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計算機總線技術(shù)基礎(chǔ)知識
計算機通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應(yīng)的通信總線被稱為并行總線和串行總線。下文就計算機總線技術(shù)基礎(chǔ)知識進行講解，下文對您的學(xué)習(xí)有所幫助!
計算機總線技術(shù)
微機中總線一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線是微機內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連;而系統(tǒng)總線是微機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互連;外部總線則是微機和外部設(shè)備之間的總線，微機作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級的互連。
另外，從廣義上說，計算機通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應(yīng)的通信總線被稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快、實時性好，但由于占用的口線多，不適于小型化產(chǎn)品;而串行通信速率雖低，但在數(shù)據(jù)通信吞吐量不是很大的微處理電路中則顯得更加簡易、方便、靈活。串行通信一般可分為異步模式和同步模式。
隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，總線技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善，而使計算機總線技術(shù)種類繁多，各具特色。下面僅對微機各類總線中目前比較流行的總線技術(shù)分別加以介紹。
一、內(nèi)部總線
1.I2C總線
I2C(Inter-IC)總線10多年前由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。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。
2.SPI總線
串行外圍設(shè)備接口SPI(serialperipheralinterface)總線技術(shù)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(guān)的軟件就相當(dāng)簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務(wù)。
3.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。
二、系統(tǒng)總線
1.ISA總線
ISA(industrialstandardarchitecture)總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應(yīng)用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。
2.EISA總線
EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。
3.VESA總線
VESA(videoelectronicsstandardassociation)總線是1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESAlocalbus)總線。它的推出為微機系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴展槽擴展到64位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。
4.PCI總線
PCI(peripheralcomponentinterconnect)總線是當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達132MB/s，可同時支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA(microchannelarchitecture)總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。
5.CompactPCI
以上所列舉的幾種系統(tǒng)總線一般都用于商用PC機中，在計算機系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的系統(tǒng)總線，比如STD總線、VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當(dāng)前工業(yè)計算機的熱門總線之一——CompactPCI。CompactPCI的意思是“堅實的PCI”，是當(dāng)今第一個采用無源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計算機標(biāo)準(zhǔn)。CompactPCI是在原來PCI總線基礎(chǔ)上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點，提供滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統(tǒng)的I/O和其他功能。
三、外部總線
1.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(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)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20m以內(nèi)的通信。
2.RS-485總線
在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。
3.IEEE-488總線
上述兩種外部總線是串行總線，而IEEE-488總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)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(shè)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(shè)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1MB/s。
4.USB總線
通用串行總線USB(universalserialbus)是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能支持多媒體。
USB 2.0的數(shù)據(jù)傳輸率比USB 1.1快40倍，達480Mbps(60MB/s)，與目前的USB1.1設(shè)備兼容，預(yù)計2001年年底OEM廠商開始采購英特爾集成有USB2.0控制器的芯片、2002年中期伴隨ICH4正式推出USB2.0產(chǎn)品。
5.IEEE 1394總線
IEEE1394是一種串行接口標(biāo)準(zhǔn)，這種接口標(biāo)準(zhǔn)允許把電腦、電腦外部設(shè)備、各種家電非常簡單地連接在一起。從IEEE 1394可以連接多種不同外設(shè)的功能特點來看，也可以稱為總線，即一種連接外部設(shè)備的機外總線。IEEE 1394的原型是運行在Apple Mac電腦上的Fire Wire(火線)，由IEEE采用并且重新進行了規(guī)范。它定義了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)定及連接系統(tǒng)，可用較低的成本達到較高的性能，以增強電腦與外設(shè)如硬盤、打印機、掃描儀，與消費性電子產(chǎn)品如數(shù)碼相機、DVD播放機、視頻電話等的連接能力。
由于要求相應(yīng)的外部設(shè)備也具有IEEE1394接口功能才能連接到1394總 線上，所以直到1995年第3季度Sony推出的數(shù)碼攝像機加上了IEEE 1394接口后，1394才真正引起廣泛的注意。采用1394接口的數(shù)碼攝像機，可以毫無延遲地編輯處理影像、聲音數(shù)據(jù)，性能得到增強。數(shù)碼相機、DVD播放機和一般消費性家電產(chǎn)品，如VCR、HDTV、音響等也都可以利用IEEE 1394接口來互相連接。電腦的外部設(shè)備，例如硬盤、光驅(qū)、打印機、掃描儀等，也可利用IEEE 1394來傳輸數(shù)據(jù)。機外總線將改變當(dāng)前電腦本身擁有眾多附加插卡、連接線的現(xiàn)狀，它把各種外設(shè)和各種家用電器連接起來。電腦也成為一種普通的家電。
當(dāng)電腦家電化之后，未來的電腦將如同現(xiàn)在的電視機一樣，消費者可能只需拿起遙控器便可快速完成上Internet、玩游戲、控制視聽影音器材甚至控制家里的電燈、電話等電器，真正實現(xiàn)居室智能化。
USB 2.0和IEEE 1394有什么區(qū)別呢?它們最大的區(qū)別是接口不同、傳輸速率不同和可連接設(shè)備數(shù)量不同：USB 2.0采用USB接口、480Mbps、可連接127臺設(shè)備，而IEEE 1394規(guī)格為400Mbps、可連接63臺設(shè)備，不過，IEEE 1394設(shè)備間可直接通信，不需要PC存在。
在計算機系統(tǒng)中，各個功能部件都是通過總線交換數(shù)據(jù)，總線的速度對系統(tǒng)性能有著極大的影響。而也正因為如此，總線被譽為是計算機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。但相比CPU、顯卡、內(nèi)存、硬盤等功能部件，總線技術(shù)的提升步伐要緩慢得多。在PC發(fā)展的二十余年歷史中，總線只進行三次更新?lián)Q代，但它的每次變革都令計算機的面貌煥然一新。在下面的文字中，我們將向大家介紹計算機系統(tǒng)總線的詳細發(fā)展歷程，包括早期的PC總線和ISA總線、PCI/AGP總線、PCI-X總線以及目前主流的PCI Express、HyperTransport高速串行總線。
PC總線與ISA總線
PC總線是最古老的總線之一，雖然在它之前還有諸如MCA、VESA在內(nèi)的多種總線規(guī)格，但它卻是第一種被認(rèn)可為廣泛標(biāo)準(zhǔn)的總線技術(shù)。PC總線最早出現(xiàn)在IBM公司1981年推出的PC/XT電腦中，它基于8位結(jié)構(gòu)的8088處理器，也被稱為PC/XT總線。
PC總線沿用了三年多時間，直到1984年，IBM推出基于16位英特爾80286處理器的PC/AT電腦，系統(tǒng)總線才被16位的PC/AT總線所代替。而這個時候，PC產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，加之IBM允許第三方廠商開發(fā)兼容產(chǎn)品，PC/AT總線規(guī)范也被逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，并衍生出著名的ISA總線(Industry StandardArchitecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu))。
與PC/AT總線不同，ISA總線采用8位和16位模式，它的最大數(shù)據(jù)傳輸率為8MBps和16MBps—今天來看這樣的性能低得不可思議，但在當(dāng)時8MBps的速率綽綽有余，完全可滿足多個CPU共享系統(tǒng)資源的需要。既然是標(biāo)準(zhǔn)化的總線技術(shù)，ISA就基本不存在什么兼容性問題，后來的兼容PC也無一例外都采用ISA技術(shù)作為系統(tǒng)總線。ISA總線一直貫穿286和386SX時代，在當(dāng)時，16位X86系統(tǒng)對總線性能并沒有太高的要求，ISA也沒有遭遇任何麻煩。但在32位386DX處理器出現(xiàn)之后，16位寬度的ISA總線就遇到問題，總線數(shù)據(jù)傳輸慢使得處理器性能也受到嚴(yán)重的制約。有鑒于此，康柏、惠普、AST、愛普生等九家廠商協(xié)同將ISA總線擴展到32位寬度，EISA(Extended IndustryStandard Architecture，擴展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu))總線由此誕生—這是發(fā)生在1988年的事情。
計算機總線技術(shù)基礎(chǔ)知識 篇1
總線的定義
總線，英文叫作“BUS”，即我們中文的“公共車”，這是非常形象的比如，公共車走的路線是一定的，我們?nèi)魏稳硕伎梢宰曹嚾ピ摋l公共車路線的任意一個站點。如果把我們?nèi)吮茸魇请娮有盘�，這就是為什么英文叫它為“BUS”而不是“CAR”的真正用意。當(dāng)然，從專業(yè)上來說，總線是一種描述電子信號傳輸線路的結(jié)構(gòu)形式，是一類信號線的集合，是子系統(tǒng)間傳輸信息的公共通道。通過總線能使整個系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的信息進行傳輸、交換、共享和邏輯控制等功能。如在計算機系統(tǒng)中，它是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接。
背景
從20世紀(jì)50年代至今一直都在使用著一種信號標(biāo)準(zhǔn)，那就是4一20mA的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)70年代，數(shù)字式計算機引人到測控系統(tǒng)中，而此時的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀(jì)80年代，微處理器在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，微處理器被嵌人到各種儀器設(shè)備中，形成了分布式控制系統(tǒng)。
隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動量程轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告、趨勢圖等功能通信技術(shù)的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用。與此同時，基于質(zhì)量分析的維護管理、與安全相關(guān)系統(tǒng)的測試記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當(dāng)?shù)靥幚硇畔ⅲ⒃诒匾獣r允許被管理和訪問，這些也使現(xiàn)場儀表與上級控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。
特點
總線的優(yōu)點就是能夠更加方便地更換各個部件。如果您想更換一個更好的顯卡，您只需從總線上拔掉原來的顯卡，然后插上新的就可以了。如果您要在計算機上安裝兩個顯示器，只需在總線上插入兩個顯卡。
二、三十年前，處理器的速度要非常慢，以便與總線同步，即總線與處理器的速度相同。而且當(dāng)時計算機上只有一條總線。處理器的運轉(zhuǎn)速度非�？欤鄶�(shù)計算機都有兩條或更多的總線。每條總線專用于特定類型的流量。
現(xiàn)今，一臺典型的臺式個人計算機一般有兩條主總線：
一條是我們通常所說的系統(tǒng)總線或局部總線，用于連接微處理器（中央處理器）和系統(tǒng)內(nèi)存。它是系統(tǒng)中運行最快的總線。 另一條總線的速度較慢，用于與硬盤和聲卡等部件進行通信。這種類型的總線最常見的是PCI總線。這些運行較慢的總線通過橋接器連接到系統(tǒng)總線，因為橋接器是計算機芯片組的一部分并能起到流量交換的作用，所以能夠?qū)⑵渌偩�的數(shù)據(jù)集成到系統(tǒng)總線。 其實還有其他的總線。例如，通用串行總線（USB），用于把照相機、掃描儀和打印機等設(shè)備連接到計算機。它利用細線纜連接到設(shè)備，并且多個設(shè)備可以同時共用一根總線。FireWire是另一種總線，主要用于攝影機和外置硬盤。
分類
總線分類的方式有很多，如被分為外部和內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和非系統(tǒng)總線等等，下面是幾種最常用的分類方法。
按功能分
最常見的是從功能上來對數(shù)據(jù)總線進行劃分，可以分為地址總線（address bus）、數(shù)據(jù)總線（data bus）和控制總線（control bus）。在有的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線和地址總線可以在地址鎖存器控制下被共享，也即復(fù)用。
地址總線是專門用來傳送地址的。在設(shè)計過程中，見得最多的應(yīng)該是從CPU地址總線來選用外部存儲器的存儲地址。地址總線的位數(shù)往往決定了存儲器存儲空間的大小，比如地址總線為16位，則其最大可存儲空間為216（64KB）。
數(shù)據(jù)總線是用于傳送數(shù)據(jù)信息，它又有單向傳輸和雙向傳輸數(shù)據(jù)總線之分，雙向傳輸數(shù)據(jù)總線通常采用雙向三態(tài)形式的總線。數(shù)據(jù)總線的`位數(shù)通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。在實際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定是完全意義上的數(shù)據(jù)。
控制總線是用于傳送控制信號和時序信號。如有時微處理器對外部存儲器進行操作時要先通過控制總線發(fā)出讀/寫信號、片選信號和讀入中斷響應(yīng)信號等�？刂瓶偩�一般是雙向的，其傳送方向由具體控制信號而定，其位數(shù)也要根據(jù)系統(tǒng)的實際控制需要而定。
按傳輸方式分
按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絼澐�，總線可以被分為串行總線和并行總線。從原理來看，并行傳輸方式其實優(yōu)于串行傳輸方式，但其成本上會有所增加。通俗地講，并行傳輸?shù)耐藩q如一條多車道公路，而串行傳輸則是只允許一輛汽車通過單線公路。常見的串行總線有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而并行總線相對來說種類要少，常見的如IEEE1284、ISA、PCI等。
按時鐘信號方式分
按照時鐘信號是否獨立，可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨立于數(shù)據(jù)，也就是說要用一根單獨的線來作為時鐘信號線；而異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的，通常利用數(shù)據(jù)信號的邊沿來作為時鐘同步信號。
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