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系统总线

系统总线又称内总线(Internal Bus)或板级总线(Board-Level)或计算机总线(Microcomputer Bus)。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整的微机系统,所以称之为系统总线。系统总线是微机系统中最重要的总线,人们平常所说的微机总线就是指系统总线,如PC总线、AT总线(ISA总线)、PCI总线等。

系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息,因此,系统总线包含有三种不同功能的总线,即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)。

数据总线DB用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式(双向是指可以两个方向传输,可以A->B也可以A<-B;三态指 0,1和第三态(tri-state)。tri-state既不是一也不是零,三态门的闭合无输出高阻状态。)的总线,即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标,通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位,其数据总线宽度也是16位。需要指出的是,数据的含义是广义的,它可以是真正的数据,也可以指令代码或状态信息,有时甚至是一个控制信息,因此,在实际工作中,数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。

地址总线AB是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,比如8位微机的地址总线为16位,则其最大可寻址空间为2^16=64KB,16位微型机的地址总线为20位,其可寻址空间为2^20=1MB。一般来说,若地址总线为n位,则可寻址空间为2^n(2的n次方)个地址空间(存储单元)。 举例来说:一个16位元宽度的位址总线(通常在1970年和1980年早期的8位元处理器中使用)可以寻址的内存空间为 2 的 16 次方=65536=64 KB的地址,而一个 32位元 位址总线(通常在像现今 2004年 的 PC 处理器中) 可以寻址的内存空间为4,294,967,296=4GB(前提:数据总线的宽度是8位)的位址。

注释:位元=bit。

上面提到的2^n=X=YGB中的B其实是bit,这个结果其实是乘以可寻址的位元8bit之后得到的。 [1]

控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中,有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的,如读/写信号,片选信号、中断响应信号等;也有是其它部件反馈给CPU的,比如:中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此,控制总线的传送方向由具体控制信号而定,一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。

系统总线在微型计算机中的地位,如同人的神经中枢系统,CPU通过系统总线对存储器的内容进行读写,同样通过总线,实现将CPU内数据写入外设,或由外设读入CPU。微型计算机都采用总线结构。总线就是用来传送信息的一组通信线。微型计算机通过系统总线将各部件连接到一起,实现了微型计算机内部各部件间的信息交换。一般情况下,CPU提供的信号需经过总线形成电路形成系统总线。系统总线按照传递信息的功能来分,分为地址总线、数据总线和控制总线。这些总线提供了微处理器(CPU)与存储器、输入输出接口部件的连接线。可以认为,一台微型计算机就是以CPU为核心,其它部件全“挂接”在与CPU相连接的系统总线上。这种总线结构形式,为组成微型计算机提供了方便。人们可以根据自己的需要,将规模不一的内存和接口接到系统总线上,很容易形成各种规模的微型计算机。

微型计算机实质上就是把CPU、存储器和输入/输出接口电路正确的连接到系统总线上,而计算机应用系统的硬件设计本质上是外部设备同系统总线之间的总线接口电路设计问题,这种总线结构设计是计算机硬件系统的一个特点。

----ISA(industrial standard architecture)总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准,所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展,以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛,以至于奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。

----EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座,在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线,也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中,EISA总线完全兼容ISA总线信号。

----VESA(video electronics standard association)总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线,简称为VL(VESA local bus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连,通常把这部分总线称为CPU总线或主总线,其他设备通过VL总线与CPU总线相连,所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线,且可通过扩展槽扩展到64 位,使用33MHz时钟频率,最大传输率达132MB/s,可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线,可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。

----PCI(peripheral component interconnect)总线是当前最流行的总线之一,它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线,且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小,其功能比VESA、ISA有极大的改善,支持突发读写操作,最大传输速率可达132MB/s,可同时支持多组外围设备。 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(micro channel architecture)总线,但它不受制于处理器,是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

----以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中,在计算机系统总线中,还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线,比如STD总线、VME总线、PC/104总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一Compact PCI。

----Compact PCI的意思是“坚实的PCI”,是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统,是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准,是当今最新的一种工业计算机标准。Compact PCI是在原来PCI总线基础上改造而来,它利用PCI的优点,提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统,同时还考虑充分利用传统的总线产品,如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。

----6.PCI-E总线

----PCI Express采用的也是业内流行这种点对点串行连接,比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输,PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量,它们之间的差异跟半双工和全双工类似。

系统总线是一类信号线的集合是模块间传输信息的公共通道,通过它,计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。为使不同供应商的产品间能够互换,给用户更多的选择,总线的技术规范要标准化。总线的标准制定要经周密考虑,要有严格的规定。系统总线标准(技术规范)包括:

(1)机械结构规范:模块尺寸、总线插头、总线接插件以及安装尺寸均有统一规定。

(2)功能规范:总线每条信号线(引脚的名称)、功能以及工作过程要有统一规定。

(3)电气规范:总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。

1、系统总线的带宽(总线数据传输速率)

系统总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量,即每钞钟传送MB的最大稳态数据传输率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率,它们之间的关系:总线的带宽=总线的工作频率*总线的位宽/8

2、系统总线的位宽

系统总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数,或数据总线的位数,即32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽,每秒钟数据传输率越大,总线的带宽越宽。

3、系统总线的工作频率

总线的工作时钟频率以MHZ为单位,工作频率越高,总线工作速度越快,总线带宽越宽。

计算机系统总线的详细发展历程,包括早期的PC总线和ISA总线、PCI/AGP总线、PCI-X总线以及主流的PCIExpress、HyperTransport高速串行总线。从PC总线到ISA、PCI总线,再由PCI进入PCIExpress和HyperTransport体系,计算机在这三次大转折中也完成三次飞跃式的提升。与这个过程相对应,计算机的处理速度、实现的功能和软件平台都在进行同样的进化,显然,没有总线技术的进步作为基础,计算机的快速发展就无从谈起。业界站在一个崭新的起点:PCIExpress和HyperTransport开创了一个近乎完美的总线架构。而业界对高速总线的渴求也是无休无止,PCIExpress4.0和HyperTransport4.0都已提上日程,它们将会再次带来效能提升。在计算机系统中,各个功能部件都是通过系统总线交换数据,总线的速度对系统性能有着极大的影响。而也正因为如此,总线被誉为是计算机系统的神经中枢。但相比CPU、显卡、内存、硬盘等功能部件,总线技术的提升步伐要缓慢得多。在PC发展的二十余年历史中,总线只进行三次更新换代,但它的每次变革都令计算机的面貌焕然一新


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