深度学习CPU（番外篇）——初识总线

Posted 2022-08-15 刘洋邑

系列文章目录

1.《带你深挖计算机底层逻辑，打通你计算机基础知识的任督二脉》
2.《深度学习计算机底层原理，深度剖析存储器》
3.《基于内存全面理解高速缓冲存储器》
4.《深度学习计算机指令系统，彻底搞懂指令十大寻址方式》
5.《降维打击，带你深度学习CPU（上）》
6.《深度学习CPU（番外篇）——虚拟内存》
7.《深度学习CPU（番外篇）——虚拟内存》
8.《操作系统——内存连续分配管理方式》
9.《操作系统——内存基本分页存储管理》
10.《I/O方式——程序中断》
11.《操作系统——虚拟内存管理》
12.《深度学习CPU（番外篇）——初识总线》

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文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、总线基本概念
• 二、总线的分类
• 三、系统总线的结构
• 总结

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前言

        随着I/O设备的种类和数量越来越多，为了更好地解决I/O设备和主机之间连接的灵活性，计算机的结构从分散连接发展为总线连接，为了进一步简化设计，又提出了各类总线标准。

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一、总线的基本概念

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，分时和共享是总线的两个特点，分时指的是同一时刻只能由一个部件向总线发送信息，若系统中又多个部件，则他们只能分时地向总线发送信息。共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间交换的信息都可以通过这组线路分时共享，多个部件可同时从总线上面接受相同的信息。

2.总线设备

        总线上所连接的设备，按照其对总线有无控制功能可分为主设备和从设备两种。

• 主设备：指获得总线控制权的设备。
• 从设备：指被主设备访问的设备，它只能响应从主设备发来的各种总线命令。

3.总线特性

        总线特性是指机械特性（尺寸、形状），电气特性（传输方向和有效的电平范围）、功能特性（每根传输线的功能）和时间特性（信号和时序的关系）。

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二、总线的分类

1.片内总线

        片内总线是芯片内部的总线，它是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的内容不同，又可分为三类，数据总线、地址总线和控制总线。

• 数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关。
• 地址总线用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或者I/O端口的地址。它是单向传输总线，地址总线的位数与主存地址空间的大小有关。
• 控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或者外部设备）返回CPU的反馈信号。

注意：区分数据总线和数据通路，各个部件通过数据总线连接形成的数据传输路径称为数据通路，数据通路表示的是数据流经的路径，而数据总线是承载的媒介。

3.I/O总线

        I/O总线主要用于连接中低速的I/O设备，通过I/O接口与系统总线相连接，目的是降低速设备与高速总线分离，以提升总线的性能，常见的又USB、PCI总线。许多低速设备例如键盘、鼠标之类的并不是直接连接再系统总线上的，而是线连接在I/O总线上，再连接在系统总线上。

4.通信总线

        通信总线是再计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间传送信息的总线，通信总线也被称为外部总线。

        此外按照时序控制方式可将总线划分为同步总线和异步总线，还可按数据传输格式将总线划分为并行总线和串行总线。

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三、系统总线的结构

1.单总线结构

        单总线结构将CPU、主存、I/O设备都挂再一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与主存之间直接交换信息，CPU与主存、CPU与外部设备之间可直接进行信息交换，而无须经过中间设备的干预。

        但是要注意单总线结构并不是指只有一根信号线，系统总线按照传送信息的不同可细分为地址总线、数据总线和控制总线。

• 优点：结构简单、成本低、易于接入新的设备。
• 缺点：多个部件只能争用唯一的总线，并且不支持并发传送操作。

2.双总线结构

        双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于在CPU、主存和通道之间传送数据；另一条是I/O总线。用于在多个外部设备与通道之间传送数据，另一条是I/O总线，用于在多个外部设备与通道之间传送数据

• 优点：将低速I/O设备从单总线上分离出来，实现了存储器总线和I/O总线分离。
• 缺点：需要增加通道等硬件设备。

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条各自独立的总线结构来构成信息通路，这3条总线分别位主存总线、I/O总线和直接内存访问总线（DMA总线）。

        主存总线用于在CPU和内存之间传送地址，数据和控制信息，I/O总线用于在CPU和各类外部设备之间通信。而DMA用于在内存和告诉外部设备之间直接传送数据。

 

• 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。
• 注意：通道的作用是不同种类的总线进行数据交换。

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总结

        总线的概念与结构就为大家介绍完了，下一期文章将继续为大家对总线的事务进行更加详细周密地讲解，今天的内容到此结束，感谢各位观众老爷的支持，我们下期再见。