计算机系统总线
简述对计算机系统总线的理解
计算机系统总线是连接计算机内部各个部件的公共通道，也称为系统总线或主板总线。
它负责传输数据、地址和控制信号，是计算机系统中非常关键的部分之一。
计算机系统总线通常包含三种类型的线路：数据总线、地址总线和控制总线。
其中，数据总线用于传输数据，地址总线用于传输内存地址和I/O设备地址，控制总线用于传输控制信号，例如读写命令、中断请求等。
计算机系统总线的速度和带宽决定了计算机系统的性能。
随着计算机硬件的不断升级和更新，计算机系统总线的速度和带宽也在不断提升。
目前，计算机系统总线的标准包括PCI、AGP、USB、SATA、Ethernet等，它们分别用于不同类型的接口和设备。
除了速度和带宽之外，计算机系统总线还需要具备可靠性、兼容性和扩展性等特点。
因此，计算机系统总线的设计和开发需要综合考虑各种因素，以满足不同用户和应用场景的需求。
计算机总线3篇
计算机总线第一篇：计算机总线的基础知识计算机总线指的是用于数据传输的一组电气信号线，是计算机内部各种硬件设备之间传输信息的通路。
计算机总线分为系统总线、输入输出总线和扩展总线三大类。
系统总线是连接计算机中央处理器(CPU)和随机存取存储器(RAM)之间的数据和控制信号传输线。
它由三类线路组成：数据线、地址线、控制线。
数据线用于传送数据，地址线用于传送RAM中存储单元的地址，控制线用于传送CPU对RAM的读写控制信号。
系统总线的传输速率是由CPU主频和总线位宽共同决定的，通常称作总线带宽。
输入输出总线是用于连接计算机输入输出设备和CPU的信号线路。
通过输入输出总线，计算机和打印机、鼠标、键盘等外设可以进行数据交换和数据控制。
扩展总线则是一种可供用户扩展计算机功能的总线。
在计算机体系结构中，扩展总线采用插卡的形式，用户可以通过插卡的方式扩展计算机的功能。
例如扩展显卡、声卡等。
总的来说，计算机总线是计算机内部各种硬件设备之间传输信息的通路。
它可以分为系统总线、输入输出总线和扩展总线三类，每一类总线都起着独特的作用。
在计算机的使用中，我们需要对计算机总线有相关的了解，以便更好地使用计算机。
第二篇：计算机总线的分类与功能计算机总线是计算机内部各种硬件设备之间传输信息的通路，分为系统总线、输入输出总线和扩展总线三类。
（1）系统总线系统总线是计算机内部各种硬件设备之间进行数据和控制信号传输的通路。
系统总线包含数据线、地址线和控制线这三类线路。
其中，数据线用于传送数据，地址线用于传送RAM中存储单元的地址，控制线用于传送CPU对RAM的读写控制信号。
系统总线的传输速率受CPU主频和总线位宽影响，通常称作总线带宽。
（2）输入输出总线输入输出总线是计算机内部连接各种输入输出设备和CPU 的信号线路。
通过输入输出总线，计算机可以和打印机、鼠标、键盘等外设进行数据交换和数据控制。
输入输出总线的传输速率取决于具体的接口标准和外设类型，如USB、PS/2等。
计算机系统第九章总线分析
计算机系统第九章总线分析1. 引言总线是计算机系统中的一种重要的数据传输方式，它负责连接各个组件，实现数据传输和控制信号传递。
总线的设计和实现对计算机系统的性能和可靠性都有重要的影响。
本文将对计算机系统第九章总线分析进行深入讨论。
2. 总线的定义和分类总线是计算机内部各个组件之间传输数据和控制信号的通道。
根据总线连接的设备的不同，可以将总线分为内部总线、外部总线和扩展总线。
•内部总线用于连接计算机内部的主要组件，如中央处理器（CPU）、内存和存储器等。
它们通过内部总线进行数据传输和信息交换。
•外部总线用于连接计算机系统与外部设备的数据和控制信号传输，如连接外部存储设备、输入输出设备等。
•扩展总线用于扩展计算机系统的功能和性能，可以连接扩展卡、外部设备等。
3. 总线的工作原理计算机系统中的总线由多根线组成，包括数据线、地址线、控制线等。
在总线上进行数据传输时，首先要由总线控制器发出控制信号，指示总线的使用权。
然后，源设备将数据和地址等信息放置到总线上，接收设备接收这些信息并进行相应的处理。
总线的工作原理可以简单描述为以下几个步骤： 1. 总线初始化：计算机系统启动时，总线进行初始化，设置相关参数和寄存器。
2. 总线请求：需要使用总线进行数据传输的设备会向总线控制器发出请求信号。
3. 总线占用：总线控制器收到请求信号后，会判断是否有其他设备正在使用总线，如果有则等待，否则通过控制信号占用总线。
4. 数据传输：源设备将需要传输的数据放置到总线上，接收设备通过控制信号获得这些数据，进行相应的处理。
5. 总线释放：完成数据传输后，源设备通过控制信号释放总线，总线控制器再次进入等待状态。
4. 总线性能指标总线的性能指标是评估其工作能力和传输能力的重要参数，常见的总线性能指标包括带宽、传输速率和时延等。
•带宽是指单位时间内传输的数据量，通常以字节为单位。
•传输速率是指数据在传输过程中的速度，通常以位/秒为单位。
系统总线的概念
系统总线的概念系统总线是计算机系统中的一种重要的通信方式，它是一种用于连接计算机内部各个部件的通信线路，可以实现不同部件之间的数据传输和控制信号传递。
系统总线的主要作用是提高计算机系统的性能和可靠性，使得各个部件之间可以高效地协同工作，从而实现计算机系统的高效运行。
系统总线的主要内容包括以下几个方面：1. 总线结构系统总线的结构通常分为三层：物理层、数据链路层和传输层。
物理层是总线的物理连接部分，包括总线的接口、电缆、传输速率等；数据链路层是总线的数据传输部分，包括数据传输的协议、数据帧的格式、错误检测和纠正等；传输层是总线的控制部分，包括总线的控制信号、总线的仲裁机制、总线的时序控制等。
2. 总线协议系统总线的协议是指总线上各个部件之间进行通信所遵循的规则和约定。
总线协议通常包括数据传输的格式、数据传输的速率、数据传输的控制信号、总线的仲裁机制等。
常见的总线协议有PCI、USB、SATA等。
3. 总线控制总线控制是指控制总线上各个部件之间进行通信的过程。
总线控制通常包括总线的时序控制、总线的仲裁机制、总线的中断控制等。
总线控制的目的是保证总线上各个部件之间的通信顺序和正确性。
4. 总线性能总线性能是指系统总线的传输速率和传输带宽等性能指标。
总线性能的好坏直接影响到计算机系统的整体性能。
为了提高总线性能，可以采用增加总线带宽、提高总线传输速率、优化总线协议等方法。
总之，系统总线是计算机系统中的一种重要的通信方式，它可以实现不同部件之间的数据传输和控制信号传递，从而提高计算机系统的性能和可靠性。
系统总线的结构、协议、控制和性能等方面都是系统总线的重要内容。
第6章系统总线
6.1.1 总线的基本概念
式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线， 主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等 部件，因此也被称为处理器－主存总线，有的系 统把它称为局部总线或处理器总线。底板式总线 通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统 中的各个电路板的连接。典型的有PCI总线、 VME总线等。 I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计 算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多 方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等， 差异很大，所以I/O总线的种类很多。
6.1.1 总线的基本概念
6.1.1 总线的基本概念
3.系统总线的组成 一个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，地 址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线和 地址线复用。 数据线用来承载在源部件和目的部件之问传输的 信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如 果数据线和地址线复用的话）。 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单 元或I/O端口的地址。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用。
教学过程
6.1
系统总线的结构 6.2 总线的控制、数据传输和接口 6.3 常用总线
6.1系统总线的结构
计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互 联，才能组成计算机系统。 部件之间的互联方式: 分散连接：各部件之间通过单独的连线互联 总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输 线上。总线结构的两个主要优点是 灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线 上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统 之间互换 低成本。 现代计算机普遍使用的是总线互联结构。
总线的信号线类型有专用和复用两种。
专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一
系统总线的分类
系统总线的分类系统总线是计算机内部各个硬件组件之间进行数据传输和通信的重要手段。
根据不同的标准和功能，系统总线可以分为以下几类：一、ISA总线ISA总线（Industry Standard Architecture）是一种较早的系统总线标准，它最早出现在IBM PC/AT机型上。
ISA总线采用了16位的数据路径，传输速率相对较低，仅为4.77 MHz。
ISA总线主要用于连接低速外设，如串口卡、并口卡等，随着计算机技术的发展，ISA总线已经逐渐被更为先进的总线所替代。
二、PCI总线PCI总线（Peripheral Component Interconnect）是一种较为常见的系统总线标准，它是由英特尔公司于1993年推出的。
PCI总线采用32位或64位的数据路径，传输速率较高，最高可达133 MHz。
PCI总线主要用于连接高速外设，如显卡、声卡、网卡等。
由于PCI总线具有良好的兼容性和扩展性，因此在现代计算机中被广泛应用。
三、AGP总线AGP总线（Accelerated Graphics Port）是一种专门用于图形显示的系统总线标准，它是由英特尔公司于1996年推出的。
AGP总线采用32位的数据路径，传输速率较高，最高可达266 MHz。
AGP总线的主要特点是为图形处理器提供了独立的高速通道，使得图形显示的性能得到了显著提升。
四、PCI-X总线PCI-X总线（Peripheral Component Interconnect eXtended）是一种对PCI总线进行扩展的系统总线标准，它是由PCI-SIG组织于1998年推出的。
PCI-X总线采用64位或32位的数据路径，传输速率较高，最高可达1333 MHz。
PCI-X总线主要用于连接高速外设和扩展卡，如RAID卡、高性能网卡等。
由于PCI-X总线具有较大的带宽和较高的传输速率，因此在服务器等高性能计算机中得到广泛应用。
五、PCI Express总线PCI Express总线（Peripheral Component Interconnect Express）是一种较新的系统总线标准，它是由PCI-SIG组织于2004年推出的。
总线的基本概念
05 总线的优缺点
总线的优点
可靠性高
总线结构简单，各部件具有标 准的接口，因此可靠性较高。
可扩展性强
总线采用分支结构，易于扩展 ，可以适应系统规模的变动。
灵活性好
总线允许挂接多个设备，设备 间互不影响，增删设备方便。
成本较低
由于总线结构简单，所以成本 较低，适用于中小型系统。
总线的缺点
速度慢
由于总线上设备较多，每个设备都需要时间 来访问总线，导致整体速度较慢。
总线的传输方式
同步传输
同步传输是指总线上的所有节点都按 照同一个时钟信号进行操作，数据在 时钟信号的控制下进行传输。
异步传输
异步传输是指总线上的节点按照各自 的时钟信号进行操作，数据传输不受 时钟信号的控制，但需要额外的握手 信号来保证数据传输的正确性。
03 总线的应用场景
计算机总线
01
计算机总线是连接计算机各部件的一组公共信号线， 用于传输数据、地址和控制信号。
总线的分类
按照传输性质分类
可以分为数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于传输数据，地址总线 用于传输地址信息，控制总线用于传输控制信号。
按照连接设备分类
可以分为内部总线和外部总线。内部总线连接计算机内部设备或模块，如CPU、 内存、显卡等；外部总线连接计算机外部设备，如打印机、扫描仪、摄像头等。
低功耗总线技术
随着移动设备和物联网设备的普及， 低功耗总线技术越来越受到关注，如 I2C、SPI等，以延长设备续航时间和 降低能源消耗。
总线标准的统一
标准化组织
为了促进总线技术的发展和应用
，许多标准化组织致力于制定总
线标准，如PCI
SIG、USB
Implementers Forum等。
计算机控制系统第7章总线技术课件
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二、SPI总线的时序
在实际应用中，各I/O芯片只能在收到CPU发出的使能命令后，才能 向CPU传送数据或从CPU接收数据，并遵循“高位(MSB)在前，低位(LSB) 在后”的数据传输格式。
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三、SPI模式
CPHA=0时，SPI时序
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CPH=1时，SPI时序
现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性
产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发 展。
HART通信模型由3层组成 ：物理层、数据链路层和应用层。物理层采
用FSK(Frequency Shift Keying）技术在4～20mA模拟信号上迭加一个
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二、OSI参考模型与现场总线通信模型
典型的现场总线协议模型
如图所示。它采用OSI模型中的
三个典型层：物理层、数据链
路层和应用层，并增加一个现
场总线访问子层，以取代OSI模
型中第3～6层的部分功能，以
满足工业现场应用的要求。它
是OSI模型的简化形式，其流量
与差错控制在数据链路层中进
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（2）根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下3种类型
①局部总线
②系统总线
③外总线
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3
（3）根据总线传送信号的形式，总线又可分为2种
①并行总线 如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线 的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。 ②串行总线 串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信 号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。 显然，上面提到的总线和局部总线均属于并行总线范畴。而现场总 线(Fieldbus)则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、 双向、多站点的串行通信网络。
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总线的基本概念
寄存器组
R6
y
CPU总线接口
用系统总线对主要功能部件进行互连
ALU
显卡
CPU(前端)总线
北桥芯片
存储器总线
主存储器 0
y
A
I/O 总线
USB 控制器和接口
鼠标器 键盘
以太网卡 网线
南桥芯片
I/O 总线 磁盘控制器
主板扩展槽 PCI接口
声卡 视频卡
光驱 disk
I/O模块 补充说明：Intel架构中前端总线称为系统总线
总线的特性和性能指标
总线是一组电导线，在部件间共享传输信息。 总线标准需规定以下基本特性：
➢ 物理机械特性：连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以 及引脚线的排列等。 连线类型：电缆式、主板式、底板式 连线数量：串行总线、并行总线
➢ 电气特性：每条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。 信号方向：数据为双向、地址为单(同)向、控制为单(异)向 电平表示方式：单端方式、差分方式
总线的基本概念
部件的功能和指令的执行过程 每个指令周期完成不同的操作任务，这些任务涉及到： CPU从主存取指令、取数据； CPU把结果数据送主存； CPU送数据到I/O模块，或从I/O模块获得数据； 主存和I/O模块直接交换数据； I/O模块将中断请求信号送CPU； CPU从I/O模块读取中断向量；等等
系统总线的分类
按总线的数据传输方式来分 ➢ 串行总线：按位传输，一个方向只需一根数据线，成本低，适 合于远距离数据传输。 近年出现高速串行总线 波特率：每秒钟通过信道传输的码元数.也称码元传输速率， 单位为位/秒（b/s）。 ➢ 并行总线：同时有多位一起传送，每一位有一根数据线，故需 多根数据线。 可采用突发式（burst）传送：串行和并行相结合，在一个 总线事务中连续传送多个字，字与字之间串行，字中每一位 并行传输。
回顾：基于总线互连的计算机系统结构
寄存器组
y
CPU总线接口
问题：各类总线的带宽是多少？
ALU
显卡
处理器总线
北桥芯片
存储器总线
主存储器 0
y
A
I/O 总线
USB 控制器和接口
鼠标器 键盘
以太网卡 网线
南桥芯片
I/O 总线
磁盘控制器
主板扩展槽 PCI接口
声卡 视频卡
光驱 disk
处理器总线的带宽
早期处理器总线称为前端总线（FSB），传输速率单位实际上是MT/s，但 习惯上用工作频率单位（MHz）表示
I/O模块CPU ➢ CPU须给出所访问的I/O模块的地址信息 ➢ CPU须给出读/写控制信息 ➢ CPU和I/O模块之间有数据交换
I/O模块主存 ➢ 在某些情况下I/O模块和主存之间可以直接交换数据 ➢ I/O模块(如DMA控制器)要能给出所访问主存单元的地址 ➢ I/O模块要能给出读/写控制信息
CPU
控制器
标 志 寄 存 器
IR
ALU
PC
MAR
GPRs
0 1
2
3
MDR
地址 控制 数据
存储器
0 1 2 3 4
5 6 7
输入 设备
输出 设备
在这个结构模型中，总线在哪里？起什么作用？ 部件之间信息交换需要用线互连，可点对点或多点互连，总线用于互连！
总线的基本概念
计算机中三大部件的功能 • 中央处理器（CPU）：执行指令（数据加工） • 主存储器（MM）：存储指令和数据 • 输入/输出 （I/O）：输入程序和数据，输出程序执行结果 计算机所有功能都是通过CPU执行指令来实现！ 指令和数据保存在主存储器、磁盘中，或从键盘直接输入数据 因此：在CPU和主存之间、CPU和键盘之间、主存和磁盘之间 都需要有信息交换，需要有线路互连
早期FSB每个时钟传送一次，故时钟频率与工作频率（数据传输速率）一致 从Pentium Pro开始，FSB采用quad pumped技术，在每个总线时钟周期
内传4次数据，总线数据传输率等于总线时钟频率的4倍 ➢ 若时钟频率为333MHz，则数据传输率为1333MT/s，即1.333GT/s，
习惯上称工作频率为1333MHz（实际时钟频率仅333MHz） ➢ 例如，Intel Xeon 5400处理器的前端总线运行速度可以是 266MHz
端口的地址。地址线的宽度反映最大的寻址空间。
➢ 控制线：控制对数据线和地址线的访问和使用。用来传 输定时信号和命令（读、写等）信息。
系统总线的组成
典型的控制信号包括： ➢ 时钟：用于总线同步。 ➢ 复位：初始化所有设备。 ➢ 总线请求：表明发出该请求信号的设备要使用总线。 ➢ 总线允许：表明接收到该允许信号的设备可以使用总线。 ➢ 中断请求：表明某个中断正在请求。 ➢ 中断回答：表明某个中断请求已被接受。 ➢ 存储器读：从指定的主存单元中读数据到数据总线上。 ➢ 存储器写：将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。 ➢ I/O读：从指定的I/O端口中读数据到数据总线上。 ➢ I/O写：将数据总线上的数据写到指定的I/O端口中。 ➢ 传输确认：表示数据已被接收或已被送到总线上。
回顾：计算机是如何工作的？
如果你知道你妈妈是如何做菜的，你就已经知道计算机是如何工作的！ 你能告诉我计算机是如何工作的吗？ “存储程序”工作方式！
CPU 控制器
标 志 寄 存 器
IR
ALU
PC
MAR
GPRs
0 1
2
3
MDR
地址 控制 数据
存 设备
输出 设备
回顾：计算机是如何工作的？
部件间的信息交换 （CPU 主存， CPU I/O模块，I/O模块主存）
总线的基本概念
部件的外部特性 与其它部件间的互连信息（交换信息）
总线的基本概念
各部件的输入/出信息
读 主存
写 0
地址 1
… 数据
n-1
…... …... …...
指令 数据
读 写 内部数据
地址
I/O 模块
0 1
…
外部数据 m-1
➢ 功能特性：总线中每根传输线的功能。 ➢ 时间特性：总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根
线产生的信号之间的时序关系。
总线的特性和性能指标
尽管有不同实现方式，但总线设计基本要素和性能指标是类似的。 总线宽度：数据线的宽度(8位/16位/32位/64位/128位/…) 信号线类型：专用信号线 / 复用信号线 仲裁方法：集中式裁决 / 分布式裁决 定时方式：同步通信 / 异步通信 事务类型：所支持的数据传输类型和其他总线操作类型 工作频率：早期总线一个时钟周期传送一次数据，工作频率等于时钟频 率。现在一个时钟周期可传送2次或4次数据，故工作频率是时钟频率 的2或4倍。 总线带宽(最大数据传输率)：每秒钟在总线上能传输的最大字节数。 例 ： 总 线 工 作 频 率 为 33MHz ， 总 线 宽 度 为 32 位 ， 则 总 线 带 宽 为 33MHz x 4B = 132MB/s。 信号线条数：数据线、地址线、控制线的总和
南桥芯片
I/O 总线
主板扩展槽 PCI接口
南桥是一个I/O控制器集线器（I/O Controller Hub, ICH）芯片，其中 可以集成USB控制器、磁盘控制器、以太网络控制器等各种外设控制器， 也可以通过南桥芯片引出若干主板扩展槽，用以接插一些I/O控制卡。
系统总线的分类
处理器总线
早期的Intel处理器总线称为前端总线（Front Side Bus，FSB），是主 板上最快的总线，主要用作处理器与北桥芯片进行信息交换。
基于总线互连的计算机系统结构
CPU内部总线在CPU内部互连
寄存器组
系统总线用于功能部件互连
y
CPU总线接口
ALU
显卡
处理器总线
北桥芯片
存储器总线
主存储器 0
y
A
I/O 总线
南桥芯片
USB 控制器和接口
鼠标器 键盘
以太网卡 网线
I/O 总线
主板扩展槽 PCI接口
磁盘控制器 声卡 视频卡
光驱 disk
存储器总线
早期的存储器总线由北桥芯片控制，处理器通过北桥芯片和主存储器、 图形卡（显卡）以及南桥芯片进行互连。
Core i7以后的处理器芯片中集成了内存控制器，因而，存储器总线直 接连接到处理器。
I/O总线
I/O总线用于为系统中的各种I/O设备提供输入/输出通路，在物理上通 常是主板上的一些I/O扩展槽和连线。
内部总线仅传输数据信息；系统总线上要传输数据、地址和控制信息
基于总线互连的计算机系统结构
寄存器组
y
CPU总线接口
北桥是主存控制器集线器（Memory Controller Hub，MCH）芯片, 通过 MCH芯片，可直接访问主存和显存
ALU
显卡
主存储器 0
处理器总线
北桥芯片
存储器总线
y
A
I/O 总线
（1066MT/s）、333MHz（1333MT/s）或者 400MHz （1600MT/s） ➢ 若前端总线的工作频率为1333MHz（实际时钟频率为333MHz），总 线宽度为64位，则总线带宽为10.664GB/s。 对于多CPU芯片的多处理器系统，则多个CPU芯片通过一个FSB进行互连
处理器总线的带宽
总线的分类
• 总线在各个层次上提供部件之间的连接和信息交换通路， 按不同的层次分以下几类： – 内部总线：指芯片内部连接各元件的总线。例如CPU 芯片内部，在各个寄存器、ALU、指令部件等各元件 之间有总线相连。 – 系统总线：指连接CPU 、存储器和各种I/O模块等主 要部件的总线。又称板级总线或板间总线。 • 处理器总线、存储器总线、I/O总线 – 通信总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计算机 系统之间的通信。