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42 | 总线：计算机内部的高速公路

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42 | 总线：计算机内部的高速公路

2019-08-02 徐文浩 来自北京
《深入浅出计算机组成原理》
课程介绍

讲述：徐文浩

时长08:55大小8.16M

专栏讲到现在，如果我再问你，计算机五大组成部分是什么，应该没有人不知道了吧？我们这一节要讲的内容，依然要围绕这五大部分，控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。
CPU 所代表的控制器和运算器，要和存储器，也就是我们的主内存，以及输入和输出设备进行通信。那问题来了，CPU 从我们的键盘、鼠标接收输入信号，向显示器输出信号，这之间究竟是怎么通信的呢？换句话说，计算机是用什么样的方式来完成，CPU 和内存、以及外部输入输出设备的通信呢？
这个问题就是我们今天要讲的主题，也就是总线。之前很多同学留言问，我什么时候会讲一讲总线。那这一讲，你就要听仔细了。

降低复杂性：总线的设计思路来源

计算机里其实有很多不同的硬件设备，除了 CPU 和内存之外，我们还有大量的输入输出设备。可以说，你计算机上的每一个接口，键盘、鼠标、显示器、硬盘，乃至通过 USB 接口连接的各种外部设备，都对应了一个设备或者模块。
如果各个设备间的通信，都是互相之间单独进行的。如果我们有 个不同的设备，他们之间需要各自单独连接，那么系统复杂度就会变成 。每一个设备或者功能电路模块，都要和其他 个设备去通信。为了简化系统的复杂度，我们就引入了总线，把这个 的复杂度，变成一个 的复杂度。
那怎么降低复杂度呢？与其让各个设备之间互相单独通信，不如我们去设计一个公用的线路。CPU 想要和什么设备通信，通信的指令是什么，对应的数据是什么，都发送到这个线路上；设备要向 CPU 发送什么信息呢，也发送到这个线路上。这个线路就好像一个高速公路，各个设备和其他设备之间，不需要单独建公路，只建一条小路通向这条高速公路就好了。
这个设计思路，就是我们今天要说的总线（Bus）。
总线，其实就是一组线路。我们的 CPU、内存以及输入和输出设备，都是通过这组线路，进行相互间通信的。总线的英文叫作 Bus，就是一辆公交车。这个名字很好地描述了总线的含义。我们的“公交车”的各个站点，就是各个接入设备。要想向一个设备传输数据，我们只要把数据放上公交车，在对应的车站下车就可以了。
其实，对应的设计思路，在软件开发中也是非常常见的。我们在做大型系统开发的过程中，经常会用到一种叫作事件总线（Event Bus）的设计模式。
进行大规模应用系统开发的时候，系统中的各个组件之间也需要相互通信。模块之间如果是两两之间单独去定义协议，这个软件系统一样会遇到一个复杂度变成了 的问题。所以常见的一个解决方案，就是事件总线这个设计模式。
在事件总线这个设计模式里，各个模块触发对应的事件，并把事件对象发送到总线上。也就是说，每个模块都是一个发布者（Publisher）。而各个模块也会把自己注册到总线上，去监听总线上的事件，并根据事件的对象类型或者是对象内容，来决定自己是否要进行特定的处理或者响应。
这样的设计下，注册在总线上的各个模块就是松耦合的。模块互相之间并没有依赖关系。无论代码的维护，还是未来的扩展，都会很方便。

理解总线：三种线路和多总线架构

理解了总线的设计概念，我们来看看，总线在实际的计算机硬件里面，到底是什么样。
现代的 Intel CPU 的体系结构里面，通常有好几条总线。
首先，CPU 和内存以及高速缓存通信的总线，这里面通常有两种总线。这种方式，我们称之为双独立总线（Dual Independent Bus，缩写为 DIB）。CPU 里，有一个快速的本地总线（Local Bus），以及一个速度相对较慢的前端总线（Front-side Bus）。
我们在前面几讲刚刚讲过，现代的 CPU 里，通常有专门的高速缓存芯片。这里的高速本地总线，就是用来和高速缓存通信的。而前端总线，则是用来和主内存以及输入输出设备通信的。有时候，我们会把本地总线也叫作后端总线（Back-side Bus），和前面的前端总线对应起来。而前端总线也有很多其他名字，比如处理器总线（Processor Bus）、内存总线（Memory Bus）。
除了前端总线呢，我们常常还会听到 PCI 总线、I/O 总线或者系统总线（System Bus）。看到这么多总线的名字，你是不是已经有点晕了。这些名词确实容易混为一谈。其实各种总线的命名一直都很混乱，我们不如直接来看一看 CPU 的硬件架构图。对照图来看，一切问题就都清楚了。
CPU 里面的北桥芯片，把我们上面说的前端总线，一分为二，变成了三个总线。
我们的前端总线，其实就是系统总线。CPU 里面的内存接口，直接和系统总线通信，然后系统总线再接入一个 I/O 桥接器（I/O Bridge）。这个 I/O 桥接器，一边接入了我们的内存总线，使得我们的 CPU 和内存通信；另一边呢，又接入了一个 I/O 总线，用来连接 I/O 设备。
事实上，真实的计算机里，这个总线层面拆分得更细。根据不同的设备，还会分成独立的 PCI 总线、ISA 总线等等。
在物理层面，其实我们完全可以把总线看作一组“电线”。不过呢，这些电线之间也是有分工的，我们通常有三类线路。
数据线（Data Bus），用来传输实际的数据信息，也就是实际上了公交车的“人”。
地址线（Address Bus），用来确定到底把数据传输到哪里去，是内存的某个位置，还是某一个 I/O 设备。这个其实就相当于拿了个纸条，写下了上面的人要下车的站点。
控制线（Control Bus），用来控制对于总线的访问。虽然我们把总线比喻成了一辆公交车。那么有人想要做公交车的时候，需要告诉公交车司机，这个就是我们的控制信号。
尽管总线减少了设备之间的耦合，也降低了系统设计的复杂度，但同时也带来了一个新问题，那就是总线不能同时给多个设备提供通信功能。
我们的总线是很多个设备公用的，那多个设备都想要用总线，我们就需要有一个机制，去决定这种情况下，到底把总线给哪一个设备用。这个机制，就叫作总线裁决（Bus Arbitraction）。总线裁决的机制有很多种不同的实现，如果你对这个实现的细节感兴趣，可以去看一看 Wiki 里面关于裁决器的对应条目，这里我们就不多说了。

总结延伸

好了，你现在明白计算机里的总线、各种不同的总线到底是什么意思了吧？希望这一讲能够帮你厘清计算机总线的知识点。现在我们一起来总结梳理一下这节的内容。
这一讲，我为你讲解了计算机里各个不同的组件之间用来通信的渠道，也就是总线。总线的设计思路，核心是为了减少多个模块之间交互的复杂性和耦合度。实际上，总线这个设计思路在我们的软件开发过程中也经常会被用到。事件总线就是我们常见的一个设计模式，通常事件总线也会和订阅者发布者模式结合起来，成为大型系统的各个松耦合的模块之间交互的一种主要模式。
在实际的硬件层面，总线其实就是一组连接电路的线路。因为不同设备之间的速度有差异，所以一台计算机里面往往会有多个总线。常见的就有在 CPU 内部和高速缓存通信的本地总线，以及和外部 I/O 设备以及内存通信的前端总线。
前端总线通常也被叫作系统总线。它可以通过一个 I/O 桥接器，拆分成两个总线，分别来和 I/O 设备以及内存通信。自然，这样拆开的两个总线，就叫作 I/O 总线和内存总线。总线本身的电路功能，又可以拆分成用来传输数据的数据线、用来传输地址的地址线，以及用来传输控制信号的控制线。
总线是一个各个接入的设备公用的线路，所以自然会在各个设备之间争夺总线所有权的情况。于是，我们需要一个机制来决定让谁来使用总线，这个决策机制就是总线裁决。

推荐阅读

总线是一个抽象的设计模式，它不仅在我们计算机的硬件设计里出现。在日常的软件开发中，也是一个常见的设计模式，你可以去读一读 Google 开源的 Java 的一个常用的工具库 Guava 的相关资料和代码，进一步理解事件总线的设计模式，看看在软件层面怎么实现它。
对于计算机硬件层面的总线，很多教科书里讲得都比较少，你可以去读一读 Wiki 里面总线和系统总线的相关条目。

课后思考

2008 年之后，我们的 Intel CPU 其实已经没有前端总线了。Intel 发明了快速通道互联（Intel Quick Path Interconnect，简称为 QPI）技术，替代了传统的前端总线。这个 QPI 技术，你可以搜索和翻阅一下相关资料，了解一下它引入了什么新的设计理念。
欢迎在留言区分享你查阅到的资料，以及阅读之后的思考总结，和大家一起交流。如果有收获，你也可以把这篇文章分享给你的朋友。
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提建议

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 写留言

精选留言(18)

  • 有铭
    2019-08-02
    说到总线，我就想起了后端系统演进中，从最初的巨型单体，到具备总线的SOA，到最近完全去掉总线的微服务系统。总线这个东西在计算机体系诞生了很多年了，它虽然降低了各系统通信的复杂度，但是现在看缺点也不少，最典型的就是带宽问题，某些硬件的性能提升速度，超过了总线性能的提升速度，比如典型的使用PCIE的某些硬件，而且现代计算机系统对即时响应提出了更高的要求，总线很明显制约了这个东西。我在想如果微服务这种成百上千的，相互之间调用复杂的结构在现代技术的加持下也被证明是有效的话；那么如果把计算机的每个硬件抽象成1个服务，计算机硬件之间为何不能像微服务那样直接调用呢。当然硬件架构的发展比软件架构是保守和谨慎的多了。可能我这个想法也不太现实
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    作者回复: 有铭同学， 你好，主要还是软件的修改比起硬件的修改的成本低太多了。而且其实现在大家的微服务，一般都是说一个公司内部的系统里。 如果要多家不同公司之间协作（硬件的显卡、内存、硬盘都来自不桶厂商），传统的企业软件还是有专门的ESB（Enterprise Service Bus）这样的厂商。

    共 3 条评论
    32
  • 小文同学
    2020-05-05
    想不到主板上的总线bus，还真的和Guava的bus异曲同工。这篇课程让人既熟悉，又陌生，还充满惊喜。最近在重读《深入理解计算机系统》，要回头读读老师的文章了！
    共 2 条评论
    9
  • gigglesun
    2019-08-07
    "CPU 所代表的控制器和运算器，要和存储器，也就是我们的主内存，以及输入和输出设备进行通信。"看七牛那个架构师讲的，计算机架构中的存储其实指的是寄存器，因为CPU的直接和寄存器打交道，而不是主内存，主内存是一种输入输出设备。
    共 1 条评论
    3
  • 有米
    2020-03-12
    如何保证总线上数据的安全性呢？
    2
  • -_-|||
    2020-01-18
    vue.js 里面有个 eventBus ， Vue.prototype.$EventBus

    作者回复: 没错，总线（Bus）本身就是来自现实生活中的抽象，无论在底层硬件还是抽象的软件中都有这个模式的应用。

    3
  • 焰火
    2019-09-22
    文中的“系统总线与CPU的内存接口相连”这一句不是太懂，这个内存接口是指什么？ ARM架构下的cpu芯片与外设相连，它会有一个存储器（里面会分成8个bank）来进行控制和管理IO设备。 浩哥说的这个内存接口与arm的存储器类似么？

    作者回复: 焰火同学， 你好，说内存接口的确不太准确，这个我写得有点随意。更准确的说法是内存控制器 Memory Controller，通过这个来连接的总线。

    2
  • 温雅小公子
    2022-11-07 来自河北
    cpu寄存器和寄存器之间，寄存器与alu之间的总线是什么，本地总线是片内总线吗？
  • 二建
    2021-12-07
    老师，有个问题一直不明白，X86 系统的IO地址空间和设备存储映射内存的地址空间MMIO，是什么关系？比如用户映射PCIe 设备上的一块内存到内存地址，这中间发生了啥？
  • 城北时公
    2021-03-10
    程序为了保护多线程安全加的锁来保证原子性，这个也原子性和总线有关么？
  • vcjmhg
    2020-10-04
    关于总线的控制方式，大体上分类两大类： 1. 集中控制 2.分布式控制 其中集中控制可以分成三类 ： 1. 集中串行链接控制 2. 采用统一计数器的定是查询 3.集中独立请求控制方式
    展开
  • A君
    2020-07-16
    前端总线被北桥芯片分成连接内存的内存总线和连接IO设备的IO总线。现在的CPU设计，从CPU到北桥芯片的总线已经换成了性能更好的QPI。
  • 追风筝的人
    2019-11-18
    总线是为了解决各个模块之间通信的复杂度问题。前段总线也叫系统总线 速度较慢常用在io输入输出模块，本地总线和高速缓存模块之间进行通信 速度较快。总线有 系统总线 北桥芯片和CPU通信，内存总线一端接北桥芯片另一端接入内存，还有io总线 通过io桥接器接入北桥芯片。
  • 不一样的烟火
    2019-10-20
    ros里面的消息发布和订阅机制 是不是相当于总线的概念
  • coldpark
    2019-10-04
    amd最新的epyc已经把pcle通道集成到cpu里面了，是不是总线的概念之后会慢慢弱化？
  • 活的潇洒
    2019-08-21
    1. 数据线（Data Bus），用来传输实际的数据信息，也就是实际上了公交车的“人”。 2. 地址线（Address Bus），用来确定到底把数据传输到哪里去，是内存的某个位置，还是某一个I/O设 备。这个其实就相当于拿了个纸条，写下了上面的人要下车的站点。 3. 控制线（Control Bus），用来控制对于总线的访问。虽然我们把总线比喻成了一辆公交车。那么有人想 要做公交车的时候，需要告诉公交车司机，这个就是我们的控制信号。 上面这一段是我的最爱 day42 笔记：https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11359768.html
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  • 免费的人
    2019-08-05
    QPI 是点对点的架构，好像一个浓缩的TCP/IP协议栈？
  • 许童童
    2019-08-02
    老师你好，总线是否可以理解为硬件上的主板呢？

    作者回复: 许童童同学， 你好，不能简单认为就是主板，但是的确就在主板上。主板上还有各种控制芯片，以及各种接口。

    共 2 条评论
  • 斐波那契
    2019-08-02
    总线事件设计模式怎么看有点像观察者模式
    共 1 条评论