總線(xiàn)的概念及其它相關(guān)知識細解

　　總線(xiàn)的概念　　

　　總線(xiàn)(Bus)是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線(xiàn)，它是由導線(xiàn)組成的傳輸線(xiàn)束， 按照計算機所傳輸的信息種類(lèi)，計算機的總線(xiàn)可以劃分為數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)，分別用來(lái)傳輸數據、數據地址和控制信號。

　　總線(xiàn)是一種內部結構，它是cpu、內存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道，主機的各個(gè)部件通過(guò)總線(xiàn)相連接，外部設備通過(guò)相應的接口電路再與總線(xiàn)相連接，從而形成了計算機硬件系統。在計算機系統中，各個(gè)部件之間傳送信息的公共通路叫總線(xiàn)，微型計算機是以總線(xiàn)結構來(lái)連接各個(gè)功能部件的。

　　工作原理

　　當總線(xiàn)空閑(其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線(xiàn)上)且一個(gè)器件要與目的器件通信時(shí)，發(fā)起通信的器件驅動(dòng)總線(xiàn)，發(fā)出地址和數據。其他以高阻態(tài)形式連接在總線(xiàn)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(xiàn)上的數據。發(fā)送器件完成通信，將總線(xiàn)讓出(輸出變?yōu)楦咦钁B(tài))。

　　總線(xiàn)的分類(lèi)

　　總線(xiàn)按功能和規范可分為三大類(lèi)型:[1]

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

　　(2) 內總線(xiàn)(Internal Bus, I-Bus)

　　又稱(chēng)系統總線(xiàn)或板級總線(xiàn)，是微機系統中各插件(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(xiàn)(External Bus, E-Bus)

　　又稱(chēng)通信總線(xiàn)，是微機系統之間或微機系統與其他系統(儀器、儀表、控制裝置等)之間信息傳輸的通路，如EIA RS-232C、IEEE-488等。

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

　　有的系統中，數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)是復用的，即總線(xiàn)在某些時(shí)刻出現的信號表示數據而另一些時(shí)刻表示地址;而有的系統是分開(kāi)的。51系列單片機的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)是復用的，而一般PC中的總線(xiàn)則是分開(kāi)的。

　　“數據總線(xiàn)DB”用于傳送數據信息。數據總線(xiàn)是雙向三態(tài)形式的總線(xiàn)，即他既可以把CPU的數據傳送到存儲器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數據傳送到CPU。數據總線(xiàn)的位數是微型計算機的一個(gè)重要指標，通常與微處理的字長(cháng)相一致。例如Intel 8086微處理器字長(cháng)16位，其數據總線(xiàn)寬度也是16位。需要指出的是，數據的含義是廣義的，它可以是真正的數據，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息，因此，在實(shí)際工作中，數據總線(xiàn)上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數據。

　　“地址總線(xiàn)AB”是專(zhuān)門(mén)用來(lái)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(xiàn)總是單向三態(tài)的，這與數據總線(xiàn)不同。地址總線(xiàn)的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小，比如8位微機的地址總線(xiàn)為16位，則其最大可尋址空間為2^16=64KB，16位微型機(個(gè)人覺(jué)得很有必要解釋下x位處理器的意思：一個(gè)時(shí)鐘周期內微處理器能處理的位數(1 、0)多少，即字長(cháng)大小)的地址總線(xiàn)為20位，其可尋址空間為2^20=1MB。一般來(lái)說(shuō)，若地址總線(xiàn)為n位，則可尋址空間為2^n字節。

　　“控制總線(xiàn)CB”用來(lái)傳送控制信號和時(shí)序信號?？刂菩盘栔?，有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的，如讀/寫(xiě)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(xiàn)請求信號、設備就緒信號等。因此，控制總線(xiàn)的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線(xiàn)的位數要根據系統的實(shí)際控制需要而定。實(shí)際上控制總線(xiàn)的具體情況主要取決于CPU。

　　按照傳輸數據的方式劃分，可以分為串行總線(xiàn)和并行總線(xiàn)。串行總線(xiàn)中，二進(jìn)制數據逐位通過(guò)一根數據線(xiàn)發(fā)送到目的器件;并行總線(xiàn)的數據線(xiàn)通常超過(guò)2根。常見(jiàn)的串行總線(xiàn)有SPI、I2C、USB及RS232等。

　　按照時(shí)鐘信號是否獨立，可以分為同步總線(xiàn)和異步總線(xiàn)。同步總線(xiàn)的時(shí)鐘信號獨立于數據，而異步總線(xiàn)的時(shí)鐘信號是從數據中提取出來(lái)的。SPI、I2C是同步串行總線(xiàn)，RS232采用異步串行總線(xiàn)。

　　計算機中的總線(xiàn)

　　a.主板的總線(xiàn)

　　在計算機科學(xué)技術(shù)中，人們常常以MHz表示的速度來(lái)描述總線(xiàn)頻率。計算機總線(xiàn)的種類(lèi)很多，前端總線(xiàn)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(xiàn)。計算機的前端總線(xiàn)頻率是由CPU和北橋芯片共同決定的。

　　b.硬盤(pán)的總線(xiàn)

　　一般有SCSI、ATA、SATA等幾種。SATA是串行ATA的縮寫(xiě)，為什么要使用串行ATA就要從PATA——并行ATA的缺點(diǎn)說(shuō)起。我們知道ATA或者說(shuō)普通IDE硬盤(pán)的數據線(xiàn)最初就是40根的排線(xiàn)，這40根線(xiàn)里面有數據線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)、控制線(xiàn)、地線(xiàn)，其中32根數據線(xiàn)是并行傳輸的(一個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)傳輸4個(gè)字節的數據)，因此對同步性的要求很高。這就是為什么從PATA-66(就是常說(shuō)的DMA66)接口開(kāi)始必須使用80根的硬盤(pán)數據線(xiàn)，其實(shí)增加的這40根全是屏蔽用的地線(xiàn)，而且只在主板一邊接地(千萬(wàn)不要接反了，反了的話(huà)屏蔽作用大大降低)，有了良好的屏蔽硬盤(pán)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(diǎn)暴露無(wú)遺：信號線(xiàn)長(cháng)度無(wú)法延長(cháng)、信號同步性難以保持、5V信號線(xiàn)耗電較大。那為什么SCSI-320接口的數據線(xiàn)能達到320MB/s的高速、而且線(xiàn)纜可以很長(cháng)呢?你有沒(méi)有注意到SCSI的高速數據線(xiàn)是“花線(xiàn)”?這可不是為了好看，那“花”的部分實(shí)際上就是一組組的差分信號線(xiàn)兩兩扭合而成，這成本可不是普通電腦系統愿意承擔的。

　　c.其他的總線(xiàn)

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

　　總線(xiàn)的主要技術(shù)指標

　　1、總線(xiàn)的帶寬(總線(xiàn)數據傳輸速率)

　　總線(xiàn)的帶寬指的是單位時(shí)間內總線(xiàn)上傳送的數據量，即每鈔鐘傳送MB的最大穩態(tài)數據傳輸率。與總線(xiàn)密切相關(guān)的兩個(gè)因素是總線(xiàn)的位寬和總線(xiàn)的工作頻率，它們之間的關(guān)系：

　　總線(xiàn)的帶寬=總線(xiàn)的工作頻率*總線(xiàn)的位寬/8

　　或者 總線(xiàn)的帶寬=(總線(xiàn)的位寬/8 )/總線(xiàn)周期

　　2、總線(xiàn)的位寬

　　總線(xiàn)的位寬指的是總線(xiàn)能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數據的位數，或數據總線(xiàn)的位數，即32位、64位等總線(xiàn)寬度的概念?？偩€(xiàn)的位寬越寬，每秒鐘數據傳輸率越大，總線(xiàn)的帶寬越寬。

　　3、總線(xiàn)的工作頻率

　　總線(xiàn)的工作時(shí)鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線(xiàn)工作速度越快，總線(xiàn)帶寬越寬。

　　總線(xiàn)的合理搭配

　　主板北橋芯片負責聯(lián)系內存、顯卡等數據吞吐量最大的部件，并和南橋芯片連接。CPU就是通過(guò)前端總線(xiàn)(FSB)連接到北橋芯片，進(jìn)而通過(guò)北橋芯片和內存、顯卡交換數據。前端總線(xiàn)是CPU和外界交換數據的最主要通道，因此前端總線(xiàn)的數據傳輸能力對計算機整體性能作用很大，如果沒(méi)足夠快的前端總線(xiàn)，再強的CPU也不能明顯提高計算機整體速度。數據傳輸最大帶寬取決于所有同時(shí)傳輸的數據的寬度和傳輸頻率，即數據帶寬=(總線(xiàn)頻率×數據位寬)÷8。目前PC機上所能達到的前端總線(xiàn)頻率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz幾種，前端總線(xiàn)頻率越大，代表著(zhù)CPU與北橋芯片之間的數據傳輸能力越大，更能充分發(fā)揮出CPU的功能?，F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(xiàn)可以保障有足夠的數據供給給CPU，較低的前端總線(xiàn)將無(wú)法供給足夠的數據給CPU，這樣就限制了CPU性能得發(fā)揮，成為系統瓶頸。

　　總線(xiàn)的操作

　　總線(xiàn)一個(gè)操作過(guò)程是完成兩個(gè)模塊之間傳送信息，啟動(dòng)操作過(guò)程的是主模塊，另外一個(gè)是從模塊。某一時(shí)刻總線(xiàn)上只能有一個(gè)主模塊占用總線(xiàn)。

　　總線(xiàn)的操作步驟：

　　主模塊申請總線(xiàn)控制權，總線(xiàn)控制器進(jìn)行裁決。

　　總線(xiàn)的操作步驟：

　　主模塊得到總線(xiàn)控制權后尋址從模塊，從模塊確認后進(jìn)行數據傳送。

　　數據傳送的錯誤檢查。

　　總線(xiàn)定時(shí)協(xié)議：定時(shí)協(xié)議可保證數據傳輸的雙方操作同步，傳輸正確。定時(shí)協(xié)議有三種類(lèi)型：

　　同步總線(xiàn)定時(shí)：總線(xiàn)上的所有模塊共用同一時(shí)鐘脈沖進(jìn)行操作過(guò)程的控制。各模塊的所有動(dòng)作的產(chǎn)生均在時(shí)鐘周期的開(kāi)始，多數動(dòng)作在一個(gè)時(shí)鐘周期中完成。

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

　　總線(xiàn)定時(shí)協(xié)議

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

　　數據傳輸類(lèi)型：分單周方式和突發(fā)(burst)方式。

　　單周期方式：一個(gè)總線(xiàn)周期只傳送一個(gè)數據。

　　數據傳輸類(lèi)型：

　　突發(fā)方式：取得主線(xiàn)控制權后進(jìn)行多個(gè)數據的傳輸。尋址時(shí)給出目的地首地址，訪(fǎng)問(wèn)第一個(gè)數據，數據2、3到數據n的地址在首地址基礎上按一定規則自動(dòng)尋址(如自動(dòng)加1)。

　　總線(xiàn)的標準

　　總線(xiàn)是一類(lèi)信號線(xiàn)的集合是模塊間傳輸信息的公共通道，通過(guò)它，計算機各部件間可進(jìn)行各種數據和命令的傳送。

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

　　總線(xiàn)的標準制定要經(jīng)周密考慮，要有嚴格的規定。

　　總線(xiàn)標準(技術(shù)規范)包括以下幾部分：

　　機械結構規范：模塊尺寸、總線(xiàn)插頭、總線(xiàn)接插件以及安裝尺寸均有統一規定。

　　功能規范：總線(xiàn)每條信號線(xiàn)(引腳的名稱(chēng))、功能以及工作過(guò)程要有統一規定。

　　電氣規范：總線(xiàn)每條信號線(xiàn)的有效電平、動(dòng)態(tài)轉換時(shí)間、負載能力等。

　　總線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　采用總線(xiàn)結構的主要優(yōu)點(diǎn)

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

　　2、簡(jiǎn)化了系統結構。整個(gè)系統結構清晰。連線(xiàn)少，底板連線(xiàn)可以印制化。

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

　　4、系統更新性能好。因為cpu、存儲器、I/O借口等都是按總線(xiàn)規約掛到總線(xiàn)上的，因而只要總線(xiàn)設計恰當，可以隨時(shí)隨著(zhù)處理器的芯片以及其他有關(guān)芯片的進(jìn)展設計新的插件，新的插件插到底板上對系統進(jìn)行更新，其他插件和底板連線(xiàn)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故障的部位，以及總線(xiàn)類(lèi)型。

　　采用總線(xiàn)結構的缺點(diǎn)

　　1、利用總線(xiàn)傳送具有分時(shí)性。當有多個(gè)主設備同時(shí)申請總線(xiàn)的使用是必須進(jìn)行總線(xiàn)的仲裁。

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

　　3、連到總線(xiàn)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。