计算机组成原理——总线系统

总线大致分为三类：
CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线。
CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如储存器、通道等互相连接的总线，称为系统总线。
中、低速I/O设备之间互相连接的总线，称为I/O总线。

 总线的特性
物理特性：总线的物理特性是指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。

功能特性：功能特性描述总线中每一根线的功能。如地址总线的宽度指明了总线能够直接访问存储器的地址空间范围；数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外设时能够交换数据的位数；控制总线包括CPU发出的各种控制命令（如存储器读/写、I/O读/写），请求信号与仲裁信号，外设与CPU的时序同步信号，中断信号，DMA控制信号等。

电气特性：地址总线是输出线，数据总线是双向传送的信号线，这两种信号线都是高电平有效。控制总线中各条线一般是单向的，有cpu的发出，也有进入CPU的，有高电平有效的，也有低电平有效的。

时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效。

微型计算机系统中采用的标准总线 从ISA总线（16位，带宽8MB/s）发展到EISA总线（32位，带宽33.3MB/s)，又发展到VESA总线（32位，带宽132MB/s)，而 PCI总线又进一步过渡到64位，100MHz。

实际带宽会受到总线布线长度、总线驱动器/接受器性能、连接在总线上的模板数等因素的影响。这些因素将造成信号在总线上的畸变和延时，使总线最高传输速率受到限制。

适配器可以实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制，适配器通常简称为接口。

总线结构有两种基本类型：单总线结构多，多总线结构。

单总线结构
在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线控制权，而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，由于一条总线由多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟。

在单总线系统中，某些外围设备也可以指定地址。此时，外围设备通过与CPU中的总线控制部件交换控制信号的方式占有总线。

多总线结构
单总线系统中，由于所有的高速设备和低速设备都挂在同一总线上，且总线只能分时工作，即某一时间只能允许在一对儿设备之间传送数据，这就使信息传递的效率和吞吐量，受到极大限制。

CPU、存储器控制器和两个PCI-E桥通过接口与高速的总线（FSB）相连。总线桥是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。不同类型的桥扩展出不同层次的总线，并分别连接高速、中速和低速设备。两个PCI-E桥分别连接图形处理器（GPU）和其他高速I/O设备。连接I/O设备的PCI-E总线又分别连接以太网设备控制器接口（DCI）、USB主机控制器接口、SATA（串行高级技术附件）、VGA（视频图形阵列）桥、DMA控制器和PCI总线扩展桥。SATA总线用于与SATA硬盘和光盘驱动器连接，PCI总线上连接的第二个USB主机控制器家用于与USB键盘和USB鼠标相连。
 

早期总线结构的不足之处在于：CPU是总线上唯一的主控者。
总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。

当代流行的总线内部结构是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准。
在当代总线结构中，CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。而总线控制器完多个总线请求者之间的协调与仲裁。