微机总线

计算机总线是计算机各模块间传递信息的通道，总线技术在整个计算机系统中占有十分重要的位置，它在微机中的地位相当于现代化城市中的交通及通讯网络。总线的性能直接影响着计算机的整体性能。任何系统的设计和外围模块的开发，都必须服从一定的总线规范。

所谓总线技术就是CPU与外设的通讯标准，是一种很具体的通讯协议，包括很复杂的技术指标和参数，只要在设计和生产制造中遵守这些协议，就能很好地兼容各种外设，充分发挥计算机系统的性能。描述总线技术的性能指标主要有:

1. 总线宽度:传输线路的位宽，由数据总线、地址总线和控制总线组成。
2. 总线频率:单位时间内动作的次数，即总线工作频率，以MHz为单位。
3. 总线传输速率:单位时间传输的字节数，以每秒传输多少兆字节(MB/S)为单位。
4. 总线兼容性:低级的功能卡、软硬件是否能在高级的总线结构下使用。
5. 总线负载能力:可连接的扩展板的数量。

总线连接着计算机系统内的各种部件，高性能的总线还需要好的管理者，才会更好地发挥作用，总线管理系统就担当这一任务。总线管理系统的任务是将处理器从繁重的总线管理事务中解脱出来，将那些无需处理器参与的工作承揽下来，进一步提高处理器的工作效率。另外总线管理系统还需要完成DMA等管理，实现处理器与I/O部件的并行操作^[1]。

1981年，IBM公司推出了IBMPC/XT机，这就是最早的PC机，它使用Inter公司的8088处理器，总线结构为8位，具有8位数据线和20位地址线，简称为XT总线。当时，其先进性得到了同行们的认可，随后兼容这一标准的机型大量推出，很快垄断了微机市场。由于当时CPU的速度与总线传输速度基本相同，所以，并没有体现出总线技术的重要性。不久IBM又推出了IBMPC/AT机，也就是80286，数据线由8位增至16位，地址线由20位增至24位，原来的XT总线标准无法使用。这样，IBM公司对XT总线标准进行了扩充，并将扩充的标准定为“工业标准结构”——— ISA(Industrial Standcrd Architecture)。在ISA总线技术中，定义数据线宽度为16位，工作频率为8MHz，传输数率最高为8MB/S。同时ISA总线兼容了以前的XT总线，所以，XT总线也被称为8位ISA总线。1987年，Intel公司推出了80386处理器，CPU的系统结构发生变化，内部数据总线和地址总线分别由原来的16位和24位增加到32位。CPU的数据处理能力提高了，但是，由于ISA总线的限制，386只能工作在ISA总线方式下。这时，高速的处理器与低性能的总线之间的矛盾日益突出，严重影响了处理器性能的发挥^[1]。

为了打破ISA总线的传输瓶颈，IBM公司在推出386微机的同时，制订了一个与ISA标准完全不兼容的系统总线标准———微通道结构MCA(MicroChannel Architecture)。该标准定义了32位数据总线宽度，工作频率为10MHz，传输数率为40MB/s。虽然MCA总线能充分发挥386微机的性能，但MCA总线标准的微机与ISA部线标准的微机在软件和硬件上完全不兼容，与其配套的是OS/2等操作系统。广大微机用户不仅面临着淘汰已有的硬件和使用了多年的软件等问题，还要重新学习新的操作系统。所以，该总线标准的微机很难得到推广。另外，IBM公司放弃了总线标准的开放性，并没有将MCA总线标准布于众，以求达到垄断市场的目的，因而失去了其他计算机厂商的支持，陷入了软硬件匮乏的境地。

随着486处理器的推出，一方面为了解决ISA总线数据传输瓶颈问题，另一方面为了打破IBM公司对MCA总线技术的封锁，以Compaq公司为首的世界上九家大计算机厂商联合推出了新的总线标准———扩展工业标准结构EISA(Exetended ISA)。EISA总线标准不仅具有MCA总线标准的全部功能，而且与ISA总线标准完全兼容。同时EISA总线标准对外公开，所以得到了各计算机厂商的支持。很快各类兼容板卡纷纷上市，当时推出的80386和80486微机都纷纷采用EISA总线标准。

EISA总线标准定义数据总线为32位宽度，8.3HMz的时钟频率，总线传输数率为33MB/s。EISA总线标准虽然解决了数据传输的瓶颈问题，但对486处理器来讲，并没有充分发挥其优势，因为总线频率较低，不能与处理器同步工作。另外EISA总线技术复杂、成本较高。微软公司推出风靡全球的Win-dows3.1之后，涌现出各种各样需大量处理信息的图形图像、多媒体软件，新的总线瓶颈问题再次出现。在这种情况下，EISA总线很快被更先进的总线标准所取代。

1991年，由美国视频电子标准协会VESA(VideoElecteonics Atandard Association)联合60余家公司，推出了一个全开放通用的局部总线标准VLBUS总线，通常也叫VESA总线。VESA总线宽度为32位、总线工作频率为33HMz，最高可达66MHz，最大数据传输速率为132MB/s。由于VESA总线是由传统总线直接演化而来，故设计简单，比较容易实现，只需在ISA和EISA总线基础上增加很少的器件就可以实现，基本上做到了性能优良，价格便宜。因此，很快就成为486微机的流行标准。

VESA总线的缺点是局部总线负载能力不能超过3个。另外，由于VESA直接与CPU连接，受CPU的影响较大，并不是所有CPU都能稳定地工作在这种总线上。还有，VESA总线规范不很严格，使得兼容性较差。因此，VESA总线只能是一种过渡性的总线标准。

1992年Intel公司联合几大计算机厂商推出了新的总线标准——— PCI总线标准，主要是为了586以及更高档次的处理器制定的。因为在CPU与总线控制制器之间插入了一个中介层——— PCI桥路，该桥跑包括一个PCI控制器和一个PCI加速器，使得其他外设不与处理器直接相连。所以，PCI总线是一种局部总线，既实现了高的传输速度又保证了良好的兼容性。PCI总线具有以下特点:

1. 高性能:提供了32位数据和地址复用总线并可升级到64位，工作频率可达33MHz，数据传输速率为133MB/s。
2. 向下兼容:符合ISA、EISA、MCA标准的扩展卡完全可以在PCI总线系统下工作。
3. 负载多:最多可支持10个外部设，可充分满足服务器的需要。
4. 寿命长:支持多种处理器及未来开发的更高性能的处理器，总线本身并不依赖于任何处理器。
5. 使用方便:能够自动配置各种参数，支持PCI总线的扩展卡和部件。
6. 数据完整:PCI提供数据和地址的奇偶校验功能，保证了数据的完整和准确。
7. 软件兼容:PCI部件和驱动程序可以在不同的操作平台上运行。

由于PCI设计的先进性，以及其设计结构和风格都是针对586及更高级处理器而言的，所以很快得到了众多厂商的积极响应，从586系统开始基本上是PCI标准一统天下，在随后推出的PentiumII及PentiumIII系统中PCI总线标准始终处于主导地位。

AGP(AAccelerate Graphic Port，图形加速端口)是专门为PentiumII系统的图形控制器设计的系统总线标准。由于PCI总线的频率规定为33MHz，数据线32位，总线带宽仅为133MB/s，当系统频率升为66MHz/100MHz时，

PCI总线的接口频率只有系统频率的一半和三分之一。如此低的工作频率和传输带宽，已经远远不能满足多媒体特别是3D图形处理的数据传输量。如果改进或升级PCI总线，意味着将大幅度增加设计成本，因此只对图形显示系统进行了改造，推出了新一代专用显示接口总线。AGP接口工作频率最初被确定为66MHz，32位数据线，数据传输率为266MB/s，是PCI的二倍，到目前已经推出1倍速率、2倍速率、4倍速率和8倍速率四种工作模式:

1. 1倍模式:时钟频率为66MHz，数据传输率为266MB/s;
2. 2倍模式:时钟频率为66MHz，在时钟脉冲的上升沿和下降沿都能进行数据传输，数据传输率为533MB/s;
3. 4倍模式:时钟频率为133MHz，数据传输率为1.0GB/s;
4. 8倍模式:时钟频率为266MHz，数据传输率为2.0GB/s。

图形控制器通过AGP总线直接与内存连接，3D图形数据不经过PCI总线直接与内存进行点对点传输，使图形控制器独自占有数据通道，解决了PCI总线可以轻易实现高性能的3D图形绘制功能，使用户体验到过去高价图形工作站才能实现的那种全动作视频效果。

PCI— A总线是下一代PCI总线标准，它是将原来PCI总线的32位数据线扩充为64位，形成64位总线结构，而且，其工作频率可以在33MHz/66MHz/100MHz/133MHz之间自动调节。目前已经应用于服务器和工作站系统中，并有可能移植到PC机，成为PC机的新一代总线标准。

PCI总线先进的设计思想和不断增强的性能使其一直延用至今，然而面对微机的高速发展和变化，PCI总线已经渐渐成为高性能微机系统的总线瓶颈。虽然PCI— X总线能使系统数据传输速度进一步提高，但是从计算机技术发展的长远角度来看，开发新一代总线标准已经势在必行。3GI0(ThirdGenerationI/0 Architecture)即第三代I/0体系，被称为PCI Express。它是由Inter、IBM、Com-paq、Ddll和Microsoft等大公司联合指定的新一代总线标准，第一代设计标准其数据传输速度可达2.5GB/s，未来的数据传输速度有可能达到10GB/s。3GIO技术与PCI总线技术最大的区别是它采用了串行工作方式，高传输率是通过极高的工作频率得以实现的，同时它还具备了兼容PCI总线的特点。虽然目前符合3GI0标准的产品还没有推出，预计不久就会成为微机总线的新标准。