簡介
數字計算機是由若干系統部件構成的,這些系統部件在一起工作才能形成一個完整的計算機系統。把同一台計算機系統的各部件,如CPU、記憶體、通道和各類I/O接口間互相連線的匯流排技術,稱為系統匯流排技術。常見的系統匯流排技術有:PC匯流排、AT匯流排(ISA匯流排)、PCI匯流排。
背景
許多早期的電子式計算機都以1945年所公布的《
EDVAC報告書的第一份草案》為基礎。在此份報告中有著為人所熟知的范紐曼型架構,一個中央控制單元和
算術邏輯單元被與電腦記憶體和
輸入輸出功能一起組合形成一個
存儲程式計算機。這份
報告揭示了計算機的通用結構與理論模型,然而此一模型並未付諸實行。很快的,有設計將控制單元與算術邏輯單元集成起來而成為後來為人所熟知的
中央處理器。
在1950年代到1960年代,計算機的建構特別的風行。舉例來說,中央處理器、記憶體與輸入輸出單元的組件中,將其中的每個或多個組件用導線所連線。工程師們使用一般性標準化導線捆綁技術並延伸其觀念而成為迴路基板,進而將
印刷電路板套用於早期的機器里。
"
匯流排"這個名稱早先就已經被使用於
母線,它乘載並輸送電力到電子機器的不同部分的組件,包含早期的機械式計算器。
積體電路的出現極大的縮小了計算機組件的大小,而且匯流排也變得更標準化。標準化模組可以用更有秩序的方式來連線,也更容易開發與維護。
特性
每個匯流排標準都必須有具體和明確的規範說明,通常包括如下幾個方面的技術規範或特性:
(1) 機械特性:規定模組外掛程式的機械尺寸,匯流排插頭、插座的規格及位置等;
(2) 電氣特性: 規定匯流排信號的邏輯電平、噪聲容限及負載能力等;
(3)功能特性: 給出各匯流排信號的名稱及功能定義;
(4) 規程特性:對各匯流排信號的動作過程及時序關係進行說明。
匯流排
概述
匯流排是一組信號線和相關的控制、驅動電路的集合。是計算機系統各部件之間傳輸地址、數據和控制信息的公共通道。微型計算機從其誕生以來就採用了匯流排結構 ,在微機系統中常把匯流排作為一個獨立部件看待。當前
CPU通過匯流排實現讀取指令,並實現與記憶體、外設之間的數據交換,在CPU、記憶體與外設確定的情況下,匯流排速度是制約計算機整體性能的關鍵,匯流排的性能對於解決系統瓶頸、提高整個微機系統的性能有著十分重要的影響。因此在微型計算機二十多年的發展過程中,匯流排結構也不斷地發展變化。 匯流排結構已成為微機性能的重要指標之一。
匯流排技術之所以能夠得到迅速發展,是由於採用匯流排結構在系統設計、生產、使用和維護上有很多優越性。概括起來有以下幾點:
便於採用模組結構,簡化系統設計;
匯流排標準可以得到廠商的廣泛支持,便於生產與之兼容的硬體板卡和軟體;
模組結構方式便於系統的擴充和升級;
便於故障診斷和維修;
多個廠商的競爭和標準化帶來的大規模生產降低了製造成本。
匯流排分類
片內匯流排和片外匯流排
片內匯流排是CPU內部的暫存器、算術邏輯部件、控制部件以及匯流排接口部件之間的公共信息通道。
片外匯流排則泛指CPU與外部器件之間的公共信息通道。
我們通常所說的匯流排大多是指片外匯流排。有的資料上也把片內匯流排叫做內部匯流排或內匯流排(Internal Bus),把片外匯流排叫做外部匯流排或外匯流排(External Bus)。
CPU匯流排、系統匯流排和外設匯流排
CPU匯流排是從CPU引腳上引出的連線線,用來實現CPU與外圍控制晶片和功能部件之間的連線。
系統匯流排也稱為I/O通道匯流排,用來與存儲器和擴充插槽上的各擴充板卡相連線。常見的系統匯流排有ISA、PCI、PCI-E等。系統匯流排是通過專用的邏輯電路的對CPU匯流排的信號在空間與時間上進行邏輯重組轉換而來。
外設匯流排是指計算機主機與外部設備接口的匯流排,實際上是一種外設的接口標準。目前在微型計算機上流行的接口標準有:IDE(EIDE/ATA,SATA)、SCSI、USB和IEEE 1394四種。前兩種主要用於連線硬碟、光碟機等外部存儲設備,後面兩種可以用來連線多種外部設備。
地址匯流排、數據匯流排和控制匯流排
幾乎所有的匯流排都要傳輸三類信息:數據、地址和控制/狀態信號,相應地每一種匯流排都可認為是由數據匯流排、地址匯流排和控制匯流排構成。
數據匯流排(Data Bus,DB)用於在各個部件/設備之間傳輸數據信息。
地址匯流排(Address Bus,AB)用於在CPU(或DMA控制器)與存儲器、I/O接口之間傳輸地址信息。
控制匯流排(Control Bus,CB)用於在CPU(或DMA控制器)與存儲器、I/O接口之間傳輸控制和狀態信息。
常用匯流排
ISA匯流排
----ISA(industrial standard architecture)
匯流排標準是IBM 公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統匯流排標準,所以也叫AT匯流排。它是對XT匯流排的擴展,以適應8/16位
數據匯流排要求。它在80286至80486時代套用非常廣泛,以至於奔騰機中還保留有
ISA匯流排插槽。ISA匯流排有98隻引腳。
EISA匯流排
----EISA匯流排是1988年由Compaq等9家公司聯合推出的
匯流排標準。它是在ISA匯流排的基礎上使用雙層插座,在原來ISA匯流排的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匯流排完全兼容ISA匯流排信號。
VESA匯流排
----VESA(
系統匯流排
video electronics standard association)匯流排是 1992年由60家附屬檔案卡製造商聯合推出的一種
局部匯流排,簡稱為VL(VESA local bus)匯流排。它的推出為
微機系統匯流排體系結構的革新奠定了基礎。該匯流排系統考慮到CPU與主存和Cache 的直接相連,通常把這部分匯流排稱為CPU匯流排或主匯流排,其他設備通過VL匯流排與CPU匯流排相連,所以VL匯流排被稱為局部匯流排。它定義了32位數據線,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、高效的局部匯流排,可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰
微處理器。
PCI匯流排
----PCI(peripheral component interconnect)匯流排是當前最流行的匯流排之一,它是由Intel公司推出的一種
局部匯流排。它定義了32位
數據匯流排,且可擴展為64位。PCI匯流排主機板插槽的體積比原ISA匯流排插槽還小,其功能比VESA、ISA有極大的改善,支持突發讀寫操作,最大傳輸速率可達132MB/s,可同時支持多組外圍設備。 PCI局部匯流排不能兼容現有的ISA、EISA、MCA(micro channel architecture)匯流排,但它不受制於處理器,是基於奔騰等新一代
微處理器而發展的匯流排。
Compact PCI
----以上所列舉的幾種系統匯流排一般都用於
商用PC機中,在計算機系統匯流排中,還有另一大類為適應工業現場環境而設計的系統匯流排,比如STD匯流排、
VME匯流排、PC/104匯流排等。這裡僅介紹當前工業計算機的熱門匯流排之一——Compact PCI。
----Compact PCI的意思是“堅實的PCI”,是當今第一個採用無源匯流排底板結構的PCI系統,是PCI匯流排的電氣和軟體標準加歐式卡的工業組裝標準,是當今最新的一種
工業計算機標準。
Compact PCI是在原來PCI匯流排基礎上改造而來,它利用PCI的優點,提供滿足工業環境套用要求的高性能核心繫統,同時還考慮充分利用傳統的匯流排產品,如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統的I/O和其他功能。
----6.PCI-E匯流排
----PCI Express採用的也是業內流行這種點對點串列連線,比起PCI以及更早期的計算機匯流排的共享並行架構,每個設備都有自己的專用連線,不需要向整個匯流排請求
頻寬,而且可以把
數據傳輸率提高到一個很高的頻率,達到PCI所不能提供的高頻寬。相對於傳統PCI匯流排在單一時間周期內只能實現單向傳輸,PCI Express的雙單工連線能提供更高的傳輸速率和質量,它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。