计算机上的总线知识.pdf

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1、计计算机上的算机上的总线总线知知识识计算机上的总线知识一、什么是总线总体上来说，总线是 PC 机的一种内部结构，它是 CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道。总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说,就是多个部件间的公共连线,用于在各个部件之间传输信息。1、计算机工作原理大家可能都知道，我们现在使用的计算机是基于提出的存储程序计算机(Stored Program Computer)，又称冯诺依曼结构。冯诺依曼结构具有两个特点：1.使用二进制；2.全部指令和数据存放在存储器中，数据处理单元到存储器中读取指令并顺序执行。冯诺依曼结构的核心思想就是存储程序

2、，其最大的优点在于结构比较简单，便于控制。基于这种结构，1949 年制造出了电子计算机 EDIAC(而非 1946 年制造的 ENIAC)，宣告人类历史上的电子计算机时代开始了。尽管经过了近 60 年的发展，计算机经历了 4 代的变迁，发展到了我们今天所使用的微型计算机时代，但是计算机的基本结构没有太大的变化，基本延续了冯诺依曼当初的设计思想：如上图所示的计算机工作原理，计算机核心部件是运算器和控制器，我们想要处理的信息指令通过输入设备进入存储器，再由存储器进入运算器，运算结果从输出设备反馈给我们，当然这一切都是在控制器的指挥下完成的。.在实际应用中，控制器和运算器构成了我们通常所说的 CPU

3、，存储器就是内存、硬盘、光盘、U 盘，当然还有一些老掉牙的设备(软盘、磁带、磁鼓)；输入设备就是鼠标键盘，当然还有一些不常用的如扫描仪、光笔等等；输出设备则是显示器、打印机等等。那么 CPU 和这些设备之间的信息交换是如何完成的呢?有的读者可能说：是通过主板完成的！这个答案可以算对，但是不太精确，其实 CPU 和外部设备之间的信息指令通讯是通过总线完成的。2、总线的概念正如我们上面所说的，PC 机的各个部件都要通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再于总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机内部每个有效信息，必须具有 3 个基本属性：内容、指向和行为，这三个属性要通过三个总线实现：数

4、据总线、地址总线、控制总线。他们好像一封信件的内容、地址和信件的状态，比如一封信到你家门口，邮递员会大喊一声：信来了。在计算机内部数据在数据总线上传递的，每条传输线我们称之为 1 位，各个传输线按序排列，他们之间是并行关系，地址总线也是一样的，数据总线决定每次传输数据的大小，地址总线决定了 cpu 所能访问的最大内存空间的大小，控制总线反映了数据的状态和传输方式，它是地址总线的扩展和补充。按照功能的不同，系统总线可以划分为三种：数据总线 DB(Data Bus)、地址总线 AB(Address Bus)和控制总线 CB(Control Bus)。数据总线 DB用于传送数据信息，地址总线 AB是

5、专门用来传送地址的，控制总线 CB用来传送控制信号和时序信号。数据总线 DB 用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即他既可以把 CPU 的数据传送到存储器或 I/O 接口等其它部件，也可以将其它部件.的数据传送到 CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，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。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。地址总线 AB 是专门用来传送地址的，由于地

6、址只能从 CPU 传向外部存储器或 I/O 端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了 CPU 可直接寻址的内存空间大小，比如 8 位微机的地址总线为16 位，则其最大可寻址空间为 216=64KB，16 位微型机的地址总线为 20 位，其可寻址空间为 220=1MB。一般来说，若地址总线为 n 位，则可寻址空间为 2n字节。控制总线 CB 用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和 I/O 接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给 CPU 的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此

7、，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于 CPU。按照传输数据的方式划分，可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2 根。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，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。3、总线的技术指标.(1)总线的带宽(总线数据传输速率)：总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每钞钟传送 MB 的最大稳态数据传输率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频

8、率，它们之间的关系：总线的带宽=总线的工作频率 X 总线的位宽/8(2)总线的位宽：总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即 32 位、64 位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。(3)总线的工作频率：总线的工作时钟频率以 MHZ 为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。4、采用北桥/南桥芯片组的计算机总线以上是从计算机构成原理的角度来探寻计算机总线的，我们日常计算机应用的时候会接触到一些具体类型的总线。早期的计算机系统构架离我们太遥远了，所以我们回顾的起点就从目前应用最广泛、历史最久的南北桥芯片组架构开始。北桥/

9、南桥芯片组是为了支持 PCI 总线而引入的，它使得微型计算机的层次结构更加清晰：(1)位于处理器和北桥之间的是速度最快的处理器总线；(2)北桥与南桥之间的是 33 MHz 的 PCI 总线；(3)南桥下面是 ISA、EISA 等传统的慢速 I/0 扩展总线。在采用北桥/南桥芯片组的微型计算机中，不同速率的部件被安排接入到相应的总线或桥芯片提供的接口：(1)高速的主存由北桥中的 DRAM 控制器控制，该控制器支持主存所能达到的最高速率；.(2)L2 高速缓存直接接到处理器总线上；(3)PCI 设备接到 PCI 总线上；(4)USB 设备接到南桥中的 USB 接口。在最初引入北桥/南桥芯片组时还没

10、有提出 AGP 总线标准，此时的图形设备通过 PCI 总线图形接口板连接到系统中。随着 AGP 总线标准的推出，Intel发布了支持 AGP 的北桥/南桥芯片组，即 440 系列芯片组，在北桥芯片中设置了 AGP 接口。如图：二、PC 外部总线发展史依据总线与处理器之间的关系，直接与 CPU 连接的称为内部总线，通过北桥与处理器通讯的称为外部总线。1、ISA 总线(Industry Standard Architecture)最早的 PC 总线是 IBM 公司 1981 年在 PC/XT 电脑采用的系统总线，它基于8bit 的 8088 处理器，被称为 PC 总线或者 PC/XT 总线。198

11、4 年，IBM 推出基于 16-bit Intel 80286 处理器的 PC/AT 电脑，系统总线也相应地扩展为 16bit，并被称呼为 PC/AT 总线。而为了开发与 IBM PC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以 IBM PC 总线规范为基础的 ISA(工业标准架构：Industry Standard Architecture)总线。ISA 总线最大传输速率仅为 8MB/s 因此它的弱点也是显而易见的，传输速率过低、CPU 占用率高、占用硬件中断资源等，很快使 ISA 总线在飞速发展的计算机技术中成为瓶颈。因此在 1988 年，康柏、惠普等 9 个厂商协同把 ISA 扩展到 32-bi

12、t，这就是著名的 EISA(Extended ISA，扩展 ISA)总线。EISA 总线的工作频率仍旧仅有 8MHz，并且与 8/16bit 的 ISA 总线完全兼容，由于是 32-bit 总线的缘故，.带宽提高了一倍，达到了 32MB/s.可惜的是，EISA 仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在 20 世纪 90 年代初的时候，就给 PCI 总线给取代了。2、PCI 总线(Peripheral Component Interconnect)由于 ISA/EISA 总线速度缓慢，一度出现 CPU 的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并

13、且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受到严重的影响。为了解决这个问题，1992年 Intel 在发布 486 处理器的时候，也同时提出了 32-bit 的 PCI(周边组件互连)总线。最早提出的 PCI 总线工作在 33MHz 频率之下，传输带宽达到了133MB/s(33MHz X32bit/8)，比 ISA 总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。目前计算机上广泛采用的是这种 32-bit、33MHz 的 PCI 总线。3、AGP 总线(Accelerated Graphics Port)PCI 总线是独立于 CPU 的系统总线，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速

14、的外围设备直接挂在 CPU 总线上，打破了瓶颈，使得 CPU 的性能得到充分的发挥。可惜的是，由于 PCI 总线只有 133MB/s 的带宽，对付声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的 3D 显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI 总线的补充-AGP 总线就应运而生了。Intel 于 1996 年 7 月正式推出了 AGP(加速图形接口，AcceleratedGraphics Port)接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于 PCI 2.1 版规范并进行扩充修改而成，工作频率为 66MHz，1X 模式下带宽为 266MB/

15、S，是 PCI 总.线的两倍。后来依次又推出了 AGP 2X、AGP4X，现在则是 AGP 8X，传输速度达到了 2.1GB/S。4、PCI-Express然而时光飞逝，转眼就到了 2004 年，新的技术和设备层出不穷，特别是游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI 的工作频率和带宽都已经无法满足需求。此外，PCI 还存在 IRQ 共享冲突，只能支持有限数量设备等问题。在经历了长达 10 年的修修补补，PCI 总线已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一带总线取而代之，这就是 PCI-Express 总线。Intel 在 2001 年春季的 IDF 上，正式公布

16、了旨在取代 PCI 总线的第三代I/O 技术，最后却被正式命名为 PCI-Express，Express 意思是高速、特别快的意思。2002 年 7 月 23 日，PCI-SIG 正式公布了 PCI Express 1.0 规范，并且根据开发蓝图，在 2006 年的时候正式推出 PCI Express2.0 规范。相对于 PCI 总线来讲，PCI-Express 总线能够提供极高的带宽，来满足系统的需求。PCI Express 总线 2.0 标准的带宽如下表所示：经历着这么三代半(AGP 总线只是一种增强型的 PCI 总线)的发展，PC 的外部总线终于发展到我们现在看到的 PCI-E 2.0，

17、提供了比以往总线大得多的带宽。至于今后总线发展的方向，相信会随着人们对带宽需要的不断增加，而很快出现。三、PC 内部总线发展历程首先请大家回答几个问题：什么是外频?什么是前端总线，二者是什么关系?.1、外频与 FSB 总线(Front Side Bus)外频和前端总线是两个不同的概念，之所以大家会混淆不清，就是因为在古老的 Pentium 年代，二者的频率值往往是相同的。外频指的是 CPU 外部的时钟频率，CPU 主频=外频 X 倍频。在 Pentium 时代，CPU 的外频一般是 60/66MHz，从 Pentium II 350 开始，CPU 外频提高到100MHz。而前端总线的速度指的是

18、 CPU 和北桥芯片间总线的速度，表示了 CPU 和外界数据传输的速度。之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长一段时间里(主要是在 Pentium 4 出现之前和刚出现 Pentium 4 时)，前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此产生了 DDR(Double Date Rate)技术和 QDR(Quad Date Rate)技术，使得前端总线的频率成为外频的 2 倍(AMD 的 K7 处理器)、4 倍(Intel 的奔腾处理至今酷睿处理器)，从此之后前端总线和外频的

19、区别才开始被人们重视起来。前端总线 FSB这个名称是由 AMD 在推出 K7 CPU 时提出的概念，前端总线的速度指的是数据传输的速度，由于数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽=(总线频率 X 数据位宽)8。目前 PC 机上所能达到的前端总线频率有 266MHz(AMD)、333MHz(AMD&Intel)、400MHz(AMD&Intel)、533MHz(Intel)、800MHz(Intel)、1066MHz(Intel)、1333MHz(Intel)、1600MHz(Intel)等几种，Intel 最新的至尊版处理器 QX9770 采用了 1600MHz

20、的前端总线，最大带宽为：1600648=12.8G/s。.前端总线频率越大，代表着 CPU 与北桥之间的数据传输量越大，更能充分发挥出 CPU 的功能。相反，较低的前端总线将无法供给足够的数据给 CPU，这样就限制了 CPU 性能得发挥，成为系统瓶颈。2、HT 总线(Hyper Transport)从 AMD 的 K8 处理其开始，AMD 和 Intel 两家内部总线发展开始分道扬镳，Intel 继续沿用 FSB 至今天的酷睿 2CPU，而 AMD 则开发出了 HT 总线(Hyper Transport)对抗 Intel。HT 总线是 AMD 为 K8 平台专门设计的高速串行总线，它的发展历史

21、可回溯到 1999 年，原名为LDT 总线(Lightning Data Transport，闪电数据传输)。2001 年 7 月，这项技术正式推出，AMD 同时将它更名为 HyperTransport。随后，Broadcom、Cisco、Sun、NVIDIA、ALi、ATI、Apple、Transmete 等许多企业均决定采用这项新型总线技术，而 AMD 也借此组建Hyper Transport 开放联盟，从而将 Hyper Transport 推向产业界。至今为止，HT 总线经历了三代发展：第一代 HT 的工作频率在 200MHz-800MHz 范围，双向 16 位模式下，最大带宽可以达到

22、 6.4GB/s。2004 年 2 月，Hyper Transport 技术联盟又正式发布了 HT2.0 规格，由于采用了 Dual-data 技术，使频率成功提升到了 1.0GHz、1.2GHz 和 1.4GHz，双向 16bit 模式的总线带宽提升到了 8.0GB/s、9.6GB/s 和 11.2GB/s。2007 年 11 月 19 日，AMD 正式发布了 HT3.0 总线规范，提供了 1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz、2.6GHz 几种频率，最高可以支持 32 通道。32 位通道下，双向带宽最高可以达到史无前例的 41.6GB/s。3、QPI 总线.由于 AMD 的 HT3.0

23、 提供的最大带宽远远超过目前 Intel 1600 FSB 的带宽，为了对抗 HT 3.0，Intel 另辟蹊径，提出了 QPI 总线的概念。我们前面计算过，1600FSB 能够提供 12.8G/s 的带宽，但是如此高的带宽也仅仅只能满足 DDR2 800 双通道的内存的带宽要求(800 X64X2/8=12.8G/s)，如果此时搭配 1066 甚至更高的 1333 内存的话，FSB 需要提高到更高的频率，且不说还有 PCI 总线、PCI-E 总线、USB、SATA 等多种设备也要占据一定的带宽。而在当前制作工艺和框架下，提升频率变的难上加难，即便有些玩家将 FSB 提高到了 2400，带来的

24、发热量也是十分恐怖的。如此看来，随着处理器核心性能的提高，以与核心数量的急剧增长，FSB正在日益成为瓶颈，必须加以解决。Intel 要想在多核心时代处于不败之地，目前首要问题就是顺利解决系统资源的分配难题、充分发挥多核心的优势，这就是英特尔推出 QPI 总线技术的最终目的。QPI 最大的改进是提供了惊人的输出传输能力，在 4.8 至 6.4GT/s 之间。一个连接的每个方向的位宽可以是 5、10、20bit。因此每一个方向的 QPI 全宽度可以提供 12 至 16BG/s 的带宽，那么每一个 QPI 的带宽为 24 至 32GB/s，相当于 1600FSB 的 2-3 倍，基本和 HT 3.0

25、 带宽持平。此外，QPI 另一个亮点就是支持多条系统总线连接，Intel 称之为 multi-FSB。系统总线将会被分成多条连接，并且频率不再是单一固定的，也无须如以前那样还要再经过 FSB 进行连接。QPI 总线相对于 FSB 的革命意义是重大的，带来了 PC 机制造结构上的革新，抛弃了以往北桥南桥的概念，当然，这些变化已经不是本文所要探讨的主要问题了。四、总线与 PC 机技术指标.认识了几种常见的总线之后，我们来梳理一下内部总线与外部总线以与内存之间的关系。1、内部总线与内存我们在第一节分析 PC 机构成原理的时候提到，数据要进入内存存储器后才能进入 CPU 进行处理，因此内部总线与内存之

26、间的关系是影响 PC 机性能重要的一个因素。回顾一下前面举到的双通道 DDR2 800 内存的例子，DDR2、DDR3 内存位宽64，频率 800，需要占用的内部总线带宽为：800 X64 X2(双通道)/8(1Byte=8bit)=12.8G/s。那么三通道 DDR3 1600 需要的带宽则是：1600X64 X3/8=38.4G/s，如此高的带宽要求，FSB 是力不从心的，而 HT 3.0 和 QPI开发出来的原因就是为了满足如此高的带宽要求。2、总线与显卡如下图所示，在传统的南北桥框架中，显卡通过北桥与 CPU 发生数据交换，尽管目前的显卡已不可能完全达到 PCI-E 2.0 总线带宽的

27、上限，但是实际应用证明：传统的 FSB 已经无法满足多卡互联后的高端显卡的带宽要求，比如我们在 3 路 SLI 或者 4 路 CrossFire 时候遇到的多卡不如双卡甚至不如单卡的情况。为了解决这个问题，Intel 和 AMD 分别走了我们前面讲到两条不同的道路：HT 和 QPI。目前 HT 3.0 的速度最高只有 2.6GHz，比如 AMD 的旗舰四核心处理器Phenom X4 940BE 就是这一速度，而超传输技术联盟(HTC)在 2008 年 8 月 19日发布了新版 HT3.1 规范和 HTX 3 规范，将这种点对点、低延迟总线技术的速度提升到了 3.2GHz。在提速至 3.2GHz

28、 后，再结合双倍数据率(DDR)，HT 3.1.可提供最高每位 6.4GB/s(3.2GHz X2 因为 DDR 以 2 倍速传输)的数据传输率，32-bit 带宽可达 51.2GB/s(6.4GB/s X32bit/8)。QPI 这面，虽然每一个 QPI 的带宽为 24 至 32GB/s，但是 Intel 采取了一种全新的解决方法，也就是 Intel 称之为 multi-FSB 的技术。在这种技术下系统总线将会被分成多条连接，频率不再是单一固定的，而是根据系统各个子系统对数据吞吐量的需求，每条系统总线连接的速度也可不同，通过这种方式也可以在某一通道上获得很高的带宽。MSN 空间完美搬家到新浪博客！特别声明：1：资料来源于互 联网，归属原作者2：资料内容属于网 络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即 删除。.