一、总线的概述

1. 总线的定义

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。每个总线可能由很多根信号线组成。

2. 总线的特点

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。

共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。

分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。

3. 总线的特性

1. 机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
2. 电气特性：传输方向和有效的电平范围
3. 功能特性：每根传输线的功能(地址、数据、控制)
4. 时间特性：信号的时序关系

4. 总线的分类

按数据传输格式进行分类

1. 串行总线

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。

缺点：在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配，要考虑串行-并行转换的问题。

2. 并行总线

优点：总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。

缺点：信号线数量多，占用更多的布线空间；远距离传输成本高昂；由于工作频率较高时，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。

按总线功能进行分类

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之间、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内容的不同，又可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。

• 数据总线：传输各功能部件之间的数据信息，包括指令和操作数；位数(根数)与机器字长、存储字长有关；【双向】
• 地址总线：传输地址信息，包括主存单元或I/O端口的地址； 位数(根数)与主存地址空间大小及设备数量有关；【单向】
• 控制总线：传输控制信息；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（或外设）返回 CPU的反馈信号。

3. 通信总线

通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（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。

数据通路表示的是数据流经的路径数据总线是承载的媒介

按时序控制方式进行分类

同步总线： 异步总线：

二、系统总线的结构

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：单总线并不是指只有一根信号线，系统总线按传送信息的不同可以细分为地址总线、数据总线和控制总线。

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。

主存总线：支持突发(猝发)传送：送出一个地址，收到多个地址连续的数据。

通道是具有特殊功能的处理器，能对I/O设备进行统一管理。 通道程序放在主存中。

3. 三总线结构

DMA： Direct Memory Access， 直接内存访问。

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。

• 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：系统工作效率较低。

4. 四总线结构

1. 桥接器：用于连接不同的总线，具有数据缓冲、转换和控制功能。
2. 靠近CPU的总线速度较快。
3. 每级总线的设计遵循总线标准。

三、总线的性能指标

1. 总线的传输周期(总线周期)

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），通常由若干个总线时钟周期构成。 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. 总线的工作频率 总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。实际上指一秒内传送几次数据。 4. 总线的时钟频率 即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。实际上指一秒内有多少个时钟周期。 5. 总线宽度 又称为总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数，如32根称为32位（bit）总线。 6. 总线带宽 可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒钟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 × 总线宽度 （bit/s）= 总线工作频率 × (总线宽度/8) （B/s）

7. 总线复用 总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。
8. 信号线数 地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。