2.2总线的性能指标

这一节我们一起学习评价 总线性能的指标这些指标很可能在选择题或者大题第一小题出现。

一、总线传输周期

总线的传输周期又叫总线周期。

一个总线周期就是指我们要利用总线传输一组数据所需要的时间。

通常一个总线周期会被分为以下四个阶段

<1> 申请阶段

这个阶段做总线的仲裁关于总线仲裁如何实现下一个小节讲解。

就是决定是否要把总线分配给某一个设备使用。

<2> 寻址阶段

两个设备要通过总线进行数据的交互主设备会通过地址总线把它想要读或者写的地址单元传递给从设备。

<3> 传输阶段

主设备指明了要读或者写的地址之后就进入了传输阶段。

主设备通过数据总线往从设备里面写入数据或者读出数据。

<4> 结束阶段

数据传输完成之后就进入了结束阶段。

即释放总线的使用权把总线让给其他设备使用。

经过一个总线周期时候就可以完成一组数据的传送。

比如一组数据总线的宽度是32bit那么就意味着经过一个总线周期它可以传输32bit的信息。

一个总线周期通常由若干个总线时钟周期构成。

二、总线时钟周期

总线的时钟周期就是机器的时钟周期。

稍微解释一下

计算机有一个统一的时钟以控制整个计算机的各个部件总线也要受此时钟的控制。

对于早期的计算机来说时钟信号是由CPU发出的。

CPU发出的节拍信号决定了总线时钟周期的长短但是现代计算机中总线时钟周期也有可能由桥接器提供。就是上一小节提到的四总线结构里边如下图。

这里的桥接器也会发出时钟信号这个时钟信号的频率和CPU时钟信号的频率是不一样的。

有可能CPU时钟信号的频率是3.0GHz比较快。那么CPU总线的时钟周期就是3.0GHz由CPU控制。

但是对于其他速度更慢的总线来说可能跟不上CPU的时钟信号。

所以桥接器会往高速总线里面的控制总线上发出时钟更慢的时钟信号。

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🚗注意

虽然总线周期通常由若干个总线时钟周期构成但是总线周期与总线时钟周期的关系比较魔幻。

它们的关系可能是一对多或者一对一或者多对一的关系。

①大多数情况下一个总线周期包含多个总线时钟周期。

②有的时候一个总线周期就是一个总线时钟周期。

③有的时候一个总线时钟周期可以包含多个总线周期。

在有的总线中当时钟部件发出如下时钟信号。

如果检测到上升沿电信号由低电平变为高电平可以进行一次总线的数据传输。如果检测到下降沿电信号由高电平变为低电平此时又会传送一组总线的数据。

在这样的时钟周期内上升沿和下降沿都进行了一次总线的数据传输。

这就意味着一个时钟周期里面包含了两个总线周期。

三、总线工作频率

总线的工作频率就是总线上各种操作的频率为总线周期的倒数。

若总线周期=N个时钟周期则总线的工作频率=时钟频率/N。

实际上指总线在一秒内传送几次数据。

四、总线时钟频率

总线的时钟频率就是机器的时钟频率。为时钟周期的倒数。

若时钟周期为T则时钟频率为1/T。

实际上指总线在一秒内有多少个总线时钟周期。

五、总线宽度

总线宽度又称为总线位宽。它是总线上同时能够传输的数据位数。

通常指数据总线的根数如32根称为32位bit总线。

当在题目里面看到某一个计算机的总线宽度是32bit通常是指计算机里面数据总线的宽度而没有包含地址总线和控制总线的宽度。

六、总线带宽

1.概念

总线带宽可以理解为总线的数据传输率即单位时间内总线上可传输数据的位数。

通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量单位可用字节/秒B/s表示也可以用比特/秒b/s。B=b/8

如果题目告诉了总线的工作频率反映了总线每秒可以传送多少次数据还有总线宽度反映了每次传送可以并行地传送多少bit的数据一相乘就可以得到总线的带宽。

又由于总线工作频率和总线周期互为倒数如果题目中告诉了总线周期那么也可以用总线宽度除以总线周期得到总线带宽。

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2.注意点

🚗 注意

总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率。

然而在总线传输的信息中。也许不是所有的信息位都是有效信息比如可能会有校验位或者一些开头结尾的标志。

有的题目可能会让我们计算有效数据的传输率。这时候就需要把上述附加冗余的信息给去除只计算实际传输的有效信息位。

所以在计算实际的有效数据传输率时要用实际传输的数据量除以耗时。

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3.案例分析

📚案例

❓ 数据线和地址线复用什么意思

之前说的数据线和地址线是两组独立的总线有的系统中为了简化系统的根数会把数据总线和地址总线进行合并就用一组总线来实现数据和地址信息的传送。

当然这种方式肯定要分时传送比如先用它来传送地址信息然后再用它传送数据信息。

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❓ 突发传输方式

只需要传送一次地址接下来就可以连续读出从这个地址往后的多个字的数据。

由于采用了数据线和地址线复用的方式因此需要先通过32根线传输地址信息。

题目告诉我们。传输一个地址需要1个时钟周期128位数据需要传输4次总线宽度是32bit所以128/32=4次。

题目又说一个时钟周期可以传送两次数据因此这4次的数据传输只需要占用2个时钟周期。

题目又指明总线时钟频率为66MHz每秒包含了66M个时钟周期所以每个时钟周期的长度就是1s/66MHz约等于15ns纳秒。

所以完成128位数据的写至少需要花费三个时钟周期发送首地址1个128位数据传输占用2个每个时钟周期15ns纳秒那么总共就是45ns的时间。

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4.总结补充

🔖总结

一个总线的时钟周期内可能传送多次数据这个题目是上升沿和下降沿分别传送一次每次传送32bit

总线带宽总线每秒钟最多传送多少数据。

既然提到这个问题我们再来复习一下上一节说到的串行和并行总线。

串行总线每次只能传送1个bit数据并行总线每次可以传送多个bit的数据。

乍一看并行总线的带宽比串行总线的带宽更大因为并行总线可以传送多位数据。

但是总线带宽不仅与总线宽度有关还与总线工作频率有关。

总线带宽=总线工作频率*总线宽度(bit/s)

因此在探讨串行总线与并行总线速度快慢的时候一定要考虑它们的工作频率。

上一节说过由于并行总线数据的传输线都靠的很近所以它们之间会有一些干扰可能导致数据的跳变0变1或1变0。为了保证数据的正确传输并行总线的工作频率不能太高。

而串行总线没有数据线之间的干扰因此串行总线的工作频率可以很高很高。

①如果工作频率相同串行总线传输速度比并行总线慢。因为串行一次只能传送1bit

②并行总线的工作频率无法持续提高而串行总线可以通过不断提高工作频率来提高传输速度最终超过并行总线。

七、总线复用

这个概念在上面的例子中提过。

总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。

比如一般地址总线和数据总线是独立的两组线如下

我们还可以采取这样的方式用同一组线来分时地传送地址信息与数据信息如下

这样就可以使用较少的线传输更多的信息从而节省总线的布线空间和硬件的成本。

如果CPU要往主存里面写入数据那么CPU要往这一条黄线发出地址信息指明要写的地址在什么地方。

主存接收到地址信息之后CPU再发出数据信息同样是通过黄线传递给主存主存再根据刚才传来的地址信息把这次接收到的信息写入到相应的地址所指的空间里面。

这种方式传递地址数据信息的时候至少需要2个总线周期需要进行两次数据的传送。

这种方式虽然节约了成本但也会使速度有所下降。

八、信号线数

地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。就是传输最小的bit的线

如果地址总线有32根数据总线有64根控制总线有100根那么信号线数就是它们之和。

九、总结

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OK有缘再会~