一、总线简图

先来说一下总线的物理原理。

如下：

地址总线：

CPU可以通过地址总线给主存或者打印机、硬盘发送地址信息。

数据总线：

CPU可以通过数据总线，给其他部件进行数据传输。

控制总线：

CPU可以通过控制总线给其他的部件发送控制信号，控制的是电信号。

:question:为什么数据总线或者地址总线可以并行传递很多bit的信息？

因为每个总线可能由很多根信号线组成。

比如现在将数据线拆解一下：

可能一个数据总线里面包含了四根信号线。

如果想并行传递32bit的数据，那么数据总线内部就可以包含32根信号线。

现在CPU想给主存发送4bit（比如0101）的数据，这就意味着CPU只要给数据总线的四根线上分别加上高低电平信号。

0101的数据可以被主存、硬盘或打印机接收。

只要高低电平信号加在数据线之后，由于所有的硬件部件都是连接在数据总线上的，所以所有的部件都可以通过数据总线来接收CPU发送给它们的信号。

==虽然平时都是说一根总线，但是总线里面是包含多根信号线的。==

比如上面的例子，4根信号线组成一根总线，所有硬件部件都可以通过这根总线传递数据。

具体包含几根信号线，这要看具体需求。

如果想并行传递32bit，那么就可以让总线包含32根信号线。

上图可以并行发送4bit的数据，同一时刻只能有一个部件发送数据，但是可以有多个部件接收数据。

这个很好理解，比如CPU发送了一个低电平信号，而硬盘发送了一个高电平信号，这时候总线上的信号就会有冲突，其他部件就不知道接收哪一个信号了，就乱套了。所以同一时刻只能有一个部件发送数据。

比如CPU发送了一个0101的信号，由于其他部件都直接和总线相连，那么都可以从连接点检测到高低电平信号，所以都可以接收到CPU发送的数据。所以同一时刻可以有多个部件接收数据。

如下图：

主存和CPU可以通过主板上的总线进行数据交互。

这种总线的设计思想，可以让电脑扩充硬件部件变得很容易。只要留出对应的接口，那么就可以在主板上扩充其他硬件部件。

接下来我们逐步学习下面的内容：

总线仲裁：

比如两个设备都想要使用总线，那么这两个设备都往总线上发送数据，是会造成冲突的。

因为总线上连接了很多设备，这些设备都想占用总线发送数据，那么应该将总线的使用权交给谁呢？

操作与定时：

当我们将总线的使用权分配给某个设备之后，这个设备就可以通过总线与其他设备进行数据交互了。那么数据交换又是如何进行的？

二、概念与分类

1.总线定义

总线：总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。

上半部分是CPU，CPU可以通过一组系统总线，和主存、I/O设备进行数据交互及控制信号的收发。

所有的硬件部件都是通过系统总线来进行相互的控制和数据的传送。

:question: 为什么要用总线？

早期计算机外部设备少，大多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。

比如CPU只需要和特定的外部设备“纸带机”进行数据交互，这时候专门建立一条数据传送线路即可。

随着外部设备的增多，如果还是采用分散连接，每增加一个设备，就专门建立一条数据传送线路，这明显不利于增减外部设备。

为了解决主机和外部设备之间连接的灵活性，计算机的结构从分散连接发展为总线连接。

如果要增加外部设备，只需要将它连接在总线上即可。如果想要移除，只需要将它与总线断开即可。

2.总线特点

（1）分时

同一时刻只能由一个部件往总线上发送信息。

如果多个部件想往总线发送信息，那么就需要在不同时刻使用总线。

（2）共享

所有的硬件部件都是共享总线的。

3.总线特性

当设计总线的时候，需要关注下面的特性。

①机械特性

尺寸、形状、管脚数、排列顺序

②电气特性

传输方向：比如CPU可以通过地址总线告诉主存此次要读或者写的地址，那么只能是CPU向主存传递，不能是反方向。又比如CPU要通过数据总线往主存里面写数据或者读数据，所以对于数据总线来说，传递方向就是双向的。

有效的电平范围：比如规定0v~0.5v是低电平，4.8v~5.2v是高电平。那么只有电平信号落在这个范围里面，才认为电平信号是有效的。

③功能特性

需要关注每根传输线的功能，是地址线还是数据线还是控制线。

④时间特性

信号的时序关系，比如请求使用总线的信号什么时候发出。

4.总线的分类

可以从不同的维度，对总线进行分类。

如下：

（1）按数据传输格式

①串行总线

==每次只能传送一位==

比如设备A往设备B发送一个信号（比如1011），只能一个比特一个比特地发送数据。B也只能一个比特一个比特地接收数据。

USB这种总线规范，每次只会传送一个bit的数据。

<1> 优点

只需要一条传输线，成本低廉广泛应用于长距离传输。

应用于计算机内部时，可以节省布线空间。

一根传输线抗干扰能力强，在进行长距离数据传输的时候，数据不容易发生跳变。

<2> 缺点

在数据发送和接收的时候，要进行拆卸和装配。

还要考虑串行-并行转换的问题。比如通过USB给电脑发送数据，是1个比特1个比特地发送数据，但是CPU不可能是1个比特1个比特地接收。虽然是串行地给电脑发送数据，但是这些数据还要进行转换之后，通过并行的方式，多个bit同时送给CPU。

②并行总线

==每次可以传送多位==

比如设备A可以并行向设备B发送多个比特的数据。

可以看出，CPU与主存之间传送数据的数据线就是并行总线。

数据总线可以并行传送32bit位或者64bit等的数据。

<1> 优点

总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。

<2>缺点

信号线数量越多，占用更多的布线空间。

远距离传输成本高。

由于工作频率较高时，由于线之间距离较近，所以并行的信号线之间会产生严重干扰，对每条线等长的要求也越高，所以无法持续提升工作频率。

所以，并行总线的工作频率不会特别高，这就可能导致在实际信息传送的速度上甚至不如串行总线。

并不是说并行总线可以同时发出多个比特数据就注定比串行总线快。

因为各个信号线之间的干扰问题，导致并行总线在发送数据的时候，发送频率是有上限的，不能特别高。而串行总线不存在信号线之间的干扰问题，所以发送频率就可以做的很高。

并行总线一定比串行总线快，这句话是错的！

（2）按总线功能

①片内总线

==片内总线是芯片内部的总线。==

它是CPU芯片内部寄存器与寄存器、寄存器与ALU之间的公共连接线。

②系统总线

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

按系统总线传输信息的内容不同，又分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。

数据通路表示数据流经的路径（逻辑上）； 数据总线是承载的媒介（承载数据流动的物理媒介）。同样，地址总线也可以当作数据通路的一个物理媒介。

下面来详细讲解系统总线。

<1> 数据总线（Data Bus）

==双向，传输各个功能部件之间的数据信息。==

包括指令和操作数。

位数（根数）和机器字长、存储字长有关。

如果数据总线的宽度和机器字长一致，那么CPU就可以通过一次数据读入取得CPU一次可以处理的数据。

如果数据总线的宽度和存储字长一致，每次主存的读或者写操作，只需要数据总线传一次即可。如果数据总线的宽度只有存储字长的一半，那么要取出一个存储字就需要数据线传两组数据。

<2>地址总线（Address Bus）

==单向，传输地址信息，包括主存单元或I/O端口的地址。==

地址总线一定是单向的，由CPU发送信号，来表示CPU想要读或者写的设备。

CPU可以通过地址总线发出地址信号，来指明它想访问的主存单元的地址是多少。

也可以通过地址总线来指明它想访问的输入输出设备是哪一个。

位数（根数）与主存地址空间大小及设备数量有关。

地址总线的宽度（位数）需要与主存地址空间大小一致，如果主存和I/O设备采用统一编址的方式，那么除了主存空间之外，还需要考虑设备数量。

比如，主存对应的地址空间是0~n，输入设备1的编号是n+1，输出设备2的编号是n+2。

这种情况下，地址总线的宽度就至少需要能够表示0~n+2的地址信息。

<3> 控制总线（Control Bus）

==一根控制线传输一个信号。==

有出：CPU送出的控制命令。

有入：主存（或者外设）返回CPU的反馈信号。

控制总线包含多根控制线，每一根控制线负责传输一个控制信号。

对于单根控制线来说，这种控制信号的传输方向都是单向的。

对于整个控制总线来说，它的传输方向可以是出也可以是入。

因为有的控制线由CPU发出，发给主存或者其他设备。有的控制线是CPU用来接收其他的硬件设备给它返回的控制信号的。

③通信总线

==通信总线是用于计算计系统之间或计算机系统与其他系统（比如远程通信设备、测试设备）之间信息传送的总线。==

通信总线也称为外部总线。也可以理解为网线。

（3）系统总线的结构

这里重点讲解系统总线的结构。

①单总线结构

只会在计算机内部设置一组系统总线，CPU、主存、I/O设备都连接在系统总线上。

所有的功能部件都是通过这一组系统总线来进行数据的传输。

注意，这里的系统总线是一组，包含了数据总线、地址总线和控制总线。

<1> 优点

结构简单，成本低，易于接入新的设备。

<2> 缺点

带宽低，各个部件对总线的使用应该是互斥的，同一时刻只能有一个功能部件获得总线的使用权，所以会有多个设备来争用总线的控制权。

不支持并发传送这里的并发应该理解为并行，就是同一时刻只能有两组部件之间传送数据，不可能是多组部件之间同时通过总线来传递数据。

CPU和主存对数据的读写速度快，而外部设备对数据传输速度很慢，所以这些慢速的设备接在可以传输快速数据的总线上，总线的性能就显得相当浪费，屈才了。

②双总线结构

为了解决单总线结构带来的问题，我们这里让CPU和主存连接在主存总线上，还有一个通道。

何为通道？通道可以理解为阉割版的小CPU，只用于管理I/O设备。（通道可以缓和CPU与I/O设备之间的速度矛盾）

I/O总线和通道之间是双向箭头，所有的I/O设备（不管快还是慢）都可以通过这个通道与CPU进行间接交互。

由于通道对信息的处理速度很快，所以它也可以连接在主存总线上，与CPU进行交互，将主存总线充分利用起来。

通道要运行的程序，放在主存里面。通道可以通过主存总线从主存中取出想要执行的程序。

I/O总线由于连接的是各种慢速的I/O设备，所以性能可以稍微慢一点。

主存总线可以支持突发传送。CPU每指明一个地址，可以从主存中读出一个字的信息，由于主存中保存的信息很多时候是需要被连续访问，比如需要顺序执行指令序列。

因此，CPU指明一个地址之后，如果能从主存中读出多个字的数据，那么系统的效率就能更高。

所以，突发传送可以送出一个地址，收到多个连续的数据，就是上面描述的情况。

主存总线--快

I/O总线--慢

③三总线结构

我们可以看到三组总线。

• 主存总线用来连接CPU和主存这两个高速部件之间的交互，
• DMA总线用来连接主存和某一些快速的I/O设备。

比如高速外设磁盘机，对磁盘的数据读写，是以块为单位，每次读或者写一个磁盘块。

如果一个磁盘块的大小是4kB，我们让磁盘与主存通过DMA总线交换数据，就可以很快完成一整块数据的传递。

这么做的好处是，CPU不需要通过慢速的I/O总线和磁盘机进行数据的交互。

而是可以先将CPU需要的数据从磁盘机子通过DMA读入主存，然后CPU就可以通过快速的主存总线中取走这些数据。

这样可以缓和CPU和磁盘机之间的速度矛盾。

• I/O总线：相比于DMA总线，I/O总线的速度更慢，CPU可以直接通过I/O总线和某些慢速的I/O设备交互。

比如键盘每次只输入一个字符，键盘输入的速度相较于CPU处理的速度来说要慢得多 。

<1> 优点

这种结构可以使某些高速设备的性能得到提升，因为这些高速设备可以通过更快的DMA总线和主存之间进行数据交互。

低速设备与CPU直接连接，因此这些低速设备还可以更快响应CPU发出的命令。

之前说的双总线结构，I/O设备还要通过通道的处理才能与CPU进行交互。所以，双总线结构中CPU对I/O设备的响应会慢一点。

<2> 缺点

系统工作效率低。

因为三个总线在同一时刻只能有一个总线工作。

④四总线结构

• CPU总线：用于连接CPU和cache。
• 系统总线：用于连接主存。
• 高速总线：用于连接显卡之类快速的设备。
• 扩充总线：用于外部设备的扩充。比如连接USB设备。

CPU总线速度最快，其次是系统总线和高速总线，然后是扩充总线。

由于不同总线之间有速度差异，所以要增加一个中间设备桥接器，作用是连接不同的总线，具有数据缓冲、转换（比如串行数据并行地发给CPU）和控制功能（总线仲裁，要将总线使用权交给哪一个设备）。

注：考试不考四总线，但是这是现代计算机经常使用的结构。

三、总结