【从零开始手搓计算机笔记10】 - 总线

总线

计算机总线设计是计算机硬件系统中连接各功能部件（如CPU、内存、I/O设备等）的公共通信机制，核心目标是实现高效、可靠的信息传输，其设计需综合考虑分类架构、性能指标、仲裁机制和传输方式等关键要素。

由以下总线的架构设计可以窥探出计算机整体架构的冰山一角，即以核心计算为基础构建出了基本计算单元，然后不断堆积木似的将其完善，同时不断引入其他不同类型的积木（如实现记忆功能的存储单元），相互组合，如果两者之间组合有摩擦，就加中间件（弥补两者交流冲突类型的积木），没有什么问题是中间件无法解决的。

总线分类架构

总线设计的核心是通过分类优化传输效率，常见分类方式如下：

• 按功能与信息类型：
  • 数据总线（DB）：双向传输数据，宽度（位数）决定单次传输量（如32位/64位），直接影响传输效率。
  • 地址总线（AB）：单向传输内存或I/O设备地址，位数决定寻址范围（如n位地址总线支持2ⁿ字节空间）。
  • 控制总线（CB）：传输控制信号（如读写命令、中断请求），协调设备间时序与状态交互。
• 按连接范围：
  • 片内总线：芯片内部（如CPU内寄存器与运算器间）的高速传输线，注重低延迟。
  • 系统总线：连接主机核心部件（CPU、内存、主板扩展槽），如PCI、PCIe总线，需平衡速度与兼容性。
  • 外部总线：连接计算机与外设（如USB、SATA），强调通用性和热插拔支持。
• 按拓扑结构：
  • 单总线结构：所有设备共享一条总线，结构简单但存在总线竞争问题。
  • 多总线结构：将高速设备（如内存）和低速设备（如键盘）分离到不同总线（如存储总线、I/O总线），减少冲突，提升系统吞吐量。

核心性能指标

总线设计需通过以下指标量化传输能力（也要保证电路的可靠性和高可用性）：

1. 总线宽度：数据总线的位数（bit），决定单次传输数据量（如64位总线一次传输8字节）。

2. 传输率（带宽）：每秒最大传输字节数（MB/s），计算公式为：传输率 = 总线频率（MHz） × （总线宽度/8）。

3. 同步方式

   ：

   • 同步总线：数据传输与时钟信号严格同步，效率高但灵活性低。
   • 异步总线：通过握手信号（如就绪/应答）协调传输，适应不同速度设备，但延迟较高。

4. 信号线复用：地址总线与数据总线共用物理线路（如多路复用），减少信号线数量，降低硬件复杂度。

注意事项

系统同一时刻只能一个部件访问总线（即通过总线传输信息），防止互相干扰导致数据错乱或短路。

因此也有控制访问的电路设计，负责控制设备是否连接总线

寄存器信号线狂魔

之前我们设计的是8位寄存器，还是最简单的结构，大概18条信号线，如果是64位呢，大概需要上百条信号线了

我们使用的CPU中其实ALU空间占比是非常小的，其余百分之九十五以上都是存储元件。

厂家小知识

做到这里我们理解了cpu中最基础的电路元件，有个生活中的小细节不知道大家有没有注意到，就是我们买电脑时，营销人员会给你介绍，这个cpu是什么型号，如果电脑的cpu是英特尔的最常听到的是I9、I7、或i5的，价格相差很多的，其实这一批芯片的工艺和设计都是相同的，只不过在生产的过程中有些电路未生成好导致无法导通（cpu内的电路是庞大的不影响整体使用，但会导致运算能力下降）,所以将其分成了不同型号，即良品，中品，合格品。

因此一般来说看cpu要看最高代产品最高信号是最好的，如英特尔的话一般是最新代最好