計算機系統總線(xiàn)基礎

一. 總線(xiàn)的概念

在計算機系統中，不同的子系統必須具有連接彼此的接口，比如，內存和處理器需要通信，處理器和I/O設備也需要通信。這些工作都是由總線(xiàn)來(lái)完成的。總線(xiàn)就是一條共享的通信鏈路，它用一套線(xiàn)路來(lái)連接多個(gè)子系統。下圖是一個(gè)典型的計算機總線(xiàn)示意圖：

總線(xiàn)結構的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是功能多和成本低。通過(guò)定義一種連接方案，就能夠方便的添加新設備，比如我們可以輕松的為自己的筆記本擴展內存條，或者外擴一塊硬盤(pán)。外圍設備也可以在使用同類(lèi)總線(xiàn)的計算機系統之間移動(dòng)。而且，因為同一套線(xiàn)路被多個(gè)路徑共享，所以總線(xiàn)具有較好的成本效益。

總線(xiàn)的主要缺點(diǎn)在于它會(huì )產(chǎn)生通信瓶頸，這可能會(huì )限制I/O的最大吞吐量。當I/O數據傳輸必須通過(guò)單個(gè)總線(xiàn)的時(shí)候，這條總線(xiàn)的帶寬就會(huì )限制I/O的最大吞吐量。如何設計總線(xiàn)系統，使之能夠滿(mǎn)足處理器的要求并能夠接納大量的I/O設備，使我們面臨的一大挑戰。

二. 控制線(xiàn)路和數據線(xiàn)路

總線(xiàn)通常包括一套控制線(xiàn)路和一套數據線(xiàn)路?？刂凭€(xiàn)路用來(lái)傳輸請求和確認信號，并指出數據線(xiàn)上的信息類(lèi)型?？偩€(xiàn)的數據線(xiàn)在源和目的之間傳遞信息。這種信息可能包括數據、復雜指令或者地址。比如，如果磁盤(pán)要把磁盤(pán)扇區中的數據寫(xiě)入內存，內存的地址和磁盤(pán)的實(shí)際數據都會(huì )通過(guò)數據線(xiàn)來(lái)傳輸?？刂瓶偩€(xiàn)則指明了在傳輸過(guò)程中每一刻數據線(xiàn)包含的信息種類(lèi)。一些總線(xiàn)使用兩套信號線(xiàn)在一次總線(xiàn)傳輸中分別傳送數據和地址。不管哪種情況下，控制總線(xiàn)都要遵循總線(xiàn)協(xié)議，并指出總線(xiàn)傳輸的內容。由于總線(xiàn)的共享的，所以我們還需要一個(gè)協(xié)議來(lái)決定誰(shuí)下一個(gè)使用。

三. 處理器-內存總線(xiàn)和I/O總線(xiàn)

對于傳統的PC機，總線(xiàn)可以分為處理器-內存總線(xiàn)和I/O總線(xiàn)。處理器內存總線(xiàn)長(cháng)度短，速度通常很高，而且配合內存系統使內存-處理器的帶寬達到最大。與之形成對比的I/O總線(xiàn)，它可以很長(cháng)，可以連接很多類(lèi)型的設備，并且經(jīng)常要連接多種具有不同數據帶寬的設備。I/O總線(xiàn)一般不和內存直接連接而是通過(guò)處理器-內存總線(xiàn)或者背板總線(xiàn)連接到內存上。

I/O總線(xiàn)被用作擴展機器和連接新外設的手段。主流的I/O總線(xiàn)標準有1394和USB等。他們可以把各種外設連接到臺式機，從鍵盤(pán)、相機到磁盤(pán)。

下圖為早期的I/O總線(xiàn)示意圖：

四. 總線(xiàn)通信的兩種方式：同步和異步

總線(xiàn)的通信的兩種基本方式是同步和異步。如果總線(xiàn)是同步的，控制線(xiàn)上就有一個(gè)時(shí)鐘以及一個(gè)與該時(shí)鐘相關(guān)的固定的通信協(xié)議。比如，為了使處理器-內存總線(xiàn)執行一個(gè)從內存總線(xiàn)執行一個(gè)讀操作。我們需要一個(gè)協(xié)議能夠在第一個(gè)時(shí)鐘周期傳輸地址和讀操作命令，并使用控制線(xiàn)來(lái)指明請求的類(lèi)型。內存可能被要求在第五個(gè)時(shí)鐘周期做出響應，提供數據字。

同步總線(xiàn)主要有兩個(gè)缺點(diǎn)。第一，總線(xiàn)上的每個(gè)設備必須運行在同一個(gè)時(shí)鐘頻率下。其次，由于時(shí)鐘偏差問(wèn)題，速度很快的同步總線(xiàn)，長(cháng)度不能太大。處理器-內存總線(xiàn)通常是同步的，因為設備間通信的距離短，數量少，而且準備在快的時(shí)鐘頻率下工作。

異步總線(xiàn)不需要時(shí)鐘。正因為不需要時(shí)鐘，所以異步總線(xiàn)可以適應很多不同的設備，異步總線(xiàn)可以延長(cháng)而不用擔心時(shí)鐘偏差或其他同步問(wèn)題。1394和USB都是異步總線(xiàn)。為了協(xié)調發(fā)送者和接受者之間的數據傳輸，異步總線(xiàn)采用握手協(xié)議。握手協(xié)議由一系列步驟組成，只有當發(fā)送者和接收者達成一致時(shí)，才能進(jìn)行下一步工作。這種協(xié)議通過(guò)一套附加的控制線(xiàn)路實(shí)現的。