计算机总线

一.总线概念所谓总线（Bus），是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路，它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享，可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上。如果是某两个设备或设备之间专用的信号连线，就不能称之为总线。系统总线架构图如下所示：微机中的总线分为数据总线、地址总线和控制总线3类。不同型号的CPU芯片，其数据总线、地址总线和控制总线的条数可能不同。数据总线DB用来传送数据信息，是双向的。CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，又可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。DB的宽度决定了CPU和计算机其他设备之间每次交换数据的位数。地址总线AB用于传送CPU发出的地址信息，是单向的。传送地址信息的目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。存储器是按地址访问的，所以每个存储单元都有一个固定地址，要访问1MB存储器中的任一单元，需要给出1M个地址，即需要20位地址（220=1M）。因此，地址总线的宽度决定了CPU的最大寻址能力。控制总线CB用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存或外部设备发出的信息，有的是内存或外部设备向CPU发出的信息。显然，CB中的每一条线的信息传送方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的。所以，在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均是以双向线表示。总线的性能直接影响到整机系统的性能，而且任何系统的研制和外围模块的开发都必须依从所采用的总线规范。总线技术随着微机结构的改进而不断发展与完善。二.常见总线QPI总线Intel的QuickPathInterconnect技术缩写为QPI，译为快速通道互联,用来实现处理器之间的直接互联.QPI是一种基于包传输的串行式高速点对点连接协议，采用差分信号与专门的时钟进行传输。它的特点是：高速带宽,低功耗,支持热插拔。Memory总线（内存总线）用来实现处理器和内存的之间的连接.处理器里集成的内存控制器负责通过内存总线和内存模组通讯，例如寻址、读写等。目前内存总线所支持的内存模组有DDR2，DDR3,将来还会支持DDR4。JTAG接口主要用于芯片或处理器内部测试和调试的接口.通过连接调试器,可以对芯片或处理器的运行进行跟踪和调试。DMI总线DMI是指DirectMediaInterface(直接媒体接口)。用来连接处理器和南桥的总线.它是基于PCIE总线，因此具有PCI-E总线的优势，这个高速接口集成了高级优先服务，允许并发通讯和真正的同步传输能力。它的基本功能对于软件是完全透明的，因此早期的软件也可以正常操作。USB总线USB，是英文UniversalSerialBUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。USB是基于令牌的总线。类似于令牌环网络或FDDI基于令牌的总线。USB主控制器广播令牌，总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或发送数据给主机来响应。USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。USB系统采用级联星型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：主机（Host），集线器（Hub）和功能设备。SMBUS/I2C总线I2C（Inter－IntegratedCircuit）总线和SMBus（SystemManagementBus的缩写，译为系统管理总线）是一种二线制串行总线，它主要应用的场合：不需要高速通讯，但希望通过一条廉价并且功能强大的总线（由两条线组成），来控制主板上的设备并收集相应的信息。SMBUS大部分基于I2C总线规范。和I2C一样，SMBus不需增加额外引脚，创建该总线主要是为了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且专门面向智能电池管理应用,也被用来连接各种设备，包括电源相关设备，系统传感器，EEPROM等等。它工作在主/从模式：主器件提供时钟，在其发起一次传输时提供一个起始位，在其终止一次传输时提供一个停止位；从器件拥有一个唯一的7或10位从器件地址。SMBus与I2C总线之间在时序特性上存在一些差别。首先，SMBus需要一定数据保持时间，而I2C总线则是从内部延长数据保持时间。SMBus具有超时功能，因此当SCL太低而超过35ms时，从器件将复位正在进行的通信。相反，I2C采用硬件复位。SMBus具有一种警报响应地址(ARA)，因此当从器件产生一个中断时，它不会马上清除中断，而是一直保持到其收到一个由主器件发送的含有其地址的ARA为止。SMBus只工作在从10kHz到最高100kHz。最低工作频率10kHz是由SMBus超时功能决定的。SPI总线SPI(SerialPeripheralInterface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使南桥与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI接口主要应用在连接EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。在Intel架构中放BIOS/UEFI固件的Flash可以通过SPI总线和南桥连接。LPC总线LPC(LowPinCount,少引脚数)接口一个取代传统ISA总线的一种新接口规范，主要用于和传统的外围设备连接让系统能向下兼容。以往为了连接ISA扩充槽、适配器、ROMBIOS芯片、SuperI/O等接口，南桥芯片必须保留一个ISA总线，并且连通SuperI/O芯片，以控制传统的外围设备。传统ISA总线速率大约在7.159~8.33MHz，提供的理论尖峰传输值为16MB/s，但是ISA总线与传统的PCI总线的电气特性、信号定义方式迥异，南桥芯片、SuperI/O芯片得多浪费针脚来做处理，主板的线路设计也显得复杂。intel所定义的LPC接口，将以往ISABUS的地址/数据分离译码，改成类似PCI的地址/数据信号线共享的译码方式，信号线数量大幅降低，工作速率由PCI总线速率同步驱动，虽然改良过的LPC接口一样维持最大传输值16MB/s，不过所需要的信号脚位数大幅降低25~30个，以LPC接口设计的SuperI/O芯片、Flash芯片都能享有脚位数减少、体积微缩的好处，主板的设计也可以简化，这也就是取名LPC——LowPinCount的原因。PS/2接口PS/2(PersonalSystem2,个人系统2)接口主要用于连接输入设备，而不是传输接口。所以PS2口根本没有传输速率的概念，只有扫描速率。PS/2接口设备不支持热插拔，强行带电插拔有可能烧毁主板。RS-232接口RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种异步传输串行物理接口标准。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。一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。LPT接口打印终端(lineprintterminal)接口，通常称呼为LPT并口，是一种增强了的双向并行传输接口，在USB接口出现以前是扫描仪，打印机最常用的接口。其默认的中断号是IRQ7，采用25脚的DB-25接头。并口的工作模式主要有三种：1、SPP标准工作模式。SPP数据是半双工单向传输，传输速率较慢，仅为15Kbps，但应用较为广泛，一般设为默认的工作模式。2、EPP增强型工作模式。EPP采用双向半双工数据传输，其传输速率比SPP高很多，可达2Mbps，目前已有不少外设使用此工作模式。3、ECP扩充型工作模式。ECP采用双向全双工数据传输，传输速率比EPP还要高一些，但目前支持的设备少。前端总线前端总线的英文名字是FrontSideBus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。选购主板和CPU时，要注意两者搭配问题，一般来说，如果CPU不超频，那么前端总线是由CPU决定的，如果主板不支持CPU所需要的前端总线，系统就无法工作。也就是说，需要主板和CPU都支持某个前端总线，系统才能工作，只不过一个CPU默认的前端总线是唯一的，因此看一个系统的前端总线主要看CPU就可以。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。下图为FSB示意图。PCI总线Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团，其英文全称为：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。PCI是一种先进的局部总线，已成为局部总线的新标准。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到132MB/s(33MHz*32bit/8)，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz，传输带宽能达到264MB/s。1993年又提出了64bit的PCI总线，称为PCI-X，目前广泛采用的是32-bit、33MHz或者32-bit、66MHz的PCI总线，64bit的PCI-X插槽更多是应用于服务器产品。和PCIE总线一样，它用来外接扩展板卡，支持即插即用（plugandplay）。但和PCIE不同，PCI允许多路复用技术（分时复用），即允许一个以上的电子信号同时存在于总线之上，但相对PCIE，它的带宽和速度比较慢。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。PCI总线支持10台外设,总线时钟频率33.3MHz/66MHz，最大数据传输速率133MB/s，时钟同步方式，与CPU及时钟频率无关，总线宽度32位（5V）/64位（3.3V），能自动识别外设，特别适合与Intel的CPU协同工作；具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力，具有隐含的中央仲裁系统，采用多路复用方式（地址线和数据线）减少了引脚数，支持64位寻址，完全的多总线主控能力，提供地址和数据的奇偶校验，可以转换5V和3.3V的信号环境。PCI-E总线PCIExpress是新一代的总线接口。早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范，并在2002年完成，对其正式命名为PCIExpress。它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。PCIExpress的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式将用于内部接口而非插槽模式）。较短的PCIExpress卡可以插入较长的PCIExpress插槽中使用。PCIExpress接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCIExpress卡支持的三种电压分别为+3.3V、3.3Vaux以及+12V。用于取代AGP接口的PCIExpress接口位宽为