# 第3章 系统总线 > 📖 本章介绍系统总线的基本概念、分类和控制逻辑。 > 🎯 重点理解总线结构和总线仲裁方式 --- ## 📋 本章目录 - [[#3.1 总线的基本概念]] - [[#3.2 总线的分类]] - [[#3.3 总线特性及性能指标]] - [[#3.4 总线结构]] - [[#3.5 总线控制]] - [[#本章小结]] --- ## 3.1 总线的基本概念 ### 3.1.1 什么是总线 > [!info] 定义 > 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。 **关键特性**: - 同一时刻只允许**一个部件**向总线发送信息 - 多个部件可以**同时**从总线上接收相同的信息 ```mermaid graph TB subgraph "总线结构" CPU[CPU] <--> |"共享总线"| BUS[系统总线] MEM[主存] <--> |"共享总线"| BUS IO1[I/O设备1] <--> |"共享总线"| BUS IO2[I/O设备2] <--> |"共享总线"| BUS IO3[I/O设备3] <--> |"共享总线"| BUS end style BUS fill:#ffcc00 ``` ### 3.1.2 总线连接方式 #### 分散连接 vs 总线连接 | 特性 | 分散连接 | 总线连接 | |------|----------|----------| | 连线方式 | 各部件单独连线 | 共享传输线 | | 灵活性 | 差,增删设备困难 | 好,便于扩展 | | 复杂度 | 高 | 低 | | 成本 | 高 | 低 | ### 3.1.3 总线结构类型 #### 1. 面向CPU的双总线结构 ```mermaid graph TB subgraph "面向CPU的双总线" CPU[CPU] <--> |"M总线"| MEM[主存] CPU <--> |"I/O总线"| IO1[I/O设备1] CPU <--> |"I/O总线"| IO2[I/O设备2] CPU <--> |"I/O总线"| ION[I/O设备n] end style CPU fill:#ff9999 style MEM fill:#99ff99 ``` **特点**: - 两组总线:M总线(存储总线)和I/O总线 - I/O设备与主存交换信息需经过CPU - 影响CPU工作效率 #### 2. 单总线结构 ```mermaid graph TB subgraph "单总线结构" CPU[CPU] <--> |"系统总线"| BUS[系统总线] MEM[主存] <--> |"系统总线"| BUS IO1[I/O设备1] <--> |"系统总线"| BUS IO2[I/O设备2] <--> |"系统总线"| BUS ION[I/O设备n] <--> |"系统总线"| BUS end style BUS fill:#ffcc00 ``` **特点**: - 所有部件挂到同一组总线 - I/O与主存交换信息不占用CPU - 需要总线判优逻辑解决冲突 #### 3. 以存储器为中心的双总线结构 ```mermaid graph TB subgraph "以存储器为中心的双总线" CPU[CPU] <--> |"存储总线"| MEM[主存] MEM <--> |"系统总线"| IO1[I/O设备1] MEM <--> |"系统总线"| IO2[I/O设备2] MEM <--> |"系统总线"| ION[I/O设备n] CPU <--> |"系统总线"| IO1 CPU <--> |"系统总线"| IO2 CPU <--> |"系统总线"| ION end style CPU fill:#ff9999 style MEM fill:#99ff99 ``` **特点**: - 在单总线基础上增加CPU与主存的专用总线 - 提高传输效率,减轻系统总线负担 - I/O与存储器交换信息不经过CPU --- ## 3.2 总线的分类 ### 按连接部件分类 ```mermaid graph LR A[总线分类] --> B[片内总线] A --> C[系统总线] A --> D[通信总线] B --> B1[芯片内部总线] C --> C1[数据总线] C --> C2[地址总线] C --> C3[控制总线] D --> D1[串行通信] D --> D2[并行通信] ``` ### 3.2.1 片内总线 > [!info] 定义 > 芯片内部的总线,如CPU芯片内部寄存器之间、寄存器与ALU之间的连线。 ### 3.2.2 系统总线 系统总线传输三类信息: #### 数据总线(Data Bus) | 特性 | 说明 | |------|------| | 传输内容 | 各功能部件之间的数据信息 | | 传输方向 | **双向**传输 | | 位数 | 与机器字长、存储字长有关(8/16/32位) | | 影响 | 数据总线宽度影响系统性能 | > [!example] 示例 > 数据总线宽度为8位,指令字长为16位,则取指需**两次**访问主存。 #### 地址总线(Address Bus) | 特性 | 说明 | |------|------| | 传输内容 | 指明CPU欲访问的存储单元或I/O端口地址 | | 传输方向 | **单向**(由CPU输出) | | 位数 | 与存储单元个数有关 | | 计算 | n位地址线 → $2^n$ 个存储单元 | > [!example] 示例 > 20根地址线 → $2^{20} = 1M$ 个存储单元 #### 控制总线(Control Bus) | 特性 | 说明 | |------|------| | 传输内容 | 各种控制信号和状态信号 | | 传输方向 | 单根单向,总体**双向** | | 功能 | 控制总线使用权、同步操作、状态反馈 | **常见控制信号**: | 信号 | 方向 | 功能 | |------|------|------| | 时钟 | CPU→ | 同步各种操作 | | 复位 | CPU→ | 初始化所有部件 | | 总线请求 | ←部件 | 部件请求总线使用权 | | 总线允许 | CPU→ | 授予总线使用权 | | 中断请求 | ←部件 | 部件提出中断请求 | | 中断响应 | CPU→ | 接收中断请求 | | 存储器读 | CPU→ | 从存储器读数据 | | 存储器写 | CPU→ | 向存储器写数据 | | I/O读 | CPU→ | 从I/O端口读数据 | | I/O写 | CPU→ | 向I/O端口写数据 | ### 3.2.3 通信总线 用于计算机系统之间或与其他系统之间的通信。 | 类型 | 特点 | 适用距离 | |------|------|----------| | 串行通信 | 数据在单条线上逐位传输 | 远距离(可利用电话网络) | | 并行通信 | 数据在多条线上同时传输 | 近距离(通常<30m) | ```mermaid graph LR subgraph "串行通信" A1[发送端] --> |"1条线
逐位传输"| B1[接收端] end subgraph "并行通信" A2[发送端] --> |"8条线
同时传输"| B2[接收端] end ``` --- ## 3.3 总线特性及性能指标 ### 3.3.1 总线特性 | 特性 | 说明 | |------|------| | 机械特性 | 尺寸、形状、管脚数、排列顺序 | | 电气特性 | 传输方向、有效电平范围 | | 功能特性 | 每根传输线的功能定义 | | 时间特性 | 信号的时序关系 | ### 3.3.2 总线性能指标 | 指标 | 定义 | 影响因素 | |------|------|----------| | 总线宽度 | 数据总线的根数 | 决定一次传输的数据量 | | 总线带宽 | 单位时间传输数据量 | 总线宽度 × 总线频率 | | 总线复用 | 地址线与数据线复用 | 减少引脚数,降低效率 | | 信号线数 | 地址、数据、控制线总数 | 影响接口复杂度 | | 总线控制方式 | 同步/异步、突发传输等 | 影响传输效率 | **总线带宽计算**: $$总线带宽 = \frac{总线宽度}{8} \times 总线频率 \quad (MB/s)$$ > [!example] 示例 > 总线宽度32位,频率66MHz: > $$带宽 = \frac{32}{8} \times 66 = 264 \quad MB/s$$ --- ## 3.4 总线结构 ### 3.4.1 单总线结构 所有部件共享同一组总线,结构简单但效率有限。 ### 3.4.2 多总线结构 ```mermaid graph TB subgraph "多总线结构示例" CPU[CPU] <--> |"前端总线"| NB[北桥] NB <--> |"存储总线"| MEM[内存] NB <--> |"PCI总线"| PCI[PCI设备] PCI <--> |"ISA总线"| ISA[ISA设备] NB <--> |"AGP总线"| AGP[显卡] end style CPU fill:#ff9999 style NB fill:#ffcc00 style MEM fill:#99ff99 ``` **优点**: - 不同速度设备使用不同总线 - 提高整体效率 - 便于扩展 --- ## 3.5 总线控制 ### 3.5.1 总线判优控制 > [!info] 问题 > 多个部件同时请求总线时,如何决定谁先使用? #### 集中式仲裁 ```mermaid graph TB subgraph "集中式仲裁" BC[总线控制器] --> |"控制信号"| CPU[CPU] BC --> |"控制信号"| MEM[主存] BC --> |"控制信号"| IO1[I/O设备1] BC --> |"控制信号"| IO2[I/O设备2] end style BC fill:#ff9999 ``` **三种方式**: | 方式 | 原理 | 优点 | 缺点 | |------|------|------|------| | 链式查询 | 依次查询各部件 | 结构简单 | 优先级固定,对故障敏感 | | 计数器定时查询 | 计数器指定设备号 | 灵活,可编程 | 需要设备地址线 | | 独立请求方式 | 每个设备有独立请求线 | 响应速度快 | 控制线多,复杂 | ```mermaid graph TB subgraph "链式查询" BG1[总线同意] --> CPU CPU --> IO1 IO1 --> IO2 IO2 --> ION BR[总线请求] --> BC[总线控制器] BS[总线忙] --> BC end subgraph "独立请求" BR1[请求1] --> BC[总线控制器] BR2[请求2] --> BC BRN[请求n] --> BC BG1[同意1] --> CPU BG2[同意2] --> IO1 BGN[同意n] --> ION end ``` #### 分布式仲裁 各设备自行判断优先级,无需中央控制器。 ### 3.5.2 总线通信控制 > [!info] 目标 > 解决通信双方如何获知传输开始和结束,以及如何协调配合。 #### 四种通信方式 | 方式 | 同步方式 | 特点 | 适用场景 | |------|----------|------|----------| | 同步通信 | 统一时钟 | 简单,速度快 | 速度匹配的设备 | | 异步通信 | 应答信号 | 灵活,可靠 | 速度差异大的设备 | | 半同步通信 | 时钟+等待 | 兼顾两者 | 中等速度差异 | | 分离式通信 | 分阶段 | 效率最高 | 高性能系统 | #### 异步通信的三种类型 ```mermaid sequenceDiagram participant 主模块 participant 从模块 Note over 主模块,从模块: 不互锁方式 主模块->>从模块: 请求 主模块-->>从模块: (等待固定时间) 从模块->>主模块: 回答 Note over 主模块,从模块: 半互锁方式 主模块->>从模块: 请求 从模块->>主模块: 回答 主模块-->>从模块: (撤销请求) Note over 主模块,从模块: 全互锁方式 主模块->>从模块: 请求 从模块->>主模块: 回答 主模块->>从模块: 撤销请求 ``` --- ## 📝 本章小结 ### 核心概念 1. **总线定义**:多个部件共享的传输介质 2. **总线分类**:片内总线、系统总线、通信总线 3. **系统总线**:数据总线(双向)、地址总线(单向)、控制总线(总体双向) 4. **总线仲裁**:集中式(链式查询、计数器查询、独立请求)、分布式 5. **通信方式**:同步、异步、半同步、分离式 ### 关键公式 - **总线带宽** = 总线宽度/8 × 总线频率 - **地址空间** = $2^n$(n为地址线位数) ### 重点图示 > [!summary] 必须掌握的图 > 1. 三种总线结构框图(面向CPU、单总线、以存储器为中心) > 2. 总线仲裁方式对比图 > 3. 异步通信三种类型时序图 --- ## 🧪 自测练习 ### 概念题 1. 什么是总线?为什么需要总线? 2. 比较三种总线结构的优缺点。 3. 说明数据总线、地址总线、控制总线的区别。 ### 计算题 1. 某系统总线宽度为32位,总线频率为100MHz,求总线带宽。 2. 若地址线为24位,可寻址多少存储单元?若存储字长为16位,存储容量是多少? ### 分析题 1. 比较三种集中式仲裁方式的优缺点。 2. 说明同步通信和异步通信的区别和适用场景。 --- ## 🔗 相关链接 - [[01_计算机系统概论]] - 上一章 - [[04_存储器]] - 下一章 - [[08_CPU结构与功能]] - CPU与总线的连接 --- *本章难度:⭐⭐⭐ 中等* *重要程度:⭐⭐⭐ 基础*