1、第第7章章 微機(jī)總線運(yùn)用技術(shù)微機(jī)總線運(yùn)用技術(shù)學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的本章主要引見微機(jī)總線的根本概念、分類和特點(diǎn)。本章主要引見微機(jī)總線的根本概念、分類和特點(diǎn)。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求了解總線、總線規(guī)范、接口、接口規(guī)范的根本概念。了解總線、總線規(guī)范、接口、接口規(guī)范的根本概念。了解幾種主要的擴(kuò)展總線。了解幾種主要的擴(kuò)展總線。根據(jù)總線的根據(jù)總線的3 3個(gè)性能目的可以計(jì)算總線帶寬。個(gè)性能目的可以計(jì)算總線帶寬。7.1微機(jī)總線技術(shù)概述微機(jī)總線技術(shù)概述1 1根本概念根本概念1 1微機(jī)總線：一組按一定規(guī)范進(jìn)展互連并能平安、迅速和有效傳輸信息的信號線，微機(jī)總線：一組按一定規(guī)范進(jìn)展互連并能平安、迅速和有效傳輸信息的信號線，這組信號

2、線包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、電源線等幾種信號線類型。微機(jī)總線是這組信號線包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、電源線等幾種信號線類型。微機(jī)總線是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件聯(lián)絡(luò)的紐帶。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件聯(lián)絡(luò)的紐帶。2 2總線規(guī)范：國際工業(yè)界正式公布或引薦的把各種不同的模塊組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)總線規(guī)范：國際工業(yè)界正式公布或引薦的把各種不同的模塊組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)必需遵守的規(guī)范。采用總線規(guī)范可以為計(jì)算機(jī)接口的軟、硬件設(shè)計(jì)提供方便。必需遵守的規(guī)范。采用總線規(guī)范可以為計(jì)算機(jī)接口的軟、硬件設(shè)計(jì)提供方便。3 3接口：接口是指接口：接口是指CPUCPU與其與其“外部世界的銜接電路以及為管理它們所提供的軟外部世界的銜接電路以及為

3、管理它們所提供的軟件，它是件，它是CPUCPU與與“外部世界如存儲(chǔ)器、外部世界如存儲(chǔ)器、I/OI/O設(shè)備、控制設(shè)備、通訊設(shè)備等進(jìn)展設(shè)備、控制設(shè)備、通訊設(shè)備等進(jìn)展信息交換的中轉(zhuǎn)站。信息交換的中轉(zhuǎn)站。4 4接口規(guī)范：接口規(guī)范是指外設(shè)接口的規(guī)范和定義，它涉及外設(shè)接口的信號線定接口規(guī)范：接口規(guī)范是指外設(shè)接口的規(guī)范和定義，它涉及外設(shè)接口的信號線定義、傳輸速率、傳輸方向、拓樸構(gòu)造、電氣和機(jī)械特性等方面。義、傳輸速率、傳輸方向、拓樸構(gòu)造、電氣和機(jī)械特性等方面。2總線規(guī)范和接口規(guī)范的普通特點(diǎn)總線規(guī)范和接口規(guī)范的普通特點(diǎn)總線規(guī)范和接口規(guī)范具有不同的特點(diǎn)。1微機(jī)總線的普通特點(diǎn)：公用性是微機(jī)總線的最重要的特點(diǎn)，不同

4、類型的功能模塊可以同時(shí)掛接到總線上，共享總線的資源。信號傳輸方式普通為并行傳輸方式?？偩€在微機(jī)主板上通常以多個(gè)擴(kuò)展插槽方式提供運(yùn)用。對每個(gè)微機(jī)系統(tǒng)來說，普通都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)線Date Bus、地址線Address Bus和控制線Control Bus。2接口規(guī)范的普通特點(diǎn)：公用性是接口規(guī)范不同于總線規(guī)范的重要特點(diǎn)。接口上的信號傳輸方式既有并行也有串行傳輸。接口普通被安頓在機(jī)箱外，以插頭或插座方式提供運(yùn)用。隨著計(jì)算機(jī)和接口技術(shù)的迅速開展，總線規(guī)范和接口規(guī)范的區(qū)別越來越小，例如將AGP接口規(guī)范叫AGP總線等。7.2總線分類總線分類1 1微機(jī)總線的分類微機(jī)總線的分類微機(jī)中的總線分類方法很多，常用的一種

5、是依總線所處位置分類。微機(jī)中的總線分類方法很多，常用的一種是依總線所處位置分類。1 1CPUCPU總線：它是位于微處置器芯片內(nèi)部的總線，用于總線：它是位于微處置器芯片內(nèi)部的總線，用于ALUALU及各種存放器等功能單元之及各種存放器等功能單元之間的相互銜接。間的相互銜接。2 2元件級總線：它是一臺單板計(jì)算機(jī)或一塊元件級總線：它是一臺單板計(jì)算機(jī)或一塊CPUCPU插件板運(yùn)用的板上總線，用于芯片一插件板運(yùn)用的板上總線，用于芯片一級的銜接。它普通是級的銜接。它普通是CPUCPU芯片引腳的延伸，當(dāng)板上芯片較多時(shí)，普通都有鎖存和驅(qū)動(dòng)電路。芯片引腳的延伸，當(dāng)板上芯片較多時(shí)，普通都有鎖存和驅(qū)動(dòng)電路。3 3系統(tǒng)總

6、線：它主要用于微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各插件板之間進(jìn)展銜接和傳輸信息，是微機(jī)系系統(tǒng)總線：它主要用于微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各插件板之間進(jìn)展銜接和傳輸信息，是微機(jī)系統(tǒng)最重要的一種總線。在主板上，它通常是指統(tǒng)最重要的一種總線。在主板上，它通常是指CPUCPU的的I/OI/O接口單元與系統(tǒng)內(nèi)存、接口單元與系統(tǒng)內(nèi)存、L2 CacheL2 Cache和主板芯片組之間的數(shù)據(jù)、指令等傳輸通道。和主板芯片組之間的數(shù)據(jù)、指令等傳輸通道。4 4部分總線：部分總線是介乎于部分總線：部分總線是介乎于CPUCPU總線和系統(tǒng)總線之間的一級總線，是微機(jī)中常采總線和系統(tǒng)總線之間的一級總線，是微機(jī)中常采用的一種重要總線。它的兩側(cè)都由橋接電路銜接，分別

7、面向用的一種重要總線。它的兩側(cè)都由橋接電路銜接，分別面向CPUCPU總線和系統(tǒng)總線。微機(jī)系總線和系統(tǒng)總線。微機(jī)系統(tǒng)中的部分總線主要是指統(tǒng)中的部分總線主要是指PCIPCI總線，它是一種先進(jìn)的部分總線規(guī)范。總線，它是一種先進(jìn)的部分總線規(guī)范。5 5通訊總線也叫外部總線：是系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與通訊設(shè)備之間進(jìn)展通訊的一通訊總線也叫外部總線：是系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與通訊設(shè)備之間進(jìn)展通訊的一組信號線。如廣泛用于微機(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)展通訊的組信號線。如廣泛用于微機(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)展通訊的USBUSB和和IEEE4IEEE4接口等。接口等。2接口規(guī)范的分類接口規(guī)范的分類接口規(guī)范的分類方法也很多，假設(shè)根據(jù)所連設(shè)備的

8、性質(zhì)及功能，大致有以下5種：1傳統(tǒng)串/并行接口規(guī)范：它是微機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)展串行和并行輸入輸出根本端口。2外部存儲(chǔ)設(shè)備接口規(guī)范：支持硬盤、光盤等存儲(chǔ)介質(zhì)的接口規(guī)范如SATA和SCSI接口規(guī)范。3視頻顯示接口規(guī)范：如支持三維圖形數(shù)據(jù)高速顯示的接口規(guī)范AGP。4測試儀器接口規(guī)范：提供和一些測試儀器儀表相銜接的接口規(guī)范。如IEEE488和VXI接口規(guī)范。5通用外設(shè)接口規(guī)范：如USB、IEEE4等，可以支持多種新型外設(shè)的通用型接口規(guī)范。7.3幾種常用的擴(kuò)展總線幾種常用的擴(kuò)展總線主板上都有數(shù)條插槽供擴(kuò)展I/O外設(shè)之用，總線就是經(jīng)過插槽來銜接CPU與外設(shè)插件的，通常也將這些連通插槽的總線稱為擴(kuò)展總線Expans

9、ion Bus。在總線開展歷程中，主要有PC總線、ISA/EISA總線、PCI部分總線、PCI-E等。圖7-1 早期微機(jī)系統(tǒng)的總線層次構(gòu)造7.3幾種常用的擴(kuò)展總線幾種常用的擴(kuò)展總線7.3.1 PC7.3.1 PC總線總線PCPC總線最早出如今總線最早出如今IBMIBM公司公司19811981年推出的年推出的PC/XTPC/XT系統(tǒng)中，它基于系統(tǒng)中，它基于8 8位構(gòu)造的位構(gòu)造的80888088處置器，處置器，也被稱為也被稱為PC/XTPC/XT總線?？偩€。PCPC總線沿用了總線沿用了3 3年多時(shí)間，直到年多時(shí)間，直到19841984年，年，IBMIBM推出基于推出基于IntelIntel超超級級

10、1616位位8028680286處置器的處置器的PC/ATPC/AT，系統(tǒng)總線才被，系統(tǒng)總線才被1616位的位的PC/ATPC/AT總線所替代。總線所替代。7.3.2 ISA/EISA7.3.2 ISA/EISA總線總線ISAISA總線總線Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Architecture，工業(yè)規(guī)范架構(gòu)是，工業(yè)規(guī)范架構(gòu)是8/168/16位兼容的總線，位兼容的總線，也是早期網(wǎng)卡運(yùn)用的總線接口，其最大數(shù)據(jù)傳輸率為也是早期網(wǎng)卡運(yùn)用的總線接口，其最大數(shù)據(jù)傳輸率為8MBps8MBps和和16MBps16MBps。ISAISA總線不斷貫

11、穿總線不斷貫穿286286和和386SX386SX時(shí)代，但在時(shí)代，但在3232位位386DX386DX處置器出現(xiàn)之后，處置器出現(xiàn)之后，1616位寬度的位寬度的ISAISA總線就遇到問題，總線數(shù)據(jù)傳輸慢得使處置器性能遭到嚴(yán)重的制約。有鑒于此，康總線就遇到問題，總線數(shù)據(jù)傳輸慢得使處置器性能遭到嚴(yán)重的制約。有鑒于此，康柏、惠普等柏、惠普等9 9家廠商在家廠商在19881988年協(xié)同將年協(xié)同將ISAISA總線擴(kuò)展到總線擴(kuò)展到3232位寬度，位寬度，EISAEISAExtended Extended Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Arch

12、itecture，擴(kuò)展工業(yè)規(guī)范架構(gòu)總線由此誕生。，擴(kuò)展工業(yè)規(guī)范架構(gòu)總線由此誕生。EISAEISA總線的任務(wù)頻率依然堅(jiān)持在總線的任務(wù)頻率依然堅(jiān)持在8MHz8MHz程度，但受害于程度，但受害于3232位寬度，它的總線帶寬提升位寬度，它的總線帶寬提升到到32MBps32MBps。另外，。另外，EISAEISA可以完全兼容之前的可以完全兼容之前的8/168/16位位ISAISA總線?？偩€。EISAEISA總線在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與總線在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與PCIPCI總線共存了相當(dāng)長的時(shí)間，直到總線共存了相當(dāng)長的時(shí)間，直到20002000年后年后EISAEISA才正式才正式徹底退出。徹底退出。7.3.3 PCI部

13、分總線部分總線1 1PCIPCI部分總線產(chǎn)生的背景部分總線產(chǎn)生的背景IntelIntel公司在公司在19911991年推出了年推出了PCIPCIPeripheral Component InterconnectPeripheral Component Interconnect，外設(shè)部件互，外設(shè)部件互連規(guī)范部分總線。在連規(guī)范部分總線。在19931993年以后，由于從年以后，由于從PentiumPentium到到PP、PP直到直到P4P4微處置器的任微處置器的任務(wù)頻率不斷迅速提高，使務(wù)頻率不斷迅速提高，使PCIPCI部分總線的運(yùn)用得以迅速推行。在臺式機(jī)主板上，部分總線的運(yùn)用得以迅速推行。在臺式機(jī)主

14、板上，ATXATX構(gòu)造的主板普通帶有構(gòu)造的主板普通帶有5 56 6個(gè)個(gè)PCIPCI插槽，而小一點(diǎn)的插槽，而小一點(diǎn)的MATXMATX主板也都帶有主板也都帶有2 23 3個(gè)個(gè)PCIPCI插槽。插槽。從構(gòu)造上看，從構(gòu)造上看，PCIPCI部分總線本質(zhì)上就是在部分總線本質(zhì)上就是在CPUCPU總線和總線和ISAISA總線之間添加了一級總線?？煽偩€之間添加了一級總線?？蓪⒁恍└咚偻庠O(shè)，例如磁盤控制器、圖形卡等從將一些高速外設(shè)，例如磁盤控制器、圖形卡等從ISAISA總線上卸下來而經(jīng)過總線上卸下來而經(jīng)過PCIPCI部分總部分總線直接掛到線直接掛到CPUCPU總線上?？偩€上。7.3.3 PCI部分總線部分總線2

15、2PCIPCI總線的特點(diǎn)總線的特點(diǎn)1 1傳輸速率高。傳輸速率高。PCIPCI能以能以133MB/s133MB/s3232位或位或266MB/s266MB/s6464位的速率傳送數(shù)據(jù)，位的速率傳送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)比遠(yuǎn)比ISAISA總線的總線的16MB/s16MB/s快，緩解了快，緩解了I/OI/O瓶頸。如高性能圖形、視頻圖像、網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)用瓶頸。如高性能圖形、視頻圖像、網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)用程序，可以平滑地執(zhí)行。程序，可以平滑地執(zhí)行。2 2真正的兼容性，允許多總線共存。真正的兼容性，允許多總線共存。3 3獨(dú)立于獨(dú)立于CPUCPU。PCIPCI總線可與總線可與IntelIntel系列不同任務(wù)頻率的系列不同任務(wù)頻率的CPU

16、CPU協(xié)同任務(wù)，這些協(xié)同任務(wù)，這些CPUCPU包包括括Intel 486SXIntel 486SX到到PentiumPentium、PP、PP、P4P4包含包含CeleronCeleron系列及未來更高的版本。系列及未來更高的版本。4 4自動(dòng)識別與配置外設(shè)，極大地方便了用戶運(yùn)用。自動(dòng)識別與配置外設(shè)，極大地方便了用戶運(yùn)用。在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，PCIPCI部分總線接口曾作為許多適配器的首選接口，如網(wǎng)絡(luò)適配器、部分總線接口曾作為許多適配器的首選接口，如網(wǎng)絡(luò)適配器、內(nèi)置內(nèi)置ModemModem卡、聲音適配器、視頻捕捉卡等?？?、聲音適配器、視頻捕捉卡等。3 3PCIPCI總線的運(yùn)用總線的

17、運(yùn)用19931993年之后，年之后，IntelIntel推出推出6464位位PCIPCI總線，它的傳輸性能到達(dá)總線，它的傳輸性能到達(dá)266MBps266MBps，針對效力器，針對效力器/ /任任務(wù)站平臺設(shè)計(jì)的務(wù)站平臺設(shè)計(jì)的SCSISCSI卡、卡、RAIDRAID控制卡、千兆網(wǎng)卡等設(shè)備無一例外都采用控制卡、千兆網(wǎng)卡等設(shè)備無一例外都采用6464位位PCIPCI接口。接口。7.3.4 AGP2019年，Intel在PCI根底上研發(fā)出一種專門針對顯卡的AGP接口加速圖形接口，Accelerated Graphics Port。主要運(yùn)用在三維動(dòng)畫的加速上。2019年7月，AGP 1.0規(guī)范問世，它的任務(wù)

18、頻率到達(dá)66MHz，具有1X和2X兩種方式，數(shù)據(jù)傳輸帶寬分別到達(dá)了266MBps和533MBps。2019年5月，Intel發(fā)布AGP 2.0版規(guī)范，它的任務(wù)頻率依然停留在66MHz，但任務(wù)電壓降低到1.5V，且經(jīng)過添加的4X方式，將數(shù)據(jù)傳輸帶寬提升到1.06GBps。與AGP 2.0同時(shí)推出的，還有針對圖形任務(wù)站的AGP Pro接口，這種接口可驅(qū)動(dòng)高功耗的專業(yè)顯卡。2000年8月，Intel推出AGP3.0規(guī)范，它的工作電壓進(jìn)一步降低到0.8V，所添加的8X方式，可以提供2.1GBps的總線帶寬。7.3.5 PCI-XPCI-X接口是并連的PCI總線的更新版本，它仍采用傳統(tǒng)的總線技術(shù)，但有更

19、多數(shù)量的接線針腳。PCI-X總線接口的網(wǎng)卡普通為32位總線寬度，也有64位數(shù)據(jù)總線寬度的。Intel于2000年正式發(fā)布PCI-X 1.0版規(guī)范。2019年7月，推出更快的PCI-X 2.0規(guī)范，它包含PCI-X 266及PCI-X 533兩套規(guī)范，分別針對不同的運(yùn)用。PCI-X 266規(guī)范可提供2.1GBps共享帶寬，PCI-X 533規(guī)范那么更是到達(dá)4.2GBps的高程度。此外，PCI-X 2.0也堅(jiān)持良好的兼容性。PCI-X接口采用64位寬度傳送數(shù)據(jù)，它的頻寬自動(dòng)倍增兩倍，相應(yīng)地，其擴(kuò)展槽的長度也有所添加。7.3.6 PCI Express總線總線第3代I/O總線PCI Expres簡稱

20、PCI-E很好地處理了PCI/AGP總線在大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遇到的瓶頸問題。PCI-E在任務(wù)原理上與并行體系的PCI不同，它采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，并依托高頻率來獲得高性能，因此，PCI-E也一度被稱為“串行PCI。由于串行傳輸不存在信號干擾，總線頻率提升不受妨礙，所以PCI-E總線很順利地就到達(dá)2.5GHz的超高任務(wù)頻率。其次，PCI-E采用全雙工運(yùn)作方式，發(fā)送數(shù)據(jù)和接納數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)展。由于PCI-E將 PCI或AGP的并行數(shù)據(jù)傳輸變?yōu)榇袛?shù)據(jù)傳輸，并且采用了點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)，因此，極大地加快了相關(guān)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送速度。PCI-E規(guī)范采用了雙向數(shù)據(jù)傳送，類似于DDR內(nèi)存采用的技術(shù)，即在一個(gè)時(shí)鐘周期的

21、上下沿都可以傳送數(shù)據(jù)，這樣極大的提高了顯示設(shè)備同內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換帶寬，可在較短時(shí)間內(nèi)傳送大量圖形數(shù)據(jù)，為顯示性能的飛躍打下根底。全新的PCI Express總線包括多種速率的插槽，比如PCI Express x1、x2、x4、x8、x16、x32等1X的PCI-E最短，然后依次增長。PCI-E幾種總線方式的速率與幾種總線方式的速率與PCI Express插槽款式插槽款式PCI-Express的帶寬優(yōu)勢的帶寬優(yōu)勢以下圖匯總列舉了80年代以來各個(gè)階段的總線性能程度，從圖中可以清楚地看出：就總線性能程度來說，AGP比ISA/PCI有一定優(yōu)勢，而PCI-Express比AGP又有明顯優(yōu)勢，PCI-Exp

22、ress 1.0兩倍于AGP 8X的帶寬。7.3.7 Hyper Transport總線總線HyperTransport最初是由AMD在2019年提出的一種總線技術(shù)。HyperTransport采用類似DDR的任務(wù)方式，在400MHz任務(wù)頻率下，相當(dāng)于800MHz的傳輸頻率。此外，HyperTransport是在同一個(gè)總線中模擬出兩個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)鏈進(jìn)展點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。 除了速度快之外，HyperTransport還有一大特征，就是當(dāng)數(shù)據(jù)位寬并非32位時(shí)，可以分批傳輸數(shù)據(jù)來到達(dá)與32位一樣的效果。2019年2月，AMD推出HyperTransport 2.0，其主要變化是數(shù)據(jù)傳輸頻率提升到1GH

23、z，32位總線的帶寬到達(dá)8GBps。2019年4月，AMD又正式發(fā)布了HyperTransport 3.0規(guī)范。有1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz和2.6GHz 4種物理任務(wù)頻率，并可支持32位通道總線，在最高級的2.6GHz頻率下，32位HyperTransport 3.0總線擁有20.8GB/秒的單向傳輸效能，假設(shè)思索雙向傳輸，總帶寬值將到達(dá)史無前例的41.6GB/秒?？傊?，從PC總線到ISA、PCI總線，再由PCI進(jìn)入PCI Express和HyperTransport體系，計(jì)算機(jī)總線在這3次大變革中也完成了3次飛躍式的提升。估計(jì)在未來十年中，計(jì)算機(jī)都將運(yùn)轉(zhuǎn)在PCI Expres

24、s和HyperTransport這種近乎完美的總線架構(gòu)根底之上。 7.4 微機(jī)總線的組成及性能目的微機(jī)總線的組成及性能目的2 2微機(jī)總線的性能目的微機(jī)總線的性能目的總線的根本性能目的如下?？偩€的根本性能目的如下。1 1總線的任務(wù)頻率或總線的時(shí)鐘頻率：它是指用于協(xié)調(diào)總線上的各種操作的總線的任務(wù)頻率或總線的時(shí)鐘頻率：它是指用于協(xié)調(diào)總線上的各種操作的時(shí)鐘頻率，也稱為總線的任務(wù)頻率，單位為時(shí)鐘頻率，也稱為總線的任務(wù)頻率，單位為MHzMHz。它是影響總線傳輸速率的重要要素。它是影響總線傳輸速率的重要要素之一。如之一。如ISAISA的總線頻率為的總線頻率為8MHz8MHz，而，而PCIPCI總線有總線有33.3MHz33.3MHz、66.6MHz66.6MHz兩種總線頻率。兩種總線頻率。2 2總線的位寬：它是指總線能同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，通常是指總線中數(shù)據(jù)總線的總線的位寬：它是指總線能同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)