摘要：把单个组件如cpu，内存，控制器等当作节点，用总线电路将它们连接起来

"连找发"网络三元素模型

首先，网络是什么，用一句话来说就是将要通信的所有节点连接起来，然后找到目标，找到后就发送数据。这里把这种简单模型叫做“连找发”网络三元素模型，听起来非常简单。

1．连

网络系统当然首先都要连接起来，连接方式有很多种，比如HUB总线、以太网交换、电话交换、无线、直连、中转等。在这些层面上每个网络点到其他网络点，总有通路，总是可达。在“连起来”这个层面，就是OSI模型中链路层实现的功能。

2．找

节点之间连接起来之后，由于节点太多，怎么来区分呢？所以就需要有个区分机制。当然首先就想到了命名，就像给人起名一样。在目前广泛使用的网络互联协议TCP/IP中，IP这种命名方式占了主导地位，统一了天下。其他的命名方式在IP看来都是“非正统”的，全部被“映射”到了IP。比如MAC地址和IP的映射，Frame Relay中DLCI地址和IP的映射，ATM中ATM地址和IP的映射，最终都映射成IP地址。任何节点，不管所在的环境使用什么命名方式，到了TCP/IP协议的国度里，就都需要有个IP名(IP地址)，然后全部用TCP/IP协议来实现节点到节点无障碍的通信。“找目标”这个层面是网络层实现的功能。

3．发

“发数据”这个层面，就是传输层需要保障的。至于发什么数据，数据是什么格式，这两个层面就不是网络通信所关心的了，它们已经属于OSI模型中上三层的内容了。

IO总线是否可以看作网络

IO总线可以接入多个外设，比如键盘、鼠标、网卡、显卡、USB设备、串口设备和并口设备等，最重要的当然要属磁盘设备了。讲到这里，大家的脑海中应该能出现这样一种架构：CPU、内存和各种外设都连接到一个总线上，这不正是以太网HUB的模型么？

HUB本身就是一个总线结构而已，所有接口都接在一条总线上，HUB所做的就是避免总线信号衰减，因此需要电源来加强总线上的电信号。

没错！仔细分析之后，发现它确实就是这么一个模型！不过IO总线和以太网HUB模型还是有些区别。

CPU和内存因为足够快，它们之间单独用一条总线连接。这个总线和慢速IO总线之间通过一个桥接芯片连接，也就是主板上的北桥芯片。这个芯片连接了CPU、内存和IO总线。CPU与北桥连接的总线叫做系统总线，也称为前端总线。这个总线的传输频率与CPU的自身频率是两个不同概念，总线频率相当于CPU向外部存取数据时的数据传输速率，而CPU自身的频率则表示CPU运算时电路产生的频率。前端总线的条数，比如64条或者128条，就叫做总线的位数。这个位数与CPU内部的位数也是不同的概念，CPU位数指的是寄存器和运算单元之间总线的条数。

内存与北桥连接的总线叫做内存总线。由于北桥速度太快，而IO总线速度相对北桥显得太慢，所以北桥和IO总线之间，往往要增加一个网桥，叫做南桥，在南桥上一般集成了众多外设的控制器，比如磁盘控制器、USB控制器等。

思考：这不正是个不折不扣的“网络”么？而且还是个不折不扣的“网桥”！我们看，CPU和内存是一个冲突域，IO总线是一个冲突域，桥接芯片将这两个冲突域桥接起来，这正是网桥的思想！我们知道了计算机系统原来就是一个网络啊！

在这个网络上，我们能够干点什么惊天动地的事呢？

提示： IO总线其实不是一条总线，它分成数据总线、地址总线和控制总线。寻址用地址总线，发数据用数据总线，发中断信号用控制总线。而且IO总线是并行而不是串行的，有32位或者64位总线。32位总线也就是说有32根导线来传数据，64位总线用64根导线来并行传数据。

CPU、内存和磁盘之间通过网络来通信

CPU是一个芯片，磁盘是一个有接口的盒子，它们不是一体的而是分开的，而且都连接在这个网桥上。那么CPU向磁盘要数据，也就是两个节点之间的通信，必定要通过一种通路来获取，这个通路当然是电路！(提示：当然也可以是辐射的电磁波，估计21世纪还应用不到CPU上)

OSI模型

凡是分割的节点之间，需要接触和通信，就可以成为网络。那么就不由得使我们往OSI模型上去靠，这个模型定义得很好。既然通信是通过电路，也就是物理层的东西，那么链路层都有什么内容呢？

大家知道，链路层相当于一个司机，它把货物运输到对端。司机的作用就是驾驶车辆，而且要判断交通规则做出配合。那么在这个计算机总线组成的网络中，是否也需要这样一个角色呢？答案是不需要。因为各个节点之间的路实在是太短、太稳定了！主板上那些电容、电阻和蛇行线，这一切都是为了保障这些电路的稳定和高速。在这样的一条高速、高成本的道路上，是不需要司机的！所以，计算机总线网络是一个只有物理层、网络层和上三层的网络！

强调：所有的网络都可以定义成连起来、找目标和发数据。也就是“连找发”模型，这也是构成一个网络的三元素。任何网络都必须具有这三元素(点对点网络除外)。连，代表物理层。物理层必须要有，如果没有物理层，要达到两点之间通信是不可能的。物理层可以是导线，可以是电磁波，总之必须有物理层。找，突出一个找字，既然要找，那么就要区分方法，也就是编址，比如IP等。发，突出一个发字，即指最上层发出数据。

例子

下面就按照“连找发”三元素理论，去分析一个CPU向磁盘要数据的例子。

CPU与硬盘数据交互的过程是这样的。首先看“连”这个元素，这个当然已经具备了，因为总线已经提供了“连”所需的条件。再看“找”这个元素，前面说了，首先要有区分，才能有所谓“找”，这个区分体现在主机总线中就是设备地址映射。每个IO设备在启动时都要向内存中映射一个或者多个地址，这个地址有8位长，又被称做IO端口。针对这个地址的数据，统统被北桥芯片重定向到总线上实际的设备上。假如，IDE磁盘控制器地址被映射到了地址0xA0，也就是十六进制A0，CPU根据程序机器代码，向这个地址发出多条指令来完成一个读操作，这就是“找”。“找”的条件也具备了。接下来我们看看“发”这个元素！首先CPU将这个IO地址放到系统总线上，北桥接收到之后，会等待CPU发送第一个针对这个外设的指令。然后CPU发送如下3条指令。

• 第一条指令：指令中包含了表示当前指令是读还是写的位，而且还包含了其他选项，比如操作完成时是否用中断来通知CPU处理，是否启用磁盘缓存等。
• 第二条指令：指明应该读取的硬盘逻辑块号(LBA)。逻辑块就是对磁盘上存储区域的一种抽象。
• 第三条指令：给出了读取出来的内容应该存放到内存中哪个地址中。

这3条指令被北桥依次发送给IO总线上的磁盘控制器来执行。磁盘控制器收到第一条指令之后，知道这是读指令，而且知道这个操作的一些选项，比如完成是否发中断，是否启用磁盘缓存等，然后磁盘控制器会继续等待下一条指令，即逻辑块地址(号)。磁盘控制器收到指令之后，会进行磁盘实际扇区和逻辑块的对应查找，可能一个逻辑块会对应多个扇区，查找完成之后，控制器驱动磁头寻道，等盘体旋转到那个扇区后，磁头开始读出数据。在读取数据的同时，磁盘控制器会接收到第三条指令，也就是CPU给出的数据应该存放在内存中的地址。有了这个地址，数据读出之后直接通过DMA技术，也就是磁盘控制器可以直接对内存寻址并执行写操作，而不必先转到CPU，然后再从CPU存到内存中。数据存到内存中之后，CPU就从内存中取数据，进行其他运算。

来自维基百科

上面说的过程是“读”，“写”的过程也可以依此类推，而且CPU向磁盘读写数据，和向内存读写数据大同小异，只不过CPU和内存之间有更高速的缓存。缓存对于计算机很重要，对于磁盘阵列同样重要。

CPU在对磁盘发送指令的时候，这些指令是怎么定义的？

这些指令其实是发给了主板南桥上集成的(或者是通过PCI接入IO总线的)控制器，比如ATA控制器或者SCSI控制器。然后控制器再向磁盘发出一系列的指令，让磁盘读取或者写入某个磁道、某个扇区等。CPU不需要知道这些，CPU只需要知道逻辑块地址是读还是写就可以了。让CPU产生这些信号的是磁盘控制器驱动程序。

那么控制器对磁盘发出的一系列指令是怎么定义的呢？

它们形成了两大体系，一个是ATA指令集，一个是SCSI指令集。SCSI指令集比ATA指令集高效，所以广泛用于服务器和磁盘阵列环境中。这些指令集，也可以称为协议，协议就是语言，就是让通信双方知道对方传过来的比特流里面到底包含了什么，怎么由笔划组成字，由字组成词，词组成句子等等。

计算机的主板上的各个部件本身就形成了一个网络，而且通过网卡，还可以连接到外部网络，成了一个网中之网。

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