总线技术

3.1　总线概述

1. 总线定义

　　总线是PC各部件之间进行通信的通道，PC各部件之间的数据传输只有通过总线才能实现。所以，总线技术在接口技术中占有很重要的位置。

　　一般总线可以区分为三种信号线。

　　1. 地址总线：传送地址信息的通道，地址线的数量决定了。地址总线为单向、三态总线。

　　2. 数据总线：传送数据信息的通道，数据线的数量决定了数据传送、运算和处理的规模。

　　3. 控制总线：地址总线和数据总线分别是外部设备和CPU之间传送地址信息和数据信息的通道。控制总线是完成各种控制功能的通道，是总线中最复杂的一部分。只有了解了每一条控制线的作用，才能成功地使用这种总线。

　　所有总线都在上，主板也是通过各种总线来达到将CPU和各种部件有机地连接起来的目的。

2. I/O总线

　　I/O总线是用于扩展插卡与CPU通信的总线，主要有7种类型。它们每次能处理的数据位决定了它们的分类。它们是：

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　其中，PCI和AGP总线是目前最常用的总线，其它总线目前已经被淘汰了。

3.2　PC/XT总线

　　ISA(Industry Standard Architecture)，工业标准体系结构，是由IBM于1981年提出的总线标准。

　　最初为8位总线，使用在PC/XT机上，所以我们通常称8位ISA总线为PC/XT总线，而我们平常所说的ISA总线则专指16位ISA总线。

　　PC/XT总线采用，为8位扩展总线，工作频率为4.77MHz。PC/XT总线传送一个数据（8位或1字节）需要2到8个时钟周期，所以，理论上PC/XT总线的最大传送速率为：4.77MHz×1Byte÷2Cycles=2.39MB/Sec

　　因为PC/XT总线用的是20位的地址总线，所以它最多只能寻址1MB的内存。

　　

3.3　ISA总线

　　ISA总线是在原PC/XT总线（原8位ISA总线）的基础上增加36线（共92个引脚）扩展插槽而形成的，所以它一方面能够与PC/XT总线兼容，另一方面又比PC/XT总线多出8个数据位和4位地址线。

　　这样，ISA总线就有16位数据总线和24位地址总线，使它最多能拥有16MB可寻址内存。ISA总线使用固定的8.33MHz时钟频率，最大的数据传输速率是每2个时钟周期1个数据（2字节或16位），所以它的带宽为：8.33MHz×2bytes÷2Cycles=8.33MB/Sec。

　　ISA卡曾经是应用最广泛的I/O总线，因为对大部分接口应用系统来说，ISA卡有着很好的性能，使用的元件也很便宜，是一项得到了证实的可靠的技术。典型的应用包括串行端口、并行端口、网卡和声卡等。

　　

　　是 由COMPAQ等兼容机厂商联合于1988年9月推出的一种与IBM的MCA总线抗衡的增强型总线。EISA总线是对ISA总线的扩展，除了保留符合 ISA标准的98个引脚外，又增加了90个引脚，这90个引脚包括16条数据线、27条地址线、12条控制线、26条电源线和地线、5条保留线和4条系统 制造商专用线。

  　　EISA总线本质上是32位的ISA总线，插槽与所有ISA卡完全兼容。与MCA类似的是，它也可以允许通过软件来配置EISA卡。

 　　EISA总线相对ISA总线有如下特点：

地址总线扩充到32位，意味着EISA系统所提供的存储容量已不再受到系统体系结构的制约而能操作整个80x86的存储器空间。

EISA总线可以在8.33MHz时钟频率下处理32位数据，大大提高了数据传输能力，保证了系统性能的提高，最大数据传输速率可达到：8.33MHz*4bytes=33MB/s。

具有软件自动配置功能，可根据配置文件自动地初始化，配置系统主板和扩展卡。

扩充了直接存储器访问（DMA）的范围，提高了DMA传送速度。

　　

　　是IBM公司开发的一种总线，应用在PS/2微机上。

　　这种总线与ISA总线完全不兼容，但技术上更加先进。该总线既可以操作16位数据总线，也可以操作32位数据总线。

　　MCA与PC/ISA/EISA之间的主要技术区别是MCA使用的是同步总线，而PC/ISA/EISA使用的都是异步总线。

　　异步总线在固定的时钟脉冲速度下工作，而同步总线的数据传输并不依赖于固定的时钟脉冲。同步总线从涉及处获取传输时间的安排。最早的MAC规格使最快传输速度达到160MB/s。

　　MCA的另一特点是增加了易用性，首次使用了的功能，这对以后I/O总线的发展起了很大的作用，也促使有关标准化组织制定了"即插即用"的规范。当然，最大的受益者是用户，有了即插即用的功能，用户安装外设的驱动程序就方便多了。

　　MCA总线尽管有很多优点，但因为IBM要收专利费，所以很少厂商能接受MCA技术，它主要用于IBM PS/2计算机中。

3.6　VESA总线

　　1.早期的系统总线分析

　　从PC/XT总线到ISA、EISA总线的扩展和改进，不断增加了寻址能力和数据传输能力，并增加了各类控制信号，但是总的来说仍然属于比较低速的总线。这些总线的速度限制主要是因为系统要保持向后兼容的问题，因为已经有大量的适配卡只能工作在较低的速度上，所以总线扩展时也只能保持一个较慢的速度。右图显示了PC系统中仅使用这些慢速总线时的总线结构图。

　 　慢速总线对于有些外设来说是足够的，如MODEM、键盘等，它们自身的速度很低，并不需要多快的总线。真正的问题是随着CPU运算能力的提高和 WINDOWS面向图形、多媒体的应用，这些总线的传输率已不能满足视频及高速磁盘控制器在数据处理上的要求，成了数据传输的瓶颈。

　　为了解决速度问题，就必须对总线结构进行全新的改进。一个容易想到的解决办法是将一些I/O插槽移到一个可以获得较快的CPU速度的区域，因为这个区域是在CPU总线上，所以叫。

3.6　VESA总线

　　2.局部总线分析

　　现在的PC系统中主要有3种局部总线：VESA局部总线、PCI总线和AGP总线。

其实，最早的。而到1992年，PC系统开始出现了VESA局部总线，表明系统又回到局部总线体系结构。

　　VESA局部总线（VESA Local Bus）也叫VL-总线（VL-BUS），是由VESA协会创建的，VESA总线主要目的是用于视频插卡，以提高视频性能。

   　

　　VESA局部总线可以处理32位数据，使得CPU与视频设备或其他硬件驱动器之间的数据流具有486芯片32位的数据带宽。VESA局部总线的最大吞吐速率位128MB/S到132MB/S。

3.7　PCI总线

　　是 一种高性能、32位或64位地址数据线复用的总线。它的用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器/存储器系统之间提供一种内部连接机制。PCI 通过以桥的方式在CPU与本地I/O总线之间插入了一个新总线的方法重新设计了传统PC总线。新的总线设计不是简单地直接连接CPU总线，而是借助于一种 精密的电子定时装置，开发了一组新的总线控制芯片。PCI总线规范1.0版本发布于1992年6月，自那时起经过了。

　 　64位或66MHZ/133MHZ PCI总线一般用在服务器或工作站的系统中，还没有用在个人PC上。这些总线性能一般都很高，因为PCI总线可以和CPU总线并发操作，而不会妨碍CPU 总线。也就是说，当CPU处理外部高速缓存中的数据时，PCI可以在系统其他部分之间传送信息。

　　PCI的一个重要特性是规范的模型。PCI插卡不设跳线和开关，只通过软件就可以进行配置。真正的PnP系统能够自动设置适配器，而使用ISA插槽的非PnP系统必须通过程序来设置适配器。从1995年起，一般PC都包含了PnP Bios,使得系统可以自动进行PnP设置。

1.PCI总线结构

　　如图所示，PCI总线是在传统总线的基础上增加了一层通道。处理器、高速缓存和存储器子系统通过桥路与PCI总线相连，该桥路利用精密的电子定时装置来提供一条低时间延迟的通道，使PCI总线控制器能直接操作主存储器。

　　PCI总线上的信息一般以33MHZ的速率传输，每次传送32BIT，这样每秒的带宽就是133MB，计算公式为：33.33MHz ＊4bytes(32bits)=133MB/sec。

　　 　　

　　 　　

2.PCI规范

　　PCI规范指明了3种底板配置，都是为不同的电源要求而设计的，每一种规范也都有32位和64位两类。

　　是用于工作站级系统的5V规范

　　是用于笔记本电脑的3.3V规范

　　是通用型的规范，既可用在工作站系统，又可用在笔记本电脑上。

　　 　　

　　 　　

3.PCI总线信号

              

　　为了能实现寻址、数据处理、接口控制和总线仲裁等功能，PCI接口要求作为目标的设备至少有47条引脚，作为总线主设备至少有49条引脚。

　　图中的信号方向是针对总线主控/目标组合设备而言的。

　　信号类型说明：带“#”号的信号表示低电平有效。
　　PCI信号按数据传送方式和信号驱动特性划分为五种类型，表示如下：1. IN：输入信号；2. OUT：输出驱动信号；3. T/S：双向三态输入/输出驱动信号； 　　4. S/T/S：持续的三态信号；　　5. O/D：漏极开路（Open Drain)，允许多器件共同使用。

　　将鼠标移动到图片上的文字上可以显示引脚的定义。

　　
　　
　　
　　

4.PCI设备的配置空间

                

　　分成预定首区和设备关联区。预定首区占64位字节，对这个区域，各PCI设备必须服从统一的数据结构，其余192字节由设备规定。右图是首区布置图，适用于"首区类型"为00H的情况。

　　类别码寄存器的编码值指明设备的基本类别。每个基本类别下还有子类别，例如网络控制器下的00H子类别代表以太网控制器，01H代表令牌环控制器；显 示控制器下的00H子类别代表VGA兼容控制器，01H代表XGA控制器；多媒体设备下的00H子类别代表视频，01H代表音频等。

　　指令寄存器的每一不同的位代表不同的含义。

　　状态寄存器的不同位表示出错状态，如第15位为1表示该设备检测到一个奇偶错误。

　　 　　　　 　　

3.8　AGP总线

1. AGP总线的作用

　　Intel公司针对电脑处理3D图形能力弱的问题而提出了。

　 　电脑在处理3D图形和动态视频时CPU需要与内存进行大量的数据交换，如在处理1024×768分辨率、64K种彩色的显示方式中，显示控制器与CPU 之间通过PCI总线传输的数据高达533MB/s，如果采用PCI总线，一般用在PC机上的普通PCI总线的数据宽度为32位，总线速率为33MHz，带 宽只能达到133MB/S的极限水平。

　　另外由于需要对3D图形中物体表面进行大量的各种纹理贴图处理或渲 染，以保证物体材质表面的真实性效果，显示控制器还必需占用更最多的显存来保存纹理位图等数据，显存的不足必将影响图像的分辨率和3D中关键 的"Z－Buffering"处理，具体表现将影响电脑3D图形再现的速度和视觉效果。因此，Intel公司认为PCI总线数据传输率低、显示卡显存容量 不足是普通电脑提高处理和显示3D图形速度的瓶颈。

　　解决以上问题的办法是开发新的总线技术----AGP总线。

　　　　　　

. AGP规范

　　定义了倍频1x或2x的66MHZ时钟速度，使用3.3V的电压信号。AGP 1x的数据传输带宽为266MB/s，AGP 2x则达到了533MB/s。

　　增加了4x倍频模式，工作电压也降低到了1.5v，数据传输带宽达到了1066MB/s。

　　定义了一个比AGP2.0规范长一些的插槽，在加长的插槽两端增加了电源引脚。

增加了8x倍频模式，工作电压也降低到了0.8v，数据传输带宽达到了2133MB/s。

　　　

2. AGP特点

          

　　AGP总线技术基于PCI总线技术，主要针对高级图形处理的要求对PCI总线进行了改进，使它包含许多附加的增强内容，而且在硬件、电子元件和逻辑上均独立于PCI。

　　与PCI相比，AGP针对高级图形处理的要求对PCI做了四个重大改进：
　　1） 　　
　　2）
　　3）
　　4）AGP比PCI多了一种操作模式---执行模式（Execute Mode）。原来PCI使用的DMA模式适用于从系统内存到显卡内存之间的大批量数据传输，其中系统内存中的数据并不能被图形加速卡直接调用，只有调入显卡内存才能被图形加速芯片所寻址。

　　　

3. AGP3.0技术

　　　AGP 3.0规范定义了工作频率为66MHz、8x倍频、工作电压为0.8V的AGP 8x总线标准，是最新一代也是最后一代的AGP总线。除了数据传输带宽比AGP 4x增加了1倍外，AGP 8x还作了以下两个重要改进：

　　1）减少等时操作设计。在PCI总线时代，大量的数据在通过PCI接口时由于带宽不够而经常会出现处理延时现象。在进入AGP时代以后，由于处理数据量的急剧增长，。AGP 8X针对这个问题专门做了研究，加入了数据同步传输设计。在处理大的数据时就可以边处理边预先读取，从而有效减少了数据塞车现象，使系统的性能得以全面地发挥，而不会在数据读取上浪费太多的资源。

　　2）多AGP插槽设计。我们知道AGP和AGP 8x都是点对点接口，这也就是为什么我们的主板上只有一个AGP插槽的原因。AGP 8x推出以后，这种局面可能会得以改变，因为AGP 8x中加入了一种新的设计--，它使系统中安装多个AGP 8x设备成为可能。