6.1 单机系统的总线结构

在探讨计算机系统的基础构造时，我们不可避免地要涉及到系统总线的概念。总线是连接各个计算机组件的桥梁，确保了信息的高效传递。本章将专注于解析单机系统中的总线结构。

数字计算机由多个关键系统部件组成，而这些系统部件的协同工作才能构成一个完整的计算机系统。总线便是贯穿其中的骨架，一个重要的基础设施，它为系统内部各部件间的信息传递提供了可能。

总线是一个多功能部件间数据传输的公共通路。它可以根据作用范围和功能差异分为以下几类：

在这一章节中，我们将重点介绍系统总线。

总线的特性可以从多个方面进行描述：

物理特性：

功能特性：

电气特性：

时间特性：

总线在计算机系统中起着至关重要的作用。它不仅是信息流动的通道，也决定了系统的扩展性和兼容性。通过对总线的深入理解，我们能够更好地把握计算机系统的设计和优化空间。

在这一章节中，我们将逐步深入探索系统总线的物理实现，功能分配，以及电气和时间特性，从而全面理解其在计算机系统中的复杂作用和重要意义。

在深入探讨计算机系统总线时，标准化问题是避不开的关键话题。正是由于系统总线的标准化，不同厂家生产的功能相同的部件才能够互换使用。这一节将重点探讨系统总线的标准化及其重要性。

总线标准化是实现各功能部件互操作性的基础。虽然不同厂家生产的部件在实现方式上各不相同，但只要它们遵守同一套总线标准，就能够在同一系统中无缝配合工作。

在微型计算机系统中，有许多类型的标准总线，其中广泛采用的有ISA总线、EISA总线和MCA总线。

通过对ISA总线和MCA总线的比较，我们可以看到标准化带来的不同影响。

总线标准化使得不同厂商的产品能够协同工作，为用户提供更广阔的选择空间，并推动了行业内的竞争与创新。同时，标准化也为系统升级提供了便利，延长了现有系统的生命周期。

总线的标准化不仅对制造商有着深远的影响，也直接关系到最终用户的利益。用户可以根据需要自由选择不同厂商的产品组装或升级计算机，而无需担心兼容性问题。这一开放式的设计理念至今仍是计算机硬件发展中的一项重要原则。

在构建和扩展计算机系统时，总线的连接方式是至关重要的设计考量。总线不仅承载了数据和指令流动的路径，更是确保各种设备能够高效同步工作的纽带。下面，我们将探讨单机系统中总线连接方式的原理和影响。

尽管数字计算机可通过外围设备的扩展来增强其功能，但是设备的多样性和速度差异使得直接连接至CPU变得不可行。这就需要一种方法能够将外围设备与计算机连接起来，并且保证它们能够协同工作。

接口在计算机中起着桥梁的作用，不仅实现了速度上的匹配和同步，还负责了数据的传送和控制。这样的部件也被称作“适配器”或“设备控制器”。

根据总线与设备的连接方式的不同，单机系统中的总线结构主要分为三种基本类型：单总线结构、双总线结构和三总线结构。

在微小型计算机中普遍采用的是单总线结构，这种结构利用一条单一的系统总线将CPU、内存以及I/O设备连接起来。这一连接方式的图示如上所提供的图6.1。

在单总线结构中，总线的共享性要求连接到总线上的部件必须能够快速地获得和放弃总线控制权，以避免由于等待而产生的时间延迟。

单总线结构由于其简洁性在许多计算机系统中被广泛采用。然而，由于总线被系统中所有部件共享，这可能导致带宽成为系统性能的瓶颈，尤其是在多个设备同时请求总线时。高性能计算机系统可能采用更复杂的总线结构来缓解这一限制。总线的设计和优化一直是计算机架构发展中的关键课题。

随着计算机系统的发展，为了提高信息传输的吞吐量和系统的整体效率，单总线结构已经不能满足高性能计算的需求。因此，双总线和三总线结构应运而生，它们通过在系统中增加额外的数据通道，减轻了总线的负载，提高了数据传输的效率。

在单总线系统中，由于所有部件共用一条总线，总线的工作是分时的，也就是说，在同一时间只能允许两个部件之间进行数据传输。这限制了数据传输的速率和整个系统的信息处理能力。

为了解决这一问题，双总线系统出现了。如图6.3所示，双总线结构在CPU和内存之间设置了一条专用的高速存储总线，这样CPU就可以通过这条专用总线与内存直接交换信息，从而减轻了系统总线的负担。同时，内存也能通过系统总线与外部设备进行DMA操作，而不必经过CPU。

双总线结构保留了单总线系统的简单性和易于扩展的特点，同时提高了CPU与内存之间信息交换的速度。然而，这种结构的缺点是增加了硬件成本。在当前的高档微型计算机中，这种结构被广泛采用。

三总线系统，如图6.4所示，是在双总线结构的基础上，增加了I/O总线来形成的。在这种结构中，系统总线作为CPU、内存和通道（IOP）之间传送数据的公共通路，而I/O总线则是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。

三总线系统的特点是引入了“通道”概念，通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，也称为I/O处理器（IOP），它分担了CPU的部分功能，负责管理外部设备以及实现外设与内存之间的数据传送。

引入通道大大提高了CPU的效率，因为它减轻了CPU在数据输入输出过程中的工作负担。不过，这样的效率提升是以增加更多硬件为代价的。因此，三总线结构通常用于中型和大型计算机系统中。

双总线和三总线结构为计算机系统提供了更为高效的数据处理能力，尤其是在大量数据传输和高速操作的环境中。虽然这些结构增加了硬件的复杂性和成本，但它们在提升系统性能方面的贡献是不可否认的，尤其是在处理大量数据和高速运算的大型系统中。随着技术的发展和性能需求的提高，这些高级总线结构变得越来越重要。

探究计算机体系结构时，总线结构显得尤为重要。不同的总线结构对计算机系统性能的影响巨大，包括存储容量、指令系统的组织以及系统的吞吐量。接下来，我们将从这三个关键方面详细探讨总线结构如何影响计算机系统的性能。

在单总线系统中，由于地址空间需要同时满足内存和外围设备的需求，因此必须为外围设备预留地址范围，这限制了可用于内存的地址空间。结果就是，实际可用的最大内存容量要小于理论上由地址总线宽度所能支持的容量。

与单总线结构相比，双总线结构解决了这一限制。因为内存地址和外设地址在不同的总线上，存储容量就不受外围设备数量的影响，最大存储容量可以接近地址总线的理论最大值。

在单总线系统中，由于内存和I/O使用相同的地址空间，它们可以共用操作码。而双总线系统因为有专门的内存总线和系统总线，必须使用不同的指令集来区分对内存和I/O设备的操作。

这种差异意味着在双总线系统中，程序员或编译器必须选择正确的指令和总线，这增加了编程的复杂性，但同时也允许了对数据流的更细致管理，可以提高性能。

系统的吞吐量受到数据输入输出速率的影响，而这些步骤往往涉及内存的存取周期。内存的访问速度直接影响整个系统的响应时间和处理能力。

双端口存储器，连接到双总线结构上，可以同时进行读写操作，显著提升了信息处理的速率。这种设计允许更多的数据在同一时间内流入或流出系统。

在三总线结构中，通道的引入使得CPU不必直接管理所有的外围设备，由专门的I/O处理器来处理与外设的数据交换，从而提高了系统的吞吐量。这种架构尤其适用于需要处理大量I/O操作的中大型系统。

综上所述，总线结构是确定计算机系统性能的关键因素之一。优化总线结构可以显著提高系统的存储容量、操作的灵活性以及吞吐量，从而提升整个系统的性能。随着计算需求的增加，设计高效的总线结构变得愈发重要，它是推动计算机系统向更高性能发展的基石。