计算机组成原理笔记——总线

Posted 2021-12-06 Lora青蛙

总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。
总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。
特点是分时和共享。

总线的特性如下：
（1）物理特性：物理特性又称为机械特性，指总线上部件在物理连接时表现出的一些特性，如插头与插座的几何尺寸、形状、引脚个数及排列顺序等。
（2）功能特性：功能特性是指每一根信号线的功能，如地址总线用来表示地址码。数据总线用来表示传输的数据，控制总线表示总线上操作的命令、状态等。
（3）电气特性：电气特性是指每一根信号线上的信号方向及表示信号有效的电平范围。
（4）时间特性：时间特性又称为逻辑特性，指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了总线操作的正确进行。

总线按功能分为三类：

总线的性能指标：
总线宽度：通常是指数据总线的根数，用位（bit）表示。如8位、16位（即8根、16根）等。
总线带宽：单位时间内总线上传输数据的位数（可以理解为某段高速公路在单位时间内所通过的车辆数）。

如果说主板（Mother Board）是一座城市，那么总线就像是城市里的公共汽车（bus），能按照固定行车路线，传输来回不停运作的比特（bit）。一条线路在同一时间内都仅能负责传输一个比特。因此，必须同时采用多条线路才能传送更多数据，而总线可同时传输的数据数就称为宽度（width），以比特为单位，总线宽度愈大，传输性能就愈佳。总线的带宽（即单位时间内可以传输的总数据数）为：总线带宽 = 频率 x 宽度（Bytes/sec）。

总线的结构
1.单总线结构
单总线结构将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上，运行I/O设备之间、I/O设备与主存之间直接交换信息。CPU与主存，CPU与外设之间可以之间进行信息交换，而无须经过中间设备的干预。

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。

2.双总线结构
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：将较低的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储总线和I/O总线分离。
缺点：需要增加通道等硬件设备。

3.三总线结构
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。
主存总线用于CPU和内存之间传送地址、数据和控制信息。
I/O总线用于CPU和各类外设之间通信。
DMA总线用于内存和高速外设之间直接传送数据。
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。

总线仲裁：
系统中多个设备或模块可能同时申请对总线的使用权，为避免产生总线冲突，需由总线仲裁机构合理地控制和管理系统中需要占用总线的申请者，在多个申请者同时提出总线请求时，以一定的优先算法仲裁哪个应获得对总线的使用权。

总线周期：