系統(tǒng)總線技術(shù)簡介

數(shù)字計算機是由若干系統(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完整的計算機系統(tǒng)。 把同一臺計算機系統(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)。常見的系統(tǒng)總線技術(shù)有:PC總線、AT總線(ISA總線)、PCI總線。

許多早期的電子式計算機都以1945年所公布的《EDVAC報告書的第一份草案》為基礎。在此份報告中有著為人所熟知的范紐曼型架構(gòu)，一個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存儲程序計算機。這份報告揭示了計算機的通用結(jié)構(gòu)與理論模型，然而此一模型并未付諸實行。 很快的，有設計將控制單元與算術(shù)邏輯單元集成起來而成為后來為人所熟知的中央處理器。

在1950年代到1960年代，計算機的建構(gòu)特別的風行。舉例來說，中央處理器、內(nèi)存與輸入輸出單元的組件中，將其中的每個或多個組件用導線所連接。工程師們使用一般性標準化導線捆綁技術(shù)并延伸其觀念而成為回路基板，進而將印刷電路板應用于早期的機器里。

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

集成電路的出現(xiàn)極大的縮小了計算機組件的大小，而且總線也變得更標準化。標準化模塊可以用更有秩序的方式來連接，也更容易開發(fā)與維護。

每個總線標準都必須有具體和明確的規(guī)范說明，通常包括如下幾個方面的技術(shù)規(guī)范或特性:

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

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

(3)功能特性: 給出各總線信號的名稱及功能定義;

(4) 規(guī)程特性:對各總線信號的動作過程及時序關(guān)系進行說明。

總線是一組信號線和相關(guān)的控制、驅(qū)動電路的集合。是計算機系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的公共通道。微型計算機從其誕生以來就采用了總線結(jié)構(gòu) ，在微機系統(tǒng)中常把總線作為一個獨立部件看待。當前

CPU通過總線實現(xiàn)讀取指令，并實現(xiàn)與內(nèi)存、外設之間的數(shù)據(jù)交換，在CPU、內(nèi)存與外設確定的情況下，總線速度是制約計算機整體性能的關(guān)鍵，總線的性能對于解決系統(tǒng)瓶頸、提高整個微機系統(tǒng)的性能有著十分重要的影響。因此在微型計算機二十多年的發(fā)展過程中，總線結(jié)構(gòu)也不斷地發(fā)展變化。 總線結(jié)構(gòu)已成為微機性能的重要指標之一。

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)設計、生產(chǎn)、使用和維護上有很多優(yōu)越性。概括起來有以下幾點:

便于采用模塊結(jié)構(gòu)，簡化系統(tǒng)設計;

總線標準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)的擴充和升級;

便于故障診斷和維修;

多個廠商的競爭和標準化帶來的大規(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)總線和外設總線

CPU總線是從CPU引腳上引出的連接線，用來實現(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，用來與存儲器和擴充插槽上的各擴充板卡相連接。常見的系統(tǒng)總線有ISA、PCI、PCI-E等。系統(tǒng)總線是通過專用的邏輯電路的對CPU總線的信號在空間與時間上進行邏輯重組轉(zhuǎn)換而來。

外設總線是指計算機主機與外部設備接口的總線，實際上是一種外設的接口標準。目前在微型計算機上流行的接口標準有: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)等外部存儲設備，后面兩種可以用來連接多種外部設備。

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，相應地每一種總線都可認為是由數(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)用于在各個部件/設備之間傳輸數(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)與存儲器、I/O接口之間傳輸控制和狀態(tài)信息。

----ISA(industrial standard architecture)總線標準是IBM 公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于奔騰機中還保留有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)合推出的總線標準。它是在ISA總線的基礎上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。

----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，簡稱為VL(VESA local bus)總線。它的推出為微機系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎。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，其他設備通過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，且可通過擴展槽擴展到64 位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達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)讀寫操作，最大傳輸速率可達132MB/s，可同時支持多組外圍設備。 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機中，在計算機系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境而設計的系統(tǒng)總線，比如STD總線、VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當前工業(yè)計算機的熱門總線之一--Compact PCI。

----Compact PCI的意思是"堅實的PCI"，是當今第一個采用無源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業(yè)組裝標準，是當今最新的一種工業(yè)計算機標準。

Compact PCI是在原來PCI總線基礎上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點，提供滿足工業(yè)環(huán)境應用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統(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)流行這種點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構(gòu)，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。相對于傳統(tǒng)PCI總線在單一時間周期內(nèi)只能實現(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傳送的二進制數(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。總線的位寬越寬，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)總線是一類信號線的集合是模塊間傳輸信息的公共通道，通過它，計算機各部件間可進行各種數(shù)據(jù)和命令的傳送。為使不同供應商的產(chǎn)品間能夠互換，給用戶更多的選擇，總線的技術(shù)規(guī)范要標準化。總線的標準制定要經(jīng)周密考慮，要有嚴格的規(guī)定。系統(tǒng)總線標準(技術(shù)規(guī)范)包括:

(1)機械結(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:總線每條信號線(引腳的名稱)、功能以及工作過程要有統(tǒng)一規(guī)定。

(3)電氣規(guī)范:總線每條信號線的有效電平、動態(tài)轉(zhuǎn)換時間、負載能力等。