(更新)计算机总线技术基础知识

 

                   计算机总线技术基础知识
任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。
----微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。
----另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。
----随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。
一、内部总线
----1．I2C总线
----I2C（Inter-IC）总线10 多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。
----2．SPI总线
----串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola 公司推出的一种同步串行接口。Motorola 公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68 系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。

----3．SCI总线
----串行通信接口SCI（serial communication interface）也是由Motorola 公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。
二、系统总线
----1．ISA总线
----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，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。
ISA总线有98 只引脚。
----2．EISA总线
----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。
----3．VESA总线
----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。
----4．PCI总线
----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。

(补充)
AGP显卡标准

　　随着游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI总线的133MB/s的带宽已经无法满足需求，成了制约3D图形显示系统和整机性能的瓶颈。
　　1996年7月Intel正式推出了AGP（图形加速接口，Accelerated Graphics Port）接口 ，这是3D显卡专用的局部总线，是基于PCI 2.1 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AGP 2X、AGP4X，现在则是AGP8X，传输速度达到了2.1GB/s。突破了以往PCI总线3D图形显示系统的性能瓶颈。

PCI-E串行总线介绍 
PCI Express和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变。PCI Express是采用点对点的串行连接方式，这个和以前的并行通道大为不同，它允许和每个设备建立独立的数据传输通道。不用再向整个系统请求带宽，这样也就轻松的到达了其他接口设备可望而不可及的高带宽。

　　PCI Express接口根据总线接口对位宽的要求不同而有所差异，分为PCI Express1X、2X、4X、8X、16X甚至32X。由此PCI Express的接口长短也不同。1X最小，往上侧越大。同时PCI Express不同接口还可以向下兼容其他PCI Express小接口的的产品。即PCI Express4X的设备可以插在PCI Express8X或16X上进行工作。

　　另外PCI Express16X图形接口将包括它的两条通道，一条可由显卡单独到北桥，而另一条则可由北桥单独到显卡，每条单独的通道均将拥有4GB/s的数据带宽可充分避免因带宽所带来的性能瓶颈问题。

PCI-E技术优势

　　PCI Express主要可以为我们带来如下的新功能：

　　性能：PCI Express总线只需要从芯片组中引出很少的引脚，所以使得主板布线难度大大降低（其引线数目比现在的PCI总线减少大约75％）但是却具有比现在的PCI高的多的带宽和传输速度，另外在配置的灵活性方面PCI Express也优于PCI。它可以根据所连接的硬件设备的不同，使用不同频率的同其联系通讯。 

　　多种连接方式:这是同PCI总线非常不同的地方, PCI Express总线可以“走出机箱”。也就是说PCI Express可以如同现在的USB或者Firewire一样通过计算机上的一定接口同外部采用相应符合PCI Express标准接口的设备进行连接和通讯。

　　点对点总线:相对于PCI这种“总线式”的连接方式，一旦PCI总线有瓶颈现象发生，将会影响所有连接其上的PCI设备。PCI Express总线采用了点对点技术，这样每个PCI Express设备都是直接同系统芯片进行交流，而不再存在带宽问题。

　　高级功能：PCI Express可以使用多种不同的信号协议包括它本身的协议。它还具有高级电源管理和监视功能，这样所有的PCI Express设备都会支持热插拔。在PCI Express中诸如内存纠错等功能都会成为标准功能。

　　跨平台的兼容性：PCI Express最大的优点之一就是它的跨平台兼容性。现在的符合PCI 2.3规范的板卡将可以在低带宽的PCI Express插槽上使用。采用了点到点的连接技术PCI Express在每个设备都有自己专用的连接，不需要向共享总线请求带宽。更加直白的说，PCI Express的目标就是要实现芯片之间的I/O连接、扩展板卡（比如显卡、声卡）的连接，甚至还能提供USB 接口、IEEE 1394接口的连接支持。

----5．Compact PCI
----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。
三、外部总线
----1．RS-232-C总线
----RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号，C表示修改次数。RS-232-C
总线标准设有25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、119600、19200 波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
----2．RS-485总线
----在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32 台驱动器和32台接收器。
----3．IEEE-488总线
----上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488 总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488 总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15 台设备。最大传输距离为20 米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。
----4．USB总线
---通用串行总线USB（universal serial bus）是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7 家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps 比串口快100 倍，比并口快近10 倍，而且USB还能支持多媒体。
(补充)
IEEE-1394

     Apple 称之为 FireWire（火线），Sony 称之为 i.Link，Texas Instruments 称之为 Lynx。尽管各自厂商注册的商标名称不同，但实质都是一项技术，那就是 IEEE-1394。作为一种数据传输的开放式技术标准，IEEE-1394被应用在众多的领域。当然，目前来说，IEEE-1394技术使用最广的还是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄象机等。总体上说，IEEE-1394具有以下特点： 
    廉价 - 占用空间小 - 速度快 - 开放式标准 - 支持热插拔 - 可扩展的数据传输速率 - 拓扑结构灵活多样 - 完全数字兼容 - 可建立对等网络 - 同时支持同步和异步两种数据传输模式。