總線演變簡史

總線演變簡史經(jīng)常聽到人們說總線，什么PCI總線，AGP總線，PCI-Express總線，那到底什么是總線呢？總線是怎么來的呢？今天，我們就來探討這個問題?？偩€是微機系統(tǒng)中廣泛采用的一種技術(shù)?？偩€是一組信號線，是在多于2個模塊（子系統(tǒng)或設(shè)備）間相互通訊的通路，也是微處理器與外部硬件接口的核心。打個比方說，模塊（例如CPU，內(nèi)存，南北橋芯片等）就是一個城市，那總線就是連接城市和城市之間的公路，城市之間的物資運輸要靠公路，模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸靠的則是總線。由于計算機是一個協(xié)同工作的整體，需要模塊之間不斷交換數(shù)據(jù)，總線的作用自然是非常重要的。即使你的CPU每秒能處理10G的數(shù)據(jù)，但是你的總線每線只能傳輸1M的數(shù)據(jù)給CPU，根據(jù)瓶頸效應(yīng)，你的CPU也就只能處理1M的數(shù)據(jù)，只發(fā)揮了1/10000的性能。因此，自從總線問世以來，隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，隨之相應(yīng)的總線技術(shù)也得到不斷創(chuàng)新。由PC/XT至UISA、MCA、EISA、VESA到PCI、AGP、IEEE1394、USB到今天的PCI-Express總線等。究其原因，是因為CPU的處理能力迅速提升，但與其相連的外圍設(shè)備通道帶寬過窄且總落后于CPU的處理能力，這使得人們不得不改造總線，為CPU鋪設(shè)越來越快的高速公路。IEEE696（S100）總線1975年，在美國新墨西哥鎮(zhèn)一家名為MITS的小公司，由愛德華?羅伯茨（EdwardRoberts）以8080微處理器設(shè)計安裝了全球第一臺PC——Altair單板機系統(tǒng)，但是卻不幸在運輸過程中丟失。愛德華?羅伯茨只好重新開始設(shè)計，并且在新的PC中，采用了全球第一條PC擴展總線。很快，這條總線就被全球的制造商所接受，并有了一個正式的名字一一S100。后來S100總線還得到了IEEE（美國電氣電子工程師學(xué)會）的認(rèn)可，并被命名為IEEE696總線標(biāo)準(zhǔn)。PC/XT總線20世紀(jì)70年代末，蘋果公司的成功讓IBM公司上下眼紅不已，并由最高決策層下令研制個人電腦。1981年，IBM推出了以8088為CPU的新一代個人計算機，為增加擴充能力也設(shè)計了總線。該總線被稱為PC或PC/XT總線，是PC總線的第一次創(chuàng)新。與以前蘋果等公司做法不同的是，IBM向外界完全公開了包括PC/XT總線完整規(guī)范在內(nèi)的技術(shù)文件，允許各個廠商開發(fā)基于PC/XT總線的產(chǎn)品。這一舉措無疑是非常成功的，將眾多的廠商都拉入了IBM的陣營，從而促生了今天兼容機的繁榮場面。PC/XT總線具有可靠簡便、使用靈活等優(yōu)點，并減少了自定義引腳，提高了總線的兼容性。但由于IBM推出PC機較為倉促，使PC/XT總線技術(shù)也有些不足，如總線布置較為混亂，對信號完整性及頻率方面考慮不夠，總線位寬也較低，PC/XT總線只有8bit總線位寬，工作頻率為4.77MHz/s，數(shù)據(jù)總線帶寬因而僅為8X4.77/8=4.77MB/s，最大數(shù)據(jù)傳輸率僅為2.38MB/s。ISA（PC/AT）總線1984年IBM公司推出了16位PC機PC/AT，同時也在PC總線基礎(chǔ)上增加36個引腳，推出了對應(yīng)的16位總線一AT總線。其工作頻率也提升到了8MHz，總線帶寬也就相應(yīng)提升到了16X8/8=16MB/s。相比PC/XT總線取得了很大的進步。但由于種種原因，IBM公司從未公布過他們的AT總線規(guī)格，盡管各兼容機廠商模仿出了AT總線，但還是存在某些模糊不清的解釋，為了能夠更好的合理開發(fā)兼容于PC/AT總線的產(chǎn)品，由Intel公司、IEEE（美國電氣電子工程師學(xué)會）和EISA集團聯(lián)合開發(fā)出與IBM/AT原裝機總線意義相近的ISA（IndustryStandardArchitecture）總線（因此有時我們也把8位和8位/16位兼容的AT總線稱為ISA）。ISA總線雖然最大數(shù)據(jù)傳輸率僅為8MB/s，但其允許多個CPU共享系統(tǒng)資源。由于兼容性好，它在上個世紀(jì)80年代是最廣泛采用的系統(tǒng)總線，不過它的弱點也是顯而易見的，比如傳輸速率過低、CPU占用率高、占用硬件中斷資源等。MCA總線隨著32bit外部總線的386DX處理器出現(xiàn)，ISA總線的16bit總線位寬就成為了系統(tǒng)嚴(yán)重的瓶頸，并影響到處理器性能的發(fā)揮。為了提高計算機的速度，充分發(fā)揮80386的性能，IBM又重新設(shè)計了總線。但是這次，IBM公司為保護自身的利益，在宣布PC/2機器時，推出了享有專利的MCA總線，不再向眾多的兼容機廠商開發(fā)。從技術(shù)層面上講，MCA是比較先進的，其總線位寬為32bit，尋址空間達到74GB，總線時鐘為10MHz，總線帶寬和最大數(shù)據(jù)傳輸率達到了40MB/S。而且MCA配有總線仲裁機構(gòu)，可支持16個總線主控制器，允許共享中斷級，適用于多用戶、多任務(wù)的環(huán)境。但是，由于MCA總線與ISA總線不兼容，不支持ISA外設(shè)，影響了在PC兼容機上的使用。EISA總線為了打破IBM的壟斷，1988年9月，Compaq（康柏）、AST、Epson（愛普生）、HP（惠普）、Olivetti、NEC等9家公司聯(lián)合起來，推出了一種兼容性更優(yōu)越的總線，即EISA（ExtendedISA，擴展ISA）總線。和IBM不同，EISA總線是把ISA總線擴展到32bit位寬，與8/16bit的ISA總線完全兼容。但是EISA總線工作頻率仍舊僅有8MHz，帶寬也僅提高了一倍，只有32MB/S。EISA總線支持多處理器結(jié)構(gòu)，具有較強的I/O擴展能力和負(fù)載能力，支持多總線主控，而且其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)公開，因而受到眾多廠家的歡迎?？上У氖牵珽ISA總線兼顧了ISA的電氣特性，因而妨礙了總線速度的進一步提高，并且成本過高。VESA總線隨著多媒體的逐漸普及，經(jīng)常需要在CPU和外設(shè)之間進行大量高速的數(shù)據(jù)傳送和處理，MCA總線和EISA總線逐漸無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。為了解決CPU和外設(shè)之間越來越嚴(yán)重的瓶頸問題，1992年VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）聯(lián)合IBM、COMPAQ（康柏）等60余家公司，對PC總線進行了第五次創(chuàng)新，推出了VESALocalBus（簡稱VESA或VL總線）局部總線。VESA總線也是一種開放性總線，具有32bit的總線位寬，總線工作頻率也大幅提高，達到了33MHz，同時支持BurstMode突發(fā)傳輸方式，最大數(shù)據(jù)傳輸率也達到了132MB/s。VESA總線改變了以往的總線結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)適配器、多媒體設(shè)備、磁盤控制器等從傳統(tǒng)的ISA總線上卸下，而是直接通過VESA總線連接到CPU總線上，使這些設(shè)備和CPU的數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸速度大幅增加。尤其是顯卡，正是由于VESA總線解決了以往的瓶頸，從此開始了其高速發(fā)展。但是由于VESA總線沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，只是規(guī)定了信號線定義，這導(dǎo)致不同公司的VESA總線板卡相互兼容性較差，而且最多只能有3個擴展槽，擴展性也非常有限。由于VESA總線是直接連接CPU的，可以說是專門針對486開發(fā)的，因而VESA總線就不能支持Pentium以及以上的CPU。隨著486的衰落和Pentium的普及，VESA總線也就逐漸走向沒落。PCI總線90年代，隨著圖形處理技術(shù)和多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，VESA總線已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足顯卡等設(shè)備的要求，這就促使IT廠商們開發(fā)新的總線技術(shù)。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、COMPAQ（康柏）、AST、HP（惠普）、DEC等100多家公司成立了PCI集團（PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup外圍部件互連專業(yè)組），簡稱PCISIG，推出了開放性的PCI總線。和VESA總線一樣，PCI總線同樣將網(wǎng)絡(luò)適配卡、磁盤控制器等高速外設(shè)通過PCI局部總線直接掛在CPU總線上，使之與高速的CPU總線相匹配。PCI具有32bit總線位寬，可擴展至64bit；工作頻率為33MHz，最大傳輸率達到了133MB/s（32bit）。同時，PCI提出了橋（Bridge）的概念，其功能是連接兩條計算機總線，使總線間相互通訊。在PCI規(guī)范中，提出了主橋、標(biāo)準(zhǔn)總線橋和PCI橋三種橋。其中主橋負(fù)責(zé)CPU和PCI之間的傳輸，標(biāo)準(zhǔn)總線橋負(fù)責(zé)PCI和ISA、EISA之類的標(biāo)準(zhǔn)總線之間的傳輸，PCI橋則負(fù)責(zé)PCI與PCI之間的傳輸。其中，主橋稱為北橋（NorthBridge），其它的橋就稱為南橋（SouthBridge），隨之也就誕生了傳統(tǒng)意義上的南北橋芯片。PCI總線支持線性突發(fā)傳輸，支持總線主控及同步操作，而且由于其采用了獨立于CPU的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因而不像VESA總線一樣受CPU限制，具有很好的兼容性，可以和各種不同的CPU兼容。由于PCI總線的諸多優(yōu)點，很快的它就取代了VESA、ISA等總線，成為了“最長壽”的總線，一直沿用至今。AGP總線隨著CPU性能的不斷攀高，也隨著圖形處理器的不斷升級，圖形芯片和CPU之間交換的數(shù)據(jù)量自然也隨之不斷水漲船高。由于傳統(tǒng)PCI總線最大數(shù)據(jù)傳輸率只有133MB/S，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足圖形處理器對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。因而，Intel再次聯(lián)合眾多廠商，開放了第一個圖形芯片專用總線AGP總線（AcceleratedGraphicsPort，高速圖形接口）。AGP總線實質(zhì)上是對PCI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的擴充，但是其采用了地址和數(shù)據(jù)線分離的設(shè)計，可實現(xiàn)流水線處理，同時大幅提高了系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)的傳輸速率和隨機訪問主內(nèi)存時的性能°AGP總線位寬為32bit，時鐘頻率為66MHz,最大能以533MHz（AGP8X）工作，最高傳輸速率可達2112MB/S（AGP8X）。和傳統(tǒng)的眾多總線相比，AGP總線可以將系統(tǒng)主內(nèi)存映射為AGP內(nèi)存，用作顯卡上的專業(yè)顯存的擴展；并通過直接內(nèi)存執(zhí)行方式提高系統(tǒng)的3D圖形處理性AGP總線的出現(xiàn)很好的解決了圖形芯片和CPU的數(shù)據(jù)交換問題，但這是以其通用性的犧牲為代價的。AGP總線始終只能使用在圖形芯片方面，無法在更多的領(lǐng)域發(fā)揮其功效。AlphaEV6總線如果你手上有比較老的電腦教學(xué)書籍，你會發(fā)現(xiàn)它們幾乎都沒有提到一個單詞，那就是FSB（前端總線頻率），這個在今天十分流行的詞語。這是怎么回事呢？原因就是在當(dāng)時，前端總線頻率和CPU外頻都是同步的，這就造成人們很少把它們區(qū)別開來講。但是自從AlphaEV6總線發(fā)布以后，前端總線頻率開始和CPU外頻分道揚鐮，它們之間已經(jīng)無法再劃上等號。為了能給CPU更大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，AMD研發(fā)了AlphaEV6總線，采用源同步時鐘技術(shù)，可以利用同一方波的上升沿和下降沿分別完成一次觸發(fā)，這就可以輕易的使處理器與芯片組之間的總線頻率達到兩倍于外頻的速度。以AthlonXP2000+為例，2000+的外頻為133MHz，前端總線頻率就達到了133MHzX2=266MHz。與此同時，AlphaEV6總線采用信息包傳輸協(xié)議，允許每一處理器容納24項預(yù)處理任務(wù)，這個數(shù)字可是PCI總線的6倍！同時，AlphaEV6總線能支持的處理器物理可尋址存儲器也達到了8T字節(jié)（1T=1000GB），而PCI總線僅支持64GB的數(shù)據(jù)存取。AlphaEV6總線可以非常有效地提升處理器與內(nèi)存、芯片組之間進行數(shù)據(jù)交換的帶寬，這為Athlon系列CPU在和奔騰3乃至之后奔騰4的競爭中助力不少。QuadPumped總線隨著AlphaEV6總線的發(fā)布，英特爾也迫切要為它的奔騰4開發(fā)一個專用總線來增大帶寬，QuadPumped（4倍并發(fā)）總線就這樣誕生了。相比之下，QuadPumped總線可以在一個時鐘周期內(nèi)，在總線上同時傳送四路64bit數(shù)據(jù)，這樣一來，前端總線的頻率就提升到了CPU外頻的四倍。以外頻為200MHz的奔騰42.6C為例，其前端總線頻率就為400MHzX4=1600MHz。在相同CPU外頻下，QuadPumped總線擁有比AlphaEV6總線高一倍的帶寬，更有利于CPU性能的發(fā)揮。PCI-X總線為解決英特爾架構(gòu)服務(wù)器中PCI總線的瓶頸問題，Compaq（康柏）、IBM和HP（惠普）公司決定加快加寬PCI芯片組的時鐘速率和數(shù)據(jù)傳輸速率，使其分別達到133MHz和1GB/s。利用對等PCI技術(shù)和英特爾公司的快速芯片作為智能I/O電路的協(xié)處理器來構(gòu)建系統(tǒng)，這種新的總線就稱為PCI-X。與PCI相比，PCI-X擁有更寬的通道、更優(yōu)良的通道性能以及更好的安全性能，但是PCI-X又能與目前的PCI設(shè)備兼容，并具有良好的擴展性，這就很大程度上減少了PCI-X總線普及的阻力。和PCI相比，PCI-X頻率是可擴展的，可隨設(shè)備的變化而變化，而不是像PCI那樣是固定的。比如某一設(shè)備工作于66MHz，那么它就將工作于66MHz，而如果設(shè)備支持100MHz的話，PCI-X就將于100MHz下工作。PCI-X可以支持66,100,133MHz等頻率，工作于66MHz的PCI-X控制器將最多能訪問4個PCI-X設(shè)備，在64bit模式下?lián)碛?33MB/S的帶寬。同時，我們還可以通過增加PCI-X至PCI-X的橋接芯片來支持更多設(shè)備。但是隨著PCI-X設(shè)備工作頻率的升高，可以管理的設(shè)備數(shù)目也會遞減。當(dāng)所有的PCI-X設(shè)備均工作于100MHz下時，在64bit模式下就將擁有800MB/S的帶寬，但是最多可以管理的PCI-X設(shè)備也縮減到了兩個。當(dāng)PCI-X設(shè)備工作于133MHz時，PCI-X總線將只能支持1個PCI-X設(shè)備，但是其將具有驚人的1066MB/S帶寬（64bit模式）！2002年7月，PCI-SIG又提出了全新的PCI-X2.0標(biāo)準(zhǔn)，包括PCI-X266和PCI-X533兩個規(guī)范，在64bit模式，分別具有2.1GB/S帶寬和4.3GB/S帶寬。如今，最新一代的PCI-X3.0標(biāo)準(zhǔn)又被提出，PCI-X1066等同工作在1066MHz,在64bit模式下具有8.6GB/s的恐怖帶寬。而且PCI-X1066和PCI-X266以及PCI-X533都是向下兼容的。HyperTransport總線1999年，AMD在MicroProcessorForum上首次提出了HyperTransport總線的概念，當(dāng)時還是被稱為LightningDataTransport（LDT，閃電數(shù)據(jù)傳輸），在2001年2月才正式改名為HyperTransport。HyperTransport是一種為主板上的集成電路互聯(lián)而設(shè)計的端到端總線技術(shù)，它可為內(nèi)存控制器、硬盤控制器以及PCI總線控制器之間開拓出更大的帶寬。HyperTransport是由數(shù)據(jù)路徑、控制信號和時鐘信號組成的雙點對點單向鏈路，每一條數(shù)據(jù)路徑寬度可以是2、4、8、16和32bit。由于HyperTransport是由兩條端到端的單向數(shù)據(jù)傳輸路徑組成（一條為輸入、一條為輸出），工作頻率從200MHz到1600MHz可調(diào)。而且采用雙時針頻率觸發(fā)技術(shù)，當(dāng)路徑寬度設(shè)置為32bit，同時在800MHz下（等效1600MHz）工作，就可實現(xiàn)12.8GB/s的帶寬。HyperTransport還有一大特色，就是當(dāng)數(shù)據(jù)寬度為非32位時，可以分批傳輸數(shù)據(jù)來達到與32位相同的效果，比如說16位的數(shù)據(jù)就可以分兩批傳輸，在使用8位數(shù)據(jù)時就分4批傳送，這種分包傳輸數(shù)據(jù)的方法，給了HyperTransport更大的彈性空間。今年2月，HyperTransport技術(shù)聯(lián)盟又正式發(fā)布了HyperTransport2.0規(guī)格，由于采用了雙Dual-data，使頻率成功提升到了1.0GHz、1.2GHz和1.4GHz，并且由每通道1.6GB/s提升到2.0GB/s、2.4GB/s和2.8GB/s，最大帶寬由原來的12.8GB/s提升到22.4GB/s。PCIE（3GIO）總線隨著PCI總線逐漸成為限制計算機性能發(fā)揮的瓶頸，英特爾開始醞釀第三代總線了。2001年春季，Intel在IDF上推出了旨在取代PCI總線連接內(nèi)部芯片的第三代I/O技術(shù)，也就是3GIO。2001年8月，PCI-SIG組織批準(zhǔn)了代號為Arapahne的3GIO標(biāo)準(zhǔn)。到了2002年4月，PCI-SGI和Arapahoe工作組完成了3GIO的草案，并正式將其改名為PCIExpress02002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress規(guī)范1.0版以及相應(yīng)的PCIExpress卡電氣規(guī)范。PCIExpress總線具有很多優(yōu)點，由于只需要從芯片組中引出很少的引腳，這使得主板布線難度大大降低，但是卻具有比現(xiàn)在的PCI高的多的帶寬和傳輸速度，另外在配置的靈活性方面PCIExpress也優(yōu)于PCI。它可以根據(jù)所連接的硬件設(shè)備的不同，使用不同頻率的同其聯(lián)系通訊。同時，PCIExpress總線可以“走出機箱”。也就是說PCIExpress可以如同現(xiàn)在的USB或者Firewire一樣通過計算機上的一定接口同外部采用相應(yīng)符合PCIExpress標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備進行連接和通訊。由于PCIExpress總線采用了點對點技術(shù)，每個PCIExpress設(shè)備都是直接同系統(tǒng)芯片進行交流，因而不會像PCI總線存在整體帶寬問題，不會因為個別設(shè)備而影響其它共享PCI總線的設(shè)備。PCIExpress還具有很好的向下兼容性，符合PCI2.3規(guī)范的板卡都可以在低帶寬的PCIExpress插槽上使用。每個基本PCIExpress連接都是由一個接受對和一個發(fā)送對組成（共四組線路），由一個微分信號在兩個接口之間利用電壓差來傳遞。第一代的PCIExpress連接信號傳輸速度為每個基本連接單向2.5Gbit/s，通過多個基本連接同時工作，可以最大實現(xiàn)80Gb/s即10GB/s的帶寬?？吹竭@里，有的朋友可能會提出疑問，PCIExpress最大帶寬不是8GB/s嗎？這是由于PCIExpress總線是直接植入了時鐘信號的，時鐘信號被直接植入數(shù)據(jù)流中，而不是作為獨立信號存在。因為是通過8b/10b的編碼來實現(xiàn)，所以每個字符需要占據(jù)10bit，也就是會比通常多出20%。舉個例子來說，我們每傳送8bit的數(shù)據(jù)，PCIExpress總線就會自動添加2bit的時鐘信號，總共傳送10bit的數(shù)據(jù)。因而PCIExpress總線的實際最大帶寬是要打個“八折”的。PCIExpress連接結(jié)構(gòu)可以有x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32幾種不同形式。顧名思義，x1的連接就是則在每個方向上具有1個基本連接，x16的連接則在每個方向上具有16個基本連接，x32的連接則在每個方向上具有32個基本連接，可以進行10GB/s的傳輸，實現(xiàn)8GB/s的實際帶寬。InfiniBand（NGIO,FIO）總線相比之下，知道InfiniBand總線的就不多了，因為這個總線更多是面向服務(wù)器領(lǐng)域，而且是一路風(fēng)風(fēng)雨雨發(fā)展過來的。最初，為了應(yīng)對服務(wù)器的不斷發(fā)展對傳統(tǒng)總線造成的壓力，英特爾公司推出了所謂下一代I/O總線結(jié)構(gòu)，即NGIO（NextGenerationInput/Output）總線；隨后不久，IBM、HP也提出了一個類似的用于服務(wù)器領(lǐng)域的總線，并稱之為FIO（FutureInput/Output）總線。這兩個總線在當(dāng)時都掀起了相當(dāng)?shù)臒岢?，大家都在猜測哪個才是最后的勝利者，誰都