计算机总线

计算机总线是计算机各功能部件之间进行信息传输的公共通道，就像城市中的交通干线，负责连接计算机系统的各个组成部分，实现它们之间的数据、地址和控制信息的传输。以下从总线的分类、组成、工作原理、性能指标等方面进行详细介绍：

1、总线的分类

• 按功能和传输信息的种类分类
  • 数据总线（Data Bus，DB）：用于在 CPU、内存和 I/O 设备之间传输数据。数据总线是双向的，既可以将数据从内存或输入设备传送到 CPU，也可以将 CPU 处理后的数据传送到内存或输出设备。数据总线的位数（宽度）决定了一次能传输的数据量，例如 32 位数据总线一次能传输 32 位（4 字节）的数据。
  • 地址总线（Address Bus，AB）：用于指定数据或指令在内存中的存储地址。地址总线是单向的，由 CPU 发出地址信息，用于选择要访问的内存单元或 I/O 端口。地址总线的位数决定了 CPU 可直接寻址的内存空间大小，例如 20 位地址总线可寻址的内存空间为 = 1MB。
  • 控制总线（Control Bus，CB）：用于传输控制信号和时序信号，协调计算机各部件的工作。控制总线的信号包括读写控制信号、中断请求信号、时钟信号等。控制总线的信号有的是单向的，有的是双向的。
• 按连接部件分类
  • 内部总线：指芯片内部连接各元件的总线，如 CPU 内部寄存器之间、运算器与控制器之间的总线。内部总线的速度通常非常快，以满足芯片内部高速数据传输的需求。
  • 系统总线：连接计算机主机内部各大部件的总线，如 CPU、内存、主板上的各种扩展插槽之间的总线。常见的系统总线有 PCI 总线、PCI - Express 总线等。
  • 外部总线：也称为通信总线，用于连接计算机与外部设备，如 USB 总线、串口、并口等。外部总线主要用于实现计算机与外部设备之间的数据通信。

2、总线的组成

• 导线：是总线的物理载体，用于传输电信号。导线的材质、粗细、长度等因素会影响信号的传输质量。
• 接口电路：位于总线与各个部件之间，负责信号的转换、缓冲和驱动等功能。例如，CPU 通过接口电路与总线相连，将内部的信号转换为适合在总线上传输的信号。

3、总线的工作原理

• 总线仲裁：当多个设备同时请求使用总线时，需要进行总线仲裁，以确定哪个设备可以优先使用总线。常见的总线仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。集中式仲裁由一个仲裁器统一管理总线的使用权；分布式仲裁则由各个设备共同参与仲裁过程。
• 数据传输：获得总线使用权的设备将数据、地址和控制信号发送到总线上，其他设备通过总线接收这些信号。在数据传输过程中，需要遵循一定的时序规则，以确保数据的正确传输。

4、总线的性能指标

• 总线带宽：指单位时间内总线上可传输的数据量，通常以字节 / 秒（B/s）为单位。总线带宽与总线的时钟频率和数据总线的宽度有关，计算公式为：总线带宽 = 总线时钟频率 × 数据总线宽度 / 8。
• 总线时钟频率：指总线的工作频率，单位为赫兹（Hz）。时钟频率越高，总线在单位时间内传输数据的次数就越多，传输速度也就越快。
• 总线复用：指在同一总线上分时传输不同类型的信息，如地址和数据可以复用同一组总线。总线复用可以减少总线的数量，降低成本。

注意：
在计算机总线中，地址信息、数据信息和控制信息不能同时出现。