计算机的总线系统

前言

计算机的冯·诺依曼计算机架构，计算机由五大部件组成。那么，计算机的五大部件是如何连接成一个整体的呢？这就需要依赖总线系统。

学习路线图：

1. 认识计算机总线系统

1.1 什么是总线？

在冯·诺依曼计算机架构中，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成，而这五个部分必须进行 “连接” 起来相互通信才能形成一个完整的整体。总线就是连接多个计算机部件的数据通信规范。

—— 图片引用自 Wikipedia

1.2 为什么要使用总线结构？

先解释一下为什么现代的计算机系统要采用总线结构：

• 原因 1 - 降低复杂性： 这个设计思路跟软件开发中的中介者模式是相同的。总线结构将 N-N 网型拓扑结构简化为 N-1-N 总线型结构或星型+总线型拓扑结构，不仅整体的系统结构清晰许多，可以提高系统稳定性。而且需要使用的布线数目也减少了，制造成本也更低；
• 原因 2 - 促进标准化： 总线结构提供了一个标准化的数据交换方式，各个硬件按照总线的标准实现接口，而无需考虑对方接口或总线的工作原理，有利于各个部件模块化设计。

2. 总线的内部结构

总线本身的电路功能，又可以拆分成 3 部分：

• 1、地址总线（Address Bus，AB）： 地址总线传输的是地址信号。地址总线是单向的，地址信息只能从主设备发往从设备。地址总线宽度也决定了一个 CPU 的寻址能力，即多大可以访问多少数据空间。举个例子，32 位地址总线可以寻址 4GB 的数据空间；
• 2、控制总线（Control Bus，CB）： 控制总线传输控制或状态信号。控制总线是双向的，信号可以从主模块发往从模块，也可以从从模块发往主模块（例如 CPU 对存储器的读写控制信号，例如 I/O 设备对 CPU 中断请求信号）；
• 3、数据总线（Data Bus，DB）： 数据总线传输的是实际的数据信息。数据总线是双向的，数据可以从主模块发往从模块（例如 CPU 向内存的写入操作），也可以从从模块发往主模块（例如 CPU 向内存的读取操作）。

举个例子，当 CPU 要从存储器读取数据时，三类总线的工作过程概要如下：

• 1、CPU 通过地址总线发送要访问的存储单元的地址信息；
• 2、CPU 通过控制总线发送读控制信号；
• 3、存储器通过数据总线发送指定存储单元上的数据，从 CPU 的视角就是读取。

3. 总线系统的架构

理解了总线的概念后，我们先来看总线系统的整体架构，现代计算机中的总线大多采用分层次多总线架构。

3.1 单总线架构和多总线架构

在早期计算机中，会使用单一总线来连接计算机的各个部件，这种结构叫单总线架构。这种结构实现简单，但缺点有 2 个：

• 缺点 1： 计算机不同组件之间的速度差较大，例如 CPU 与内存或 I/O 设备的速度差非常大，当传输数据量很大时，CPU 经常需要等待；
• 缺点 2： 所有的信号都要经过同一个共享的总线，不允许两个以上的部件同时传输信号。

因此，单总线系统很容易形成系统的性能瓶颈，就算是增大总线的带宽也无法从根本上解决系统性缺陷。目前，单总线结构只出现在微型计算机中。大多数现代计算机都采用了分层次多总线结构，所有的设计思路都是围绕单总线架构存在的 2 个缺点展开的：

• 应对缺点 1： 将高速部件和低速部件分为不同层级，不同层级之间使用独立的总线，减少高速部件对低速部件的等待；
• 应对缺点 2： 增加多条总线，使得数据可以同时在多个部件之间传输。

3.2 双独立总线：片内 & 片外

现代 CPU 中通常会使用高速缓存，由于 “CPU-高速缓存” 和 “CPU - 内存” 的速度差非常大，计算机系统选择在 CPU 芯片内和 CPU 芯片外使用 双独立总线（Dual Independent Bus，DIB）：

• 前端总线（Front Side Bus，FSB）： CPU 与外部连接的总线（即 CPU 连接北桥芯片的总线）；
• 后端总线（Back Side Bus，BSB）： 也叫本地总线（Local Bus）或片内总线（On-chip Bus），是 CPU 芯片内部独立使用的总线。CPU 芯片内部一个或多个核心、Cache 之间的通信将不需要占用芯片外的系统总线。

提示： 前端总线和系统总线的概念容易混淆，不同资料的说法不一。我的理解是：前端总线是 “特指” 某些 Intel CPU 架构中，CPU 芯片与外部连接的这条总线，而系统总线 “泛指” 连接计算机各个部件的所有总线。小彭在后续专栏内容都会按照此理解讨论。

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