计算机组成原理：单总线结构与双总线结构对比

在总线结构以前，早期的计算机采用分散的连接方式。分散连接方式的主要问题是I/O设备的连接缺少灵活性。随着计算机应用领域的不断扩大，I/O设备的种类和数量也越来越多。面对如此众多又千差万别的I/O设备，用分散连接方式简直是一筹莫展，由此出现了各种总线连接方式。

1.单总线结构

最简单的总线结构是单总线结构，即用一条系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。单总线结构的特点是连接简单，便于扩充，无论多少个I/O设备只要一个一个往总线上挂就是了。在单总线结构中，系统总线的速度必须与总线上速度最快的部件相匹配，并且要求连接到总线上的部件都高速运行。内存速度较快，基本上符合高速运行的要求；对于慢速的I/O设备，不能直接挂接到系统总线上，必须通过I/O接口来进行速度缓冲。单总线结构框图优化为图6-4形式。

图6-4　单总线结构

重要概念：为什么单总线结构一定是双向的异步总线？

①单总线上挂接的I/O设备速度可能很慢，可能很快，不可能统一起来和CPU同步工作，只能用异步应答的方式。

②CPU通过单总线要对内存进行读和写，对I/O设备进行输入和输出，他们之间的数据传送是双向的。

单总线结构的特点是连接简单，便于实现。早期微机普遍采用单总线结构。它允许CPU与内存，CPU与I/O设备，I/O设备与内存相互之间直接交换信息，但是，所有的数据传送都通过一条总线，因此系统总线极易成为计算机系统的速度瓶颈。解决办法是尽可能地提高总线的传输速率。但当总线上的I/O设备（如高速视频显示器、高速网络适配器和多媒体设备等）数据量越来越大，传输速率要求越来越高的时候，单总线结构就满足不了要求了。

2.双总线结构

双总线结构如图6-5（a）、（b）和（c）所示。

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图6-5　双总线结构

图6-5（A）是一个以CPU为中心的双总线结构。它有两条总线，一条是存储总线，用来连接CPU和内存；另一条是I/O总线，用来连接所有I/O设备。I/O总线直接与CPU相连，完成CPU与I/O设备之间的连接。

在以CPU为中心的双总线结构中，CPU与内存之间可以直接通过存储总线进行数据传送，CPU与I/O设备之间可以直接通过I/O总线进行数据传送。但是，内存和I/O设备之间没有直接的通路，当内存和I/O设备要进行数据传送时，必须通过CPU进行中转，也就是说此时的CPU效率不高。

图6-5（B）是以存储器为中心的双总线结构。它在保持了单总线结构简单、易于扩充优点的基础上，在CPU和内存之间专门增加了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操作，而不必经过CPU。其CPU的效率比以CPU为中心的双总线结构高。

图6-5（c）一种带有总线控制器的双总线结构。它有两条总线：一条是系统总线，用来连接CPU和内存；另一条是I/O总线，用来连接所有I/O设备。I/O总线通过I/O总线控制器与系统总线连接。这里的总线控制器可以是一种简单的形式，如ISA标准总线控制器，适用于微机上；也可以是一种复杂的形式，如I/O通道，适用于大型机。

3.三总线结构

图6-6（a）、（b）为三总线结构。

图6-6　三总线结构

图6-6（a）是一种适用于微机的三总线结构。它有三条总线：一条是系统总线，用于连接CPU、内存；一条是高速的I/O总线，用于连接高速的I/O设备，如图形显示器、局域网等；一条是低速的I/O总线，用于连接低速的I/O设备，如图文传真、调制解调器等。低速的I/O总线和高速的I/O总线通过各自的总线控制器与其上一级总线相连。

图6-6（b）是一种适用于大型机的三总线结构。它是在图6-5（b）所示的双总线结构的基础上增加一条I/O总线形成的。或者说是在图6-5（c）所示的双总线结构的基础上增加一条存储总线形成的。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，存储总线是CPU与内存之间进行数据传送的公共通路，I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。