计算机组成原理学习笔记——总线概述

一、基本概念

1、定义

• 总线是一组能够为多个部件分时共享的公共信息传送线路。分时和共享是总线的两个特点。
• 分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送消息，若系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。
• 共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可通过这组线路分时共享。在某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但多个部件可同时从总线上接收相同的信息。

2、总线设备

• 总线上所连接的设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备和从设备两种。
• 主设备指对总线拥有控制权的设备；从设备指被主设备访问的设备，只能响应从主设备发来的各种总线命令。

3、总线特性

• 指机械特性——尺寸、形状，电气特性——传输方向和有效的电平范围，功能特性——每根传输线的功能，时间特性——信号和时序的关系。

4、总线的猝发传输方式

• 在一个总线周期内传输存储地址连续的多个数据字的总线传输方式，称为猝发传送。

二、总线分类

• 计算机系统中的总线按功能分为片内总线、系统总线和通信总线。

1、片内总线

• 即芯片内部的总线，是 CPU 芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与 ALU 之间的公共连接线。

2、系统总线

• 是系统内部CPU、主存、I/O 接口之间相互连接的总线。
• 按传输信息内容的不同分为：数据总线、地址总线和控制总线。

1）数据总线

• 用于传输各个功能部件之间的数据信息，是双向传输总线，位数与机器字长、存储字长有关。

2）地址总线

• 用于指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或 I/O 端口的地址，是单向传输总线，地址总线大小与主存地址空间的大小有关。

3）控制总线

• 用于传输控制信号，如 CPU 送出的控制命令和主存或外设返回 CPU 的反馈信号。
• 数据通路和数据总线的区别：各个功能部件通过数据总线连接形成的数据传输路径称为数据通路；数据通路表示的是数据流经的路径，而数据总线是承载的媒介。

3、通信总线

• 指计算机系统之间或计算机系统与其它系统——远程通信设备、测试设备之间传送信息的总线，通信总线也称外部总线。

4、其他分类

• 按时序控制方式分为同步总线和异步总线；按数据传输格式分为并行总线和串行总线。

三、总线结构

• 总线结构有单总线结构、双总线结构和三总线结构等。

1、单总线

• 指将 CPU、主存、I/O 设备挂在一组总线上，允许 I/O 设备之间、I/O 设备与主存之间直接交换信息，CPU 与 主存、CPU 与外设之间可直接进行信息交换，而无须经过中间设备。
  
• 优点：结构简单，成本低，易于接入新的设备；
• 缺点：带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并发传送操作。
  注意：单总线的“单”，不是指只有一根信号线，而是指只有一组信号线（地址、数据和控制总线）

2、双总线

• 有两条总线：主存总线和 I/O 总线。主存总线用于在 CPU、主存和通道之间传输数据；I/O 总线用于在多个外设与通道之间进行数据传输。
  
• 优点：将低速的 I/O 设备从单总线中分离，实现存储器总线和 I/O 总线的分离。
• 缺点：需要增加通道等硬件设备。

3、三总线

• 在计算机系统各部件采用主存总线、I/O 总线和直接内存访问（DMA）总线来构成新系通路。主存总线用于在 CPU 和内存之间传输地址、数据和控制信息；I/O 总线用于在 CPU 和各类外设之间通信；DMA 用于在内存和高速外设之间直接传送数据。
  
• 优点：提高 I/O 的性能，更快响应命令，提高系统吞吐量。
• 缺点：系统工作效率低。

四、总线的性能指标

1）总线传输周期

• 指一次总线操作所需的时间，包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段，检测总线周期。总线周期通常由若干总线时钟周期构成。

2）总线时钟周期

• 即机器的时钟周期；计算机内部有一个统一的时钟，计算机的部件都受该时钟控制。

3）总线的工作频率

• 总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。实际上指 1 秒内传送几次数据。若总线周期 = N 个时钟周期，则总线的工作频率 = 时钟频率/N。

4）总线的时钟频率

• 即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。

5）总线宽度

• 又称总线位宽，指总线上能同时传送的数据的位数，通常指数据总线的根数，如 32 根称为 32 为数据总线。

6）总线带宽

• 总线的传送率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒表示。总线带宽 = 总线工作频率=（总线宽度/8）

7）总线复用

• 指一种信号线在不同时间传送不同信息，因此可以使用较少的线传送更多的信息，节省空间和成本。

8）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。

• 总线最主要的性能指标是总线宽度、总线频率、总线带宽，总线带宽是总线本身所能达到的最高传输速率，是衡量总线性能的重要指标，有如下关系：

• 总线带宽=总线宽度*总线频率，例如：

• 总线频率=22MHz，总线宽度=16 位，则总线带宽 = 22x(16/8) = 44 MB/s。

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