总线

 

◆ 总线的概念

　　总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

　　总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。

◆ 工作原理

　　当 总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。

◆ 总线的分类

　　总线按功能和规范可分为三大类型:^[3]

　　(1) 片总线(Chip Bus, C-Bus)

　　又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。

　　(2) 内总线(Internal Bus, I-Bus)

　　又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。

　　(3) 外总线(External Bus, E-Bus)

　　又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIA RS-232C、IEEE-488等。
　　其中的系统总线，即通常意义上所说的总线，一般又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）。
　　有的系统中，数据总线和地址总线是复用的，即总线在某些时刻出现的信号表示数据而另一些时刻表示地址；而有的系统是分开的。51系列单片机的地址总线和数据总线是复用的，而一般PC中的总线则是分开的。
　　“数据总线DB”用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，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，也可以是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字节。
　　“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、设备就绪信号等。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。
　　按照传输数据的方式划分，可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2根。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。
　　按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。SPI、I2C是同步串行总线，RS232采用异步串行总线。

◆ 计算机中的总线

　　a.主板的总线
　　在计算机科学技术中，人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。计算机总线的种类很多，前端总线的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。
　　b.硬盘的总线
　　一般有SCSI、ATA、SATA等几种。SATA是串行ATA的缩写，为什么要使用串行ATA就要从PATA——并行ATA的缺点说起。我们知道ATA或者说普通IDE硬盘的数据线最初就是40根的排线，这40根线里面有数据线、时钟线、控制线、地线，其中32根数据线是并行传输的（一个时钟周期可以同时传输4个字节的数据），因此对同步性的要求很高。这就是为什么从PATA-66（就是常说的DMA66）接口开始必须使用80根的硬盘数据线，其实增加的这40根全是屏蔽用的地线，而且只在主板一边接地（千万不要接反了，反了的话屏蔽作用大大降低），有了良好的屏蔽硬盘的传输速度才能达到66MB/s、100MB/s和最高的133MB/s。但是在PATA-133之后，并行传输速度已经到了极限，而且PATA的三大缺点暴露无遗：信号线长度无法延长、信号同步性难以保持、5V信号线耗电较大。那为什么SCSI-320接口的数据线能达到320MB/s的高速、而且线缆可以很长呢？你有没有注意到SCSI的高速数据线是“花线”？这可不是为了好看，那“花”的部分实际上就是一组组的差分信号线两两扭合而成，这成本可不是普通电脑系统愿意承担的。
　　c.其他的总线
　　计算机中其他的总线还有：通用串行总线USB（Universal Serial Bus）、IEEE1394、PCI等等。

◆总线的主要技术指标

　　1、总线的带宽（总线数据传输速率）
　　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、总线的位宽
　　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、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。

总线的合理搭配

　　主板北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽＝（总线频率×数据位宽）÷8。目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种，前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快，运算速度提高很快，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU，较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。

[1][2]总线的操作

　　总线一个操作过程是完成两个模块之间传送信息，启动操作过程的是主模块，另外一个是从模块。某一时刻总线上只能有一个主模块占用总线。
　　总线的操作步骤：
　　主模块申请总线控制权，总线控制器进行裁决。
　　总线的操作步骤：
　　主模块得到总线控制权后寻址从模块，从模块确认后进行数据传送。
　　数据传送的错误检查。
　　总线定时协议：定时协议可保证数据传输的双方操作同步，传输正确。定时协议有三种类型：
　　同步总线定时：总线上的所有模块共用同一时钟脉冲进行操作过程的控制。各模块的所有动作的产生均在时钟周期的开始，多数动作在一个时钟周期中完成。
　　异步总线定时：操作的发生由源或目的模块的特定信号来确定。总线上一个事件发生取决前一事件的发生，双方相互提供联络信号。
　　总线定时协议
　　半同步总线定时：总线上各操作的时间间隔可以不同，但必须是时钟周期的整数倍，信号的出现,采样与结束仍以公共时钟为基准。ISA总线采用此定时方法。
　　数据传输类型：分单周方式和突发(burst)方式。
　　单周期方式：一个总线周期只传送一个数据。
　　数据传输类型：
　　突发方式：取得主线控制权后进行多个数据的传输。寻址时给出目的地首地址，访问第一个数据，数据2、3到数据n的地址在首地址基础上按一定规则自动寻址（如自动加1）。

总线的标准

　　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。
　　总线标准（技术规范）包括以下几部分：
　　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。
　　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。

　　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。

总线又称总线或总线（BUS），台湾譯作「匯流排」，是指间规范化的交换数据（Data）的方式，即以一种通用的方式为各组件提供数据传送和。從另一個角度來看，如果說（Mother Board）是一座城市，那麼总线就像是城市裡的公共汽車（bus），能按照固定行車路線，傳輸來回不停運作的（bit）。這些線路在同一時間內都僅能負責傳輸一個比特。因此，必須同時採用多條線路才能傳送更多資料，而匯流排可同時傳輸的資料數就稱為寬度（width），以位元為單位，匯流排寬度愈大，傳輸效能就愈佳。匯流排的頻寬（Bandwidth），也就是單位時間內可以傳輸的總資料數（單位是Bytes/sec）：匯流排頻寬 = 頻率 x 寬度。

種類

PC上一般有五種匯流排通路：

• 資料匯流排（Data Bus）：在CPU與RAM之間來回傳送需要處理或是需要儲存的資料。
• 位址匯流排（Address Bus）：用來指定在隨機存取記憶體（Random Access Memory）之中儲存資料的位址。
• 控制匯流排（Control Bus）：將微處理器控制單元（Control Unit）的訊號，傳送到周邊裝置，一般常見的為USB Bus與1394 Bus。
• 擴充匯流排（Expansion Bus）：可連接擴充槽和電腦。
• 區域匯流排（Local Bus）：取代更高速資料傳輸的擴充匯流排。

內部匯流排

並行

• ，用于仪表检测系统
• 工业标准架构总线（）
• 扩展ISA（）
• Low Pin Count（）
• 微通道（）
• 多总线（），用于工业生产系统
• ，或称IEEE 1196
• OPTi本地总线，用于早期Intel 80486主板
• 外围部件互联总线（）
• S-100总线（），或称IEEE 696，用于Altair或类似微处理器
• 或称IEEE 1496
• VESA本地总线（VLB，VL-bus）
• VERSAmodule Eurocard bus（VME总线）
• STD总线（），用于八位或十六位微处理器系统

串行

• HyperTransport
• 串行PCI（）
• 串行外围接口总线（SPI总线）
• 通用串行总线
• 火线i.Link（IEEE 1394）

外部匯流排

并行

• 或稱 ATA（aka PATA, IDE, EIDE, ATAPI, etc.） disk/tape peripheral attachment bus
  (the original ATA is parallel, but see also the recent )
• 高速平行介面（HIgh Performance Parallel Interface）
• （aka GPIB, General-Purpose Instrumentation Bus, and HPIB, Hewlett-Packard Instrumentation Bus）
• , 前身是知名的 PCMCIA, much used in laptop computers and other portables, but fading with the introduction of USB and built-in network and modem connections
• 小型電腦系統介面（Small Computer System Interface）, disk/tape peripheral attachment bus

串行

• Universal Serial Bus, used for a variety of external devices
• and other buses
• ("CAN bus")