現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展

1、現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展閆長青吳石增摘要：對現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的總線技術(shù)進(jìn)行了概述，并對隨微型計(jì)算機(jī)不斷發(fā)展所采用 的幾種典型的總線進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)介紹了新近應(yīng)用較多的PCI和AGP總線。同時(shí)對各種總線的性能進(jìn)行了綜合對比。關(guān)鍵詞：總線技術(shù) PC/XT總線 ISA總線 PCI總線 AGP總線 EISA總線近十幾年來，微型計(jì)算機(jī)有了迅猛的發(fā)展，引發(fā)了新的技術(shù)革命，甚至引起 了人們生活方式的巨大變革。微型計(jì)算機(jī)之所以有如此大的能力，與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 技術(shù)的不斷革新、發(fā)展是密切相關(guān)的。而總線技術(shù)正是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)中一個(gè)十 分重要的組成部分。采用總線技術(shù)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然。由于總線技術(shù)的應(yīng)用，簡

2、化 了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便于組織各模塊的專業(yè)化生產(chǎn)，也便于產(chǎn)品的升級換代，同時(shí)也能 得到眾多計(jì)算機(jī)廠商的支持。在一般的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，往往具有不同層次的總線結(jié)構(gòu)，以386微機(jī)系統(tǒng) 為例，它就支持以下4種總線：(1) CPU總線：具有32位地址線(CAB)和32位數(shù)據(jù)線(CDB)，它用來連接CPU和 外圍芯片。(2) 存儲(chǔ)總線：具有32位地址線(MAB)和36位數(shù)據(jù)線(MDB包括4位奇偶校驗(yàn) 位)，用來連接存儲(chǔ)控制器和DRAM(3) 系統(tǒng)總線：也稱I/O通道總線，用來與擴(kuò)充槽上的各擴(kuò)充板卡相連。系統(tǒng) 總線有多種標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)地址線不同，以適用于不同的應(yīng)用系統(tǒng)。(4) 外部總線：具有24位地址線(XAB)

3、和8位數(shù)據(jù)線(XDB)，用來與主機(jī)板上的 I/O控制器和鍵盤控制器相連接。在以上幾種總線中，CPU總線、存儲(chǔ)總線、外部總線在系統(tǒng)板上，不同的計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)采用的芯片組不同。所以這些總線均不完全相同，也沒有互換性問題。而系統(tǒng)總線則不同，它是與I/O擴(kuò)展插槽相連接的。I/O插槽中可以插入各 種擴(kuò)充板卡，作為各種外設(shè)的適配器與外設(shè)連接。因此要求系統(tǒng)必須有統(tǒng)一的標(biāo) 準(zhǔn)，以便按照這些標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)各類適配卡。本文以下討論的微機(jī)總線即指PC及其兼容機(jī)的系統(tǒng)總線或稱I/O總線。下面 將對微機(jī)總線發(fā)展過程中的幾種典型總線技術(shù)進(jìn)行逐一介紹，重點(diǎn)是新近采用的 PCI及AGP總線技術(shù)。1 PC/XT總線、ISA(AT)總

4、線、及EISA總線這幾種總線為較早在微機(jī)系統(tǒng)上采用的總線標(biāo)準(zhǔn)。其中，ISA(AT)總線至今仍 有一定的應(yīng)用。1.1 PC/XT 總線最早的PC機(jī)的系統(tǒng)總線是IBM公司于1981年推出的基于準(zhǔn)16位機(jī)PC/XT的總 線，也稱PC總線。PC/XT總線支持8位數(shù)據(jù)傳輸和20位尋址空間。其特點(diǎn)是把CPU 視為總線的唯一主控設(shè)備，其余外圍設(shè)備均為從屬(Slave)設(shè)備，包括暫時(shí)掌管總 線的DMA空制器或協(xié)處理器。IBM PC/XT總線是一種開放的結(jié)構(gòu)總線，在其總線母板上有數(shù)個(gè)系統(tǒng)插槽， 可用于I/O設(shè)備與PC機(jī)連接。其價(jià)格低、可靠簡便、使用靈活、且對插板兼容性 好，因此有許多廠家生產(chǎn)該總線的兼容產(chǎn)品，品

5、種范圍廣泛。起初，IBM PC總線 產(chǎn)品主要用于辦公自動(dòng)化，后來很快擴(kuò)大到實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和控 制。1.2 ISA(AT)總線1984年IBM公司推出了 16位PC機(jī)PC/AT，其總線稱為AT總線。后來為了統(tǒng) 一標(biāo)準(zhǔn)，便將8位和8位/16位兼容的AT總線命名為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(ISAIn dustrial Sta ndard Architecture)。由于ISA是8位和8/16位兼容的總線，故插槽有2種類型，即8位和8/16位。8 位擴(kuò)展I/O插槽由62個(gè)引腳組成，用于8位的插接板；8/16位的擴(kuò)展插槽除了具有 1個(gè)8位62線的連接器外，還有1個(gè)附加的36線連接器。這種擴(kuò)展I/O插槽

6、既支持8 位的插接板，也支持16位的插接板。ISA總線具有以下的主要性能指標(biāo)：'I/O 地址空間 0100HH03FFH.24位地址線，可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB'8/16位數(shù)據(jù)線；'62+36引 腳；'最大傳輸率8Mb/s；'中斷功能；'DMA通道功能；'開放式總線結(jié)構(gòu)，能使多個(gè) CPU共享系統(tǒng)資源。ISA總線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。圖1 ISA總線結(jié)構(gòu)示意圖從表面看，ISA(AT)總線是在PC/XT總線基礎(chǔ)上增加了 1個(gè)36線插座形成的。 但實(shí)際上，ISA(AT)總線比PC/XT總線不僅增加了數(shù)據(jù)線寬度和尋址空間，還加強(qiáng)了中斷處理和DM

7、A專輸能力，并且具備了一定的多主功能。故ISA(AT)總線特別適合于控制外設(shè)和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能模塊。1.3 EISA 總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(EISAExte nd In dustrial Sta ndard Architecture)，是由COMPA牽頭的一個(gè)聯(lián)合組織共同制定的一組總線標(biāo)準(zhǔn)。EISA總線是一種32位總線結(jié)構(gòu)，除了 ISA支持的8位或16位數(shù)據(jù)傳輸外，還 支持32位地址總線和32位數(shù)據(jù)傳輸。與ISA總線相比，EISA總線數(shù)據(jù)傳輸速度更 快，且支持多主控總線功能，可使普通微機(jī)的單處理器系統(tǒng)升至多處理器工作狀 態(tài)，使運(yùn)行達(dá)到峰值，其峰值總線數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)33Mb/s。2 PCI局部總

8、線進(jìn)入1993年后，由于微處理器的飛速發(fā)展，使 ISA、EISA總線均顯落后。微 處理器的高速度和總線的低速度不同步， 造成硬盤、圖形卡和其它外設(shè)只能通過1 個(gè)慢速且狹窄的瓶頸發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。因此推出了一項(xiàng)新技術(shù)一一局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，局部總線是在ISA總線和CPL總線之間增加1級總線。這樣可將 一些高速外設(shè)，例如網(wǎng)絡(luò)適配卡、磁盤控制器等從 ISA總線上卸下來而通過局部 總線直接掛接至CPU總線上，使之與咼速的CPU總線相匹配。局部總線結(jié)構(gòu)示意 圖如圖2。圖2局部總線結(jié)構(gòu)示意圖標(biāo)準(zhǔn)的局部總線中典型的是 PCI局部總線(PeripheralComponentInterconn ect Loca

9、l Bus)，由In tel公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在CPI和外設(shè)之間插入 1個(gè)復(fù)雜的管理層，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸并提供總線接口。由于采用了信號緩沖，PCI能支持10種外設(shè)，并在高時(shí)鐘頻率下保持最高的傳輸速率。PCI局部總線允許在1個(gè)計(jì)算機(jī)上安裝多達(dá)10個(gè)PCI附加擴(kuò)展卡，允許將ISA、 EISA等擴(kuò)充總線控制卡安裝在上面，以使所有已安裝的系統(tǒng)總線更好地同步。PCI 控制器可以用32位或64位(這取決于設(shè)備)與系統(tǒng)的CPU交換數(shù)據(jù)。另外，還允許 智能化的PCI輔助適配器采用一種稱為總線管理(bus mastering)的技術(shù)協(xié)助CPU 執(zhí)行各種任務(wù)。PCI規(guī)范允許復(fù)用，即在1個(gè)時(shí)間內(nèi)允許有1個(gè)以上的電信號

10、出現(xiàn) 在總線上。PCI總線較以前的總線具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：.高性能的多媒體技術(shù)。高性能圖形、視像、網(wǎng)絡(luò)對處理器提出很高的要求。PCI局部總線提供了很寬的通路，允許這些應(yīng)用程序相當(dāng)平滑的執(zhí)行。.真正的兼容性。與其它總線標(biāo)準(zhǔn)不同，任何與 PCI相兼容的機(jī)器可用于任何 遵從PCI的系統(tǒng)而不論其總線類型或所用的處理器。.與In tel處理器一起工作。PCI總線可與Intel處理器協(xié)同工作，而不論其 兆赫值從In tel 486SX 處理器直至奔騰及未來的版本。.增長的余地。PCI能以32Mb/s的速率傳送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)比ISA總線的5Mb/s快， 這使PCI可處理極高的容量，如用于全屏幕高質(zhì)量視頻的級別?？梢?，P

11、CI局部總線為外設(shè)提供了訪問微處理器更寬、更快的通路，有效地 克服了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i現(xiàn)象。在目前一段時(shí)間內(nèi)，PCI局部總線接口是許多適配器的首選接口，如網(wǎng)絡(luò)適配器、內(nèi)置 MODE卡、聲音適配器等，且目前絕大多數(shù) 主板上均帶有PCI插槽。3 AGF總、線AGP加速圖形端口 (Accelerated Graphics Port)是一種用來連接 CPL和圖形加速器、比PCI更快的總線。它是由主要的圖形器件廠商及全球的PC機(jī)和OEMT商組成的 AGP執(zhí)行者論壇(AGP- IF)在1996年8月提出的。In tel 公司決定將 AGP 技術(shù)主要用于基于Pentium U處理器的平臺(tái)上。3.1 AGF總線特

12、點(diǎn)AGP是專門為點(diǎn)對點(diǎn)的圖形器件設(shè)計(jì)的，并非為了替代PCI總線，它是PCI總線的增強(qiáng)和擴(kuò)充。AGP的標(biāo)準(zhǔn)建立在PCI 2.1標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。在PCI總線下，許多外設(shè)如高速硬盤驅(qū)動(dòng)器、高速網(wǎng)絡(luò)適配卡、調(diào)制解調(diào)器、聲卡等均 需使用PCI總線傳輸數(shù)據(jù)，而 PCI的數(shù)據(jù)帶寬有限（峰值傳輸率為132Mb/s），若再加上1個(gè)需 大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D顯示卡，PCI總線就會(huì)不堪重負(fù)，因此導(dǎo)致了 AGP總線的產(chǎn)生。故 AGP的 設(shè)計(jì)核心是在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)高性能的3D圖像。AGP性能特點(diǎn)：.為3D圖形顯示提供高帶寬（為PCI的4倍），使突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率達(dá) 526Mb/s。.采用了管線技術(shù)、邊帶尋址，在時(shí)鐘上升沿和下降沿可

13、同時(shí)存取數(shù)據(jù)。.可直接對系統(tǒng)內(nèi)存中的紋理圖像進(jìn)行處理。因?yàn)锳GP允許圖形控制器與系統(tǒng)內(nèi)存的無縫連接，不必將紋理數(shù)據(jù)預(yù)載到本地顯存上。.減少了總線阻塞，提高了處理效率。PCI總線就像一條單行道，其顯示卡從內(nèi)存中取得數(shù)據(jù)時(shí)，如同從顯示卡開出一輛空車到內(nèi)存去裝貨，必須等到該車將貨物運(yùn)回來后，才能發(fā) 出下一趟車。這樣在發(fā)出請求和得到數(shù)據(jù)之間有很多時(shí)間是在等待。AGP總線對此作了很大的改進(jìn)，AGP更像一條高速公路，不但改善了路面質(zhì)量提高了車速（提高了時(shí)鐘頻率），而且增強(qiáng)了總線控制器的功能，這樣使得從AGP顯示卡可以連續(xù)發(fā)出多輛車，減少了等待內(nèi)存的尋址時(shí)間，大大提高了處理效率。AGP與 PCI總線相比具有

14、更高的時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)傳輸率。對于1個(gè)系統(tǒng)基頻為66MHz的奔騰級計(jì)算機(jī)來說，PCI的工作頻率為基頻的1/2即33MHz相應(yīng)的峰值數(shù)據(jù)傳輸率為 132Mb/s; 而AGP有3種模式：X 1模式、X 2模式和X 4模式，工作頻率分別達(dá) 66MHz 133MHz和 266MHz 相應(yīng)的峰值數(shù)據(jù)傳輸率為 264Mb/s、528Mb/s和1Gb/s。3.2 AGP的工作模式AGP有2種工作模式：一種是直接內(nèi)存訪問（DMA Direct Memory Access） 模式，另一種是直接內(nèi)存執(zhí)行（DIME： Direct Memory Execute） 模式。當(dāng)AGP總線工作在DMA模式時(shí)，AGP總線先將系

15、統(tǒng)內(nèi)存中的紋理和其它數(shù)據(jù)裝載到圖形 加速器的本地內(nèi)存中，接著圖形加速器的各種處理工作如紋理映射、明暗度調(diào)整、Z向緩沖等都在本地內(nèi)存中執(zhí)行。在此模式下，AGP與基于PCI的圖形加速器的工作方式大致一樣。圖形加速器只是擁有了 AGP總線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢。當(dāng)AGP總線處于執(zhí)行模式時(shí)，圖形的數(shù)據(jù)可直接在系統(tǒng)內(nèi)存中執(zhí)行而不需要將原始數(shù)據(jù) 全部傳輸?shù)綀D形控制器。例如 3D圖形的一些特定操作如傳輸量最大的紋理映射可在系統(tǒng)的主 存中直接處理，然后圖形控制器將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示緩沖區(qū)。這樣做的好處是可減少 主內(nèi)存和圖形控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸量，同時(shí)也節(jié)省了圖形控制器的本地內(nèi)存。為實(shí)現(xiàn)以上功能，就要求圖形控制

16、器必須能訪問系統(tǒng)的主內(nèi)存，能在主內(nèi)存和顯示內(nèi)存 之間傳送數(shù)據(jù)。下面以 Windows 95為例，說明圖形處理器訪問系統(tǒng)內(nèi)存的方法。圖形處理器要能訪問系統(tǒng)內(nèi)存，首先必須得到系統(tǒng)的支持，目前Windows 95中的OSR2.1能夠支持AGP的執(zhí)行模式；還需要有名為“ USBSUPP.EXE的程序，它從表面看是USB設(shè)備的支持程序，實(shí)際上包括了 1個(gè)新的虛擬內(nèi)存管理器 VMM32.VXD主要增加了幾個(gè)對 AGP專用內(nèi) 存進(jìn)行分配和管理的 API接口，使AGP顯示卡的驅(qū)動(dòng)程序可通過這幾個(gè)API接口給AGP在系統(tǒng)內(nèi)存分配 AGP專用內(nèi)存。另外，在微軟提供的多媒體編程接口Direct 5.0 中，包括有D

17、irectDraw ,其中新增了支持 AGP的 DIME功能，使程序員不需直接訪問硬件就可利用AGP的優(yōu)點(diǎn)。此外，隨 AGP顯示驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)安裝的還有“ VGARTD.VXD的虛擬設(shè)備管理程序，它 是AGP執(zhí)行DIME模式的關(guān)鍵所在。AGP的DIME執(zhí)行過程如下：3D程序開始運(yùn)行，先通過DirectDraw 的API分配1個(gè)足夠大 的顯示內(nèi)存緩沖區(qū)。 DirectDraw缺省的內(nèi)存分配方式為：先分配顯示緩沖器的本地內(nèi)存，根 據(jù)相應(yīng)的顯示分辨率和色彩深度計(jì)算好顯示中常用的緩沖區(qū)大小，在本地內(nèi)存中優(yōu)先分配， 然后將剩下的緩沖區(qū)分配給紋理緩沖區(qū)。一般3D應(yīng)用程序的紋理數(shù)據(jù)相當(dāng)大，顯示控制器的本地內(nèi)存

18、放不下時(shí)，就在系統(tǒng)主內(nèi)存中給AGP分配“ AGP主內(nèi)存”。由于 Win dows 95采用虛擬地址映射方式，所以可將暫時(shí)不用的內(nèi)存存儲(chǔ)在硬盤上，在需要時(shí)再調(diào)入內(nèi)存，若AGP主內(nèi)存也被操作系統(tǒng)存入硬盤再調(diào)入，會(huì)影響圖形顯示效果，故AGP主內(nèi)存是被操作系統(tǒng)鎖定的，使其不能被交換到硬盤。內(nèi)存分配好后，圖形控制器可把在系統(tǒng)內(nèi)存中的AGP主內(nèi)存當(dāng)作顯示卡的本地內(nèi)存一樣使用，且AGP主內(nèi)存是1塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)。由于在 PCI控制芯片組中有1個(gè)圖形地址重映射表 (Graphics Address Remapp ing Table)的硬件，它可將圖形控制器要尋址的內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理地址，又因?yàn)閳D形地址重映射表和CPU的地址映射表均由操作系統(tǒng)來管理，故圖形控制器和CPU均能訪問相同的 AGP主內(nèi)存。圖形控制器訪問 AGP主內(nèi)存，把 AGP主內(nèi)存中 顯示需要的紋理轉(zhuǎn)換成硬件能直接顯示的格式，存入顯示緩沖區(qū)，再進(jìn)行顯示，這樣可大大 減少數(shù)據(jù)傳輸量。由于AGP主內(nèi)存是動(dòng)態(tài)分配的，所以對不同的3D應(yīng)用程序和不同的分辨率，AGP主內(nèi)存大小可重新分配。此外，在 3D應(yīng)用程序結(jié)束后，可以釋放AGP主內(nèi)存。3.3 AGP的應(yīng)用展望雖然AGP總線擁有很高的速度和優(yōu)越的