6.1 总线概述

总线的基本概念与四个特性；片内总线、系统总线（数据/地址/控制总线）、通信总线，并行与串行总线；单总线、双总线、三总线与多总线结构；总线的性能指标与带宽计算；常见总线标准。

总线的基本概念

计算机的各部件之间如果两两单独连线（分散连接），连线数量会随部件数迅速增长，也难以扩充。总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路：

• 分时：同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息；如果有多个部件要发送，只能分时使用总线；
• 共享：总线上可以挂接多个部件，各部件之间交换的信息都通过这组线路传送。同一时刻可以有多个部件从总线上接收信息。

获得总线控制权、发起总线传送的设备称为主设备；被主设备访问、只能响应的设备称为从设备。

总线有四个特性：

总线的分类

按功能（连接的部件）分

1. 片内总线：芯片内部的总线，如 CPU 内部寄存器与寄存器之间、寄存器与 ALU 之间的公共连线。
2. 系统总线：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。按传输的信息不同又分为三类：
   • 数据总线：传输各功能部件之间的数据信息，包括指令和操作数，双向传输；位数与机器字长、存储字长有关；
   • 地址总线：传输地址信息，包括主存单元或 I/O 端口的地址，单向传输（由主设备发出）；位数与主存地址空间的大小及设备数量有关；
   • 控制总线：传输控制信息，包括 CPU 送出的控制命令（如读/写命令、中断响应）和主存或外设返回 CPU 的反馈信号（如中断请求、总线请求、就绪）。每一根控制线都是单向的，但控制总线整体是双向的。
3. 通信总线（外部总线）：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）之间传送信息的总线。

按数据传输格式分

• 并行总线：多根数据线同时传输多位数据。逻辑时序比较简单，电路实现容易；但信号线数多，占用更多的布线空间，远距离传输成本高；工作频率较高时，并行的信号线之间会产生严重的串扰，对每根线等长的要求也越高，因此无法持续提升工作频率。
• 串行总线：只有一根（或一对）数据线，数据一位一位地传输。信号线少、成本低，适合长距离传输；需要在发送和接收端进行并/串、串/并转换。由于没有线间串扰，可以工作在很高的频率下。

所以并行总线不一定比串行总线快。现代的高速总线（如 PCIe、SATA、USB）大多是串行总线。

按时序控制方式分

分为同步总线和异步总线，见下一节「总线事务与定时」。

系统总线的结构

现代计算机普遍采用多总线（层次）结构：CPU 与主存之间是速度最快的处理器总线和存储器总线，再通过桥接器连接 PCIe 等 I/O 总线，较慢的设备挂在更外层的总线上。越靠近 CPU 的总线速度越快，不同的总线之间必须通过桥接器相连。

总线的性能指标

常见的总线标准

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