总线是计算机系统中用于连接 CPU、内存、I/O 设备等部件的信息传输通道

总线是计算机系统中用于连接 CPU、内存、I/O 设备等部件的信息传输通道，根据其功能和用途可分为三大核心类型：地址总线（AB）、控制总线（CB）和数据总线。它们共同构成了计算机内部信息交换的基础架构。

一、总线的核心分类与功能

1. 地址总线（Address Bus, AB）

   • 功能：用于传输 CPU 发出的地址信号，指定要访问的内存单元或 I/O 端口。
   • 特点：单向传输（仅由 CPU 向外发送），宽度决定寻址能力。例如，20 位地址总线可寻址 $2^{20}=1,048,576$ 字节，即 1MB 内存空间。

2. 控制总线（Control Bus, CB）

   • 功能：传输各类控制信号，如读写命令、中断请求、DMA 请求、时钟同步信号等。
   • 特点：每条线路通常是单向的，但整体为双向通信结构。例如，CPU 可发出“存储器写”信号，而外设可反馈“准备好”状态信号。

3. 数据总线（Data Bus）

   • 功能：在 CPU 与内存、I/O 设备之间双向传输数据。
   • 特点：双向传输，宽度决定了每次可并行传送的数据位数（如 8 位、16 位、32 位、64 位），直接影响数据吞吐能力。

二、常见总线标准及特征

总线标准	位数	传输速率	核心特点
ISA	16 位	16 Mb/s	早期工业标准，兼容性强但速度慢，已淘汰；支持 16 位 I/O 设备，也称 AT 总线。
EISA	32 位	33 Mb/s	ISA 的扩展版本，兼容原有设备的同时支持 32 位数据/地址，适用于服务器环境。
PCI	32/64 位	133 Mb/s（32 位）、266 Mb/s（64 位）	并行总线，独立于 CPU 时钟运行，支持即插即用（PnP）、多主设备仲裁、奇偶校验，广泛用于老式主板。
PCI Express (PCIe)	串行（按通道分配）	X1: ~250 MB/s；X16: ~4 GB/s（单向）	采用高速串行点对点连接，支持全双工通信、热插拔、动态带宽分配；通过通道数量（x1/x4/x8/x16）扩展性能，现代主流扩展接口。

注：PCIe 的实际单位常以 MB/s 表示更直观（如 x1 Gen1 ≈ 250 MB/s），且随代际升级（Gen2/Gen3/Gen4…）速率翻倍。
地址总线宽度直接决定了计算机系统能够寻址的最大内存容量。这是因为地址总线的每一位对应一个二进制地址位，CPU 通过这些地址位来唯一标识每一个内存单元（通常以字节为单位）。

原理说明：

• 地址总线有 $ n $ 位，则可以表示 $ 2^n $ 个不同的地址。
• 每个地址对应一个存储单元（一般为 1 字节），因此最大可寻址内存空间为 $ 2^n $ 字节。

示例：

地址总线宽度	可寻址地址数量	最大内存容量
16 位	$ 2^{16} = 65,536 $	64 KB
20 位	$ 2^{20} = 1,048,576 $	1 MB
32 位	$ 2^{32} $	4 GB
36 位	$ 2^{36} $	64 GB
64 位	$ 2^{64} $	理论达 16 EB（艾字节）

注：实际可用内存还受操作系统、架构限制（如是否启用 PAE）等因素影响。例如，32 位系统理论上支持 4GB 内存，但因保留给硬件映射，用户可用通常只有约 3.2~3.5GB。

扩展技术：

• PAE（Physical Address Extension）：允许 32 位 CPU 使用 36 位地址总线，突破 4GB 物理内存限制（需操作系统支持）。
• 分段与分页机制：在早期 16 位系统中（如 8086），采用“段基址 + 偏移地址”方式扩展寻址能力。

因此，地址总线越宽，CPU 能访问的物理内存空间就越大，是决定系统性能和扩展能力的关键因素之一。