# 6.1 总线概述

## 6.1.1 总线的基本概念

### 1、总线的定义

{% hint style="success" %}
总线是一组能为多个部件<mark style="color:orange;">**分时共享**</mark>的公共信息传送线路
{% endhint %}

* **分时**：同一时刻只能有<mark style="color:orange;">**一个**</mark>部件向总线<mark style="color:orange;">**发送**</mark>消息
* **共享**：同一时间可以有<mark style="color:orange;">**多个**</mark>设备从总线<mark style="color:orange;">**接收**</mark>消息

### 2、总线的特性

* 机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序
* 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（地址、数据、控制）
* 时间特性：信号的时序关系

### 3、总线设备

总线上所连接的各类设备按其<mark style="color:orange;">**对总线有无控制功能**</mark>分为

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

## 6.1.2 总线的分类

### 1、按照数据传输格式

* **串行总线**：每次传输一个bit，只需要一根数据线，通过<mark style="color:purple;">**差模信号**</mark>表示0/1
  * 优点：
    * 成本低廉
    * 广泛应用于长距离传输
    * 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
* **并行总线**：一次传输多个bit，使用多根数据线
  * 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
    * 信占用更多的布线空间
    * 远距离传输成本高
    * 多跟信号线存在干扰，速度可能不如串行

### 2、按照总线功能

* **片内总线**：芯片内部的总线，如连接CPU芯片内部的寄存器与寄存器、寄存器与ALU
* **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
  * 数据总线：位数与机器字长、存储字长相关，<mark style="color:orange;">**双向**</mark>的
  * 地址总线：位数与主存地址空间大小及设备数量有关，<mark style="color:orange;">**单向**</mark>的
  * 控制总线：其中的每一根单独的控制线是单向的，功能固定的，仅传输一个信号
* **通信总线**：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统

## 6.1.3 系统总线的结构

### 1、单总线结构

![单总线结构](/files/AUY7Ztu567q58tFU6TdJ)

只有一根总线

* 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，且不支持并行传送操作
  * 浪费总线速度

### 2、双总线结构

![双总线](/files/c6V4kmlQ8mzjDi6giQj1)

有两条总线，其中<mark style="color:purple;">**主存总线**</mark>速度较快，连接CPU、主存、通道（与设备的交互）；<mark style="color:purple;">**I/O总线**</mark>速度较慢，用于I/O设备与通道之间的数据交互

* 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/0总线分离
  * 主存总线支持突发传送：送出一个地址，收到多个地址连续的数据
* 缺点
  * 需要增加通道等硬件设备

### 3、三总线结构

![三总线结构](/files/k5nZvbCoKj5Zxcbel11A)

在双总线结构的基础上，使用<mark style="color:purple;">**DMA总线**</mark>将高速外设与主存相连

* 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（三根总线同一时间只能有一根总线在工作）

## 6.1.4 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<mark style="color:purple;">**总线时钟周期**</mark>构成（但不一定）

### 2、总线时钟周期

即机器的时钟周期，通过CPU或桥接器（南北桥）发出的时钟信号决定

### 3、总线的工作频率

总线上各种操作的频率，为<mark style="color:orange;">**总线周期的倒数**</mark>

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<mark style="color:orange;">**时钟周期的倒数**</mark>

实际上指一秒内有多少个时钟周期

### 5、总线宽度（总线位宽）

总线上同时能够并行传输的数据位数，通常是指<mark style="color:orange;">**数据总线的根数**</mark>

### 6、总线带宽

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

$$
\begin{align} 总线带宽&=总线工作频率\times总线宽度(\text{bit/s})\ &=总线工作频率\times(总线宽度/8)(\text{B/s}) \end{align}
$$

{% hint style="warning" %}
总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率

在计算实际的<mark style="color:orange;">**有效数据**</mark>传输率时，要用实际传输的数据量除以耗时（刨除校验位、冗余位等）
{% endhint %}

### 7、总线复用

一种信号线在不同的时间传输不同的信息。

* 优点
  * 可以使用较少的线传输更多的信息，节省了空间和成本
* 缺点
  * 速度会有一定的下降

### 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


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