一、總線的概述

1. 總線的定義

總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路🙋🏿‍♀️。每個總線可能由很多根信號線組成。

2. 總線的特點

總線是一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路。

共享是指總線上可以掛接多個部件✮，各個部件之間互相交換的信息都可以通過這組線路分時共享。

分時是指同一時刻只允許有一個部件向總線發送信息，如果系統中有多個部件🏊🏿‍♀️，則它們只能分時地向總線發送信息🦏。

3. 總線的特性

1. 機械特性🈶：尺寸、形狀、管腳數、排列順序

2. 電氣特性：傳輸方向和有效的電平範圍

3. 功能特性：每根傳輸線的功能(地址、數據🦸🏻、控製)

4. 時間特性：信號的時序關系

4. 總線的分類

按數據傳輸格式進行分類

1. 串行總線

優點🧘🏽‍♀️：只需要一條傳輸線🚻，成本低廉，廣泛應用於長距離傳輸🧑🏼‍🏫；應用於計算機內部時⚾️✝️，可以節省布線空間💹。

缺點：在數據發送和接收的時候要進行拆卸和裝配，要考慮串行-並行轉換的問題。

2. 並行總線

優點🕐𓀏：總線的邏輯時序比較簡單，電路實現起來比較容易👬🏼。

缺點🏓：信號線數量多🎉，占用更多的布線空間；遠距離傳輸成本高昂；由於工作頻率較高時，並行的信號線之間會產生嚴重幹擾，對每條線等長的要求也越高，所以無法持續提升工作頻率👕。

按總線功能進行分類

1. 片內總線
   片內總線是芯片內部的總線。它是CPU芯片內部寄存器與寄存器之間、寄存器與ALU之間的公共連接線🐵。

2. 系統總線

系統總線是計算機系統內各功能部件（CPU🚵、主存、I/O接口）之間相互連接的總線👨🏽‍🎓。

按系統總線傳輸信息內容的不同🛸，又可分為3類：數據總線、地址總線和控製總線。

• 數據總線🌒：傳輸各功能部件之間的數據信息🫳🏼，包括指令和操作數；位數(根數)與機器字長🚃、存儲字長有關；【雙向】

• 地址總線：傳輸地址信息，包括主存單元或I/O端口的地址🐜； 位數(根數)與主存地址空間大小及設備數量有關🆘；【單向】

• 控製總線🧏🏿：傳輸控製信息🏍；一根控製線傳輸一個信號； 有出：CPU送出的控製命令； 有入🫶🏽：主存（或外設）返回 CPU的反饋信號。

3. 通信總線

通信總線是用於計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如遠程通信設備、測試設備）之間信息傳送的總線，通信總線也稱為外部總線。

1 數據通路表示的是數據流經的路徑
2 數據總線是承載的媒介

按時序控製方式進行分類

同步總線：是指采用同步定時方式，總線控製器采用一個統一的時鐘信號來協調發送和接收雙方的傳送定時關系。

異步總線👳🏻：是指采用異步定時方式⚪️，沒有統一的時鐘👙，也沒有固定的時間間隔，完全依靠傳送雙方相互製約的“握手”信號來實現定時控製。

二🏅、系統總線的結構

1. 單總線結構

結構：CPU、主存、I/O設備（通過I/O接口）都連接在一組總線上🏰，允許I/O設備之間、

I/O設備和CPU之間或I/O設備與主存之間直接交換信息。

• 優點🧔🏻：結構簡單👩🏿‍💻，成本低，易於接入新的設備👊🏼。
• 缺點🧑🏼‍💼：帶寬低➜、負載重👨🏿‍🚒，多個部件只能爭用唯一的總線，且不支持並發傳送操作。

註🚵🏼‍♂️：單總線並不是指只有一根信號線，系統總線按傳送信息的不同可以細分為地址總線☸️、數據總線和控製總線🏄🏼🧜。

2. 雙總線結構

結構：雙總線結構有兩條總線，一條是主存總線，用CPU🧑🏽‍🎓、主存和通道之間進行數據傳送；另一條是I/O總線，用於多個外部設備與通道之間進行數據傳送🧒🏼。

• 優點：將較低速的I/O設備從單總線上分離出來，實現存儲器總線和I/O總線分離🤦‍♀️。

• 缺點：需要增加通道等硬件設備🔔。

主存總線👨🏽‍🦱🤾‍♂️：支持突發(猝發)傳送：送出一個地址，收到多個地址連續的數據。

通道🙅🏽‍♀️：是具有特殊功能的處理器，能對I/O設備進行統一管理。 通道程序放在主存中。

3. 三總線結構

DMA： Direct Memory Access， 直接內存訪問🙇🏽‍♂️。

結構🧑‍🤝‍🧑：三總線結構是在計算機系統各部件之間采用3條各自獨立的總線來構成信息通路，這3條總線分別為主存總線🗜🫴🏽、I/O總線和直接內存訪問DMA總線🎨。

• 優點：提高了I/O設備的性能，使其更快地響應命令，提高系統吞吐量。
• 缺點：系統工作效率較低。

4. 四總線結構

1. 橋接器👩🏻：用於連接不同的總線，具有數據緩沖、轉換和控製功能。

2. 靠近CPU的總線速度較快。

3. 每級總線的設計遵循總線標準🧸。

三🦕、總線的性能指標

1. 總線的傳輸周期(總線周期)

一次總線操作所需的時間（包括申請階段🦡、尋址階段、傳輸階段和結束階段），通常由若幹個總線時鐘周期構成。
2. 總線時鐘周期

即機器的時鐘周期。計算機有一個統一的時鐘，以控製整個計算機的各個部件🛷，總線也要受此時鐘的控製🍻。
3. 總線的工作頻率
總線上各種操作的頻率，為總線周期的倒數。實際上指一秒內傳送幾次數據。
4. 總線的時鐘頻率
即機器的時鐘頻率🫶🏻，為時鐘周期的倒數。實際上指一秒內有多少個時鐘周期🖲。
5. 總線寬度
又稱為總線位寬，它是總線上同時能夠傳輸的數據位數，通常是指數據總線的根數👨🏻‍🦲，如32根稱為32位（bit）總線🍤🔀。
6. 總線帶寬
可理解為總線的數據傳輸率👲🏼，即單位時間內總線上可傳輸數據的位數👷🏼，通常用每秒鐘傳送信息的字節數來衡量，單位可用字節/秒（B/s）表示。

總線帶寬 = 總線工作頻率 × 總線寬度 （bit/s）= 總線工作頻率 × (總線寬度/8) （B/s）

7. 總線復用
   總線復用是指一種信號線在不同的時間傳輸不同的信息。可以使用較少的線傳輸更多的信息✋🏿，從而節省了空間和成本。

8. 信號線數
   地址總線、數據總線和控製總線3種總線數的總和稱為信號線數。

註：每個時鐘周期傳輸兩次數據，表明工作頻率是時鐘頻率的兩倍；
五個時鐘周期傳輸n個字（或者多少數據），表明工作頻率是時鐘頻率的n分之一🪚💇🏼‍♂️。

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作者：何為xl