计算机组成原理(七)——总线BUS

总线(BUS)

总线(BUS)概念

　　连接计算机系统各个功能部件的信息传输线。是各个部件共享数据及信息的传输介质，用来连接计算机系统各功能部件而构成一个完整系统。

　　实际上是一组信号线。

　　广义地讲，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。

计算机各部件之间的两种连接方式

• 分散连接

　　各部件之间使用单独的连线连接起来，数量庞大，系统难以扩展，结构复杂。

• 总线连接

　　将各部件连接到一组公共信息传输线上。

总线特点

• 信息传输

　　　　总线实际上是由许多传输线或通路组成的，每条线可一位一位地传输二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一传输完成。若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码。

　　　　串行：每条线一位接一位的传输二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一传输完成。

　　　　并行：若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码，如，16条传输线组成的总线可同时传输16位二进制代码。

• 共享

　　　　总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

• 分时(总线上信息传输的特征)

　　　　在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

　　　　总线由总线控制器管理，总线控制器的主要功能有总线系统的资源管理、总线系统的定时及总线的仲裁和连接。

系统总线结构简单举例

单总线结构

　　单总线结构将 CPU、主存、I/O 设备（通过 I/O 接口）都挂到一组总线上，允许 I/O 设备之间、I/O 设备与主存之间直接交换信息。

 

　　单总线结构的优缺点

• 优点：结构简单，允许 I/O 设备之间或 I/O 设备与主存之间直接交换信息，I/O设备与主存交换信息时，原则上不影响CPU的工作，只须 CPU分配总线使用权，不需要 CPU 干预信息的交换，CPU工作效率有所提高。
• 缺点：由于全部系统部件都连接在一组总线上，各部件都要同时占用时，会发生冲突，总线的负载很重，可能使其吞吐量达到饱和甚至不能胜任的程度，所以需要设置总线判优逻辑，按照优先级高低来占用总线，影响整机工作速度。故大多为小型机和微型机采用。

双总线结构——以CPU为中心

• 存储总线(M总线)：连接内存与CPU的总线。
• 输入/输出总线(I/O总线)：连接CPU与输入/输出设备的总线。

　　特点：

　　　　I/O设备与内存交换信息时，需要占用CPU，因此会影响CPU的工作效率。

双总线结构——以存储器为中心

　　特点：

　　　　保留了内存与I/O设备间传输信息不经过CPU的特点，既提高了内存与I/O设备间的传输速率，减轻了系统总线的负担。

　　　　现代计算机系统大多采用此类总线结构。

总线分类

按传输方式分类

串行传输总线

并行传输总线

• • • 8位并行传输总线。
    • 16位并行传输总线。
    • 32位并行传输总线。
    • 64位并行传输总线等。

按使用范围分类

• • • 计算机总线
    • 测控总线
    • 网络通信总线

按连接部件不同分类

• • • 片内总线，又称芯片内总线。

　　　　　　　　　　用于集成电路芯片内部各部分的连接。

　　　　　　　　　　如CPU内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑单元ALU之间都由片内总线连接。

• • • 系统总线(System Bus)，又称内总线。

　　　　　　　　　　用于计算机各组成部分(CPU、内存、I\O接口等)之间的信息传输。

　　　　　　　　　　CPU通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样经过系统总线，实现将CPU内数据写入外设，或由外设读入CPU。

• • • 元件级总线。

　　　　　　　　　　用于一块电路板内各元器件的连接。

• • • 通信总线，又称外总线。

　　　　　　　　　　用于计算机与外设或计算机与计算机之间的连接或通信。

系统总线按传输信息的不同分类

	所传输的信息	传输方向	说明
数据总线	传输各功能部件之间的数据信息。	双向传输	其位数称为数据总线宽度，与机器字长、存储字长有关，一般为 8 位、16 位或 32 位。
地址总线	用于指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或 I/O设备的地址， 也就是说地址总线上的代码用来指明 CPU 欲访问的存储单元或I/O端口的地址。	由CPU输出，单向传输。	地址总线的位数与存储单元的个数有关，如地址线为 20 根，则对应的存储单元个数为 220个。
控制总线	用于发出各种控制信号，控制各部件动作。	通常对任一控制线而言，它的传输是单向的，如存储器读/写命令都是由 CPU 发出的； 但对控制总线总体而言，又可认为是双向的， 如当某设备准备就绪时，便可通过控制总线向 CPU 发送中断请求。	常用的控制信号有： 时钟：同来同步各种操作。 复位：初始化所有部件。 总线请求：表示某部件需获得总线使用权。 总线允许：表示需要获得总线使用权的部件已获得了控制权。 中断请求：表示某部件提出中断请求。 中断响应：表示中断请求已被接收。 存储器写：将数据总线上的数据写入存储器的指定存储单元中。 存储器读：将指定存储单元中的数据读到数据总线上。 I/O读：从指定的I/O端口将数据读到数据总线上。 I/O写：将数据总线上的数据输出到指定的I/O端口。 传输响应：表示数据已被接收，或已将数据送至数据总线上。

☆ 总线的特性与性能指标

总线物理实现