计算机总线

复习

第二十六章：了解了寄存器
第三十章：了解了存储器如何按地址存取
第三十八章：了解了 CPU 的组成与数据通路

TL;DR

总线是各部件共享的“公共通道“，用来传地址、数据和控制信号
按功能分为地址总线、数据总线、控制总线
多个设备争用时，需要总线仲裁来决定谁先用
总线的宽度和频率决定了它的带宽

正文

为什么要“公共通道“

　　到这时，CPU、存储器、各种外设都已经能独立工作了。可它们之间怎么通信？

　　最笨的办法是两两之间拉专线。但设备一多，线的数量会以平方级增长，主板根本排不下。于是工程师们又用上了“加一层“的老套路：大家共用一组线，谁来用、什么时候用，事先约好规则。

　　这组共享的线，就叫总线（Bus）。

+-------+         +-----------+
|  CPU  |<------->|  系统总线  |
+-------+         +-----------+
                       |
        +--------------+--------------+
        |                             |
+-------+-------+             +-------+-------+
|    内存       |             |   I/O 设备    |
+---------------+             +---------------+

三种总线

　　总线上的信号其实分三类，各走各的线：

地址总线：负责“找谁“，传送地址
数据总线：负责“送什么“，传送数据
控制总线：负责“干什么“，传送读/写等控制信号

　　一次典型的读操作是这样：CPU 先把地址放上地址总线，再通过控制总线发出“读“信号，目标设备响应后，把数据放上数据总线送回来。

总线仲裁

　　既然大家共用一条通道，就难免抢。比如 CPU 想读内存，网卡同时想写内存，谁先来？

　　这就需要总线仲裁：由一个仲裁器（集中式）或者设备之间协商（分布式）来决定当前谁获得总线的使用权。常见的策略有固定优先级、轮询等——固定优先级响应快但不公平，轮询公平但可能慢一点。

总线标准与性能

　　为了不同厂商的设备能插在一起用，总线必须标准化。你熟悉的名字大多都是总线标准：USB、SATA、PCIe……它们是外设和主板之间的“通用接口“。

　　衡量总线快慢的核心指标是带宽：

带宽 = 总线宽度 × 工作频率

　　比如 32 位宽、100 MHz 的总线，带宽就是 32 × 100M = 3.2 Gb/s。想让总线更快，要么加宽（一次多传几位），要么提频，要么用“突发传输“——一次给地址，连续搬运一批数据，省去反复寻址的开销。

思考题

　　地址总线、数据总线、控制总线，为什么要把它们分开，而不是合并成一组线？

小结

知识点

总线的作用与共享思想
地址总线、数据总线、控制总线
总线仲裁
总线带宽

参考资料

Wikipedia(zh)：计算机总线：总线的基本概念
Wikipedia(zh)：PCI Express：PCIe 总线标准
Wikipedia(zh)：系统总线：系统总线架构

思考题答案（仅供参考）

　　三类信号的用途和方向都不同：地址总线和控制信号通常是单向的（由 CPU 发出），数据总线是双向的（可能要读也要写）。如果合并成一组，就得频繁切换用途、还要额外字段区分“这一拍传的是什么“，反而更慢更乱。分成三组，各司其职，既清晰又高效。

协议

　　本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。

封面图

设计师 | 南国微雪