【计算机组成原理·考研】总线概述

1.基本概念

1.1 总线定义

• 总线是一组能为多个部件分时共享公共信息的传送电路。
• 分时和共享是总线的特点。
• 同一时刻只允许一个部件在向总线发送信息，若系统中有多个部件，则只能分时向总线发送信息。(分时)
• 总线上可以挂载多个部件，多个部件之间可以通过总线进行信息交换，多个部件也可以同时从总线上接收同一个信息。(共享)

1.2 总线设备

按对总线有无控制功能划分：

主设备

获得总线控制权的设备。

从设备

被主设备访问的设备，只能响应来自主设备的各种总线命令。

1.3总线特性

1. 机械特性(尺寸、形状)
2. 电气特性(传输方向、有效的电平范围)
3. 功能特性(每根传输线的功能)
4. 时间特性(信号、时序关系)

靠近CPU的总线的速度较快，远离CPU的总线的速度较慢。
各个总线通过桥接器相连，桥接器起流量交换的作用。

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2.分类

2.1 片内总线

2.1.1 说明

片内总线是芯片内部的总线，用于连接CPU内部寄存器与寄存器、寄存器与ALU。

2.2 系统总线

2.2.1 说明

系统总线是计算机内各功能部件(CPU、主存、I/O接口)之间相互连接的总线。

2.2.2 分类

按系统总线传输信息的内容划分：

数据总线

• 用于进行各功能部件之间的数据传输。
• 是双向传输总线。
• 总线位数与机器字长、存储字长有关。

地址总线

• 用于指出源数据或目的数据所在主存单元或I/O端口的地址。
• 是单向传输总线。
• 总线位数与主存地址空间的大小有关。

控制总线

用于传输控制信息，包括CPU发出的控制命令、主存或外设返回给CPU的反馈信号、时序信号。

注意数据通路与数据总线的区别：
数据通路是各功能部件通过数据总线连接形成的数据传输的路径。
数据通路表示的是数据流经的路径，而数据总线则是承载数据的媒介。

2.3 I/O总线

2.3.1 说明

• 用于连接中低速的I/O设备，I/O设备通过IO接口与系统总线相连。
• 能够将低速设备与高速总线分离，提升了总线的系统性能。

2.3.2 分类

数据线

用于传送数据缓冲寄存器和状态/控制寄存器的内容。

地址线

用于传送与CPU交换数据的端口地址。

控制线

用于向I/O端口发出读/写控制信号。

2.3.3 栗子

USB、PCI总线。

2.4 通信总线/外部总线

2.4.1 说明

用于在计算机系统间或计算机系统与其他系统(远程通信设备、测试设备等)间进行信息传送。

2.4.2 分类

按时序控制方式划分：

同步总线

异步总线

按数据传输格式划分：

串行总线

并行总线

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3.系统总线的结构

3.1 单总线结构

3.1.1 说明

• CPU、主存、I/O设备全部挂载到同一个系统总线上。
• CPU与主存、主存与I/O设备，I/O设备间、CPU与外设均可直接进行信息交换。

3.1.2 优缺点

优点

结构简单，成本低，易于接入新的设备。

缺点

1. 带宽低、负载重、多个部件只能争用唯一的总线。
2. 不支持并发传输操作。

3.2 双总线结构

3.2.1 说明

具有两个总线。一个是主存总线：用于在CPU、主存、通道间进行信息传输。另一个是I/O总线：用于在多个外部设备与通道间进行信息传输。

3.2.2 优缺点

优点

将低速I/O设备从单总线上分离出来，实现了存储器总线和I/O总线的分离。

缺点

需要增加通道等硬件设备。

3.3 三总线结构

3.3.1 说明

• 采用三条各自独立的总线(主存总线、I/O总线、DMA总线)构成信息通路。
• 主存总线用于在CPU和主存之间传输数据、地址、控制信息。
• I/O总线用于CPU和各外设之间的通信。
• DMA总线用于主存和高速外设之间的数据传送。

3.3.2 优缺点

优点

提高了I/O设备的性能，使其更快的响应命令，提高了系统吞吐量。

缺点

系统工作效率低。

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4.常见的总线标准

4.1 ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)

最早出现的微型计算机的系统总线，应用在IBM的AT机上。

4.2 EISA(Extended Industry Standard Architecture，扩展的ISA)

是为了配合32位CPU而设计的拓展总线，EISA对ISA完全兼容。

4.3 VESA(Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会)

是一个32位的局部总线，是针对多媒体PC要求的高速传送活动图像的大量数据而推出的。

4.4 PCI(Peripheral Component Interconnect，外部设备互连)

• 是高性能的32位或64位总线，是专门为高度集成的外围部件、扩充插板、处理器/存储器系统设计的互连机制。
• PCI总线支持即插即用。
• PCI总线是一个与处理器时钟频率无关的高速外围总线，属于局部总线。

4.5 AGP(Accerlated Graphics Port，加速图形接口)

是一种视频接口标准，专门用于连接主存和图形存储器，用于传输视频和三维图形数据，属于局部总线。

4.6 PCI-E(PCI-Express)

• 是最新的总线接口标准，未来将全面取代PCI和AGP。
• 采用串行数据包传输数据。

4.7 RS-232C

是一种串行通信总线，用于数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的串行二进制交换的标准接口。

4.8 USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)

• 是一种连接外部设备的I/O总线，属于设备总线，也是一种通信总线。
• 具有即插即用、热插拔的优点，具有很强的连接能力。
• 可通过级联方式连接多台设备。
• 由于其传输方式为串行传输，因此无法同时传输多于1位的数据。

4.9 PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Assocation)

是一种广泛应用于笔记本电脑的一种接口标准，是一个用于拓展功能的小型插槽，具有即插即用的特点。

4.10 IDE(Integrated Drive Electronics，集成设备电路)

是一种IDE磁盘驱动器的接口类型，硬盘和光驱通过IDE接口与主板连接。

4.11 SCSI(Small Computer System Interface，小型计算机系统接口)

是一种用于计算机和智能设备之间(硬盘，软驱)系统级接口的独立处理器标准。

4.12 SATA(Serial Advanced Technology Attachment，串行高级技术附件)

是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，由Intel、IBM、Dell等公司共同提出。

ISA、EISA、PCI均为并行总线，USB为串行总线。
VESA、PCI、AGP、PCI－E均为局部总线，ISA为系统总线。

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5.性能指标

5.1 总线传输周期

• 指进行一次总线操作所需要的时间。
• 一个总线传输周期通常包括：申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段。
• 一个总线传输周期通常包含若干个总线时钟周期。

5.2 总线时钟周期

等同机器的时钟周期。计算机内部有统一的时钟，控制着计算机内部的各功能部件，总线也受此时钟的控制。

5.3 总线工作频率

• 总线上各个操作的频率，也指一秒钟传送了几次数据。
• 总线工作频率 ＝ 1 / 总线传输周期。
• 若总线传输周期 ＝ N ✖️ 时钟周期，则总线工作频率 ＝ 时钟频率 / N。

5.4 总线时钟频率

• 等同机器的时钟频率。
• 总线时钟频率 ＝ 1 / 总线时钟周期。

5.5 总线宽度/总线位宽

指总线上能够同时传输的数据位数，通常指数据总线的根数。

5.6 总线带宽

• 可看作总线的最大传输率，即单位时间内总线上所能传输的数据的位数。单位通常为B/s。
• 总线带宽 ＝ 总线工作频率 ＊ (总线宽度 / 8)。

5.7 总线复用

指一条信号线在不同的时间段内传输不同的信息，这样做可以使用较少的线来传输较多的数据，从而节省了空间和成本。

5.8 信号线数

信号线数 ＝ 数据总线的线数 ＋ 地址总线的线数 ＋ 控制总线的线数。