個重要的特點就是：增加了兩個Tw週期，還增加了WAIT訊號。下面我們就來說一下它的具體情況。
  首先，和同步通訊相同，都是在T1給出地址訊號，T2給出讀命令，讀命令給出後，緊接著的並不一定是資料訊號。如果從裝置的速度很慢，不能在T3時間給出資料，則會通知主裝置，我現在還沒有準備好。隨後主裝置就會給出WAIT訊號，插入等待週期，當從裝置說我已經準備好了的時候，主裝置就會撤銷掉等待訊號，開始讀資料。後面的情況就和同步通訊一致了。
• 分離式通訊：充分發揮系統匯流排每瞬間的潛力
  這種通訊方式比較複雜，我們很難在一般的計算機上見到，這裡就不多說了，只需要知道它的這個特性就可以了。感興趣的可以看看這片博文：https://blog.csdn.net/ce123_zhouwei/article/details/6936047，不過我發現這個作者好像是直接摘抄的唐朔飛教授的《計算機組成原理》這本書。無奈╮(╯▽╰)╭，大家看看就行了。

結語

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