計算機總線技術概括

計算機總線技術總結前言從1946年人類第一臺計算機的產(chǎn)生，到今天個人微型計算機的普及，人類的計算機技術已經(jīng)發(fā)展了六十年。影響人類計算機技術發(fā)展的因素是多方面的，例如計算機結構的發(fā)展，計算機核心處理器的發(fā)展，計算機總線技術的發(fā)展，以及與計算機相連的各種外設的發(fā)展等等。本文的主要內(nèi)容是介紹計算機總線技術的發(fā)展，在第一部分將會簡單介紹一下計算機結構技術，然后再重點介紹計算機總線技術。一，計算機結構發(fā)展的介紹：1,馮?諾依曼計算機結構：馮?諾依曼計算機結構是根據(jù)馮?諾依曼提出的程序存儲原理設計的，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起存儲的結構。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。但是，這種指令和數(shù)據(jù)共享同一總線的結構，使得信息流的傳輸成為限制計算機性能的瓶頸，影響了數(shù)據(jù)處理速度的提高。馮?諾依曼計算機結構如下圖所示，目前很多處理器仍然使用馮?諾依曼結構，如英特爾公司的司的8086，2，哈佛計算機結構：為了改變馮諾依曼計算機結構的取指令與數(shù)據(jù)的讀寫要從同一存儲空間經(jīng)由一條總線傳輸，進而影響計算機的性能這一不足。人們又提出了哈佛計算機結構，哈佛機構是將程序和數(shù)據(jù)存儲在兩個相互獨立的存儲器中，這樣在一個機器周期就允許同時獲得指令字（來自程序存儲器）和操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器）從而提高了執(zhí)行速度，是數(shù)據(jù)的吞吐量提高了一倍。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲兩個相互獨立的存儲空間，因此取指和執(zhí)行能夠重疊，中央處理器從程序存儲空間讀取指令內(nèi)容，解碼之后得到數(shù)據(jù)地址，再到數(shù)據(jù)存儲空間讀取相應的數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作（通常是執(zhí)行），程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間分開，采用不同的總線，可以使程序和數(shù)據(jù)具有不同的總線寬度，從而提供交大的存儲器帶寬，是數(shù)據(jù)傳輸效率更高，尤其提高了數(shù)字信號處理的效率。目前使用哈佛結構的中央處理器和微控制器有很多，如Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11。哈佛結構如下圖所示：

CPU地址〔CPU地址〔數(shù)據(jù)存儲器PC地址程序存儲器PC地址程序存儲器哈佛結構示意圖3，改進型哈佛計算機結構：對于現(xiàn)在很多的算法而言有時需要多個操作數(shù)，例如最常見的卷積運算，一條指令需讀取兩個操作數(shù)，而哈佛結構只能解決取指令和取數(shù)之間的矛盾，對于這種情況就沒有辦法了，這時就應該利用改進型哈佛結構。改進型的哈佛結構，使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數(shù)據(jù)，每個存儲模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實現(xiàn)并行處理；具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊（程序存儲模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲模塊或數(shù)據(jù)存儲模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸；兩條總線由程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分時共用。目前TI公司DSP采用的改進型哈佛結構，其改進之處在于在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間進行局部的交叉連接。這一改進允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性。只要調(diào)度好兩個獨立的總線就可使處理能力達到最高，以實現(xiàn)全速運行。改進的哈佛結構還可使指令存儲在高速緩存器中（Cache）,省去了從存儲器中讀取指令的時間，大大提高了運行速度。二，計算機總線技術的發(fā)展：在過去的幾十年中隨著計算機技術的快速發(fā)展，計算機總線技術的也得到長足的發(fā)展，計算機總線的性能與計算機核心處理器性能以及與計算機連接各種外設的性能之間的匹配也成為影響計算機技術發(fā)展的重要因素。因此計算機總線技術也逐漸受到人們的重視，呈現(xiàn)出百家爭鳴，百花齊放的態(tài)勢，計算機總線發(fā)展出很多種類，各有優(yōu)缺點，有各個不同的應用場合，分類方法也不盡相同。1，計算機總線的定義：計算機總線是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電器和機械特性，是計算機內(nèi)部各部件之間以及外部的各系統(tǒng)之間建立信號聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)傳遞和通信。2，計算機總線的技術指標：（1） 總線的帶寬（總線數(shù)據(jù)傳輸速率）：總線的帶寬指的是單位時間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔鐘傳送MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線密切相關的兩個因素是總線的位寬和總線的工作頻率，它們之間的關系：總線的帶寬=總線的工作頻率X總線的位寬/8（2） 總線的位寬：總線的位寬指的是總線能同時傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，即32位、64位等總線寬度的概念。總線的位寬越寬，每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸率越大，總線的帶寬越寬。（3）總線的工作頻率：總線的工作時鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬越寬。3，計算機總線的分類：計算機總線技術的分類方法有很多種，按總線在計算機系統(tǒng)中不同的層次位置可將總線分為片內(nèi)總線，片總線（芯片級總線），內(nèi)部總線（系統(tǒng)總線），外部總線（通訊總線）；按總線的通信傳輸方式可將總線分為串行總線和并行總線；按總線傳輸數(shù)據(jù)的時鐘特性可將總線分為同步總線和異步總線；按總線傳輸?shù)男盘栃再|(zhì)可將總線分為地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總線，當然總線還有很多其他的分類方式。本文按照總線在計算機系統(tǒng)中的不同層次位置來對總線進行分類，并具體介紹各種總線。（1）片內(nèi)總線：它位于微處理器芯片內(nèi)部，故稱為芯片內(nèi)部總線。用于微處理器內(nèi)部ALU和各種寄存器等部件間的互連及信息傳送。由于受芯片面積及對外引腳數(shù)的限制，片內(nèi)總線大多采用單總線結構，這有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送速度，也可采用雙總線或三總線結構。（2）片總線：片總線又稱元件級（芯片級）總線。微機主板、單扳機以及其它一些插件板、卡（如各種I/O接口板/卡），它們本身就是一個完整的子系統(tǒng)，板/卡上包含有CPU,RAM,ROM，I/O接口等各種芯片，這些芯片間也是通過總線來連接的，因為這有利于簡化結構，減少連線，提高可靠性，方便信息的傳送與控制。通常把各種板、卡上實現(xiàn)芯片間相互連接的總線稱為片總線或元件級總線。典型的片總線包括I2C總線，SPI總線，SCI總線，CAN總線。I2C總線：I2C（Inter-IC）總線由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領域廣泛采用的一種新型總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。它的主要特點是：只要求兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線SDA,—條串行時鐘線SCL；每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機/從機關系軟件設定地址，主機可以作為主機發(fā)送器或主機接收器，它是一個真正的多主機總線，如果兩個或更多主機同時初始化，數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞，工作模式是主從模式，可以實現(xiàn)半雙工通訊；數(shù)據(jù)傳輸為串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸，位速率在標準模式下可達lOOkbit/s,快速模式下可達400kbit/s,高速模式下可達3.4Mbit/s；連接到相同總線的IC數(shù)量只受到總線的最大電容400pF限制。SPI總線：SPI（serialperipheralinterface）總線技術是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。SPI總線的主要特點是：通常只要求三條總線，一條主設備數(shù)據(jù)輸出、從設備數(shù)據(jù)輸入總線 SDO，一條主設備數(shù)據(jù)輸入、從設備數(shù)據(jù)輸出總線，一條數(shù)據(jù)傳輸同步時鐘信號總線（由主設備產(chǎn)生），在有多個從設備情況下可以加一條從設備使能信號線（由主設備控制）；SPI總線有一個主設備和一個或多個從設備，工作模式為主從模式，可實現(xiàn)全雙工通訊；數(shù)據(jù)傳輸為串行傳輸，傳輸速率沒有最大規(guī)定，沒有規(guī)定流傳輸控制規(guī)則，沒有應答機制無法檢查數(shù)據(jù)是否傳輸成功。SCI總線：串行通信接口SCI（serialcommunicationinterface）也是由Motorola公司推出的。它是一種通用異步通信接口UART,與MCS-51的異步通信功能基本相同。UART總線是一種異步串口，一般由波特率產(chǎn)生器（產(chǎn)生的波特率等于傳輸波特率的16倍）、UART接收器、UART發(fā)送器組成，硬件上由兩根線，一根用于發(fā)送，一根用于接收，接收并行數(shù)據(jù)，發(fā)送串行數(shù)據(jù)，用于異步通信，該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。數(shù)據(jù)傳輸方向可以從最低有效位開始（LSB）,但有些UART可以選擇從最低有效位或最高有效位開始，數(shù)據(jù)傳輸速率在計算機中為每秒幾百位到1.5Mb，在有些嵌入式系統(tǒng)中傳輸速率可達到1.1152Mbps。CAN總線：CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。較之目前許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，開發(fā)周期短，已形成國際標準等優(yōu)勢。CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。CAN總線的工作模式是半雙工的，收發(fā)數(shù)據(jù)要分時進行，不管CAN網(wǎng)絡上掛多少設備，在同一時刻只能有1個發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有多個需要同時發(fā)送則只有優(yōu)先級別高的先發(fā)送，其它等待。上述總線的具體性能參數(shù)如下表1：總線類型總線條數(shù)通信方式工作模式總線上的器件數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率I2C2同步串行半雙工<10有二種模式標準100kbit/s，快速400bit/s,高速3.4Mbit/sSPI3或4同步串行全雙工<10一般無標準通信速率SCI(UART)2異步（并行接收串行輸出）全雙工2不同的波特率對應不同速率CAN2或1異步串仃半雙工120不同應用領域具有不同速率（3）內(nèi)部總線：內(nèi)部總線又稱系統(tǒng)總線或板級總線。因為該總線是用來連接計算機中各功能部件而構成一個完整微機系統(tǒng)的，所以稱之為系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是計算機系統(tǒng)中最重要的總線，人們平常所說的計算機總線就是指系統(tǒng)總線，如PC/XT總線、ISA總線（AT總線）、EISA總線、PCI總線、APG總線、PCI-E總線等。系統(tǒng)總線是我們要討論的重點內(nèi)容。PC/XT總線：最早的PC總線是IBM公司1981年在PC/XT電腦采用的系統(tǒng)總線，它基于8bit的8088處理器，被稱為PC總線或者PC/XT總線oPC/XT總線支持8位數(shù)據(jù)傳輸和20位尋址空間（1M）。其特點是把CPU視為總線的唯一主控設備，其余外圍設備均為從屬（Slave）設備，包括暫時掌管總線的DMA控制器或協(xié)處理器。IBMPC/XT總線是一種開放的結構總線，在其總線母板上有數(shù)個系統(tǒng)插槽，可用于I/O設備與PC機連接。其價格低、可靠簡便、使用靈活、且對插板兼容性好，因此有許多廠家生產(chǎn)該總線的兼容產(chǎn)品，品種范圍廣泛。起初，IBMPC總線產(chǎn)品主要用于辦公自動化，后來很快擴大到實驗室或工業(yè)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和控制。ISA（AT）總線：1984年，IBM推出基于16-bitIntel80286處理器的PC/AT電腦，系統(tǒng)總線也相應地擴展為16bit,并被稱呼為PC/AT總線。而為了開發(fā)與IBMPC兼容的外圍設備，行業(yè)內(nèi)便逐漸確立了以IBMPC總線規(guī)范為基礎的ISA（工業(yè)標準架構：IndustryStandardArchitecture)總線。ISA總線最大傳輸速率僅為8MB/s因此它的弱點也是顯而易見的，傳輸速率過低、CPU占用率高、占用硬件中斷資源等，很快使ISA總線在飛速發(fā)展的計算機技術中成為瓶頸。EISA總線：1988年，康柏、惠普等9個廠商協(xié)同把ISA擴展到32-bit,這就是著名的EISA(ExtendedISA，擴展ISA)總線。EISA總線的工作頻率仍舊僅有8MHz，并且與8/16bit的ISA總線完全兼容，由于是32-bit總線的緣故，帶寬提高了一倍，達到了32MB/S?可惜的是，EISA仍舊由于速度有限，并且成本過高，在還沒成為標準總線之前，在20世紀90年代初的時候，就給PCI總線給取代了。PCI總線：由于ISA/EISA總線速度緩慢，一度出現(xiàn)CPU的速度甚至還高過總線的速度，造成硬盤、顯示卡還有其它的外圍設備只能通過慢速并且狹窄的瓶頸來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，使得整機的性能受到嚴重的影響。為了解決這個問題，1992年Intel在發(fā)布486處理器的時候，也同時提出了32-bit的PCK周邊組件互連)總線。最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達到了133MB/s(33MHzX32bit/8),比ISA總線有了極大的改善，基本上滿足了當時處理器的發(fā)展需要。目前計算機上廣泛采用的是這種32-bit、33MHz的PCI總線。APG總線：PCI總線是獨立于CPU的系統(tǒng)總線，可將顯示卡、聲卡、網(wǎng)卡、硬盤控制器等高速的外圍設備直接掛在CPU總線上，打破了瓶頸，使得CPU的性能得到充分的發(fā)揮?？上У氖?，由于PCI總線只有133MB/S的帶寬，對付聲卡、網(wǎng)卡、視頻卡等絕大多數(shù)輸入/輸出設備也許顯得綽綽有余，但對于胃口越來越大的3D顯卡卻力不從心，并成為了制約顯示子系統(tǒng)和整機性能的瓶頸。因此，PCI總線的補充一AGP總線就應運而生了。Intel于1996年7月正式推出了AGP(加速圖形接口，AcceleratedGraphicsPort)接口，這是顯示卡專用的局部總線，是基于PCI2.1版規(guī)范并進行擴充修改而成，工作頻率為66.7MHz,1X模式下帶寬為266MB/S，是PCI總線的兩倍。后來依次又推出了AGP2X、AGP4X，現(xiàn)在則是AGP8X，傳輸速度達到了2.1GB/S。PCI-X總線：PCI-X是1999年正式發(fā)表的，是對現(xiàn)有的PCI總線的繼承和發(fā)展，它將PCI的性能推向頂峰。PCI-X總線操作采用分離事務處理方式，消除了等待狀態(tài)，大幅度地提高了總線的利用率。PCI-X總線帶寬最高達1.066GB/S(133MHz/64-bit)。PCI-X是共事總線結構式向交換式總線結構過渡的產(chǎn)物。在高性能服務產(chǎn)品中為提高I/O吞吐率已采用PCI-X總線結構。PCI-X總線寬度從PCI的32bit提高到64bit,總線頻率提高到最高133MHz，理論傳輸速度達到64bit*133MHz=1GB/s，新的PCI-X2.0(PCI-X266)版本更加入了雙倍讀取速度，在時鐘的上升和下降沿都傳送數(shù)據(jù)，使得PCI-X的理論速度再提高一倍，達到2.1GB/sPCI-E總線：隨著新的技術和設備層出不窮，特別是游戲和多媒體應用越來越廣泛，PCI的工作頻率和帶寬都已經(jīng)無法滿足需求。此外，PCI還存在IRQ共享沖突，只能支持有限數(shù)量設備等問題。在經(jīng)歷了長達10年的修修補補，PCI總線已經(jīng)無法滿足電腦性能提升的要求，必須由帶寬更大、適應性更廣、發(fā)展?jié)摿Ω畹男乱粠Э偩€取而代之，這就是PCI-Express總線。Intel在2001年，正式公布了旨在取代PCI總線的第三代I/O技術，最后卻被正式命名為PCI-Express，Express意思是高速、特別快的意思。2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress1.0規(guī)范，并且根據(jù)開發(fā)藍圖，在2006年的時候正式推出PCIExpress2.0規(guī)范。PCIExpress是新一代的總線接口。它采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接,不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。相對于PCI總線來講，PCI-Express總線能夠提供極高的帶寬，來滿足系統(tǒng)的需求。經(jīng)歷著這么三代半（AGP總線只是一種增強型的PCI總線）的發(fā)展，PC的外部總線終于發(fā)展到我們現(xiàn)在看到的PCI-E2.0，提供了比以往總線大得多的帶寬。上述總線的具體性能參數(shù)如下表2：總線類型推出時間總線位寬總線類型時鐘頻率/MHZ數(shù)據(jù)傳輸帶寬/MBs-1帶外設能力PC/XT19818系統(tǒng)總線ISA(AT)19848/16系統(tǒng)總線816>12EISA198832系統(tǒng)總線&333>12PCI199232/64局部總線33/66133(32bit@33HZ)10AGP(1X)199632特定局部總線66.7以上266或更咼1個圖形控制器PCI—X(1.0)199964改進局部總線1331024PCI-E(1X)20048新一代局部總線2.5/GHZ512未來總線的發(fā)展趨勢，PCI-X的改進，PCI-E的發(fā)展，IBM、HP、Cmpap公司下一代的總線技術FutureI/O，AMD公司的Arapaho技術。（4）外部總線：外部總線又稱為通信總線用于計算機與計算機之間，計算機與遠程終端之間，計算機與外部設備以及計算機與測量儀器儀表之間的通信。該類總線不是計算機系統(tǒng)已有的總線而是利用電子工業(yè)或其他領域已有的總線標準。外部總線又分為串行總線和并向總線。典型的外部總線由IEEE-488總線，RS-232-C總線，RS-422和RS-485總線，通用串行總線USB。IEEE-488總線：IEEE-488總線是并行總線接口標準。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/S，最大傳輸速度為IMB/s。RS-232-C總線：RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標準，在1962年發(fā)布。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20米以內(nèi)的通信。RS-422和RS-485總線：RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1977年制訂并發(fā)布的。它定義了接口電路的特性，實際上還有一根信號地線，共5根線。RS-422由RS-232發(fā)展而來，由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備（Master）,其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負載能力是10X4k+100Q（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOF