总线

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总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说,就是多个部件间的公共连线,用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。

总线分类

  可以从多种角度对总线进行分类。 按信息传送的方向,总线可分为单向总线和双向总线。 按传送信息的类型分,总线可分为:数据总线(传送数据)、地址总线(传送地址)和控制总线(传送控制信号)。当然在总线中也可以有信号线复用的情况,如地址与数据复用、地址与控制命令复用等,在这些信号线中不同时间段传送不同的信息。此外,总线中还应有电源线和地线,有的总线还使用几种电源。 按照总线所处的物理位置分,可将其分成以下四种:

  ①片内总线:大规模或超大规模集成电路芯片内部是相当复杂的,其内部功能块之间采用总线相连。

  ②模板内部总线:一块模板上各个芯片之间相连接的总线。

  ③板间总线:构成一个微机系统需要若干块模板,它们之间通过总线相连。

  ④模板与设备(指位于主机箱内部的设备)之间、计算机与设备(指位于主机箱外部的设备)之间以及计算机与计算机之间的总线。

总线发展史

  [1981]PCI总线产生前,计算机的系统总线有一段的发展史。最原始的是名为“PC总线”的总线,由IBM在1981年以8088为CPU推出的系统总线,“PC总线“又称’PC/XT"总线,是PC总线的第一次创新。

  总线的主要特点是以CPU为唯一主控设备,其它设备为从属设备。

  [1984]PC总线沿用了三年多时间,直到1984年,IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑,PC总线才被16位的PC/AT总线所代替。但是IBM公司并没有公布AT总线的规格,这样AT 总线技术就控制在IBM 手中。

  [1987]而为了开发与IBM PC 兼容的外围设备,由INTEL 公司、IEEE和EISA集团共同研制出以IBM PC总线规范为基础的总线标准规范-ISA总线,即8/16位的“工业标准结构” (Industry Standustry Architecture)。这种总线应该是在1984年后就慢慢形成,1987年IEEE正式制订了ISA总线标准。

  [1987]在80386处理器推出后,包括IBM在内的计算机厂商,为提高机器速度,增大可用内存,要管理4GB的实际内存和64TB虚拟内存,增加多处理能力,因此,需要重新设计总线。在1987年,IBM 公司又引进了一种新型总线标准,称作MCA(Micro-Channel Architecture)总线,用在IBM的PS/2机器上,这种总线32位结构总线,在传输率上和稳定性上比ISA 总线有了很大提高,IBM 为了垄断这种技术,在设计上与其他厂商完全不兼容,这样使得这种技术这能在IBM 的PS/2机器上使用,而采用ISA接口技术的外围设备卡无法在MCA总线的机器上使用,其他厂商如果要使用MCA技术必须向IBM购买,这样就使得MCA总线在其他厂商的机器中无法得到推广.

  [1988]为了与IBM的MCA技术抗衡,九家计算机厂商联合起来,在ISA总线的基础上与1998年推出了为32位微机设计的“扩展工业标准结构” EISA总线(Extended ISA),32位地址线可以直接寻址范围为4GB,32位数据位,最大传输率为33MB/s,同时与ISA总线兼容.由于EISA的技术标准公开,很受厂家欢迎,相继有上百种EISA卡问世。

  [1992]EISA是一种支持多处理器的高性能32位标准总线,但由于要兼顾ISA,防碍了EISA的总线速度的进一步提高。为打破CPU与外设之间的数据传输瓶颈,提高微机的整体性能,VESA(Video Eletronics Standard Association 视频电子标准协会)联合60余家公司,对PC总线进行创新,推出了VESA Local Bus(简称VL总线)的局部总线标准VESA v1.0.从VESA局部总线结构上看,局部总线好像是在传统总线和CPU之间又插入了一级,将一些高速外设如网络适配器、GUI图形板、多媒体、磁盘控制器等从传统总线上卸下,直接通过局部总线挂接到CPU总线上,使之与高速CPU相匹配。VESA数据总线宽度为32位,总线时钟与CPU主频有关,最大不超过40MHz,支持Burst Mode突发传输方式,总线最高传输率132MB/s,地址总线宽度32位,总线最大寻址空间为4GB。从CPU与总线的匹配关系来看,由于VESA标准总线几乎是486CPU信号的延伸,故VL与486匹配达到最佳,能够充分发挥486微机各部件的性能,因此在486系列微机基本上都采用了VESA总线。由于VESA总线是直接挂在CPU上,在CPU升级或任务变动时都会使得VESA不再适用,例如,VESA不能支持Pentium及其以上的芯片。因此,随着486芯片的衰落,VESA已逐渐消失.

  [1992~1993]有没有一种既具有VESA局部总线的高数据传输率、又与CPU相对独立、并且功能更强的总线?Intel公司研制的PCI(Perpheral Component Interconnect)局部总线作出了肯定的回答.在Intel和多家主要电脑厂商的努力下,1993年,第一台PCI电脑问世。

  第一个版本的PCI总线工作于33MHz频率下,传输带宽达到133MBps,比ISA总线和EISA总线有了巨大的改进,很好满足当时计算机系统的发展需要。而且PCI采用了独特的中间缓冲器设计,显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速外围设备都可以直接挂在PCI总线中,再与CPU实现通讯,这种做法不仅满足了当时配件对系统总线的性能要求,也提供了相当的灵活性.

  [1993~1994]在PCI发布一年之后,英特尔公司紧接着提出64位的PCI总线,它的传输性能达到266MBps,但主要用于企业服务器和工作站领域;由于这些领域对总线性能要求较高,64位/33MHz规格的PCI很快又不够用了,英特尔遂将它的工作频率提升到66MHz。而随着X86服务器市场的不断扩大,64位/66MHz规格的PCI总线理所当然成为该领域的标准,针对服务器/工作站平台设计的SCSI卡、RAID控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用64位PCI接口,乃至到今天,这些设备还被广泛使用.不过,PC领域的32位总线一直都没有得到升级,工作频率也停留于33MHz.

  PC上的33MHz PCI总线(133MB/s的传输速度)面临挑战的主要原因之一是由于显卡3D计算的需求。显卡处理的数据流工作主要是分为四个阶段,即数据从CPU到显卡核心,处理完后到显卡内存(显存),从显存到数模转换器(RAM-DAC),再从数模转换器进入显示器[5]。由于3D计算过程中,需要大量的数据,而显存的容量由于造价过高而不得不利用计算机的系统内存(即传统的RAM,也即CPU的工作内存),这就是UMA(Unified Memory Architecture)的用武之地。

  UMA的解决方案是从系统内存中划分出一块来,作为显示核心的专用内存,以完成必要3D数据的存储。但是UMA的处理方式比较死板,它从内存中划分出来后就不归还了,即使显示核心不再使用这块内存了。这种做法给系统的其它部分带来了比较大的负面效应,系统性能会因系统内存的减少而降低10[%]或更多(视UMA划分出去的内存数量和系统内存的总数量而定)。同时,由于共享系统内存,数据从系统内存到显示核心之间的传输带宽也出现了问题:一般传输的速度要求有200MB/s以上,突出的3D性能更需要300~400MB/s或更多。如此大的要求,133MB/s的PCI系统总线是满足不了的。

  UMA解决架构失败后,为了提高系统内存与显示芯片之间的传输速度,Intel于1996年开始,到2000年间,特别针对图形数据的传输,相继提出了一系列的AGP规范,共有AGP1.0~3.0。AGP规范是Accelerated Graphics Port的简称,是Intel专门为显示核心制订。和UMA不同的是,它可以动态对内存进行申请和释放,而不再总占用不放--即使显示核心不再需要;因此,缓解了UMA解决方案出现的问题。同时,由于使用了更高的数据传送速度,使得在相当长的时间内,PCI遇到的难题得到缓解。

总线在计算机中的重要作用

  任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接,但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接,那么连线将会错综复杂,甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构,常用一组线路,配置以适当的接口电路,与各部件和外围设备连接,这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充,尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。

  微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连;而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线,用于插件板一级的互连;外部总线则是微机和外部设备之间的总线,微机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备一级的互连。

  另外,从广义上说,计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信,相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好,但由于占用的口线多,不适于小型化产品;而串行通信速率虽低,但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。

  随着微电子技术和计算机技术的发展,总线技术也在不断地发展和完善,而使计算机总线技术种类繁多,各具特色。

 
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