总线系统
总线（Bus）是连接 CPU、内存、I/O 设备之间的一组公共传输线。本文整理总线的类型、组成、时序与仲裁机制，以及总线在系统性能中的角色。
一、什么是总线
总线是一组共享的传输通道，用于在系统部件间传输数据、地址和控制信号。相比点对点直连，总线大幅减少了连线数量，提升了可扩展性，但也是潜在的性能瓶颈（同一时刻只能有一个设备传输）。
二、总线的类型
按传输内容分三类：
- 数据总线（Data Bus）：传输数据，宽度决定一次能传多少位（如 32/64 位），双向。
- 地址总线（Address Bus）：传输内存/设备地址，宽度决定寻址能力（32 位地址总线可寻址 (2^{32}=4G)），单向。
- 控制总线（Control Bus）：传输读写、中断、时钟等控制信号。
三、总线的分层
现代系统用分层总线架构避免单一总线成为瓶颈：
- CPU 内部总线：连接寄存器、ALU、控制器，速度最快。
- 系统总线（前端总线/内存总线）：连接 CPU 与内存控制器。
- I/O 总线：连接外设，如 PCIe、USB、SATA，速度较慢但可扩展。
北桥/南桥架构，以及现代 CPU 内部集成内存控制器（IMC），都是总线分层演进的体现。PCIe 采用高速串行点对点通道（Lanes），取代了并行的 PCI 总线。
分层总线架构示意：
图表渲染中…
四、总线的时序
总线传输需遵循总线协议，用时钟/握手信号协调：
- 同步总线：由统一时钟控制，固定节奏传输。简单但所有设备需同频。
- 异步总线：通过握手信号（Ready/Acknowledge）协调，无需统一时钟，可适应不同速度设备，但开销略大。
五、总线仲裁（Arbitration）
多个设备（如多个 DMA 控制器、多核 CPU）可能同时请求总线。仲裁器决定谁先使用，避免冲突。
仲裁方式
- 集中式仲裁：由中央仲裁器统一裁决。
- 链式查询（菊花链）：设备串联，优先级由位置决定。
- 计数器定时查询：仲裁器按设备号轮流查询。
- 独立请求：每设备独立请求线，仲裁器快速裁决，优先级可编程。
- 分布式仲裁：无中央仲裁器，各设备通过总线上的仲裁逻辑协商（如以太网 CSMA/CD 思想）。
仲裁优先级策略
- 固定优先级：实现简单，但低优先级设备可能"饿死"。
- 轮转（Round-Robin）：循环分配，公平。
- 动态优先级：按需调整。
六、总线与 DMA
DMA（直接存储器存取）控制器可在不经过 CPU 的情况下直接通过总线在内存与设备间传输数据。此时 DMA 控制器与 CPU 都会请求总线，需仲裁决定谁先访问内存。关于 DMA 的完整流程见 I/O 控制方式篇。
七、总线的性能指标
- 总线宽度：数据线位数，决定一次传输的比特数。
- 总线频率：每秒传输周期数。
- 带宽：(带宽 = 宽度 \times 频率)。
例如 64 位宽、133MHz 的总线带宽约为 (64/8 \times 133 \approx 1.06\ \text{GB/s})。
小结
- 总线分数据/地址/控制三类，按层级组织避免瓶颈。
- 同步总线靠时钟、异步总线靠握手协调时序。
- 多设备争用时由仲裁器裁决，策略有固定优先级、轮转等。
- 带宽 = 总线宽度 × 频率，是衡量总线性能的核心指标。