计算机总线技术基础知识

计算机总线技术基础知识

　　计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。下文就计算机总线技术基础知识进行讲解，下文对您的学习有所帮助!

　　计算机总线技术

　　微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连;而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连;外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。

　　另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品;而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。

　　随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。

　　一、内部总线

　　1.I2C总线

　　I2C(Inter-IC)总线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。

　　2.SPI总线

　　串行外围设备接口SPI(serialperipheralinterface)总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。

　　3.SCI总线

　　串行通信接口SCI(serialcommunicationinterface)也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。

　　二、系统总线

　　1.ISA总线

　　ISA(industrialstandardarchitecture)总线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。

　　2.EISA总线

　　EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。

　　3.VESA总线

　　VESA(videoelectronicsstandardassociation)总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESAlocalbus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。

　　4.PCI总线

　　PCI(peripheralcomponentinterconnect)总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(microchannelarchitecture)总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

　　5.CompactPCI

　　以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中，在计算机系统总线中，还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线，比如STD总线、VME总线、PC/104总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一——CompactPCI。CompactPCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。CompactPCI是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。

　　三、外部总线

　　1.RS-232-C总线

　　RS-232-C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

　　2.RS-485总线

　　在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

　　3.IEEE-488总线

　　上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。

　　4.USB总线

　　通用串行总线USB(universalserialbus)是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。

　　USB 2.0的数据传输率比USB 1.1快40倍，达480Mbps(60MB/s)，与目前的USB1.1设备兼容，预计2001年年底OEM厂商开始采购英特尔集成有USB2.0控制器的芯片、2002年中期伴随ICH4正式推出USB2.0产品。

　　5.IEEE 1394总线

　　IEEE1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把电脑、电脑外部设备、各种家电非常简单地连接在一起。从IEEE 1394可以连接多种不同外设的功能特点来看，也可以称为总线，即一种连接外部设备的机外总线。IEEE 1394的原型是运行在Apple Mac电脑上的Fire Wire(火线)，由IEEE采用并且重新进行了规范。它定义了数据的传输协定及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强电脑与外设如硬盘、打印机、扫描仪，与消费性电子产品如数码相机、DVD播放机、视频电话等的连接能力。

　　由于要求相应的外部设备也具有IEEE1394接口功能才能连接到1394总 线上，所以直到1995年第3季度Sony推出的数码摄像机加上了IEEE 1394接口后，1394才真正引起广泛的注意。采用1394接口的数码摄像机，可以毫无延迟地编辑处理影像、声音数据，性能得到增强。数码相机、DVD播放机和一般消费性家电产品，如VCR、HDTV、音响等也都可以利用IEEE 1394接口来互相连接。电脑的外部设备，例如硬盘、光驱、打印机、扫描仪等，也可利用IEEE 1394来传输数据。机外总线将改变当前电脑本身拥有众多附加插卡、连接线的现状，它把各种外设和各种家用电器连接起来。电脑也成为一种普通的家电。

　　当电脑家电化之后，未来的电脑将如同现在的电视机一样，消费者可能只需拿起遥控器便可快速完成上Internet、玩游戏、控制视听影音器材甚至控制家里的电灯、电话等电器，真正实现居室智能化。

　　USB 2.0和IEEE 1394有什么区别呢?它们最大的区别是接口不同、传输速率不同和可连接设备数量不同：USB 2.0采用USB接口、480Mbps、可连接127台设备，而IEEE 1394规格为400Mbps、可连接63台设备，不过，IEEE 1394设备间可直接通信，不需要PC存在。

　　在计算机系统中，各个功能部件都是通过总线交换数据，总线的速度对系统性能有着极大的影响。而也正因为如此，总线被誉为是计算机系统的神经中枢。但相比CPU、显卡、内存、硬盘等功能部件，总线技术的提升步伐要缓慢得多。在PC发展的二十余年历史中，总线只进行三次更新换代，但它的每次变革都令计算机的面貌焕然一新。在下面的文字中，我们将向大家介绍计算机系统总线的详细发展历程，包括早期的PC总线和ISA总线、PCI/AGP总线、PCI-X总线以及目前主流的PCI Express、HyperTransport高速串行总线。

　　PC总线与ISA总线

　　PC总线是最古老的总线之一，虽然在它之前还有诸如MCA、VESA在内的多种总线规格，但它却是第一种被认可为广泛标准的总线技术。PC总线最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT电脑中，它基于8位结构的8088处理器，也被称为PC/XT总线。

　　PC总线沿用了三年多时间，直到1984年，IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑，系统总线才被16位的PC/AT总线所代替。而这个时候，PC产业已初具规模，加之IBM允许第三方厂商开发兼容产品，PC/AT总线规范也被逐渐标准化，并衍生出著名的ISA总线(Industry StandardArchitecture，工业标准架构)。

　　与PC/AT总线不同，ISA总线采用8位和16位模式，它的最大数据传输率为8MBps和16MBps—今天来看这样的性能低得不可思议，但在当时8MBps的速率绰绰有余，完全可满足多个CPU共享系统资源的需要。既然是标准化的总线技术，ISA就基本不存在什么兼容性问题，后来的兼容PC也无一例外都采用ISA技术作为系统总线。ISA总线一直贯穿286和386SX时代，在当时，16位X86系统对总线性能并没有太高的要求，ISA也没有遭遇任何麻烦。但在32位386DX处理器出现之后，16位宽度的ISA总线就遇到问题，总线数据传输慢使得处理器性能也受到严重的制约。有鉴于此，康柏、惠普、AST、爱普生等九家厂商协同将ISA总线扩展到32位宽度，EISA(Extended IndustryStandard Architecture，扩展工业标准架构)总线由此诞生—这是发生在1988年的事情。

　　计算机总线技术基础知识 篇1

　　总线的定义

　　总线，英文叫作“BUS”，即我们中文的“公共车”，这是非常形象的比如，公共车走的路线是一定的，我们任何人都可以坐公共车去该条公共车路线的任意一个站点。如果把我们人比作是电子信号，这就是为什么英文叫它为“BUS”而不是“CAR”的真正用意。当然，从专业上来说，总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道。通过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。如在计算机系统中，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接。

　　背景

　　从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4一20mA的模拟信号标准。20世纪70年代，数字式计算机引人到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌人到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。

　　随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。

　　特点

　　总线的优点就是能够更加方便地更换各个部件。如果您想更换一个更好的显卡，您只需从总线上拔掉原来的显卡，然后插上新的就可以了。如果您要在计算机上安装两个显示器，只需在总线上插入两个显卡。

　　二、三十年前，处理器的速度要非常慢，以便与总线同步，即总线与处理器的速度相同。而且当时计算机上只有一条总线。处理器的运转速度非常快，多数计算机都有两条或更多的'总线。每条总线专用于特定类型的流量。

　　现今，一台典型的台式个人计算机一般有两条主总线：

　　一条是我们通常所说的系统总线或局部总线，用于连接微处理器（中央处理器）和系统内存。它是系统中运行最快的总线。 另一条总线的速度较慢，用于与硬盘和声卡等部件进行通信。这种类型的总线最常见的是PCI总线。这些运行较慢的总线通过桥接器连接到系统总线，因为桥接器是计算机芯片组的一部分并能起到流量交换的作用，所以能够将其他总线的数据集成到系统总线。 其实还有其他的总线。例如，通用串行总线（USB），用于把照相机、扫描仪和打印机等设备连接到计算机。它利用细线缆连接到设备，并且多个设备可以同时共用一根总线。FireWire是另一种总线，主要用于摄影机和外置硬盘。

　　分类

　　总线分类的方式有很多，如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等，下面是几种最常用的分类方法。

　　按功能分

　　最常见的是从功能上来对数据总线进行划分，可以分为地址总线（address bus）、数据总线（data bus）和控制总线（control bus）。在有的系统中，数据总线和地址总线可以在地址锁存器控制下被共享，也即复用。

　　地址总线是专门用来传送地址的。在设计过程中，见得最多的应该是从CPU地址总线来选用外部存储器的存储地址。地址总线的位数往往决定了存储器存储空间的大小，比如地址总线为16位，则其最大可存储空间为216（64KB）。

　　数据总线是用于传送数据信息，它又有单向传输和双向传输数据总线之分，双向传输数据总线通常采用双向三态形式的总线。数据总线的位数通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。在实际工作中，数据总线上传送的并不一定是完全意义上的数据。

　　控制总线是用于传送控制信号和时序信号。如有时微处理器对外部存储器进行操作时要先通过控制总线发出读/写信号、片选信号和读入中断响应信号等。控制总线一般是双向的，其传送方向由具体控制信号而定，其位数也要根据系统的实际控制需要而定。

　　按传输方式分

　　按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总线和并行总线。从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式，但其成本上会有所增加。通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道公路，而串行传输则是只允许一辆汽车通过单线公路。常见的串行总线有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而并行总线相对来说种类要少，常见的如IEEE1284、ISA、PCI等。

　　按时钟信号方式分

　　按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，也就是说要用一根单独的线来作为时钟信号线；而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的，通常利用数据信号的边沿来作为时钟同步信号。

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