總線的概念及其它相關(guān)知識細解

　　總線的概念　　

　　總線(Bus)是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導線組成的傳輸線束， 按照計算機所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號。

　　總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設備通過相應的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統(tǒng)。在計算機系統(tǒng)中，各個部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計算機是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個功能部件的。

　　工作原理

　　當總線空閑(其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上)且一個器件要與目的器件通信時，發(fā)起通信的器件驅(qū)動總線，發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其他以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到(或能夠收到)與自己相符的地址信息后，即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信，將總線讓出(輸出變?yōu)楦咦钁B(tài))。

　　總線的分類

　　總線按功能和規(guī)范可分為三大類型:[1]

　　(1) 片總線(Chip Bus, C-Bus) 又稱元件級總線，是把各種不同的芯片連接在一起構(gòu)成特定功能模塊(如CPU模塊)的信息傳輸通路。

　　(2) 內(nèi)總線(Internal Bus, I-Bus)

　　又稱系統(tǒng)總線或板級總線，是微機系統(tǒng)中各插件(模塊)之間的信息傳輸通路。例如CPU模塊和存儲器模塊或I/O接口模塊之間的傳輸通路。

　　(3) 外總線(External Bus, E-Bus)

　　又稱通信總線，是微機系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)(儀器、儀表、控制裝置等)之間信息傳輸?shù)耐?，如EIA RS-232C、IEEE-488等。

　　其中的系統(tǒng)總線，即通常意義上所說的總線，一般又含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus)、地址總線AB(Address Bus)和控制總線CB(Control Bus)。

　　有的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線和地址總線是復用的，即總線在某些時刻出現(xiàn)的信號表示數(shù)據(jù)而另一些時刻表示地址;而有的系統(tǒng)是分開的。51系列單片機的地址總線和數(shù)據(jù)總線是復用的，而一般PC中的總線則是分開的。

　　“數(shù)據(jù)總線DB”用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，即他既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機的一個重要指標，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。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時甚至是一個控制信息，因此，在實際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。

　　“地址總線AB”是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為2^16=64KB，16位微型機(個人覺得很有必要解釋下x位處理器的意思：一個時鐘周期內(nèi)微處理器能處理的位數(shù)(1 、0)多少，即字長大小)的地址總線為20位，其可尋址空間為2^20=1MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節(jié)。

　　“控制總線CB”用來傳送控制信號和時序信號?？刂菩盘栔校械氖俏⑻幚砥魉屯鎯ζ骱虸/O接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應信號等;也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、設備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。

　　按照傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分，可以分為串行總線和并行總線。串行總線中，二進制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件;并行總線的數(shù)據(jù)線通常超過2根。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232等。

　　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)，而異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的。SPI、I2C是同步串行總線，RS232采用異步串行總線。

　　計算機中的總線

　　a.主板的總線

　　在計算機科學技術(shù)中，人們常常以MHz表示的速度來描述總線頻率。計算機總線的種類很多，前端總線的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是將CPU連接到北橋芯片的總線。計算機的前端總線頻率是由CPU和北橋芯片共同決定的。

　　b.硬盤的總線

　　一般有SCSI、ATA、SATA等幾種。SATA是串行ATA的縮寫，為什么要使用串行ATA就要從PATA——并行ATA的缺點說起。我們知道ATA或者說普通IDE硬盤的數(shù)據(jù)線最初就是40根的排線，這40根線里面有數(shù)據(jù)線、時鐘線、控制線、地線，其中32根數(shù)據(jù)線是并行傳輸?shù)?一個時鐘周期可以同時傳輸4個字節(jié)的數(shù)據(jù))，因此對同步性的要求很高。這就是為什么從PATA-66(就是常說的DMA66)接口開始必須使用80根的硬盤數(shù)據(jù)線，其實增加的這40根全是屏蔽用的地線，而且只在主板一邊接地(千萬不要接反了，反了的話屏蔽作用大大降低)，有了良好的屏蔽硬盤的傳輸速度才能達到66MB/s、100MB/s和最高的133MB/s。但是在PATA-133之后，并行傳輸速度已經(jīng)到了極限，而且PATA的三大缺點暴露無遺：信號線長度無法延長、信號同步性難以保持、5V信號線耗電較大。那為什么SCSI-320接口的數(shù)據(jù)線能達到320MB/s的高速、而且線纜可以很長呢?你有沒有注意到SCSI的高速數(shù)據(jù)線是“花線”?這可不是為了好看，那“花”的部分實際上就是一組組的差分信號線兩兩扭合而成，這成本可不是普通電腦系統(tǒng)愿意承擔的。

　　c.其他的總線

　　計算機中其他的總線還有：通用串行總線USB(Universal Serial Bus)、IEEE1394、PCI等等。

　　總線的主要技術(shù)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(guān)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(guān)系：

　　總線的帶寬=總線的工作頻率*總線的位寬/8

　　或者 總線的帶寬=(總線的位寬/8 )/總線周期

　　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。

　　總線的合理搭配

　　主板北橋芯片負責聯(lián)系內(nèi)存、顯卡等數(shù)據(jù)吞吐量最大的部件，并和南橋芯片連接。CPU就是通過前端總線(FSB)連接到北橋芯片，進而通過北橋芯片和內(nèi)存、顯卡交換數(shù)據(jù)。前端總線是CPU和外界交換數(shù)據(jù)的最主要通道，因此前端總線的數(shù)據(jù)傳輸能力對計算機整體性能作用很大，如果沒足夠快的前端總線，再強的CPU也不能明顯提高計算機整體速度。數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率，即數(shù)據(jù)帶寬=(總線頻率×數(shù)據(jù)位寬)÷8。目前PC機上所能達到的前端總線頻率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz幾種，前端總線頻率越大，代表著CPU與北橋芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸能力越大，更能充分發(fā)揮出CPU的功能?，F(xiàn)在的CPU技術(shù)發(fā)展很快，運算速度提高很快，而足夠大的前端總線可以保障有足夠的數(shù)據(jù)供給給CPU，較低的前端總線將無法供給足夠的數(shù)據(jù)給CPU，這樣就限制了CPU性能得發(fā)揮，成為系統(tǒng)瓶頸。

　　總線的操作

　　總線一個操作過程是完成兩個模塊之間傳送信息，啟動操作過程的是主模塊，另外一個是從模塊。某一時刻總線上只能有一個主模塊占用總線。

　　總線的操作步驟：

　　主模塊申請總線控制權(quán)，總線控制器進行裁決。

　　總線的操作步驟：

　　主模塊得到總線控制權(quán)后尋址從模塊，從模塊確認后進行數(shù)據(jù)傳送。

　　數(shù)據(jù)傳送的錯誤檢查。

　　總線定時協(xié)議：定時協(xié)議可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方操作同步，傳輸正確。定時協(xié)議有三種類型：

　　同步總線定時：總線上的所有模塊共用同一時鐘脈沖進行操作過程的控制。各模塊的所有動作的產(chǎn)生均在時鐘周期的開始，多數(shù)動作在一個時鐘周期中完成。

　　異步總線定時：操作的發(fā)生由源或目的模塊的特定信號來確定?？偩€上一個事件發(fā)生取決前一事件的發(fā)生，雙方相互提供聯(lián)絡信號。

　　總線定時協(xié)議

　　半同步總線定時：總線上各操作的時間間隔可以不同，但必須是時鐘周期的整數(shù)倍，信號的出現(xiàn),采樣與結(jié)束仍以公共時鐘為基準。ISA總線采用此定時方法。

　　數(shù)據(jù)傳輸類型：分單周方式和突發(fā)(burst)方式。

　　單周期方式：一個總線周期只傳送一個數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)傳輸類型：

　　突發(fā)方式：取得主線控制權(quán)后進行多個數(shù)據(jù)的傳輸。尋址時給出目的地首地址，訪問第一個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)2、3到數(shù)據(jù)n的地址在首地址基礎上按一定規(guī)則自動尋址(如自動加1)。

　　總線的標準

　　總線是一類信號線的集合是模塊間傳輸信息的公共通道，通過它，計算機各部件間可進行各種數(shù)據(jù)和命令的傳送。

　　為使不同供應商的產(chǎn)品間能夠互換，給用戶更多的選擇，總線的技術(shù)規(guī)范要標準化。

　　總線的標準制定要經(jīng)周密考慮，要有嚴格的規(guī)定。

　　總線標準(技術(shù)規(guī)范)包括以下幾部分：

　　機械結(jié)構(gòu)規(guī)范：模塊尺寸、總線插頭、總線接插件以及安裝尺寸均有統(tǒng)一規(guī)定。

　　功能規(guī)范：總線每條信號線(引腳的名稱)、功能以及工作過程要有統(tǒng)一規(guī)定。

　　電氣規(guī)范：總線每條信號線的有效電平、動態(tài)轉(zhuǎn)換時間、負載能力等。

　　總線的優(yōu)缺點

　　采用總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點

　　1、簡化了硬件的設計。便于采用模塊化結(jié)構(gòu)設計方法，面向總線的微型計算機設計只要按照這些規(guī)定制作cpu插件、存儲器插件以及I/O插件等，將它們連入總線就可工作，而不必考慮總線的詳細操作。

　　2、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰。連線少，底板連線可以印制化。

　　3、系統(tǒng)擴充性好。一是規(guī)模擴充，規(guī)模擴充僅僅需要多插一些同類型的插件。二是功能擴充，功能擴充僅僅需要按照總線標準設計新插件，插件插入機器的位置往往沒有嚴格的限制。

　　4、系統(tǒng)更新性能好。因為cpu、存儲器、I/O借口等都是按總線規(guī)約掛到總線上的，因而只要總線設計恰當，可以隨時隨著處理器的芯片以及其他有關(guān)芯片的進展設計新的插件，新的插件插到底板上對系統(tǒng)進行更新，其他插件和底板連線一般不需要改。

　　5、便于故障診斷和維修。用主板測試卡可以很方便找到出現(xiàn)故障的部位，以及總線類型。

　　采用總線結(jié)構(gòu)的缺點

　　1、利用總線傳送具有分時性。當有多個主設備同時申請總線的使用是必須進行總線的仲裁。

　　2、總線的帶寬有限，如果連接到總線上的個硬件設備沒有資源調(diào)控機制容易造成信息的延時(這在某些即時性強的地方是致命的)。

　　3、連到總線上的設備必須有信息的篩選機制，要判斷該信息是否是傳給自己的。