计算机总线
复习
- 程序与程序计数器：程序是指令序列，PC 保存下一条指令地址
- 控制器：控制器按时序发出控制信号，协调各部件
- 中央处理器：CPU 由运算器、寄存器和控制器构成，循环取指译码执行
TL;DR
- 总线是一组由多个部件共享的通信线
- 地址线说找谁，数据线传内容，控制线说要做什么
- 同一时刻只能有获准的设备驱动共享线路
正文
CPU 要连主存，接下来还要连键盘、屏幕和其他设备。可以算一笔账：如果每两个部件之间都拉一套专用线，那么设备一多，线路数量会以惊人的速度增长。这就像办公室里每个人之间都拉一条电话专线，很快就会乱成一团。
更省事的办法，是修一条公共道路，让大家按规则轮流使用。这组共享线路，叫作总线（bus）。
一次读取怎样上路
CPU 从存储器读取地址 20 时，会依次做这些事：
- 把 20 放到地址线上
- 在控制线上发出读信号
- 存储器识别出自己被选中，把地址 20 的内容放到数据线上
- CPU 在约定的时刻收下数据
三类信号分工非常清楚：
- 地址线：找哪个位置或设备
- 数据线：实际搬运的比特
- 控制线：读、写、完成等动作
打个比方：寄快递时，地址线是收件地址，数据线是包裹里的东西，控制线则相当于“这是寄件还是签收”。三者配合，一次通信才算完整。
公路不能同时逆行
数据线通常由多个设备共享。如果两个设备同时向线上输出不同的值，一个想拉高、一个想拉低，就会发生冲突，结果谁也说不清线上到底是几。
因此，总线需要仲裁：谁获得本次使用权，谁才能驱动线路，其他设备暂时等待。这就像一条单车道，必须规定此刻由哪辆车行驶。共享的前提，是有人负责维持秩序。
给外界留一个座位
有了总线，新设备只要遵守同一套通信规则，就能与 CPU 和存储器交换数据。总线的意义正在于此：它把“两两连线”变成了“面向一条公共规则”，让机器可以方便地扩展。
可事情还没完。键盘和内存的“性格”完全不同——内存一次读一个字，键盘却可能几百毫秒才冒出一个按键，两者不能直接对话。下一章，我们在总线和设备之间加一个翻译者。
思考题 1
为什么共享数据线上不能由两个设备同时输出？“同时读取”与“同时输出”有什么区别？
思考题 2
总线减少了连线数量，但也带来了新的限制。它相比“两两专线”，牺牲了什么、换来了什么？
小结
知识点
- 总线减少部件之间的专用连线
- 地址、数据和控制信号各有职责
- 仲裁决定谁能在当前时刻使用总线
参考资料
- Wikipedia(zh)：总线：计算机各部件的共享通信通道
- Wikipedia(zh)：总线仲裁：多个主设备竞争总线时的裁决机制
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
两个设备同时输出可能一个拉高、一个拉低，造成错误甚至电气冲突。而多个设备观察同一条稳定的数据线通常没问题——读取是“看”，输出是“改”。冲突只发生在多个来源同时试图决定线路取值的时候。
思考题 2
牺牲的是并行能力：同一时刻总线上基本只能有一对设备通信，而专线可以让多对设备同时工作。换来的是简洁与可扩展性：连线大大减少，加一个设备只需接上总线、遵守规则即可。这是一种典型的“用共享换简洁”的权衡。
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设计师 | 南国微雪