总线BUS

总线(Bus),其实就是一组线路。我们的 CPU、内存以及输入和输出设备,都是通过这组线路,进行相互间通信的

CPU 和内存以及高速缓存通信的总线,这里面通常有两种总线。这种方式,我们称之为双独立总线(Dual Independent Bus,缩写为 DIB)。CPU 里,有一个快速的本地总线(Local Bus),以及一个速度相对较慢的前端总线(Front-side Bus)

这里的高速本地总线,就是用来和高速缓存通信的。

而前端总线,则是用来和主内存以及输入输出设备通信的。有时候,我们会把本地总线也叫作后端总线(Back-side Bus),和前面的前端总线对应起来。而前端总线也有很多其他名字,比如处理器总线(Processor Bus)、内存总线(Memory Bus)

CPU 里面的北桥芯片,把我们上面说的前端总线,一分为二,变成了三个总线。


我们的前端总线,其实就是系统总线。CPU 里面的内存接口,直接和系统总线通信,然后系统总线再接入一个 I/O 桥接器(I/O Bridge)。这个 I/O 桥接器,一边接入了我们的内存总线,使得我们的 CPU 和内存通信;另一边呢,又接入了一个 I/O 总线,用来连接 I/O 设备。事实上,真实的计算机里,这个总线层面拆分得更细。根据不同的设备,还会分成独立的 PCI 总线、ISA 总线等等。


总线又可分为

数据线(Data Bus),用来传输实际的数据信息

地址线(Address Bus),用来确定到底把数据传输到哪里去,是内存的某个位置,还是某一个 I/O 设备。

控制线(Control Bus),用来控制对于总线的访问

尽管总线减少了设备之间的耦合,也降低了系统设计的复杂度,但同时也带来了一个新问题,那就是总线不能同时给多个设备提供通信功能。我们的总线是很多个设备公用的,那多个设备都想要用总线,我们就需要有一个机制,去决定这种情况下,到底把总线给哪一个设备用。这个机制,就叫作总线裁决(Bus Arbitraction)。总线裁决的机制有很多种不同的实现


CPU和设备通信

CPU 并不是发送一个特定的操作指令来操作不同的 I/O 设备。因为如果是那样的话,随着新的 I/O 设备的发明,我们就要去扩展 CPU 的指令集了。

在计算机系统里面,CPU 和 I/O 设备之间的通信,是这么来解决的。

首先,在 I/O 设备这一侧,我们把 I/O 设备拆分成,能和 CPU 通信的接口电路,以及实际的 I/O 设备本身。

接口电路里面有对应的状态寄存器、命令寄存器、数据寄存器、数据缓冲区和设备内存等等。接口电路通过总线和 CPU 通信,接收来自 CPU 的指令和数据。而接口电路中的控制电路,再解码接收到的指令,实际去操作对应的硬件设备。

而在 CPU 这一侧,对 CPU 来说,它看到的并不是一个个特定的设备,而是一个个内存地址或者端口地址。CPU 只是向这些地址传输数据或者读取数据。所需要的指令和操作内存地址的指令其实没有什么本质差别。通过软件层面对于传输的命令数据的定义,而不是提供特殊的新的指令,来实际操作对应的 I/O 硬件


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