总线概述

2022.11.23

总线概述总线基本概念总线分类系统总线的结构常见的总线标准总线的性能指标

参考资源：

总线基本概念

  1. 总线定义：总线是一组能为多个部件分时共享的传输公共信息的线路。
  2. 总线电路：通过三态门进行总线连接。数据总线是双向总线，地址总线是单向总线（只能从CPU到存储器或IO设备）
  3. 总线事务：一对设备的一次信息交换的过程。包括两个阶段，地址阶段和数据阶段。
  4. 突发传送事务：一个地址阶段+多个数据阶段。
  5. 总线设备：主设备（拥有总线控制权）、从设备。
  6. 总线特征：“机电功过”

总线分类

  1. 片选总线/片内总线：芯片内部的总线（寄存器、ALU）

  2. 系统总线/内总线：连接功能的总线（CPU、主存、IO接口）

    1. 数据总线：双向，位数与机器字长、存储字长有关
    2. 地址总线：单向，位数与贮存地址空间大小有关
    3. 控制总线：包括CPU送出的控制命令与主存(或外设)返回CPU的反馈信号

  3. IO总线：用于连接中低速的IO设备，将低速设备与高速总线分离，比如USB、PCI总线

  4. 通信总线/外总线：连接计算机系统之间的总线

  5. 其他分类方式：同步异步、并行串行

系统总线的结构

单总线结构：系统总线

双总线结构：系统总线 + 主存总线(主存～CPU) 或 主存总线(主存～CPU) + IO总线(需要通道)(主存～IO)

三总线结构：系统总线 + 主存总线(主存～CPU) + 系统总线(主存～IO) + DMA(IO～主存)

  1. 单总线结构

    • 结构：CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都连接在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
    • 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。
    • 注意单总线不是说只有一根总线，系统总线也可以分为数据总线、地址总线、控制总线

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  2. 双总线结构

    • 结构：双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于CPU、主存和通道之间进行数据传送；另一条是 I/O 总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。
    • 优点：将较低速的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和 I/O 总线分离。
    • 缺点：需要增加通道等硬件设备。

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  3. 三总线结构

    • 结构：三总线结构是在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路，这3条总线分别为主存总线、I/O 总线和直接内存访问DMA总线。
    • 高速外设～北桥，低速外设～南桥
    • 优点：提高了 I/O 设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。
    • 缺点：每次只能有一条总线在工作，故系统工作效率较低。

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常见的总线标准

总线标准是国际上公布的互连各个模块的标准，是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。典型的总线标准有 ISA、 EISA、 VESA、 PCI、 AGP、PCI-Express、USB 等。它们的主要区别是总线宽度、带宽、时钟频率、寻址能力、是否支持突发传送等

  1. ISA, Industy Standard Architecture， 工业标准体系结构。是最早出现的系统总线，应用在 IBM的AT 机上。
  1. EISA, Extended Tndustry Standard Arctiteeture， 扩展的ISA。是为配合 32 位 CPU 位CPU而设计的扩展总线，EISA 对 ISA 完全兼容。
  2. 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 要求高速传送活动图像的大量数据而推出的。
  3. PCI, Peripheral Component Interconnect， 外部设备互连。是高性能的 32 位或 64 位总线，是专为高度集成的外围部件、扩充插板和处理器/存储器系统设计的互连机制。目前常用的PCI 适配器有显卡、声卡、网卡等。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. AGP, Accelerated Graphics Port，加速图形接口。是一种视频接口标淮，专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。
  5. PCI-E, PCI-Express。 是最新的总线接口标准，它将全面取代现行的PCI 和 AGP。
  6. RS-232C。是由美国电子工业协会（EIA）推荐的一种串行通信总线，是应用于串行二进制交换的数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的标准接口。
  7. USB, Universal Serial Bus， 通用串行总线。是一种连接外部设备的IO 总线，属于设备总线。具有即插即用、热插拔等优点，有很强的连接能力。
  8. PCMCIA, Personal Computer Memory Card International Association。广泛应用于笔记本电脑的一种接口标准，是一个用于扩展功能的小型插槽。具有即插即用功能。
  9. IDE, Integrated Drive Electronics，集成设备电路。更准确地称为 ATA，是一种IDE接口磁盘驱动器接口类型，硬盘和光驱通过 IDE 接口与主板连接。
  10. 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，
  11. 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，是由Intel、IBM、Dell 等公司共同提出的硬盘接口规范。
标准类型串/并备注
ISA系统总线并行最早
EISA 并行扩展上1个
VESA局部总线 视频
PCI局部总线并行设备互联
AGP局部总线 视频
PCI-E局部总线串行取代上2个
RS-232C外部总线串行 
USB外部总线串行 
PCMCIA  笔记本
ATA  IDE接口
SCSI 串行外设
SATA 串行硬件驱动

扩展资源

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。总线传输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。计算机有一个统一的时钟，以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。

  3. 总线工作频率。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. 总线时钟频率。即机器的时钟频率，它为时钟周期的倒数。

  5. 总线宽度。又称总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常指数据总线的根数，如32根称为 32位总线。

  6. 总线带宽。可理解为总线的最大数据传输率，即单位时间内总线上最多可传输数据的位数，通常用每秒传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒（B/s）表示。总线带宽总线工作频率x（总线宽度/8）。 注意：总线带宽和总线宽度应加以区别。

  7. 总线复用。总线复用是指一种信号线在不同的时问传输不同的信息，因此可以他使用较少的线传输更多的信息，从而节省空间和成本。

  8. 信号线数。地址总线、数据总线和控制总线 了 种总线数的总和称为信号线数。其中：总线的最主要性能指标为总线宽度、总线（工作）频率、总线带宽，总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率，它是衡量总线性能的重要指标。

    三者关系．总线带宽 二总线宽度x总线频率。

    例如，总线工作频率为 22MHIz，总线宽度为 16位，则总线带宽 =22×(16/8)=44MB/s。