总线的分类和区别

在计算机系统的硬件组成中，总线（Bus）是不可缺少的一部分，将各大基本部件按照一定的方式链接起来就构成了计算机硬件系统。就目前来讲，许多微型计算机的各大部件之间都是用总线链接起来的。

总线是一组能够为各部件提供服务的公共信息传送线路，它能够分时地发送与接收各部件的信息，是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通道，CPU通过总线实现读取指令，并实现与内存、外设之间的数据交换，在CPU、内存与外设确定的情况下，总线速度是制约计算机整体性能的关键，总线的性能对于解决系统瓶颈、提高整个微机系统的性能有着十分重要的影响。因此在微型计算机二十多年的发展过程中，总线结构也不断地发展变化。总线结构已成为微机性能的重要指标之一。

一、总线分类

1. 片内总线和片外总线

片内总线是CPU内部的寄存器、算术逻辑部件、控制部件以及总线接口部件之间的公共信息通道。

片外总线则泛指CPU与外部器件之间的公共信息通道。

我们通常所说的总线大多是指片外总线。有的资料上也把片内总线叫做内部总线或内总线（Internal Bus），把片外总线叫做外部总线或外总线（External Bus）。

2. CPU总线、系统总线和外设总线

CPU总线是从CPU引脚上引出的连接线，用来实现CPU与外围控制芯片和功能部件之间的连接。

系统总线也称为I/O通道总线，用来与存储器和扩充插槽上的各扩充板卡相连接。常见的系统总线有ISA、PCI、PCI-E等。系统总线是通过专用的逻辑电路的对CPU总线的信号在空间与时间上进行逻辑重组转换而来。

外设总线是指计算机主机与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。目前在微型计算机上流行的接口标准有：IDE（EIDE/ATA，SATA）、SCSI、USB和IEEE 1394四种。前两种主要用于连接硬盘、光驱等外部存储设备，后面两种可以用来连接多种外部设备。

3.地址总线、数据总线和控制总线

几乎所有的总线都要传输三类信息：数据、地址和控制/状态信号，相应地每一种总线都可认为是由数据总线、地址总线和控制总线构成。

数据总线（Data Bus，DB）用于在各个部件/设备之间传输数据信息。

地址总线（Address Bus，AB）用于在CPU（或DMA控制器）与存储器、I/O接口之间传输地址信息。

控制总线（Control Bus，CB）用于在CPU（或DMA控制器）与存储器、I/O接口之间传输控制和状态信息。

从微机体系结构来看，有两种总线结构，即单总线结构和多总线结构。在多总线结构中，又以双总线结构为主。

1. 单总线结构

计算机的各个部件均由系统总线相连，在单总线结构中，CPU与主存之间、CPU与I/O设备之间、I/O设备与主存之间、各种设备之间都通过系统总线交换信息。单总线结构的优点是控制简单方便，扩充方便。但由于所有设备部件均挂在单一总线上，使这种结构只能分时工作，即同一时刻只能在两个设备之间传送数据，这就使系统总体数据传输的效率和速度受到限制，这是单总线结构的主要缺点。单总线结构图如下所示：

2. 双总线结构

双总线结构又分为面向CPU的双总线结构和面向存储器的双总线结构。

面向CPU的双总线结构如下图所示。其中一组总线是CPU与主存储器之间进行信息交换的公共通路，称为存储总线。另一组是CPU与I/O设备之间进行信息交换的公共通路，称为输入/输出总线（I/O总线）。外部设备通过连接在I/O总线上的接口电路与CPU交换信息。

由于在CPU与主存储器之间、CPU与I/O设备之间分别设置了总线，从而提高了微机系统信息传送的速率和效率。但是由于外部设备与主存储器之间没有直接的通路，它们之间的信息交换必须通过CPU才能进行中转，从而降低了CPU的工作效率（或增加了CPU的占用率。一般来说，外设工作时要求CPU干预越少越好。CPU干预越少，这个设备的CPU占用率就越低，说明设备的智能化程度越高），这是面向CPU的双总线结构的主要缺点。

面向存储器的双总线结构保留了单总线结构的优点，即所有设备和部件均可通过总线交换信息。与单总线结构不同的是在CPU与存储器之间，又专门设置了一条高速存储总线，使CPU可以通过它直接与存储器交换信息。面向存储器的双总线结构信息传送效率较高，这是它的主要优点。但CPU与I/O接口都要访问存储器时，仍会产生冲突。这种总线结构的示意图如下。

二、总线的性能指标

1）总线带宽BW

总线的带宽指的是单位时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每秒钟传送多少字节。单位是字节/秒（B/s）或兆字节/秒（MB/s）。与总线带宽密切相关的两个概念是总线宽度和总线的工作频率。

2）总线宽度W

总线的宽度指的是总线能同时传送的数据位数，即我们常说的16位、32位、64位等总线宽度的概念。在工作频率固定的条件下，总线的带宽与总线的宽度成正比。

3）总线工作频率f

总线的工作频率即总线的时钟频率，以MHz为单位。它是指用于协调总线上的各种操作的时钟信号的频率。工作频率越高则总线工作速度越快。

总线带宽、总线宽度、总线工作频率三者之间的关系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的关系。车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越快则车流量越大。同样，总线带宽取决于总线宽度和工作频率，总线宽度越宽，工作频率越高，则总线带宽越大。当然，单方面提高总线的宽度或工作频率都只能部分提高总线的带宽，并容易达到各自的极限。只有两者配合才能使总线的带宽得到更大的提升。

总线带宽的计算公式如下：

BW =（W/8）× f/每个存取周期的时钟数

【例】总线时钟频率为100MHz的32位总线，若每两个时钟周期完成一次总线存取操作，则总线带宽=32/8×100/2=200MB/s。

三、嵌入式软件层面的单总线和多总线的区别

对于嵌入式软件编程来说，由于单总线结构是将CPU、I/O和存储器都接在同一总线上，因此对内存的操作和对I/O的操作可以使用相同的指令系统，但是对于多总线结构，由于CPU和主存、CPU和I/O之间使用不同的系统总线，因此，操作内存和操作I/O使用不同的指令，即：不能用操作内存的方式去操作I/O端口。

单总线的典型代表（ARM架构的CPU），多总线的典型代表（X86架构的CPU）。