一、总线的基本概念

1.1 总线定义

总线是计算机两个或两个以上的模块(部件或子系统)之间相互连接与通信的公共通路。

总线不仅仅是一组传输线,它还包括一套管理信息传输的规则(协议)。在计算机系统中,总线可以看成一个具有独立功能的组成部件。

总线信号线四大类:

类别内容作用
数据线和地址线数据传输宽度 + 直接寻址范围决定数据吞吐量和寻址空间
控制、时序和中断信号线总线控制信号、时序、中断决定总线功能强弱和适应性好坏
电源线和地线电源种类、地线分布供电与信号完整性
备用线厂家和用户性能扩充特殊要求使用

1.2 总线的分类(按功能和规范)

微型计算机的总线按功能和规范可分为三大类型:

  1. 片总线(Chip Bus, C-Bus) — 又称元件级总线,把各种不同芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。
  2. 内总线(Internal Bus, I-Bus) — 又称系统总线或板级总线,微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路,如CPU模块与存储器/I/O接口模块之间。
  3. 外总线(External Bus, E-Bus) — 又称通信总线,微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间的信息传输通路,如EIA RS-232C、IEEE-488等。

三类总线地位:C-Bus在芯片内部/模块内,I-Bus在主板插件之间,E-Bus在系统外部。三层结构由内到外,速度由高到低。

1.3 总线标准

每个总线标准都必须有具体明确的规范说明,通常包括四大技术特性:

特性内容
机械特性模块插件机械尺寸、总线插头插座规格及位置
电气特性逻辑电平、噪声容限、负载能力
功能特性各总线信号名称及功能定义
规程特性各总线信号的动作过程及时序关系

总线标准的两种产生途径:

  1. 事实标准:厂家研制的总线因性能优越被广泛接受(如ISA)
  2. 正式标准:国际标准组织主持开发制定

历史上著名的总线标准: S-100(IEEE 696,最早的PC总线)、MultiBus(IEEE 796)、Z-Bus、PC/XT总线、PC/AT总线、ISA、EISA、PCI、USB等。

S-100总线的教训:布线不合理(时钟线夹在9条控制线中间易串扰)、地线太少(100条线仅2条地线)、DMA引脚定义不明确、无总线仲裁机构——这些问题在后来的标准中得到克服。

总线发展趋势: 高带宽、实用性、开放性。

1.4 总线仲裁

总线仲裁是指多个总线主模块同时请求使用总线时,决定由哪个模块获得总线控制权。

  • 总线主模块:具有总线控制能力,获得控制权后能启动数据传输(如CPU、DMA控制器)
  • 总线从模块:能对总线上的数据请求作出响应,但本身不具备总线控制能力(如8255A、8259A)

两种基本仲裁方式:

串行总线仲裁(菊花链)

  • 总线”允许”信号在各模块之间串行传输
  • 第一个发出请求且收到允许信号的模块获得总线控制权
  • 优先级由模块在链中的位置决定,越靠前优先级越高
  • 优点:简单,控制线少
  • 缺点:串行传输延迟大,高优先级模块频繁请求时低优先级可能饿死
  • 适用:较小的系统

并行总线仲裁

  • 每个模块都有独立的总线请求和允许信号
  • 总线仲裁器内置优先权编码器和优先权译码器
  • 所有请求同时送到仲裁器,由仲裁器判定最高优先级
  • 得到允许的模块撤销请求,置”总线忙”
  • 优点:速度快,可连接许多主模块,仲裁电路不复杂
  • 适用:大多数现代系统

关键信号三根:请求(request)、允许(grant)、总线忙(busy)。先检忙→发请求→等允许→置忙→用完撤忙。


二、ISA 总线(18.2)

2.1 ISA 总线概述

  • ISA(Industrial Standard Architecture) 即AT总线,在8位XT总线基础上扩展而成的16位总线体系结构
  • IBM PC/XT(8088)→ XT总线(8位)
  • IBM PC/AT(80286)→ AT总线(16位),即ISA
  • Pentium系列主板上仍保留3~4个ISA扩充槽,兼容8位和16位ISA卡

2.2 ISA 总线插槽结构

一长一短两个插口:

  • 长插口:62个引脚,A31~A1 / B31~B1,插槽两面
  • 短插口:36个引脚,C18~C1 / D18~D1,插槽两面

总计98个引脚(62+36)。8位卡只用长插口,16位卡两个插口都用。


三、PCI 总线(18.4)

3.1 PCI 总线的突破意义

PCI(Peripheral Component Interconnect,外围部件互连总线):

  • 1991年由Intel公司首先提出,PCI SIG(100+成员公司)发展推广
  • 1992年6月 PCI 1.0 版
  • 1995年6月 PCI 2.1 版,支持64位数据通路、66MHz工作频率

核心突破: 解决了传统总线”CPU一换代总线就跟着换、旧卡全废”的困境——通过桥芯片将不同层次总线粘合,CPU升级只需换北桥,外设全部保留。

3.2 PCI 系统结构(三层总线)

         CPU 总线(CPU-主存总线 / 微处理器局部总线)
              │
        北桥(CPU总线/PCI总线桥)
              │
           PCI 总线
        ┌─────┼─────┐
   图形适配器  网卡  硬盘控制器
        │
   南桥(PCI总线/ISA总线桥)
        │
      ISA 总线
        │
    ISA卡 × N

桥芯片的作用: 信号缓冲、电平转换、控制协议转换。

  • 北桥:CPU总线 ↔ PCI总线
  • 南桥:PCI总线 ↔ ISA总线

桥接技术的核心优势:系统升级换代时,只需改变CPU总线和北桥芯片,全部原有外设及接口适配器仍可保留,保护用户投资。

3.3 PCI 总线特点

  • 数据宽度:32位 / 64位
  • 地址总线:32位(可扩展至64位)
  • 地址线和数据线多路复用(AD0~AD63),节省引脚,减小连接器尺寸
  • 插槽类型:5V和3V两种
  • 引脚总数:94对(A1/B1~A94/B94)
    • 32位卡只用1~62号
    • 64位卡占用全部1~94号
  • 防呆设计:code引脚(连接器钥匙)防止插卡插错
  • 主板一般配2~3个PCI扩充槽

四、USB 总线(18.5)

4.1 USB 概述

USB(Universal Serial Bus,通用串行总线):PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口,“万能接口”,取代传统所有端口(串口+并口)。

  • 1995年由USB Implementer Forum联合开发(Compaq、IBM、Intel、DEC、Microsoft等)
  • 1996年1月 USB 1.0 版规范颁布

USB 1.0 核心技术参数:

参数规格
传输速率低速 1.5 Mbps + 全速 12 Mbps 双速率
设备数量最多127个外设装置(含Hub)
节点间距5米,级联最大20米
线缆4芯(2根差分数据线 + 2根+5V电源线)
线缆规格UTP无屏蔽双绞线(低速)/ STP屏蔽双绞线(全速)
即插即用真正PnP,自动配置,热插拔,驱动自动安装
供电可向外设提供+5V电源

低速设备:键盘、鼠标、调制解调器;全速设备:打印机、扫描仪、数码相机。

4.2 USB 拓扑结构

树状层次结构:

  • 第一层:主机(根Hub)
  • 第二、三、四层:外设或USB Hub
  • 第五层:只能是外设

规则:

  • 最多5层(含主机层)
  • 层间线缆不超过5米
  • Hub连续串接最多3个
  • 防环设计:层次排序机制防止环状接入

USB Hub组成: 信号中继器(整形驱动+方向控制)+ 控制器(理解协议+管理控制数据传输)

USB 线缆(4芯):

  1. Vcc(+5V电源)
  2. Data+
  3. Data-
  4. Ground

两种连接器: A系列(主机端/上行)、B系列(设备端/下行)

复合型设备:多个功能部件组装在一起(如键盘+轨迹球),内部有USB Hub。


五、高速总线接口(18.6)

Apple和TI公司开发的高速串行接口标准。

性能参数:

参数规格
传输速率100/200/400/800 Mbps,目标1Gbps/1.6Gbps
设备数量单个总线段最多63个设备;通过桥接器可连1000+段
设备间距4.5米(尝试延伸至25米)
连接方式菊花链方式串接
线缆6芯(2线电源8V~40V/1.5A + 4线分两个双绞线对传数据和时钟)
即插即用完全支持,热插拔,总线配置改变后节点地址自动重分配

对比USB 1.1(12Mbps)和USB 2.0(480Mbps),IEEE 1394速率高得多,面向多媒体高速设备。

适用设备: 硬盘、光驱、DVD、数码相机、数字摄录机、高精度扫描仪等高速外设。

5.2 AGP(高速图形端口)

背景: 三维图形卡通过PCI总线连接,PCI峰值132MB/s,且多设备共享,实际更低,成为3D纹理数据传输瓶颈。

AGP(Accelerated Graphics Port)由Intel开发,1996年7月公布。

核心设计: 把3D图形控制卡从PCI总线上分离出来,直接连在CPU/PCI控制芯片组(北桥)上,形成专用的高速点对点通道。

严格意义上AGP不是总线标准——总线是多设备共享资源,AGP是视频卡专用端口。

DIME(Direct Memory Execute,直接存储器执行):

  • 允许视频卡直接与系统RAM(主存)高速连接
  • 显存不够时,将主存当作显存使用
  • 把耗费显存的三维操作全部放在主存完成
  • 既节省显存,又利用大容量主存优势

AGP 速率:

模式时钟每周期传输次数数据宽度理论速率
AGP 1X66.66MHz1次32位(4字节)~266 MB/s
AGP 2X66.66MHz2次32位~533 MB/s
AGP 4X(AGP 2.0规范)66.66MHz4次32位~1066 MB/s(约1GB/s)

AGP 4X速率是传统PCI(132MB/s)的8倍。大多数AGP卡工作在2X模式。


六、章节关系与知识体系总览

总线技术在课程中的位置

本章(第18章)是第二部分”计算机组成核心”的收尾章节,是连接CPU、存储器、I/O接口的枢纽。

前置关联章节:

总线技术演进脉络

S-100 → XT总线 → ISA → EISA → PCI → PCIe
                 ↓
            并行总线时代 → 串行总线时代(PCIe/USB/1394)

三大发展方向:

  1. 并行→串行:高频下并行信号线间串扰严重,串行差分信号更优(PCIe、USB、1394)
  2. 共享→点对点:从共享总线到点对点高速通道(AGP、PCIe)
  3. 多标准→统一化:USB力图统一所有外设接口

七、重点考点速查

  1. 总线四大特性:机械/电气/功能/规程
  2. 三类总线:片总线(C-Bus)/内总线(I-Bus/系统总线)/外总线(E-Bus/通信总线)
  3. 总线仲裁两种方式:串行(菊花链,位置决定优先级)vs 并行(编码器+译码器,速度快)
  4. PCI 桥接架构:北桥(CPU-PCI)+南桥(PCI-ISA),保护投资
  5. PCI 地址数据多路复用:AD0~AD63 分时复用
  6. USB 树形拓扑:最多5层,127个设备,级联5米×4=20米,4芯线缆+5V供电
  7. USB 两种速率:低速1.5Mbps / 全速12Mbps(USB 1.0)
  8. IEEE 1394速率:100/200/400/800 Mbps,6芯线缆,63设备/段
  9. AGP 不是总线:是点对点专用端口,DIME方式可借用主存当显存
  10. AGP 4X 速率:约1GB/s,是PCI的8倍