第四章总线技术.docx
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第四章总线技术
第四章总线技术
1.总线基本概念
1.总线分类
按相对于CPU或其它芯片的位置,总线可分为:
片内总线(InternalBus)与片外总线(ExternalBus)。
前者是CPU内部寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线,即芯片内部的总线;后者是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路。
按总线的功能可分为:
地址总线(ABus)、数据总线(DBus)、控制总线(CBus)。
按总线的层次结构可分为:
处理器总线:
包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCD),它用来连接CPU和控制芯片。
存贮总线:
包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCD),用来连接存储控制器和DRAM。
系统总线:
也称为I/O通道总线,包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB),用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。
系统总线有多种标准,以适用于各种系统。
外部总线:
用来连接外设控制芯片,如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。
包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。
2.总线的基本参数
总线是计算机内将信息由一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输路径。
通过设备将总线没有总线计算机只是一堆零散的部件。
衡量总线性能主要有3个参数:
总线频率:
是指数据、信号在总线上传递的频率,即在单位时间内总线上发送/接收数据的次数,常用单位HZ。
总线位宽:
是指总线上一个周期内移动的数据位数,常用单位是bit(位)
总线带宽:
在单位时间内总线上发送/接收到的数据量(字节数),常用单位有B/s(Byte/s)或bps(bitpersecond),总线带宽取决于同时传输的数据的宽度(总线位宽)和传输频率(总线频率):
总线带宽=总线频率X总线带宽(bps)
或者:
总线带宽=(总线频率X总线带宽)/8(Byte/sec)
下面将对FSB、AGP、PCI、PCI-E、ISA等几种主流的总线进行介绍。
2.处理器总线FSB
处理器总线。
FSB(FrontSideBus),也称为前端总线。
这是系统中速度最快的总线,是将CPU连接到北桥芯片的总线。
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。
目前主流笔记本采用前端总线频率:
CPU
芯片组
总线频率
Banias核心PentiumM
855PM/GM/GME
400MHZ
Dothan核心PentiumM
915PM/GM/GMS
533MHZ
CeleronM
910GML
400MHZ
※注意:
外频与前端总线频率的区别:
之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆,主要的原因是在以前的很长一段时间里(主要是在Pentium4出现之前和刚出现Pentium4时),前端总线频率与外频是相同的,因此往往直接称前端总线为外频,最终造成这样的误会。
随着计算机技术的发展,前端总线频率需要高于外频,因此采用了QDR(QuadDateRate)技术,或者其他类似的技术实现这个目的。
这些技术使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高。
3.AGP总线
3.发展历程
AGP(AccelerateGraphicalPort),加速图形接口。
英特尔于1996年7月正式推出了AGP接口,它是一种显示卡专用的局部总线。
严格的说,AGP不能称为总线,它与PCI总线不同,因为它是点对点连接,即连接控制芯片和AGP显示卡,但在习惯上我们依然称其为AGP总线。
AGP接口是基于PCI2.1版规范并进行扩充修改而成,工作频率为66MHz。
AGP接口的发展经历了AGP1.0(AGP1X、AGP2X)、AGP2.0(AGPPro、AGP4X)、AGP3.0(AGP8X)三个标准,其传输带宽也从最早的AGP1X的266MB/S的带宽发展到了AGP8X的2.1GB/S。
下图为标准AGP(1x/2x)、AGP4x和AGPPro插槽的外观对比。
注:
如图所示AGP4x和AGPPro插槽中也可插入AGP1x/2x/4x插卡
4.AGP总线特点
与北桥直接相连,带宽更高:
通过AGP总线显示芯片直接与主板的北桥芯片相连,不受PCI总线带宽限制,提升数据传输速度。
可直接调用系统主内存:
通过AGP,显示芯片与系统主内存直接相连,在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。
通过触发信号,提升传输频率:
虽然AGP的工作频率为66MHz,但是通过触发信号实现时钟上下沿复用,提高实际数据传输频率。
5.性能参数
不同AGP接口的模式传输方式不同。
1X模式的AGP,工作频率达到了PCI总线的两倍—66MHz,传输带宽理论上可达到266MB/s。
AGP2X工作频率同样为66MHz,但是它使用了正负沿(一个时钟周期的上升沿和下降沿)触发的工作方式,在这种触发方式中在一个时钟周期的上升沿和下降沿各传送一次数据,从而使得一个工作周期先后被触发两次,使传输带宽达到了加倍的目的,而这种触发信号的工作频率为133MHz,这样AGP2X的传输带宽就达到了266MB/s×2(触发次数)=533MB/s的高度。
AGP4X仍使用了这种信号触发方式,只是利用两个触发信号在每个时钟周期的下降沿分别引起两次触发,从而达到了在一个时钟周期中触发4次的目的,这样在理论上它就可以达到266MB/s×2(单信号触发次数)×2(信号个数)=1066MB/s的带宽了。
在AGP8X规范中,这种触发模式仍然使用,只是触发信号的工作频率变成266MHz,两个信号触发点也变成了每个时钟周期的上升沿,单信号触发次数为4次,这样它在一个时钟周期所能传输的数据就从AGP4X的4倍变成了8倍,理论传输带宽将可达到266MB/s×4(单信号触发次数)×2(信号个数)=2133MB/s的高度了。
各种模式下AGP的参数指标
AGP模式
AGP1X
AGP2X
AGP4X
AGP8X
工作频率
66MHz
66MHz
66MHz
66MHz
传输带宽
266MB/s
533MB/s
1066MB/s
2133MB/s
工作电压
3.3V
3.3V
1.5V
1.5V
单信号触发次数
1
2
4
4
数据传输位宽
32bit
32bit
32bit
32bit
触发信号频率
66MHz
66MHz
133MHz
266MHz
4.PCI总线
6.发展历程
1992年Intel在发布486处理器的时候,也同时提出了32-bit的PCI(周边组件互连)总线。
提出的PCI总线工作在33MHz频率之下,传输带宽达到了133MB/s(33MHzX32bit/8),比ISA总线有了极大的改善,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,从最早的PCI1.0规范,到2004年的PCI3.0规范,制订了多种模式的PCI总线标准:
1993年提出64-bit的PCI总线,后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz,到1999年PCI-X133MHz.目前台式PC系统中广泛采用的PCI总线的工作模式是32-bit、33MHz。
1999年发布了针对在笔记本等便携计算机系统设计的Mini-PCI接口。
早期PCI总线直接连接到北桥(Northbridge)芯片,南桥(Southbridge)也通过PCI总线与北桥连接,高速外围设备如SCSI适配器、网卡、显卡等均可以插入到PCI总线插槽中,参见下图。
自INTEL推出810系列芯片组之后,INTEL不再使用南北桥芯片组设计方式,而是引入HUB的设计概念,由MCH芯片(MemoryControlHub内存控制Hub)和ICH芯片(I/OControlHubI/O控制Hub)构成芯片组。
MCH和ICH由专用的HUB-LINK(66MHz,带宽266MB/sec)、DMI(带宽2GB/sec,自INTEL915芯片组开始使用)局部总线连接,此时PCI总线直接连接到ICH芯片上。
(参考ScottMueller《PC硬件工程师手册》第13版)
※注意:
在国内很多工程师习惯上仍然称MCH芯片为北桥,ICH芯片为南桥。
7.性能参数
32位/33MHzPCI插槽(左)与64位/33MHzPCI插槽(中)以及
64位/66MHz通用PCI插槽(右)的比较
如上图,PCI总线自诞生以来,经过不断改造,基于初期的版本衍生出了多种类型的接口,参见下表
PCI总线类型
总线宽度
总线频率
总线带宽
PCI
32bit
33MHz
133MB/sec
PCI66MHz
32bit
66MHz
266MB/sec
PCI64bit
64bit
33MHz
266MB/sec
PCI66MHz/64bit
64bit
66MHz
533MB/sec
PCI-X
64bit
133MHz
1066MB/sec
64位或66MHz/133MHz的PCI总线一般仅用于服务器、工作站系统中。
Mini-PCI作为PCI接口的一种变形,除在外观上有所改变,更适合高集成度的计算机系统,如:
笔记本,常规Mini-PCI的参数指标:
总线宽度
总线频率
总线带宽
32bit
33MHz
133MB/sec
5.PCIExpress总线
8.发展历程
2001年,在Intel春季的IDF上,Intel正式公布了旨在取代PCI总线的技术规范,该规范由Intel支持的AWG(ArapahoeWorkingGroup)负责制定,并称之为第三代I/O总线技术(3rdGenerationI/O)也就是3GIO,也就是后来的PCIExpress总线规范。
不过在公布之初,应用环境、配套设备还不是很完善,并不为人们所关注。
到了2002年4月17日,AWG正式宣布3GIO1.0规范草稿制定完毕,并移交PCI-SIG进行审核,该规范最终却被命名为PCIExpress,而到了2003年Intel春季IDF上,Intel正式公布了PCIExpress的产品开发计划,PCIExpress最终走向应用。
INTEL芯片组支持PCIExpress情况
芯片组
PCI-E
通道数量
是否支持AGP
是否支持SLI
915P/G/GV/GL/PL/925X/925XE/
20
否
否
955X
20
否
否
如上表,主流的桌面平台将会配置1个PCIExpressX16接口,用于取代AGP连接图形设备,数据传输的有效带宽从以前的2GB/秒(AGP8X)增加到4GB/秒(250MB/s×16=4000MB/s)。
另外还有四个PCIX1接口用于取代PCI,16+4=20个通道。
9.
接口
PCI-Express插槽外观
PCIExpress接口根据总线接口对位宽的要求不同而有所差异,分为PCIExpressX1、X2、X4、X8、X16。
由此PCIExpress的接口长短也不同。
1X最小,往上则越大。
同时PCIExpress不同接口还可以向下兼容其他PCIExpress小接口的的产品。
既PCIExpressX4的设备可以插在PCIExpressX8或X16上进行工作。
PCIExpressX1接口的HDTV多媒体卡
基于PCIExpressX16的显卡
10.技术特点
PCIExpress总线是一种完全不同于PCI总线的总线规范,与PCI总线共享并行架构相比,PCIExpress总线是一种点对点串行连接的设备连接方式,点对点意味着每一个PCIExpress设备都拥有自己独立的数据连接,各个设备之间并发的数据传输互不影响,PCIExpress采用的串行架构频率为2.5GHz,每个接口都独占250MB/秒的数据传输率。
相对于过去PCI那种共享总线方式,PCI总线上只能有一个设备进行通信,一旦PCI总线上挂接的设备增多,每个设备的实际传输速率就会下降,性能得不到保证。
PCIExpress以点对点的方式处理通信,每个设备在要求传输数据的时候各自建立自己的传输通道,对于其他设备这个通道是封闭的,这样的操作保证了通道的专有性,避免其他设备的干扰。
PCIExpress的主要技术特点如下:
点对点串行互联
PCIExpress总线采用点对点技术,能够为每一块设备分配独享通道带宽,不需要在设备之间共享资源,充分保障各设备的带宽资源,提高数据传输速率,而且数据不需要同步。
双通数据传输道
在数据传输模式上,PCIExpress总线采用独特的双通道传输模式,即数据发送与接收有各自独立的通道,从而提高数据传输带宽。
支持通道合并及拆分
PCIExpress的优点在于其可升级性。
它的规格允许实现X1(带宽250MB/秒),X2,X4,X8,X12,X16通道的PCIExpress,即可以将多个通道合并供一个设备使用,最终该设备的可用带宽将会是250MB/秒乘以通道的数量,这样可以得到高效数据带宽。
X16的通道数据传输带宽将达到4GB。
例如PCIExpressX16的图形接口将包括两条专用的通道,一条可由显卡单独到北桥,而另一条则可由北桥单独到显卡,每条单独的通道均将拥有4GB/s的数据带宽可充分避免因带宽所带来的性能瓶颈问题。
同时PCI-Express还提供了把大的信道分成小的信道的能力。
如:
一个X8的PCI-Express连接能分为二个X4通道的连接,或四个X2通道的连接,或八个X1通道的连接。
支持设备热插拔和热交换
PCIExpress总线接口插槽中含有“热插拔检测信号”,所以可以像USB、IEEE1394总线那样进行热插拔和热交换。
灵活扩展性
PCIExpress总线能够延伸到系统之外,采用专用线缆可将各种外设直接与系统内的PCIExpress总线连接在一起,允许开发商生产出能够与主系统脱离的高性能的存储控制器,不必再担心由于改用FireWire或USB等其他接口技术而使存储系统的性能受到影响。
其他特点
由于PCIExpress总线采用比PCI总线更简单的物理结构,如单x1带宽模式只需4线即可实现数据传输,实际上是每个通道只需4根线,发送和接收数据的信号线各一根,另外各一根独立的地线。
当然实际上在单通道PCIExpress总线接口插槽中并不是4针引脚,而是18针,其余的14针都是通过4根芯线相互组合得到的。
与PCI相比,PCIExpress总线的导线数量减少了将近75%,主板上走线少了,从而使通过增加走线数量提升总线宽度的方法更容易实现。
由于减少了数据传输线数量,所以总线自身的电源消耗也就大大降低了,同时PCIExpress在规范中改善了直接从插槽中取电的功率限制,X16的最大提供功率达到了70W,比AGP8X接口有了很大的提高。
有利于满足未来中高端显卡的供电需求。
11.性能参数
目前PCI-E可达到的带宽
模式
双向传输模式
数据传输模式
PCIExpressx1
500MB/s
250MB/s
PCIExpressx2
1GB/s
500MB/s
PCIExpressx4
2GB/s
1GB/s
PCIExpressx8
4GB/s
2GB/s
PCIExpressx16
8GB/s
4GB/s
6.ISA总线
ISA,IndustryStandardArchitecture(工业标准体系结构)的简写,是1981年在最初的IBMPC中做为8位总线引入的。
1984年,在IBMPC/AT中扩展为16位。
现在存在两个版本的ISA总线,根据总线一次可传送的数据位数划分。
较老版本是8位总线,较新版本是16位总线。
最初的8位版本在PC及XT上以4.77MHz速度运行,16位版本在AT上以6MHz速度运行,后来,工业上一致同意ISA的8/16位版本的最大标准速度为8.33MHz以实现向后兼容。
ISA是一条低速总线,但仍是一些低速外围设备的理想总线。
多数较新PC主板设计不再包含这条总线。
过去用于插入式调制解调器、声卡及其他低速外围设备。
ISA总线由SouthBridge(主板芯片组的一部分)生成,它担当ISA总线控制器以及ISA总线及更快的PCI总线间的接口。
主板的SuperI/O芯片通常连接到这条总线上。
7.其他总线
12.MCA微通道总线及扩展槽
32位芯片的推出意味着ISA总线不具有处理新一代CPU的能力。
于是IBM决定构建新的总线,而不是再次扩展ISA总线,结果便导致了MCA总线的出现。
MCA是微通道体系结构的缩略,MCA总线与ISA总线完全不同,且在各方面具有技术的优势。
13.EISA总线
EISA是ExtendedIndustryStandardArchitecture(扩展工业标准体系结构)的缩略。
这个标准声明于1988年9月,它是对IBM推出MCA总线的回应,更进一步,是对IBM意图控制MCA总线注册的回应。
EISA标准主要由Compaq制定,并组织了EISA协会,它是一个专门进行EISA总线发展控制的非赢利性组织。
只有很少数目的EISA适配器得到了开发,发展主要围绕磁盘阵列控制器以及服务器类型网络插卡。
EISA总线本质上是ISA的32位版本。
与IBM的MCA总线不同,只是完全向后兼容,在32位EISA插槽中仍可以使用8位或16位的ISA卡;此外,与MCA类似,EISA也允许通过软件来自动配置EISA卡。
14.附件:
部分早期总线参数列表
总线类型
总线位宽(bit)
总线频率(MHz)
数据周期(/时钟周期)
带宽(MB/Sec)
8位ISA(PC/XT)
8
4.77
1/2
2.39
8位ISA(AT)
8
8.33
1/2
4.17
LPC总线
4
33
1/3
6.67
16位ISA(AT总线)
16
8.33
1/2
8.33
DD软盘接口
1
0.25
1
0.03125
HD软盘接口
1
0.5
1
0.0625
ED软盘接口
1
1
1
0.125
EISA总线
32
8.33
1
33
VL总线
32
33
1
133
MCA-16
16
5
1
10
MCA-32
32
5
1
20
MCA-16流式
16
10
1
20
MCA-32流式
32
10
1
40
MCA-64流式
64
10
1
80
MCA-64流式
64
20
1
160
PC卡(PCMCIA)
16
10
1
20
CardBus
32
33
1
133
Hub接口(芯片组)
8
66
4
266
RS-232串口
1
0.1152
1/10
0.01152
RS-232串口HS
1
0.2304
1/10
0.02304
IEEE-1284并口
8
8.33
1/6
1.38
IEEE-1284EPP/ECP
8
8.33
1/3
2.77
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