计算机接口的总线知识总结

总线的过去•总线过去的发展史[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IBMPC兼容的外围设备，由INTEL公司、IEEE和EISA集团共同研制出以IBMPC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”(IndustryStandustryArchitecture)。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-ChannelArchitecture)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(ExtendedISA)，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(VideoEletronicsStandardAssociation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VESALocalBus(简称VL总线)的局部总线标准VESAv1.0.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BurstMode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(PerpheralComponentInterconnect)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33MHzPCI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(UnifiedMemoryArchitecture)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AcceleratedGraphicsPort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，而不再总占用不放一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。二•常见的PC总线1、ISA总线(IndustryStandardArchitecture)最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT采用的系统总线，它基于8bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。1984年，IBM推出基于16-bitIntel80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。而为了开发与IBMPC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBMPC总线规范为基础的ISA（工业标准架构：IndustryStandardArchitecture）总线。ISA总线最大传输速率仅为8MB/s因此它的弱点也是显而易见的，传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等，很快使ISA总线在飞速发展的计算机技术中成为瓶颈。因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32-bit，这就是著名的EISA（ExtendedISA，扩展ISA）总线。EISA总线的工作频率仍旧仅有8MHz，并且与8/16bit的ISA总线完全兼容，由于是32-bit总线的缘故，带宽提高了一倍，达到了32MB/s.可惜的是，EISA仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI总线给取代了。2、 PCI总线（PeripheralComponentInterconnect）由于ISA/EISA总线速度缓慢，一度出现CPU的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受到严重的影响。为了解决这个问题，1992年Intel在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit的PCI（周边组件互连）总线。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到了133MB/s（33MHzX32bit/8），比ISA总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。目前计算机上广泛采用的是这种32-bit、33MHz的PCI总线。3、 AGP总线（AcceleratedGraphicsPort）PCI总线是独立于CPU的系统总线，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CPU总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到充分的发挥。可惜的是，由于PCI总线只有133MB/s的带宽，对付声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的3D显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI总线的补充——AGP总线就应运而生了。Intel于1996年7月正式推出了AGP（加速图形接口，AcceleratedGraphicsPort）接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI2.1版规范并进行扩充修改而成，工作频率为66MHz，1X模式下带宽为266MB/S，是PCI总线的两倍。后来依次又推出了AGP2X、AGP4X，现在则是AGP8X，传输速度达到了2.1GB/S。4、 PCI-Express然而时光飞逝，转眼就到了2004年，新的技术和设备层出不穷，特别是游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI的工作频率和带宽都已经无法满足需求。此外，PCI还存在IRQ共享冲突，只能支持有限数量设备等问题。在经历了长达10年的修修补补，PCI总线已经