計算機系統總線基礎

一. 總線的概念

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來完成的。總線就是一條共享的通信鏈路，它用一套線路來連接多個子系統。下圖是一個典型的計算機總線示意圖：

總線結構的兩個主要優點是功能多和成本低。通過定義一種連接方案，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。外圍設備也可以在使用同類總線的計算機系統之間移動。而且，因為同一套線路被多個路徑共享，所以總線具有較好的成本效益。

總線的主要缺點在于它會產生通信瓶頸，這可能會限制I/O的最大吞吐量。當I/O數據傳輸必須通過單個總線的時候，這條總線的帶寬就會限制I/O的最大吞吐量。如何設計總線系統，使之能夠滿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. 控制線路和數據線路

總線通常包括一套控制線路和一套數據線路。控制線路用來傳輸請求和確認信號，并指出數據線上的信息類型。總線的數據線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，如果磁盤要把磁盤扇區中的數據寫入內存，內存的地址和磁盤的實際數據都會通過數據線來傳輸。控制總線則指明了在傳輸過程中每一刻數據線包含的信息種類。一些總線使用兩套信號線在一次總線傳輸中分別傳送數據和地址。不管哪種情況下，控制總線都要遵循總線協議，并指出總線傳輸的內容。由于總線的共享的，所以我們還需要一個協議來決定誰下一個使用。

三. 處理器-內存總線和I/O總線

對于傳統的PC機，總線可以分為處理器-內存總線和I/O總線。處理器內存總線長度短，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，它可以很長，可以連接很多類型的設備，并且經常要連接多種具有不同數據帶寬的設備。I/O總線一般不和內存直接連接而是通過處理器-內存總線或者背板總線連接到內存上。

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

下圖為早期的I/O總線示意圖：

四. 總線通信的兩種方式：同步和異步

總線的通信的兩種基本方式是同步和異步。如果總線是同步的，控制線上就有一個時鐘以及一個與該時鐘相關的固定的通信協議。比如，為了使處理器-內存總線執行一個從內存總線執行一個讀操作。我們需要一個協議能夠在第一個時鐘周期傳輸地址和讀操作命令，并使用控制線來指明請求的類型。內存可能被要求在第五個時鐘周期做出響應，提供數據字。

同步總線主要有兩個缺點。第一，總線上的每個設備必須運行在同一個時鐘頻率下。其次，由于時鐘偏差問題，速度很快的同步總線，長度不能太大。處理器-內存總線通常是同步的，因為設備間通信的距離短，數量少，而且準備在快的時鐘頻率下工作。

異步總線不需要時鐘。正因為不需要時鐘，所以異步總線可以適應很多不同的設備，異步總線可以延長而不用擔心時鐘偏差或其他同步問題。1394和USB都是異步總線。為了協調發送者和接受者之間的數據傳輸，異步總線采用握手協議。握手協議由一系列步驟組成，只有當發送者和接收者達成一致時，才能進行下一步工作。這種協議通過一套附加的控制線路實現的。