「计算机基础」计算机系统总线

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本文会涉及主板相关知识，如有需要可以看之前的有关于主板的文章《「计算机基础」计算机主板发展史》、《「计算机基础」教你认识主板上的芯片之 BIOS 芯片》和《「计算机基础」教你认识主板上的芯片之南桥和北桥芯片》。

计算机系统的五大部件之间的互联方式有两种。

• 第一种是各部件之间使用单独的连线，称为分散连接。
• 另一种是将各部件连到一组公共信息连接线上，称为总线连接。

一.总线的介绍

1.基本概念

总线：是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质，用于计算机各种功能部件之间传送信息。例如：USB（通用串行总线），PCI总线，ISA总线，Thunderbolt总线。

常见总线

2.总线的意义

计算机总线存在的意义到底是什么？

• 提供了计算机的对外接口不同设备。
• 可以通过USB接口进行连接。
• USB成为连接的标准促使外围设备接口得统一。

是否有IO总线对比图如下：

没有统一IO总线

IO总线统一

3.总线分类

按数据传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线。

按连接部件不同，可分为：片内总线、系统总线、通信总线。

3.1.片内总线：高集成度芯片内部的信息传输线（芯片内部的总线，如CPU内部）。

片内总线的连接：

• 芯片内部的总线。
• 寄存器与寄存器之间。
• 寄存器与控制器，运算器之间。

片内总线

3.2系统总线：CPU，主内存，IO设备，各组件的信息传输线。

系统总线包括：

• 数据总线
• 双向传输各部件的数据信息
• 数据总线的位数与CPU的位数（32位 64位）相同，一次能够传输（32位 64位）的数据
• 控制总线
• 用于发出各种控制信号的传输线,控制信号经由控制总线从一个组件发送个另外一个组件（CPU-键盘）
• 监视不同组件之间的连接状
• 地址总线
• 指定源数据或目的数据在内存中的地址
• 地址总线的位数与存储单元有关
  假如：地址总线的位数=n，寻址范围：0--2^n

系统总线

3.3通信总线：用于计算机系统之间或与其他系统之间的通信。

4.总线特性及性能指标

二.总线仲裁

为什么要仲裁?

假设主存要和硬盘和IO设备进行数据交换。此时，硬盘和IO口已经就绪了，那么主存是和要给硬盘使用还是IO口使用？对于情况，总线的仲裁就能很好的解决这个问题。

多设备使用主存

仲裁方式

• 链式查询
• 计时器定时查询
• 独立请求

1.链式查询

链式查询

假设设备2需要进行数据交换，就会通过仲裁控制线向仲裁控制器发送总线的使用请求。仲裁控制器接受到设备2的信号后就会发送允许使用的消息。这个消息会经过设备1，如果设备1不需要使用就会经过设备2但是，如果设备1也发送使用请求，那么设备1就会优先使用总线。

2.计数器定时查询

计数器定时查询

假设设备2向仲裁控制器发送请求，仲裁控制器先发送信号1，但是设备1并没有发送请求，接下来仲裁控制器就会发送信号2，设备2的编号相同，设备2就会的了总线的使用权。

3.独立请求

系统总线

• 每个设备均有总线独立连接仲裁器
• 设备可单独向仲裁器发送请求和接收请求
• 当同时接收到多个请求信号，仲裁器有权按优先级分配使用

三、总结

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）。

这些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）。当总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。