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大多数总线都是以相同方式构成的,其不同之处仅在于总线中数据线和地址线的数目,以及控制线的多少及其功能。然而,总线的排列布置、总线与其他各类部件的连接方式,对计算机系统性能而言则显得尤其重要。根据连接方式的不同,单机系统中采用的总线结构可分成三种基本类型:单总线结构、双总线结构、三总线结构。

1. 单总线结构

在许多单处理器的计算机中,使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备,称为单总线结构,如图6-4所示:

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在单总线结构中,要求连接到总线上的逻辑部件都必须高速运行,以便在某些设备需要使用总线时能够迅速获得总线控制权,当不再使用总线时也能迅速放弃总线控制权。否则,由于一条总线由多个功能部件共用,有可能导致很大的时间延迟。

在单总线结构中,当CPU取一条指令时,首先把程序计数器PC中的地址同控制信息一起送至总线上。该地址不仅送至主存,同时也送至总线上的所有外围设备,然而只有与总线上的地址相对应的设备才执行数据传送操作,在取指令情况下的地址是主存地址。因此该地址所指定的主存单元中的指令被传送给CPU,CPU检查指令中的操作码,确定对数据执行什么操作,以及数据是流进还是流出CPU。

在单总线系统中,对输入/输出设备的操作与主存的操作方法完全一样。当CPU把指令的地址字段送到总线上时,如果该地址字段对应的地址是主存地址,则主存予以响应,从而在CPU和主存之间发生数据传送,数据传送的方向由指令操作码决定;如果该地址字段对应的地址是外围设备地址,则外围设备予以响应,从而在CPU和对应的外围设备之间发生数据传送,数据传送的方向也由指令操作码决定。

单总线结构的优点在于容易扩展成多CPU系统,只要在系统总线上挂接多个CPU即可。但是,在单总线结构中,由于所有逻辑部件都挂在同一个总线上,因此总线只能分时工作,即某一个时间只能允许一对部件之间传送数据,这就使信息传送的吞吐量受到限制。

2. 双总线结构

图6-5所示为双总线系统结构,这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点,但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线,使CPU可通过专用的存储总线与存储器交换信息,以减轻系统总线的负担,同时主存仍可通过系统总线与外设进行DMA操作,而不必经过CPU。当然,这种双总线系统是以增加硬件为代价的。

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3. 三总线结构

图6-6所示为三总线系统结构。三总线结构是在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的,其中系统总线是CPU、主存和通道(IOP)之间进行数据传送的公共通路,而I/O总线则是多个外围设备与通道之间进行数据传送的公共通路。

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在DMA方式中,外设与主存间直接交换数据而不经过CPU,从而减轻了CPU对数据输入输出的控制,而通道方式I/O则可进一步提高CPU的效率。通道实际上是一台具有特殊功能的处理器,又称为IOP(I/O Processor,I/O处理器),它分担了CPU的一部分功能,实现对外设的统一管理,完成外设与主存之间的数据传送。这一思想与基于总线的网络(如以太网)将集线器(Hub)转换成交换机(Switch)以提高通信速率的思想是一致的。显然,由于增加了IOP,整个系统的工作效率可以大大提高,然而,这是以增加更多的硬件为代价的。