第四节 总线结构
单总线结构如上图所示，它是将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，允许I/O之间、I/O与主存之间直接交换信息。这种结构简单，也便于扩充，但所有的传送都通过这组共享总线，因此极易形成计算机系统的瓶颈。它也不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息，这就必然会影响系统工作效率的提高。这类总线多数为小型机或微型机所采用。计算机应用范围越扩大，其外部设备的种类和数量就越多，并且它们对数据传输的量和传输速度的要求也就越来越高。倘若仍然采用单总线结构，那么，当I/O设备量很大时， 总线发出的控制信号从一端逐个顺序传递到第n个设备， 其传播的延迟时间就会严重地影响系统的工作效率。在数据传输需求量和传输速度要求不太高的情况下，为克服总线瓶颈问题，尽可能采用增加总线宽度和提高传输速率来解决；但当总线上的设备如高速视频显示器、网络传输接口等，其数据量很大和传输速度要求相当高的时候，单总线结构怎么也满足不了系统工作的需要。因此，为了根本解决数据传输速率，解决CPU、主存与I/O设备之间传输速率的不匹配， 实现CPU于其他设备相对同步，不得不采用多总线结构。
二、多总线结构
1．双总线结构
双总线结构示意图
双总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。 通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放给通道，使其对I/O设备具有统一管理的功能，以完成外部设备与主存之间的数据传送，其系统的吞吐能力可以相当大。这种结构大多用于大、中型计算机系统。
如果将速率不同的I/O设备进行分类， 然后将它们连接在不同的通道上，那么计算机系统的利用率将会更高，由此发展成多总线结构。
三总线结构
在如上图所示的三总线结构中， 主存总线用于CPU与主存之间的传输；I/O总线供CPU与各类I/O之间传递信息；DMA总线用于高速外设（磁盘、磁带等）与主存之间直接交换信息。在三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。 主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取，I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才用到。
下图是另一种三总线结构图。
由图可见，处理器与高速缓冲存储器Cache之间有一条局部总线，它将CPU与Cache或与更多的局部设备连接。Cache的控制机构不仅将Cache连到局部总线上，而且还直接连到系统总线上，这样Cache就可通过系统总线与主存传输信息。而且I/O与主存之间的传输也不必通过CPU。还有一条扩展总线，它将局域网、小型计算机接口（SCSI）、调制解调器（Modem）以及串行接口等都连接起来，并且通过这些接口又可与各类I/O设备相连，因此它可以支持相当多的I/O设备。与此同时，扩展总线又通过扩展总线接口与系统总线相连，由此便可实现这两种总线之间的信息传递，可便其系统的工作效率明显地提高。
为了进一步提高I/O的性能，使其更快地响应命令，又出现了四总线结构，如下图所示。
四总线结构
在这里又增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。在高速总线上挂接了一些高速性能的外设，如高速局域网、图形工作站、多媒体、SCSI等。 它们通过Cache控制机构中的高速总线桥或高速缓冲器与系统总线和局部总线相连，使得这些高速设备与处理器更密切。而一些较低速的设备如图文传真FAX、 调制解调器及串行接口仍然挂在扩展总线上，并由扩展总线接口与高速总线相连。
这种结构对高速设备而言，其自身的工作可以很少依赖处理器，同时它们又比扩展总线上的设备更贴近处理器，可见对于高性能设备与处理器来说，各自的效率将获得更大的提高。在这种结构中，处理器、高速总线的速度以及各自信号线的定义完全可以不同，以至各自改变其结构也于会影响高速总线的正常工作，反之亦然。
三、总线结构举例
下图是传统微机总线的结构示意。
由图可见，不论高速局域网、高性能图形还是低速的FAX、Modem都挂接在ISA或EISA总线上，并通过ISA或EISA总线控制器与系统总线相连，这样势必出现总线数据传输的瓶颈。只有将高速、高性能的外设，如高速局域网、高性能图形等尽量靠近CPU本身的总线，并与CPU同步或准同步，才可能消除瓶颈问题。这就要求改变总线结构，来提高数据传送速率，为此，出现了如下图所示的VL-BUS局部总线结构。
由图可见，将原先挂在ISA总线上的高速局域网、多媒体卡、高性能图形板等从ISA总线卸下来，挂到局部总线VL-BUS上，再与系统总线相连。而将打印机、FAX、Modem等低速设备仍挂在ISA总线上。局部总线VL-BUS就相当于在处理器与高速外设之间架上了高速通道，使CPU与高性能外设得到充分发挥，满足了图形界面软件的要求。
由于VL-BUS是从CPU总线演化来的，与CPU的关系太紧密（实际上这种总线与486配合最佳），以至很难支持功能强的CPU，从而出现了PCI总线。
下图是PCI总线结构示意图。
从此图可见，PCI总线是通过PCI桥路（包括PCI控制器和PCI加速器）与CPU总线相连。这种结构使CPU总线与PCI总线互相隔离，具有更高的灵活性，可以支持更多的高速运行设备，而且具有即插即用的特性。当然，挂在PCI总线上的设备都要求数据传输速率高的设备，如多媒体卡、高速局域网适配器、高性能图形板等，与高速CPU总线是相匹配的。至于低速的FAX、Modem、打印机仍然挂在ISA、EISA总线上。
