系統(tǒng)總線技術(shù)背景

許多早期的電子式計(jì)算機(jī)都以1945年所公布的《EDVAC報(bào)告書(shū)的第一份草案》為基礎(chǔ)。在此份報(bào)告中有著為人所熟知的范紐曼型架構(gòu)，一個(gè)中央控制單元和算術(shù)邏輯單元被與電腦內(nèi)存和輸入輸出功能一起組合形成一個(gè)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)。這份報(bào)告揭示了計(jì)算機(jī)的通用結(jié)構(gòu)與理論模型，然而此一模型并未付諸實(shí)行。 很快的，有設(shè)計(jì)將控制單元與算術(shù)邏輯單元集成起來(lái)而成為后來(lái)為人所熟知的中央處理器。

在1950年代到1960年代，計(jì)算機(jī)的建構(gòu)特別的風(fēng)行。舉例來(lái)說(shuō)，中央處理器、內(nèi)存與輸入輸出單元的組件中，將其中的每個(gè)或多個(gè)組件用導(dǎo)線所連接。工程師們使用一般性標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)線捆綁技術(shù)并延伸其觀念而成為回路基板，進(jìn)而將印刷電路板應(yīng)用于早期的機(jī)器里。

"總線"這個(gè)名稱早先就已經(jīng)被使用于母線，它乘載并輸送電力到電子機(jī)器的不同部分的組件，包含早期的機(jī)械式計(jì)算器。

集成電路的出現(xiàn)極大的縮小了計(jì)算機(jī)組件的大小，而且總線也變得更標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化模塊可以用更有秩序的方式來(lái)連接，也更容易開(kāi)發(fā)與維護(hù)。

數(shù)字計(jì)算機(jī)是由若干系統(tǒng)部件構(gòu)成的，這些系統(tǒng)部件在一起工作才能形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 把同一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各部件，如CPU、內(nèi)存、通道和各類I/O接口間互相連接的總線技術(shù)，稱為系統(tǒng)總線技術(shù)。常見(jiàn)的系統(tǒng)總線技術(shù)有:PC總線、AT總線(ISA總線)、PCI總線。

每個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)都必須有具體和明確的規(guī)范說(shuō)明，通常包括如下幾個(gè)方面的技術(shù)規(guī)范或特性:

(1) 機(jī)械特性:規(guī)定模塊插件的機(jī)械尺寸，總線插頭、插座的規(guī)格及位置等;

(2) 電氣特性: 規(guī)定總線信號(hào)的邏輯電平、噪聲容限及負(fù)載能力等;

(3)功能特性: 給出各總線信號(hào)的名稱及功能定義;

(4) 規(guī)程特性:對(duì)各總線信號(hào)的動(dòng)作過(guò)程及時(shí)序關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。

總線是一組信號(hào)線和相關(guān)的控制、驅(qū)動(dòng)電路的集合。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂贰?shù)據(jù)和控制信息的公共通道。微型計(jì)算機(jī)從其誕生以來(lái)就采用了總線結(jié)構(gòu) ，在微機(jī)系統(tǒng)中常把總線作為一個(gè)獨(dú)立部件看待。當(dāng)前

CPU通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)讀取指令，并實(shí)現(xiàn)與內(nèi)存、外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換，在CPU、內(nèi)存與外設(shè)確定的情況下，總線速度是制約計(jì)算機(jī)整體性能的關(guān)鍵，總線的性能對(duì)于解決系統(tǒng)瓶頸、提高整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的性能有著十分重要的影響。因此在微型計(jì)算機(jī)二十多年的發(fā)展過(guò)程中，總線結(jié)構(gòu)也不斷地發(fā)展變化。 總線結(jié)構(gòu)已成為微機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。

總線技術(shù)之所以能夠得到迅速發(fā)展，是由于采用總線結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)上有很多優(yōu)越性。概括起來(lái)有以下幾點(diǎn):

便于采用模塊結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì);

總線標(biāo)準(zhǔn)可以得到廠商的廣泛支持，便于生產(chǎn)與之兼容的硬件板卡和軟件;

模塊結(jié)構(gòu)方式便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和升級(jí);

便于故障診斷和維修;

多個(gè)廠商的競(jìng)爭(zhēng)和標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)的大規(guī)模生產(chǎn)降低了制造成本。

片內(nèi)總線和片外總線

片內(nèi)總線是CPU內(nèi)部的寄存器、算術(shù)邏輯部件、控制部件以及總線接口部件之間的公共信息通道。

片外總線則泛指CPU與外部器件之間的公共信息通道。

我們通常所說(shuō)的總線大多是指片外總線。有的資料上也把片內(nèi)總線叫做內(nèi)部總線或內(nèi)總線(Internal Bus)，把片外總線叫做外部總線或外總線(External Bus)。

CPU總線、系統(tǒng)總線和外設(shè)總線

CPU總線是從CPU引腳上引出的連接線，用來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU與外圍控制芯片和功能部件之間的連接。

系統(tǒng)總線也稱為I/O通道總線，用來(lái)與存儲(chǔ)器和擴(kuò)充插槽上的各擴(kuò)充板卡相連接。常見(jiàn)的系統(tǒng)總線有ISA、PCI、PCI-E等。系統(tǒng)總線是通過(guò)專用的邏輯電路的對(duì)CPU總線的信號(hào)在空間與時(shí)間上進(jìn)行邏輯重組轉(zhuǎn)換而來(lái)。

外設(shè)總線是指計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部設(shè)備接口的總線，實(shí)際上是一種外設(shè)的接口標(biāo)準(zhǔn)。目前在微型計(jì)算機(jī)上流行的接口標(biāo)準(zhǔn)有:IDE(EIDE/ATA，SATA)、SCSI、USB和IEEE 1394四種。前兩種主要用于連接硬盤、光驅(qū)等外部存儲(chǔ)設(shè)備，后面兩種可以用來(lái)連接多種外部設(shè)備。

地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線

幾乎所有的總線都要傳輸三類信息:數(shù)據(jù)、地址和控制/狀態(tài)信號(hào)，相應(yīng)地每一種總線都可認(rèn)為是由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線構(gòu)成。

數(shù)據(jù)總線(Data Bus，DB)用于在各個(gè)部件/設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)信息。

地址總線(Address Bus，AB)用于在CPU(或DMA控制器)與存儲(chǔ)器、I/O接口之間傳輸?shù)刂沸畔ⅰ?/p>

控制總線(Control Bus，CB)用于在CPU(或DMA控制器)與存儲(chǔ)器、I/O接口之間傳輸控制和狀態(tài)信息。

----ISA(industrial standard architecture)總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM 公司1984年為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。它是對(duì)XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時(shí)代應(yīng)用非常廣泛，以至于奔騰機(jī)中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。

----EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來(lái)ISA總線的98條信號(hào)線上又增加了98條信號(hào)線，也就是在兩條ISA信號(hào)線之間添加一條EISA信號(hào)線。在實(shí)用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號(hào)。

----VESA(

系統(tǒng)總線

video electronics standard association)總線是 1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡(jiǎn)稱為VL(VESA local bus)總線。它的推出為微機(jī)系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache 的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過(guò)VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過(guò)擴(kuò)展槽擴(kuò)展到64 位，使用33MHz時(shí)鐘頻率，最大傳輸率達(dá)132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。

----PCI(peripheral component interconnect)總線是當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫(xiě)操作，最大傳輸速率可達(dá)132MB/s，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。 PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA(micro channel architecture)總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。

----以上所列舉的幾種系統(tǒng)總線一般都用于商用PC機(jī)中，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總線，比如STD總線、VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當(dāng)前工業(yè)計(jì)算機(jī)的熱門總線之一--Compact PCI。

----Compact PCI的意思是"堅(jiān)實(shí)的PCI"，是當(dāng)今第一個(gè)采用無(wú)源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

Compact PCI是在原來(lái)PCI總線基礎(chǔ)上改造而來(lái)，它利用PCI的優(yōu)點(diǎn)，提供滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時(shí)還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來(lái)擴(kuò)充系統(tǒng)的I/O和其他功能。

----6.PCI-E總線

----PCI Express采用的也是業(yè)內(nèi)流行這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接，比起PCI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請(qǐng)求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率，達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬。相對(duì)于傳統(tǒng)PCI總線在單一時(shí)間周期內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)單向傳輸，PCI Express的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質(zhì)量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。

1、系統(tǒng)總線 的帶寬(總線數(shù)據(jù)傳輸速率)

系統(tǒng)總線的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔鐘傳送MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線密切相關(guān)的兩個(gè)因素是總線的位寬和總線的工作頻率，它們之間的關(guān)系:總線的帶寬=總線的工作頻率*總線的位寬/8

2、系統(tǒng)總線的位寬

系統(tǒng)總線的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，即32位、64位等總線寬度的概念?？偩€的位寬越寬，每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸率越大，總線的帶寬越寬。

3、系統(tǒng)總線的工作頻率

總線的工作時(shí)鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬越寬。

系統(tǒng)總線是一類信號(hào)線的集合是模塊間傳輸信息的公共通道，通過(guò)它，計(jì)算機(jī)各部件間可進(jìn)行各種數(shù)據(jù)和命令的傳送。為使不同供應(yīng)商的產(chǎn)品間能夠互換，給用戶更多的選擇，總線的技術(shù)規(guī)范要標(biāo)準(zhǔn)化?？偩€的標(biāo)準(zhǔn)制定要經(jīng)周密考慮，要有嚴(yán)格的規(guī)定。系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)(技術(shù)規(guī)范)包括:

(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范:模塊尺寸、總線插頭、總線接插件以及安裝尺寸均有統(tǒng)一規(guī)定。

(2)功能規(guī)范:總線每條信號(hào)線(引腳的名稱)、功能以及工作過(guò)程要有統(tǒng)一規(guī)定。

(3)電氣規(guī)范:總線每條信號(hào)線的有效電平、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、負(fù)載能力等。