代码收藏家技术教程 2023-03-28

深入理解计算机组成原理(2.1)–系统总线

一、总线基本知识

1.总线

总线（分散连接）：连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

分散连接：各部件之间使用单独的连线

2.总线的信息传送

总线上信息的传送：串行和并行

串行

并行

3.分散连接图

4.注

(1）当两个或两个以上部件同时向总线发送信息，将导致信号冲突，传输无效。在某一时刻，只允许一个部件向总线发送信息。

(2）多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

(3）总线实际上是由许多传输线或通路组成。

二、总线结构的计算机举例

1.面向 CPU 的双总线结构框图

2.单总线结构框图

3.以存储器为中心的双总线结构框图

三、总线的分类

按数据传输方式：并行传输总线、串行传输总线

按使用范围计算机总线、测控总线、网络通信总线

按连接部件分类：片内总线、系统总线、通信总线

1.片内总线

片内总线是指芯片内部的总线，如在 CPU 芯片内部，寄存器与寄存器之间、寄存器与算逻单
元ALU 之间都由片内总线连接。

2.系统总线（板级总线或板间总线）

按系统总线传输信息的不同，又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线

2.1 数据总线

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，一般为位、 16 位或 32 位。数据总线的位数称为数据总线宽度，它是衡量系统性能的一个重要参数。

如果数据总线的宽度为 8位，指令字长为 16 位，那么， CPU 在取指阶段必须两次访问主存。

2.2 地址总线

地址总线主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或 1/0 设备的地址。

地址总线上的代码是用来指明 CPU 欲访问的存储单元或 1/0 端口的地址，由 CPU 输出，单向传输。

与存储地址、 I/O地址有关

地址线的位数与存储单元的个数有关，地址线为 20 根，则对应的存储单元个数为2^20

2.3 控制总线

由于数据总线、地址总线都是被挂在总线上的所有部件共享的，如何使各部件能在不同时刻
占有总线使用权，需依靠控制总线来完成，因此控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。

控制信号既有输出，又有输入。

出：存储器读、存储器写总线允许、中断确认

入：中断请求、总线请求

常见的控制信号如下：

•
时钟

•
复位

•
总线请求

•
总线允许

•
中断请求

•
中断响应

•
存储器写

•
存储器读

•
I/O
写

•
I/O
读

3.通信总线

这类总线用千计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的
通信。

按传输方式可分为两种：串行通信和并行通信。

四、总线特性及性能指标

1.总线物理实现

2.总线特性

2.1机械特性

机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能，如插头与插座使用的标准，它们的几何尺
寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等。

2.2电气特性

电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。通常规定由
CPU 发出的信号称为输出信号，送入 CPU 的信号称为输入信号。

2.3功能特性

功能特性是指总线中每根传输线的功能，例如，地址总线用来指出地址码；数据总线用来传
递数据；控制总线发出控制信号，既有从 CPU 发出的，如存储器读／写、 1/0 设备读／写，也有 1/0设备向 CPU 发来的，如中断请求、 DMA 请求等。由此可见，各条线的功能不同。

2.4时间特性

时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号互相存在一种
有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时序图来描述。

3.总线的性能指标

①总线宽度：通常是指数据总线的根数，用 bit （位）表示，如 8位、 16 位、 32 位、 64 位（即8根、 16 根、 32 根、 64 根）。
②总线带宽：总线带宽可理解为总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可用 MBps （兆字节每秒）表示。例如，总线工作频率为 33 MHz ，总线宽度为 32 (4 B) ，则总线带宽为 33x(32+8)= 132 MBps
③时钟同步／异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作
的总线称为异步总线。
④总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。例如，通常地址总线与数据总线在物理上
是分开的两种总线，地址总线传输地址码，数据总线传输数据信息。为了提高总线的利用率，优化设计，特将地址总线和数据总线共用一组物理线路，在这组物理线路上分时传输地址信号和数据信号，即为总线的多路复用。
⑤信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和。
⑥总线控制方式：包括突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。
⑦其他指标：如负载能力、电源电压（是采用 5V 还是 3.3 V) 、总线宽度能否扩展等。