一、总线知识体系框架
二、总线相关基本概念
1、总线是啥
简单理解：顾名思义，多根线合成一根总线
（其中【一根系统总线】包含【3种信号线】）
- 【地址总线】：传输地址信息
- 【数据总线】：传输数据信息
- 【控制总线】：CU传输控制信息
完整标准的概念：
- 总线是一组为多个部件【分时】+【共享】的公共线路
- 怎么看【共享】？
- 当多个部件如果分别单独用专门的线路连接，成本就太高了；
- 所以还是合成一整组线路成低 ，这就是【共享】！！
- 怎么看【分时】？
- 同一时刻（1个时钟周期）只允许一个部件使用总线发数据，如果多个部件同时发，就会冲突！（就像计算机网络的总线结构局域网容易冲突一样）
2、总线设备（理解）
也就是【发送方（主设备）】和【接收方（从设备）】
3、总线特性（理解）
计算机网络的【物理层功能特性】也提到过，很像，如果学过计网的应该看这里比较透彻，这里我懒得解释了
（注意这里有一个易错点：【功能特性】强调的是对 “单根线” 的功能解释；【电器特性】也会描述线的电平功能含义，但是注意强调的是 “多根线”）
4、例题
三、总线的分类
1）按总线功能分类
总体上按【连接部件】分类，一共就四种：
- 1、【片内总线】：
- 前面CPU那一章说过，就是【CPU芯片内部】的总线
- 2、【系统总线】：
- 前面CPU那一章也说过，就是计算机【内部】和【外部】之间连接的总线（比如：CPU、主存、I/O之间的总线）
- 按照传输内容的不同，【系统总线】又可以分为3类
- 【数据总线】：
- 传输【数据信息】，但是要注意【数据】包含很多种（比如：纯数据、指令、中断类型、⭐控制命令里的【命令字】......）
- 还要注意，它是【双向的】，因为有【读出】和【写入】！！！
- 【地址总线】：
- 传输【数据所在的 地址信息】
- 注意！不止是主存的地址，而是包括了【主存单元】+【I/O设备接口】2大类的地址！！！！！
- 就【主存】有地址，你找地址也不可能去CPU里找，所以是【单向】的
- 【控制总线】：
- 通俗理解：【CU “传出去” 的控制信息】以及【主存(或外设) “返回” CPU的反馈信号】
- 注意也是【双向】的（注意！！！【双向】指的是【控制信息 + 反馈/响应信息】2种信号双向，但是【控制信号】明确规定只能是CPU单向发出，下面例题18就有这个坑🕳）
这个图那么多命令信号可能记不住，那么关于【控制总线主要功能】完美的概括说法可以记熟：【主要提供定时信号、操作命令、各种请求 / 回答信号...等等】（下面例题第8题有）
- 3、【I/O总线】：
- 用于连接【低速外设】，通过I/O接口和系统总线连接
- 目的分离【低速外设】和【高速系统总线】，以提高系统性能
- 常见的有：USB总线、PCI总线
- 注：高速外设用DMA连接
- 4、【通信总线】：
- 用于【计算机系统之间】或【计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备）】之间传信息
- 也被称为【外部总线】
；
注意：
- 【数据通路】是：组合逻辑元件、时序逻辑元件这些东西
- 【数据总线】是：单纯只是传数据的线路而已
【系统总线】结构
系统总线是重点，这里先分清楚它的三种结构！！！
- 【单总线结构】
- 就是所有部件全连一组总线（注意我这里说得是【组】，而不是【1根】！！！）
- 特点就是：
- 容易总线争用、数据冲突！！不支持并发传输！！
- 但是够简单，成本低
- 【双总线结构】
- 分2组总线，一组是【主存总线】、一组是【I/O总线】
- 特点就是：
- 分离【低速I/O外设】和【主存(高速)总线】
- 注意，【通道】是一种 “弱鸡版CPU”，可执行I/O指令，他就是代替CPU来统一管理I/O这种慢速外部设备的
- 【三总线结构】
- 分3组总线，一组【主存总线】、一组【I/O总线】、一组【DMA总线】
- 特点就是：
- 提高了I/O设备性能
- 注意：DMA总线连接的是【高速外设】；另外他跟CPU都连着主存，所以它两不能同时访问主存，要交替着使用，具体后面会学
【提示】
传统上，总线还有一种分类表达方式：
- 分为【处理器-存储器总线】+【I/O总线】
- 其中因为【处理器-存储器总线】很短，所以属于【高速总线】，还细分为：
- 【处理器总线】：也叫【CPU(前端)总线】
- 是【最快的总线】！！！
- 用于【处理器—北桥芯片】
- 【存储器总线】：
- 由【北桥芯片】控制，连接显卡、主存
- 【I/O总线】：
- 用于连接I/O设备
然后【处理器总线】、【存储器总线】、【I/O总线】还需要一个【枢纽】连接
这也是计算机各个部件连接和通信的【枢纽】，也就是【桥接器】，分为：
- 【北桥芯片】：又叫【MCH芯片】
- 是【主存控制器】，本质是DMA控制器（不明白后期会学，这里有个印象）
- 主存控制器用于【提供主存块】给【Cache】或【CPU寄存器】
- 其中【DMA控制器】用于控制【主存】和【显卡】数据流通
- 【南桥芯片】：又叫【ICH芯片】
- 是【I/O控制器】
- 用于集成USB控制器、以太网控制器、磁盘控制器.....
；
【拓展】
现代计算机依据【桥接器】实现了性能更高的【四总线结构的系统总线】，不考，但是知道就行
2）按数据传输方式分类
分为【串行总线】、【并行总线】
- 1、【串行总线】：
- 总线只要一或两根线
- 如果是双向传输的线，就只用一根
- 如果是单向传输的线，就只用两根
- 一根线同一时刻只能按单比特位顺序传【串行传输】
- 2、【并行总线】
- 总线还是多根线，都是双向传输
- 每根线传1bit，N根线能同时并行传Nbit，【并行传输】
- 重点：
- 【并行总线】并不一定比【串行总线】快，因为他多根线在一块容易受干扰，影响工作频率，线路越远就越受影响而变慢；所以【并行总线】只适合短距离
- 还有一种特殊传输方式：【总线复用】
- 这种总线没有单独的【地址线】，需要用【数据线】一起传【数据 + 地址】，不过重点是【地址】和【数据】要 “分时错开” 地传，不然就混淆了
3）按时序控制方式分类
这是后面的重点，所以这里先不展开解释
4）总结
5）例题
四、总线的性能
提示：涉及 “时钟周期” 的都可以按照第一章的计算机性能指标的知识点来理解，没什么区别
1、速度、时间方面
- 【总线的时钟周期】
- 概念：就是CPU时钟周期、描述总线传输周期的【最基本、最小单位】、一个信号节拍
- （因为计算机各个部件基本都是靠这个时钟控制）
- （当然现代计算机种，总线时钟周期也可能由【桥接器】提供）
- 计算：【时钟周期T】=【1 / 时钟频率f】
- （理解为是1秒里的一个信号节拍要多久；是【时钟频率】的【倒数】）
- 【总线的时钟频率】
- 概念：1秒内有几个时钟周期、1秒有多少信号节拍
- 计算：【时钟频率f】=【1 / 时钟周期T】
- （是【时钟周期】的【倒数】）
- 【总线的传输周期】
- 概念：总线1次操作所需时间（主设备申请总线——从设备响应回信息的时间）
- （可理解“指令周期”的概念）
- 包含了【申请阶段】+【寻址阶段】+【传输阶段】+【结束阶段】
- 计算：【总线传输周期 = N * 时钟频率】、【总线传输周期 = 1 / 总线工作频率】
- （是【总线工作频率】的【倒数】）
- 【总线的工作频率】
- 概念：1秒内传几次数据
- （理解为速度，总线这个“工人”1秒能干多少活）
- 计算：【总线工作频率 = 时钟频率 / N】、【总线工作频率 = 1 / 总线传输周期】
- （是【总线传输周期】的【倒数】）
；
；
- 【总线传输周期】和【总线时钟周期】的关系
- 没有固定的关系，有可能【1个传输周期—>多个时钟周期】、【1个传输周期—>1个时钟周期】、【多个传输周期—>1个时钟周期】
比如【多个传输周期—>1个时钟周期】情况：
如果检测到
上升沿（电信号由低电平变为高电平），可以进行一次总线的数据传输。如果检测到
下降沿（电信号由高电平变为低电平），此时又会传送一组总线的数据。在这样的【1个时钟周期内】，上升沿和下降沿都进行了一次总线的数据传输。这就意味着包含了【两个总线传输周期】
2、总线宽度、总线带宽
- 【总线宽度】
- 也叫【总线位宽】
- 就是【总线上同时能传几位数】
- （一般指【数据总线 的 根数】，如32跟数据线组成数据总线，就称该计算机32位总线）
- 【总线带宽】
- 带入计算机网络的带宽概念，就是单位时间内，总线最多可传输数据的位数（总线最大数据传输速率）
- 通常用【 字节/s 】、【 B/s 】表示
- 计算公式：你就理解为一条马路有n条道（总线宽度）、每条道1秒有几辆车通过（总线工作频率），它两相乘不就是这整个马路1秒最大的车辆吞吐量了吗
别的一些性能指标概念
例题
下面是王道的解释，还涵盖了【突发传输方式】
五、冷门但是会考的死人知识点
1、【处理器总线】里的 “QPI总线”
别管是啥了，记住重点：
- 1、是CPU内部的核与核、CPU与其他CPU之间的总线
- 2、串行传输
- 3、一个时钟周期可以传2次，也就是【1时钟周期】含【2个总线周期】
- 4、全双工，可以同时【双向传输】（你可以理解为2组线各自反向传，1个总线一时钟周期传2次，那其实相当于1个QPI总线（2组线）在1时钟周期可传4次）
- 5、所以公式就是【QPI总线带宽 = 每秒传输几次 × 每次传输的有效数据 × 2】
【例题】
2、【存储器总线】
虽然大致上计算还是按【总线性能】那样，但是多一个一个要素：【通道】
我们只需要把【通道】理解成一个 “弱化版CPU”，那有几个通道，就说明连了几组存储器总线，我画个图方便大家理解
【例题】
前面依旧是按【总线周期（每秒传几次）× 总线位宽（单位是B）】求出一个存储总线的工作频率，但是因为3个通道要连3个存储总线，所以在这个基础上【×3】即可
3、【I/O总线】
这更是死人知识点，能想出来这题的出题人家里也是中邪了
上面直接不看，只看这：
- 1、现在的I/O总线叫PCI-Express，是【串行】传输
- 2、通路数只能是【偶数】，别管为什么，题目说通路是奇数直接排除
- 3、每10bit数据里有2位垃圾数据，所以相当于【每10位】==>【传1B】（打比方传了50bit数据，那也就是传了50bit / 10 = 5B数据）
- 4、还有2差分信号线，甭管是啥了，反正就相当于也是全双工通道，一次可传2反向信息
- 5、接受速率是：2.5Gb/s，不过考试题目应该会给出
- 6、所以公式就是【PCI-Express带宽 = 2.5Gb/s × 2 × 通路数 / 10】
