计算机组成原理之总线

总线的基本概念

使用总线的原因

分散连接：对于需要通信的两个部件，就用线进行连接

1. 通信线路数量多，占用空间大
2. 无法方便地增删I/O设备
3. 解决方法：使用总线

什么是总线？

总线是连接各个部件的公共的信息传输线，是各个部件共享的传输介质

总线上信息的传送

1. 串行传送：多位数据在单条1位宽的传输线上，一位一位地按序分时传送。适合远距离传送。
2. 并行传送：多位数据在多条并行1位宽的传输线上，同时传送。适合近距离传送。

总线的分类

片内总线

1. 芯片内部的总线
2. 完成芯片内部不同部件之间的连接
   1. CPU芯片内部：寄存器之间 、寄存器与ALU之间的连接

系统总线

1. 计算机各大部件之间的信息传输线(CPU、主存、I/O设备或者说I/O接口)
2. 根据系统总线上传输信息的不同，分为数据总线、地址总线、控制总线
   1. 数据总线
      1. 双向，用来传输数据信息
      2. 数据总线的宽度（位数）小于等于机器字长和存储字长
   2. 地址总线
      1. 单向，指出主存单元的地址或I/O地址
      2. 地址总线的宽度（条数）与存储地址、I/O地址有关
   3. 控制总线
      1. 各种控制信号的传输线
      2. 对任一控制线而言，传输是单向的
      3. 对控制总线总体而言，传输是双向的
         1. CPU输出的控制信号：存储器读、存储器写、总线允许、中断确认
         2. 输入CPU的控制信号：中断请求、总线请求
   4. 通信总线
      1. 用于计算机系统之间 或 计算机系统与其他系统(控制仪表、移动通信)
      2. 传输方式
         1. 串行通信总线
            1. 多位数据在单条1位宽的传输线上，一位一位地按序分时传送
            2. 适合远距离传送
         2. 并行通信总线
            1. 多位数据在多条1位宽传输线上，同时传送
            2. 适合近距离传送

总线的特性及性能指标

总线的特性

总线的物理实现

1. 总线是直接印刷在主板（母版）上
2. CPU、主存、I/O插板通过预留插槽与总线进行连接
   1. 如：内存插槽
   2. 为实现插板和总线的有效连接，需规定其机械特性、电气特性、功能特性和时间特性

总线的物理特性

1. 机械特性
   1. 尺寸、形状、管脚数及排列顺序
2. 电气特性
   1. 传输线上信号的传递方向和有效的电平范围
   2. 输出信号：CPU发出的信号
   3. 输入信号：输入CPU发出的信号
   4. 地址总线：单向输出线，高电平为1，低电平为0
   5. 数据总线：双向输出线，高电平为1，低电平为0
   6. 控制总线：每一个为单向，但是整体有输入和输出，高电平/低电平都可以有效

总线的功能特性

1. 每根传输线的功能
   • 地址总线：传输地址码
   • 数据总线：传输数据信息
   • 控制总线：传输控制信号

总线的时间特性

• 总线上的各种信号间的时序关系：总线中的任一根在什么时间内有效的

总线的性能指标

• 总线宽度
  • 数据总线的根数，用bit（位）来表示，如8位（根）
• 总线带宽
  • 每秒钟传输的最大字节（兆字节每秒，MBps）
• 时钟同步/异步
  • 时钟同步：数据与时钟同步工作
  • 时钟异步：数据与时钟不同步工作
• 总线复用
  • 地址线与数据线复用

总线标准

• 建立总线标准的原因
  • 方便实现各类系统、模块与总线之间的连接
• 总线标准
  • 系统与各模块、模块之间的一个互连的标准界面
• USB总线
  • 计算机串行接口总线标准
  • 数据传输率（最高）
    • USB2.0 :480Mbps（60MB/s）
    • USB3.0:5Gbps（625MB/s）

总线结构

1. 单总线结构

   1. 将计算机当中的所有部件（I/O接口、CPU、主存）都连接到一组总线（系统总线）上
   2. 缺点：任何时刻只能有一个部件占用总线，总线成为系统的性能瓶颈

2. 以CPU为中心的双总线结构

   1. 分两条总线，M总线（存储总线）和I/O总线（输入输出总线）
   2. M总线：连接CPU和主存
   3. I/O总线：连接CPU和各I/O设备
   4. 优点：CPU和主存间有专用的M总线，有利于提高CPU的工作效率

   

3. 以存储器为中心的双总线结构

   1. 分两条总线，M总线和系统总线
   2. M总线：连接主存和CPU
   3. 系统总线：连接主存、CPU和I/O接口
   4. 优点：I/O设备与主存交换信息时，无需经过CPU

4. 有通道的双总线结构

   1. 主存总线和I/O总线分离
   2. 通道：具有特殊功能的处理器，由通道对I/O进行统一管理

   

5. 一种三总线结构

   1. 增加了DMA总线：高速外设可通过DMA总线直接与主存进行信息交换
   2. CPU为中心：低速外设需通过CPU才能与主存进行信息交换

1. 另一种三总线结构
   1. 局部I/O控制器连接高速的局部设备
   2. 各种类型的设备都连接到扩展总线上，方便I/O设备的扩展
      1. SCSI：小型计算机系统接口
      2. Modem：调制解调器
      3. 缺点：不同速度的外设共用扩展总线，影响外设的性能

1. 四总线结构
   1. 在三总线的基础上增加高速总线，挂载高速I/O设备，并通过高速总线桥或高速缓冲器与系统总线和局部总线相连
   2. 低速I/O设备仍挂载在扩展总线上
   3. 可以提高I/O设备的工作效率