总线

基本概念

总线 是一组电子导线或信号线，它们允许不同的硬件设备（如 CPU、内存、输入/输出 设备等）之间进行数据传输和通信。总线是计算机内部和外部设备之间的信息传递通道。

总线分类

功能

1. 核内总线 ：在处理器核内部各元件之间连线的总线称为 核内总线 ，可连接核内各寄存器、ALU、指令部件等
2. 系统总线 ：指连接 CPU、主存和 I/O 接口等主要部件的总线，通常所说的总线是指这类在系统主要模块之间互连的总线。下面要介绍的也是这种 系统总线 。
3. 通信总线 ：计算机系统之间或计算机系统与其他系统（远程通信设备、测试设备）之间进行通信的总线，又称 外部总线。

数据传送方式

总线 的数据传输方式包含 串行 和 并行 两种：

1. 串行总线 ：只含有一条双向数据线或两条单向数据线，数据按位分时传送。适合远距离通信，大多数 通信总线 属于 串行总线
2. 并行总线 ：含有多条双向数据线，可实现多位同时传送。传输效率高，但相邻数据线之间会相互干扰，适合近距离传输。大多数 系统总线 属于 并行总线

试题中常常考查 哪些总线是串行总线，哪些总线是并行总线 。

这里核心把握一点：现代高速通信几乎都使用串行总线（PCIe、USB、SATA、DisplayPort），而并行总线主要用于内存、老式设备或非常短距离的高速通信。

常见的串行总线 如下表所示：

常见的并行总线 如下表所示：

时序控制方式

1. 同步总线 ：采用公共的时钟信号进行定时，挂接在总线上的所有设备都从时钟线上获得定时信号
   • 总线 定时以 最慢设备 所用时间为标准，因此适合于存取时间相差不大的多个功能部件之间的通信
   • 由于时钟偏移问题，导致 同步总线 不能过长，否则会降低 总线 传输效率
   • 同步总线 常采用 并行传输，即总线的数据条数为 8、16、32 或 64 位等
2. 异步总线 ：总线上连接的各部件或设备没有统一的时钟，而是依靠各自内部的定时操作，通过 信号握手 的方式来进行规定的总线操作，从而完成部件或设备之间的数据传输
   • 由于 同步并行总线 使用快速且长的传输线时，会导致传送到另一端的波形发生变形，从而使得（并行传输的）所有位中最快和最慢的位信号之间的时间差较大，因此现在更多使用 异步串行方式 进行传输：串行–传输速率可更快 + 不会影响到其他位

总线架构方式

总线 架构方式可以分成 单总线、多总线 以及 分层结构 三种。

单总线结构

• 单总线结构 中，所有处理器、主存储器和 I/O 设备 共用一条总线进行通信 。
• 优点是结构简单、实现成本低，适用于设备数量少、通信量低的系统。
• 缺点是所有设备必须轮流访问总线，存在通信冲突和带宽瓶颈，性能扩展性差。

多总线结构

• 多总线结构 在 单总线 的基础上进行拓展，引入多条功能分化的总线，例如系统总线、I/O 总线、存储器总线等。
• 常见做法是将 处理器与主存之间的数据传输 放在一条专用总线（如 CPU-主存总线），而 I/O 设备通过桥接芯片连接至另一条总线（如 I/O 总线）。
• 这样可以显著减轻主总线负载，提高系统并发性和吞吐能力。

分层总线结构

现代计算机系统广泛采用 分层总线结构，其核心思想是在 多总线结构 的基础上进一步 细化总线的功能与等级，以更好适应不同设备对带宽和延迟的需求。

核心特点 ：

• 将总线按速率和用途分层，如高速、中速、低速总线；
• 各层通过 桥接控制器（如 PCH）进行协调；
• 高速设备尽量绕过中间桥接器，直连 CPU 提高性能。

• 高速设备的连接方式
  • 内存总线 ：使用 DDR4/DDR5 等内存通道，由集成在 CPU 内部的内存控制器（IMC）控制，实现低延迟高速访问；
  • 显卡 ：通过 PCIe 高速通道，直接连接到 CPU 的 PCIe 控制器，适用于图形、大数据等吞吐密集型场景；
  • 高速存储 （如 NVMe SSD） ：通过 PCIe/NVMe 通道连接，可直连 CPU 或走 PCH。
• 低速或通用设备的连接方式
  • 低速设备（如 USB、SATA、音频、网卡等）大多连接至 平台控制器集线器（PCH） 或 南桥芯片，再通过 DMI（Direct Media Interface）总线 与 CPU 通信；
  • 这些设备不要求极高带宽，通过桥接方式集中管理，可简化主板设计并降低成本。

总线组成

系统总线 通常由一组控制线、一组数据线和一组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，即数据线和地址线 复用。

1. 数据总线（Data Bus） ：数据总线用于在计算机系统的各个组件之间 传输数据。它通常由多条并行线组成，每条线传输一个数据位（比特）。
   • 位数（数据总线条数）与机器字长、存储字长有关，一般是 8 位、16 位、32 位
2. 地址总线（Address Bus） ：地址总线用于传输 内存地址 或外部设备的地址信息，以确定数据的存储位置或目标设备。
   • 地址总线的宽度决定了系统可以寻址的内存或设备的数量。更宽的地址总线通常允许系统寻址更多的内存或设备。
3. 控制总线（Control Bus） ：控制总线传输 控制信号和命令，用于控制各个硬件组件的操作。这些控制信号包括读/写信号、时钟信号、中断信号、复位信号等。控制总线用于协调数据传输和操作的序列。

总线指标

时钟频率 指总线所依赖的时钟信号的频率。它表示的是“时钟脉冲”产生的快慢。

时钟频率 单位 为 Hz，常见如 100MHz、133MHz 等。

总线传输周期 指一次完成总线数据传输所需的时间，包括申请、寻址、传输和结束阶段。

一个完整的传输周期可能需要 多个时钟周期。

工作频率 指总线 实际传输数据 的频率。

一般来说，工作频率与时钟频率相同，但有些总线为了提高带宽，会采用 倍频/分频 机制：

• SDR（单倍数据率）：每个时钟周期只在一个边沿传输数据，工作频率 = 时钟频率。
• DDR（双倍数据率）：在上升沿和下降沿各传输一次，工作频率 = 2 × 时钟频率。
• QDR（四倍数据率）：一个周期传四次，工作频率 = 4 × 时钟频率。

更加泛化地说，若总线传输周期 = N 个时钟周期，则总线的工作频率 = 时钟频率 / N。

总线宽度 也叫做总线位宽，是总线上 能同时传输的数据位数，通常指的是数据总线的根数，如 32 根称为 32 位总线。

总线带宽 指单位时间内总线能传输的最大数据量，通常用 MB/s、GB/s 表示，计算公式为：

$$\text{带宽} = (\text{总线宽度} / 8) \times \text{工作频率}$$

常见总线标准

需要熟练掌握一些会考察的 总线标准 的名称：PCI、SATA、ISA、IDE、USB，并且能够和其他计算机领域的专业名词区分开来：

1. PCI ：PCI 总线 是一种用于连接内部扩展卡（如显卡、网卡、声卡等）到主板的标准。PCI 总线 存在多个版本，包括 PCI、PCI-X 和 PCI Express（PCIe），它们在带宽、速度和适用范围上有所不同。
2. SATA ：SATA 是一种用于连接存储设备（如硬盘驱动器和光盘驱动器）到计算机的总线标准。它广泛应用于个人电脑和服务器中。
3. ISA ：16 位体系结构，只能支持 16 位的 I/O 设备，是已经被淘汰的插槽接口。
4. IDE ：IDE 是早期计算机中用于连接硬盘驱动器和光盘驱动器的 总线 标准，现在已经被 SATA 所取代。
5. USB ：USB 是一种通用的总线标准，用于连接各种外部设备（如键盘、鼠标、打印机、存储设备等）到计算机。USB 有多个版本，包括 USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1 和 USB 3.2，它们在传输速度和功能上有所区别。

PCI

Peripheral Component Interconnect

长条形插槽，通常为长方形，长度较长，内部有多个金属触点，呈平行排列，用于插入扩展卡。边缘有一缺口，用于固定卡的位置。

SATA

Serial Advanced Technology Attachment

较小的 L 形连接器，扁平且细长，端口一侧有明显的 L 形弯角，内部有几根细小金属针脚，用于连接存储设备（如硬盘驱动器和光盘驱动器）到计算机。

USB

Universal Serial Bus

矩形接口，较为紧凑，内部有金属触点，常见为USB-A的扁平长方形设计，端口内部有塑料隔板和触点，用于连接各种外设如鼠标、键盘或U盘。

这三个概念是经常被混淆的概念，这里还是多提一嘴。简单来说，接口 是硬件插入的位置，协议 是软件层面用于通信的规则，总线 是硬件之间的数据通路。下表给出一些常见例子来说明：

需要注意的是，有些名词（比如 SATA、PCIe、USB）是 混合性术语，既可以是 总线，也代表了协议和接口；有些名词（比如 M.2） 仅仅是接口；有些名词（比如 NVMe）仅仅是协议。

总线事务

总线事务 是计算机总线操作的一个 基本单位。一个总线事务通常涉及一系列的操作，这些操作可以是数据的读取或写入。

在一个总线事务中，主设备（发起事务的设备）通过总线控制线对总线进行控制，并发出地址和数据，以及读写信号。从设备（数据被读取或写入的设备）则识别地址，并根据读写信号进行相应的数据交换。

总线事务 包含几个主要阶段：

1. 请求（Request） ：主设备发出 总线传输请求。
2. 仲裁（Arbitration） ：如果多个设备同时尝试使用总线，它们必须通过某种仲裁过程来 决定哪个设备有权 控制总线。这通常涉及一个优先级方案，以防止冲突和数据损坏。
3. 寻址（Addressing） ：主设备将 目标地址 放在总线上，以指定事务的目的地，如特定的内存地址或 I/O 设备。
4. 传输（Transfer） ：一旦地址被确认，数据传输就会发生。这可以是读操作，也可以是写操作。
5. 终止（Termination） ：一旦数据成功传输，事务就会结束。终止阶段可能包括从设备发出的确认信号，或者主设备撤销其对总线的控制。

突发总线传输事务

突发（Burst） 总线传输事务 是指在总线通信中，一次性连续传输多个数据单元（通常是字节或字）而无需为每个数据单元单独发起请求或握手的过程。这种传输方式广泛应用于现代计算机体系结构中，以提高数据传输效率和总线利用率。

总线周期

总线周期 是指 CPU 通过 总线 与存储器或 I/O 接口进行一次数据传输所需的时间。
一个 总线周期 通常包含多个时钟周期，这些时钟周期可以被分为四个阶段（四个时钟周期 $T_1, T_2, T_3, T_4$）：

1. 申请分配阶段：主设备进行请求和仲裁。
2. 寻址阶段：主设备用地址信息来指明它想读/写的那个从设备是哪一个。
3. 传输阶段：主设备向从设备发出读命令或者写命令。
4. 结束阶段：主设备把地址信息、读写命令等从 总线 撤除，让出 总线 的使用权。

总线定时

根据 时钟周期 一节可知，计算机中的设备也许并不使用相同的时钟周期，但是设备间在交换数据的过程中需要时间上配合。

这种时间配合的控制过程就叫做 总线定时，总线定时 包含 同步定时 和 异步定时 两种方式。

同步定时方式

在 同步定时方式 中，数据传输的时钟信号由一个 中央时钟源（通常是主时钟源或总线控制器）生成，并将时钟信号传送到所有参与通信的设备。

这个时钟信号每次都产生一个相等的时间间隔，这个间隔为一个 总线传输周期，主设备和从设备必须在这个限定的时间内完成规定的操作。

• $T_{1}$ 的上升沿到来时，主模块向从模块发送地址
• $T_{2}$ 的上升沿到来时，主模块发送读命令
• $T_{3}$ 的上升沿到来时，从模块提供数据
• $T_{4}$ 的上升沿到来时，主模块撤销读命令，从模块撤销数据

同步通信适用于总线长度较短（出现信息错误的概率小）及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。
如果有的从设备速度较慢，就会跟不上总线的节奏，进而拖慢了主设备的速度。

异步定时方式

在 异步定时方式 中，数据传输的时钟信号不是由中央时钟源统一控制，而是由每个设备自己的时钟信号驱动。完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制，通常我们将交换信息的两个设备称为主设备和从设备，主设备发送“请求”，从设备接收到后回复“回答”。

异步定时 根据“请求”和“回答”的类型，可以分为三种类型：

• 不互锁 ：主设备持续发送请求一段时间，默认从设备接收到请求。
• 半互锁 ：主设备接收到来自从设备的回答后停止发送请求，从设备发送回答一段时间，默认主设备接收到回答。
• 全互锁 ：从 半互锁 的基础上，从设备接收到来自于主设备的回答后停止发送回答。