导图社区 第六章总线
这是一篇关于408考研,期末考试,计算机组成原理,总线的思维导图,专为计算机专业学生、考研 / 软考备考者、计算机底层原理学习者打造,是系统梳理总线系统核心知识的高效学习工具。思维导图的结构化呈现方式,将总线概述、总线仲裁、总线操作和定时、总线标准四大核心模块拆解为层级清晰、逻辑连贯的分支框架,同时融入关键原理示意图、性能计算要点与对比说明,帮助使用者快速构建总线系统的知识体系,精准攻克总线分类、仲裁方式、传输定时与性能分析等重难点与高频考点。对于计算机专业学生与考研 / 软考备考者而言,这份思维导图模板可直接用于课堂笔记整理、期末复习、考点梳理,将总线的特性与分类、集中式 / 分布式仲裁方式、同步 / 异步传输定时、总线性能指标计算等零散知识点系统化,降低理解与记忆难度,提升备考效率;对于计算机底层原理学习者,模板清晰呈现了计算机系统中各部件通过总线进行数据传输的完整逻辑,可用于入门学习、硬件原理学习的知识框架搭建,快速建立对计算机系统互连机制的整体认知。模板完整覆盖总线系统核心考点:从总线的基本概念、分类与特性,到总线仲裁的集中式与分布式实现;从总线操作的同步 / 异步 / 半同步定时方式,到总线标准与性能指标计算,均以思维导图形式清晰呈现,层级分明,便于快速查阅、重点标记与按需编辑修改,适配备考笔记、课程复习提纲、学习课件等多种场景。
编辑于2026-05-07 16:00:55这是一篇关于408考研,期末考试,计算机组成原理,输入输出系统思维导图,专为计算机专业学生、考研(如 408 统考)/ 软考备考者、计算机硬件底层原理学习者打造,是系统梳理 I/O 系统核心知识的高效学习工具。思维导图的结构化呈现方式,将 I/O 系统的基本概念、I/O 接口、I/O 控制方式、中断处理流程四大核心模块拆解为层级清晰、逻辑连贯的分支框架,同时融入高频考点标注、原理示意图与对比表格,帮助使用者快速构建输入 / 输出系统的知识体系,精准攻克 I/O 控制方式对比、DMA 传输原理、中断处理流程、磁盘调度算法等重难点与高频考点。对于计算机专业学生与考研 / 软考备考者而言,这份思维导图模板可直接用于课堂笔记整理、期末复习、考点梳理,将 I/O 接口的软硬件构成、程序查询 / 中断 / DMA 控制方式的差异、中断响应与处理全过程、磁盘调度计算等零散知识点系统化,降低理解与记忆难度,提升备考效率;对于计算机底层原理学习者,模板清晰呈现了主机与外设数据交互的完整逻辑,可用于入门学习、硬件原理学习的知识框架搭建,快速建立对计算机输入输出系统的整体认知。模板完整覆盖输入 / 输出系统核心考点:从 I/O 系统的基本概念、接口的分类与工作原理,到程序查询、中断、DMA 三种核心 I/O 控制方式的对比;从中断响应与完整处理流程,到磁盘调度算法、DMA 传输原理等计算类高频考点,均以思维导图形式清晰呈现,层级分明,便于快速查阅、重点标记与按需编辑修改,适配备考笔记、课程复习提纲、学习课件等多种场景。该模板借助万兴脑图软件绘制,助力计算机学习者高效掌握输入 / 输出系统核心知识。
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第六章总线
总线概述
总线的基本概念
特点
每个总线可能由很多根信号线组成
同一时刻只能有一个部件发送数据,但可有多个部件接收数据
为什么要用总线?
分散连接方式,不易实现随时增减外部设备
为解决I/O设备和主机之间连接的灵活性问题
总线的定义
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
总线的特点
分时
同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息
如果系统中有多个部件,则它们只能分时地向总线发送信息
共享
总线上可以挂接多个部件
各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享
总线的两个优点
灵活
成本低
总线的特性
机械特性
尺寸、形状、管脚数、排列顺序
电气特性
传输方向和有效的电平范围
功能特性
每根传输线的功能(地址、数据、控制)
时间特性
信号的时序关系
总线设备
主设备
获得总线控制权的设备
一条总线上可以有多个设备作为主设备,但在同一时刻只能有一个主设备控制总线的传输操作
从设备
被主设备访问的设备,响应从主设备发来的各种总线命令
总线的猝发传输方式
在一个总线周期内传输存储地址连续的多个数据字的总线传输方式
总线事务
通常把总线上一对设备之间的一次信息交换称为总线事务
典型的总线事务有存储器读、存储器写、I/O读、I/O写和中断响应等
总线的分类
按数据传输格式
串行总线
每次传一位
USB
优点
只需要一条传输线
成本低
广泛应用于长距离传输
应用于计算机内部时,可以节省布线空间
抗干扰能力强
缺点
在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配
要考虑串行-并行转换的问题
并行总线
每次传多位
CPU和主存之间用于传送数据的数据总线是一种并行总线
优点
总线的逻辑时序比较简单
电路实现起来比较容易
缺点
信号线数量多,占用更多的布线空间
远距离传输成本高
并行的信号线之间会产生严重干扰
可能会导致二进制位的跳变
干扰问题导致发生频率有上限
总线带宽=总线工作频率x总线宽度( bit/s )
1. 工作频率相同时,串行总线传输速度比并行总线慢
2.并行总线的工作频率无法持续提高,而串行总线可以通过不断提高工作频率来提高传输速度,最终超过并行总线。
并行总线不一定比串行总线快
按总线功能/连接部件不同分类
片内总线
CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线
系统总线
计算机系统内各功能部件(CPU、主存、I/O接口)之间相互连接的总线
一台计算机内部的
按系统总线传输信息内容的不同
数据总线DB
传输各功能部件之间的数据信息
包括指令和操作数
存放在内存单元
根据指令执行的不同阶段来区分指令还是操作数
位数/根数与机器字长、存储字长有关
双向传输
数据通路
表示的是数据流经的路径
逻辑上的描述
数据总线
是承载数据流动的物理媒介
地址总线也能传输数据,也能作为数据通路的物理媒介
注
间址寻址首次访问内存所得到的信息是操作数的有效地址,该地址作为数据通过数据总线传送至 CPU
中断类型号通过数据线传输
地址总线AB
传输地址信息,包括主存单元或I/O端口的地址
位数(根数)与主存地址空间大小及设备数量有关
单向传输
控制总线CB
一根控制线传输一个信号
对于单根控制线来说,传输信息的方向是单向的
传输方向正好相反
传输控制信息和状态信息
对于整个控制线来说,传输方向
有出
CPU送出的控制命令
控制信息通过控制总线由 CPU 发送至内存或外设
有入
主存或外设返回CPU的反馈信号
状态信息则通过状态总线由内存或外设发送至CPU
用来传输定时信号和命令信号
(简单的)
典型的控制信号
时钟
用于总线同步
复位
初始化所有设备
总线请求和总线允许
发出该请求信号的设备要使用总线
表明接收到该允许信号的设备可以使用总线
中断请求和中断回答
表明某个中断正在请求
表明某个中断请求已被接受
存储器读/写
从规定的主存单元中读数据到数据总线上
将数据总线上的数据写到指定的主存单元中
I/O读或写
传输确认
通信总线
也称为外部总线
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)之间信息传送的总线
网线
不同计算机之间的
注
单机系统不需要通信总线
按时序控制方式
同步总线
异步总线
连线的类型
电缆式
采用扁平电缆连接电路板
主板式
在印刷电路板或卡上刻蚀出平行的金属线
底板式
通常在机箱中设置插槽
AGP总线、PCI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的CPU和主存等部件,因此被称为处理器-主存总线,有时也将存储器总线和CPU总线分开,中间通过桥接器连接
底板式总线通常用于将系统的各个I/O功能模块连接到主机上,所以底板式总线属于I/O总线,典型的有PCI总线、AGP总线和PCI-express总线
系统总线的结构
单总线结构
结构
CPU、主存、I/O设备(通过I/O接口)都连接在一组总线上
允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息
注
单总线并不是指只有一根信号线
地址总线、数据总线和控制总线

优点
结构简单,成本低,易于接入新的设备
缺点
带宽低、负载重
多个部件只能争用唯一的总线
不支持并发传送操作
操作系统中的并行
同一时刻只能有两组部件之间在数据传送,不可能多组部件同时通过总线传递数据
双总线结构
分类
以主存为中心
包含主存总线和系统总线的双总线结构
将I/O设备分离开
包含主存总线和I/O总线和IO设备的双总线结构
结构
两条总线
主存总线
用于CPU、主存和通道之间进行数据传送
突发(猝发)传送
送出一个地址,收到多个地址连续的数据
主存中保存的信息很多时候需要被连续访问
指明一个地址之后,连续读出多个地址的数据,提高系统的效率
I/O总线
用于多个外部设备与通道之间进行数据传送

通道
具有特殊功能的处理器,能对I/O设备进行统一管理
可以理解成小CPU
缓和CPU和各自IO设备之间的速度矛盾
通道程序放在主存中
优点
实现存储器总线和I/O总线分离
将较低速的I/O设备从单总线上分离出来
缺点
需要增加通道等硬件设备
三总线结构
在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路
主存总线
I/O总线
DMA总线
直接内存访问
传统的三总线结构
处理器-CACHE总线
主存总线
I/O总线

某些高速的IO设备可以通过更快的DMA总线和主存之间进行数据的交互
慢速的IO设备和CPU直接连接,响应更快
优点
提高了(高速)I/O设备的性能,使其更快地响应命令,提高系统吞吐量
缺点
系统工作效率较低
三个总线同一时刻只能有一个在工作
四总线结构(补充)
1.桥接器:用于连接不同的总线,具有数据缓冲、转换和控制功能。
串并行转换
2.靠近CPU的总线速度较快。
3.每级总线的设计遵循总线标准(见本章第4节)。
一般不考
多总线结构
用速率高的总线连接高速设备,用速率低的总线连接低速设备
靠近CPU的总线速度较快
各总线通过桥接器相连
桥接器
起流量交换作用
不同总线速率不同
突发传送方式把多个数据单元作为一个独立传输处理,从而最大化设备的吞吐量
现实中一般用支持突发传送方式的总线来提高存储器的读/写效率
总线的性能指标
总线的传输周期(总线周期)
一次总线操作所需的时间
利用总线来传输一组数据所需要的时间
通常由若干个总线时钟周期构成
总线周期的四个阶段
申请分配阶段
由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请,经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者
解决多个设备争用总线的问题
分为
传输请求
总线仲裁阶段
寻址阶段
获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令,启动参与本次传输的从模块
传输阶段
主模块和从模块进行数据交换,可单向或双向进行数据传送
结束阶段
主模块的有关信息均从系统总线上撤除,让出总线使用权
注
大多数情况下,一个总线周期包含多个总线时钟周期
有的时候一个总线周期就是一个总线时钟周期
在一个时钟周期内,分别在上升沿和下降沿都进行了一次数据传输
一个时钟周期里包含了两个时钟周期
总线时钟周期(机器的时钟周期)
计算机有一个统一的时钟,以控制整个计算机的各个部件,总线也要受此时钟的控制
现在的计算机中,总线时钟周期也有可能由桥接器提供
总线的工作频率
总线上各种操作的频率,为总线周期的倒数
若总线周期=N个时钟周期
总线的工作频率=时钟频率/N
一秒内传送几次数据
总线的时钟频率
即机器的时钟频率,为时钟周期的倒数
一秒内有多少个时钟周期
若时钟周期为T,则时钟频率为1/T
总线宽度
总线位宽
总线上同时能够传输的数据位数
通常是指数据总线的根数
能并行传输多少bit
计算机系统总线宽度是32bit
通常是指数据总线的根数,如32根称为32位(bit)总线。
总线带宽(总线的数据传输率)
指总线本身所能达到的最高传输速率
总线的数据传输率
单位时间内总线上可传输数据的位数
常用每秒钟传送信息的字节数来衡量
单位可用字节/秒(B/s)
在计算实际的有效数据传输率时,要用实际传输的数据量除以耗时
去除校验位等冗余信息,只计算实际传输的有效信息位
总线带宽
= 总线工作频率 × 总线宽度 (bit/s)
= 总线工作频率 × 总线宽度/8(B/s)
总线宽度/总线周期(bit/s)=(总线宽度/8)/总线周期(B/s)

突发传输方式
只需要传输一次地址,接下来就可以连续的读出这一地址往后的很多个字的数据
给出数据写的首地址,可以从这个首地址开始,连续写入多个数据
总线复用
总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。
可以使用较少的线传输更多的信息,从而节省了空间和成本
采用地址&数据总线
在传递地址信息和数据信息时,至少都需要两个总线周期,进行两次的数据传送
信号线数
地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数
信号线
只能传输一个bit的线
总线数据传输率的影响因素
与带宽有关
带宽由总线宽度、时钟频率和传输每个数据的时钟周期数决定
与总线裁决方式有关
总线的裁决方式和裁决速度会影响总线事务所用时间
与总线的定时方式有关
同步总线用时钟信号同步,而不像异步总线那样需要握手应答,因而比异步方式快
对于分离事务,由于实现了多个事务交叉并行传送,因而提高了总线的利用率
与信号类型有关
信号线分时复用有时会减慢总线的传输速度,将地址线和数据线分时复用后,写操作不能同时将地址和数据同时传送过去,因而降低了数据传输率
是否采用突发传送
减少了数据传送过程中的地址传送和申请/释放总线的开销,因而降低了数据传输速率
总线操作和定时
总线定时
总线定时
实质是一种协议或规则
总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制,这种控制称为总线定时
同步定时方式(同步通信)
总线控制器采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系
总线周期的长度固定
总线周期
若干个时钟产生相等的时间间隔,每个间隔构成一个总线周期
在一个总线周期中,发送方和接收方可进行一次数据传送
只管发送,不管对方有没有接收
注
同步总线是指总线通信的双方采用同一个时钟信号,但一次总线事务不一定在一个时钟周期内完成,即时钟频率不一定等于工作频率
因为采用统一的时钟,每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中,一个总线的传送周期结束,下一个总线传送周期开始
优点
传送速度快,具有较高的传输速率
总线控制逻辑简单
缺点
主从设备属于强制性同步
不能及时进行数据通信的有效性检验,可靠性较差
袁书
总线定时以最慢设备所花时间为准
不能发挥快速设备的高速性能
由于时钟偏移问题,导致同步的总线不能过长,否则会降低总线传输效率
适用
同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统
主从设备之间速度差异不能太大
读命令
假设: CPU作为主设备,某个输入设备作为从设备
每一个总线传输周期只会给四个时钟周期
1)CPU在T1时刻的上升沿给出地址信息
2)在T2的上升沿给出读命令(低电平有效),与地址信息相符合的输入设备按命令进行一系列的内部操作,且必须在T3的上升沿来之前将CPU所需的数据送到数据总线上。
3)CPU在T3时钟周期内,将数据线上的信息传送到其内部寄存器中。
4)CPU在T4的上升沿撤销读命令,输入设备不再向数据总线上传送数据,撤销它对数据总线的驱动。
异步定时方式(异步通信/应答方式)
特点
没有统一的时钟,也没有固定的时间间隔
传送操作按需分配时间
完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制
采用应答方式,没有公共时钟标准
每次握手的过程完成一次通信,一次通信往往会交换多位数据
主设备提出交换信息的“请求”信号,经接口传送到从设备
从设备接到主设备的请求后,通过接口向主设备发出“回答”信号
分类
根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁,分为以下3种类型。
不互锁方式
双方不存在互锁关系
主设备发出“请求”信号后
不必等到接到从设备的“回答”信号
经过一段时间,便撤销“请求”信号。
设备在接到“请求”信号后
发出“回答”信号
并经过一段时间,自动撤销“回答”信号。
撤销不会受到对方的制约
一次握手
速度最快 可靠性最差

半互锁方式
主设备有互锁关系
主设备发出“请求”信号后,必须待接到从设备的“回答”信号后,才撤销“请求”信号
从设备不存在互锁关系
从设备在接到“请求”信号后,发出“回答”信号,但不必等待获知主设备的“请求”信号已经撤销,而是隔一段时间后自动撤销“回答”信号
两次握手

全互锁方式
双方存在互锁关系
主设备发出“请求”信号后,必须待从设备“回答”后,才撤销“请求”信号;
从设备发出“回答”信号,必须待获知主设备“请求”信号已撤销后,再撤销其“回答”信号。
三次握手
速度最慢,可靠性最强

优点
总线周期长度可变
能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换
自动适应时间的配合
主设备和从设备请求和回答的动作完成之后才意味着完成了一个总线周期,完成了一次总线的数据传输
缺点
比同步控制方式稍复杂一些,速度比同步定时方式慢
半同步通信
统一时钟的基础上,增加一个“等待”响应信号


TW的两个节拍:总线控制器在等待从设备准备数据
T2之后从设备要准备好自己的数据,但是有的从设备跟不上节奏,这种情况时就会通过控制线路给总线的控制器进行一个反馈,让控制器等自己几个节拍
同步、异步结合
总线控制器可以根据反馈信号来动态调节传输周期里边应该包含的时钟周期数
可以支持速度差异较大的主设备和从设备之间进行数据的交互
半同步通信方式中,握手信号的采样由同步时钟控制
以上三种通信的共同点
一个总线传输周期(以输入数据为例)
主模块发地址、命令
使用总线
从模块准备数据
不使用总线
总线空闲
从模块向主模块发数据
使用总线
分离式通信
分离事务通信是总线复用的一种,相比单一的传输线路可以提高总线的利用率
思想:
把总线的传输周期切分为两个独立的子周期
子周期1
主模块(可以主动申请总线控制权的设备)申请占用总线,(发出地址命令信息,请求信号)使用完后放弃总线的使用权
主模块
可以主动申请总线控制权的设备
子周期2
从模块申请占用总线,将各种信息送至总线上
分离式通信要求从模块也要能够申请总线的控制权
特点
各模块均有权申请占用总线
采用同步方式通信,不等对方回答
各模块准备数据时,不占用总线
总线利用率提高
充分挖掘系统总线每瞬间的潜力
数据通路