什么是计算机中的高速公路-总线?

如题所述

现代计算机运作的核心是冯·诺依曼架构,它巧妙地通过总线系统协调各个部件间的高效通信。总线,就像电子世界的高速公路,连接着CPU、内存、I/O设备,从N^2的复杂通信难题简化为简单的N级连接,极大地提升了计算机的效率。总线分为三大类:片内总线(芯片内部)、通信总线(系统间)和系统总线,其中系统总线又包括数据、地址和控制三部分,它们决定了计算机的核心性能。


字长与字节: 计算机的基本存储单元是字节,最小为8位(1Byte),常见的字长有32位和64位,这影响着数据的处理速度和内存管理。


数据总线: 数据传输的关键,位宽等于CPU位宽或机器字长,例如8088处理器,8位宽的数据总线能传输1字节,但现代CPU则有所不同,比如32位CPU能传输4字节。


地址总线: 传输内存地址,位宽决定了寻址能力,如16位CPU搭配16位地址总线,最大寻址可达64KB。


CPU与内存: CPU的寻址能力由地址总线决定,与自身位宽无关,比如32位CPU通过16位地址总线可扩展至4GB内存,但受限于地址线数量。


控制总线: 双向传输控制信号,赋予CPU精确控制外部设备的能力,是系统协调的核心。


共享与分时性: 总线设计遵循共享原则,但同时也需兼顾分时性,确保同一时间只有一个部件能发送数据,其他部件则作为接收者。


总线结构演变: 从早期的单总线结构(所有设备共用一条总线),到双总线结构(解决I/O速度慢问题),再到三总线结构(如引入DMA总线提高数据传输效率),每一步都反映了技术的进步。


DMA: DMA(直接内存访问)通过专用控制器,实现内存与I/O设备间的高效交互,减少CPU的介入,显著提升系统效率。


总线控制与仲裁: DMA与CPU通过总线控制权的快速切换,以及DMA总线的引入,确保数据传输有序,提升了系统的并发性能。


性能指标: 总线的性能由传输周期、时钟周期、工作频率、位宽(带宽)、复用和信号线数等关键参数衡量,其中带宽是衡量效率的重要指标,如22MHz的16位总线可以提供44MB/s的数据传输速率。


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