总线

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。