计算机总线系统详解-优快云博客

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总线分类

根据所处层次

内部总线 (连接处理器内部不同的功能单元)

系统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；

系统总线 (连接处理器、内存等系统核心组件)

系统中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连;

在微机系统中用来连接各功能部件而构成一个完整的微机系统。系统总线包含有三种不同功能的总线。

用于在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。计算机地址总线（Address Bus）用来指定在RAM（Random Access Memory）之中储存的数据的地址。

计算机总线按功能和规范可分为数据总线、地址总线、控制总线等，有的系统中，数据总线和地址总线是复用的，即总线在某些时刻出现的信号表示数据而另一些时刻表示地址。

总线的数据传输类型分单周期方式和猝发（burst）方式。

单周期方式是指一个总线周期只传送一个数据。猝发（burst）方式是指取得总线控制权后进行多个数据的传输。寻址时给出目的地首地址，访问第一个数据，数据2、3到数据n的地址在首地址基础上按一定规则自动寻址（如自动加1）。

某同步总线的宽度为32位，传输128位数据需要128/32=4个时钟周期，由于采用burst方式，共需要5个时钟周期，在时钟频率为100MHz的情况下，即每个周期10ns，所需要的时间至少是5*10=50ns。

片内总线 (在处理器芯片内部连通各系统核心组件)

就是集成电路芯片内部各个功能之间的连接线，这类总线是由芯片设计者来实现的。

元件级总线（板内总线）元件级总线是片内总线的一部分。(处理器芯片内部连接外设、缓存等)

用于实现电路板内各个元器件的连接。

外部总线 (连接处理器安装在主板等晶元器件之外的其他设备，如硬盘、光驱等)

系统和外部设备之间的总线，系统作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备-级的互连;

根据功能

数据总线 (传输数据信号)

双向三态形式的总线，既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其他部件，也可以将其他部件的数据传送到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，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息。

数据总线的宽度

决定了通过它一次所能传递的二进制位数。显然，数据总线越宽，则每次传递的位数越多，因而，数据总线的宽度决定了在内存和CPU之间数据交换的效率。

虽然内存是按字节编址的，但可由内存一次传递多个连续单元里存储的信息，即可一次同时传递几个字节的数据。

对于CPU来说，最合适的数据总线宽度是与CPU的字长一致。这样，通过一次内存访问就可以传递足够的信息供计算处理使用。过去微机的数据总线宽度不够，影响了微机的处理能力，例如，20世纪80年代初推出的IBMPC所采用的Intel8088CPU的内部结构是16位，但数据总线宽度只有8位（称为准16位机)，每次只能传送1个字节。

由于数据总线的宽度对整个计算机系统的效率具有重要的意义，因而常简单地据此将计算机分类，称为16位机、32位机和64位机等。

地址总线 (传输内存或 I/O 设备的地址信息)

专门用来传送地址的，由于地址只能从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。

所以，一个16K×32位的存储器，地址线的位数为14（214=16K），数据线的位数为32。

地址总线的宽度

影响整个计算机系统的另一个重要参数。在计算机里，所有信息都采用二进制编码来表示，地址也不例外。

原则上讲，总线宽度是由CPU芯片决定的。

CPU能够送出的地址宽度决定了它能直接访问的内存单元的个数。假定地址总线是20位，则能够访问22GB=1MB个内存单元。

20世纪80年代中期以后开发的新微处理器，地址总线达到了32位或更多，可直接访问的内存地址达到4000MB以上。

巨大的地址范围不仅是扩大内存容量所需要的，也为整个计算机系统（包括磁盘等外存储器在内），甚至还包括与外部的连接（如网络连接）而形成的整个存储体系提供了全局性的地址空间。

例如，如果地址总线的标准宽度进一步扩大到64位，则可以将内存地址和磁盘的文件地址统一管理，这对于提高信息资源的利用效率、在信息共享时避免不必要的信息复制、避免工作中的其他开销方面都起着重要作用，同时还有助于提高对整个系统保密安全的防护等。

对于各种外部设备的访问也要通过地址总线。由于设备的种类不可能像存储单元的个数那么多，故对输入输出端口寻址是通过地址总线的低位来进行的。例如，早期的IBMPC使用20位地址线的低16位来寻址I/O端口，可寻址216个端口。

内存容量为4GB,即内存单元的地址宽度为32位。字长为32位即要求数据总线的宽度为32位，因此地址总线和数据总线的宽度都为32。

控制总线 (传输控制信号)

DMA 总线 (用于直接内存访问，DMA总线是一种专门针对DMA传输而设计的总线。)

专门用于支持DMA传输的总线，如PCI、ISA等。这些总线都提供了DMA控制器所需的信号和接口，使得DMA控制器能够与外设和主存储器之间进行直接的数据传输。

根据传输方式

并行总线 (同时传输多条并列的数据信号)

并行接口与计算机设备之间传递数据的通道，同时并行传送的二进制位数就是数据宽度。

常见的并行总线有ISA、PCI和VME等。

ISA、EISA

ISA

是工业标准总线，它向下兼容PC/XT总线，在PC/XT总线的基础上扩充了36个信号线。它主要包括24条地址线、16条数据线，因此可以寻址到16MB。

ISA总线的性能不是很髙，总线的最高频率为8MHz,数据最高传输速率只16MB/S。

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。

EISA

它在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。在使用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。

PCI、PC/XT

PC/XT

是最早期的PC机的系统总线。它由62个插座信号构成。除了地址、数据、控制线外，还包括6个中断请求线，3个DMA请求信号，3个DMA响应信号，电源、地等其他信号。它是一条8位内总线，每次利用该总线进行读写内存接口时候，只能传送8位数据。

PCI

总线是一种不依赖于任何具体CPU的局部总线。

PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）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。此标准允许在计PCI算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。

PCI总线的时钟频率为33MHz/66MHz,在进行64位数据传输时候，数据传输速率可以达到528MB/s。

PCI总线支持即插即用。另外，PCI总线上的设备都可以提出总线请求，PCI管理器中的仲裁机构一旦允许该设备成为主控设备，就可以由它来控制PCI总线，实现主设备和从设备之间的点对点数据传输。

VME

SCSI

一种并行总线接口，常用于连接高速、复杂的外部设备，如硬盘、磁带机和CD/DVD驱动器等。

SCSI总线具有多路通道和传输控制功能，能够同时支持多个设备，并能够通过单个SCSI卡或接口来管理和控制这些设备，从而提高了数据传输效率和可靠性。由于其高效率的数据传输和广泛的应用领域，SCSI总线已成为计算机系统中最受欢迎的外围设备接口之一。

串行总线 (逐个传输每个数据位)

按位传输方式，收发各利用一条信号线进行传输，串行总线连接引脚数量少，连接简单，成本较低，系统可靠性髙。

常见的串行总线有RS232、I2C、IEEE1394和USB等。

外设和计算机间通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通信方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。

由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“发送移位寄存器”（并→串）和“接收移位寄存器”（昂→并）。

在数据输出过程中，CPU把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据1位1位地送到外设。

在数据输入过程中，数据1位1位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。

USB

一个外部总线标准，用于规范计算机与外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。

USB接口可用于连接多达127个外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。

USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。

IEEE1394

IEEE1394不分主设备和从设备，都是主导者和服务者，具有64位寻址空间

IEEE1394总线协议包括物理层、链路层、传输层、应用层以及串行总线管理器。

IEEE1394通信协议中定义了三个协议层：事务层、链路层和物理层，用于在请求和响应者之间的数据传输过程中完成相关服务。

事务层支持异步传输的读、写和锁定操作，遵循CSR结构的请求/响应协议；

链路层主要为事务层服务，它实现对等时和异步数据包的寻址、数据检验、分析等功能；物理层实现包括仲裁、同步、编码/解码等功能

在底板环境中定义了49.152Mb/s

在线缆环境下，具有三种传输速率：98.304Mb/s,196.608Mb/s和392.216Mb/s。

在底板环境中定义了49.152Mb/s的数据传速率；。

IEEE1394的两种传输方式

Backplane模式

最小的速率也比USB1.1最高速率高，分别为12.5Mbps、25Mbps、50Mbps,可以

Backplane模式

最小的速率也比USB1.1最高速率高，分别为12.5Mbps、25Mbps、50Mbps,可以用于多数的髙带宽应用。

Cable模式

速度非常快的模式，分为100Mbps、200Mbps和400Mbps几种，在200Mbps下可以传输不经压缩的高质量数据电影。

RS类

在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行通信来实现数据交换。目前，常用的有RS232、RS422和RS485。RS232是最早的串行接口标准，适用于短距离（<15m)、较低波特率的串行通信中。RS422接口标准和RS485接口标准是针对RS232接口标准的通信距离短、波特率比较低的缺陷提出的。

RS232

RS232采取不平衡传输方式，即单端通信。其收发端的数据信号都是相对于地信号的。所以其共模抑制能力差，再加上双绞线的分布电容，其传输距离最大约为15m,最高速率为20Kbps,且其只能支持点对点通信。

RS422

它的主要特点是采用单端发送器(非平衡发送器）和差动接收器，最少为4根数据信号线。

其接收器的输入有一端与发送器的地相连，且允许接收器与发送器接地端之间有电位差，这样可以提高传输速率。

虽然RS422的发送器与RS232标准相同，但由于接收器采用差动方式，所以传输距离和速度仍比RS232有较大的提高，在10m传输距离时传输速率可达100Kbps,距离增到100m时，速度仍有10Kbps。

RS485

当通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS485串行总线。最少为2根数据信号线。真正实现多点结构的总线

RS485采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。

由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压。

故传输信号在千米之外都可以恢复。RS485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100Kbps的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。

根据速度