總線技術

總線，英文叫作“BUS”，即我們中文的“公共車”，這是非常形象的比如，公共車走的路線是一定的，我們任何人都可以坐公共車去該條公共車路線的任意一個站點。如果把我們人比作是電子信號，這就是為什麼英文叫它為“BUS”而不是“CAR”的真正用意。當然，從專業上來説，總線是一種描述電子信號傳輸線路的結構形式，是一類信號線的集合，是子系統間傳輸信息的公共通道。通過總線能使整個系統內各部件之間的信息進行傳輸、交換、共享和邏輯控制等功能。如在計算機系統中，它是CPU、內存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設備通過相應的接口電路再與總線相連接 ^[1]  。

從20世紀50年代至今一直都在使用着一種信號標準，那就是4一20mA的模擬信號標準。20世紀70年代，數字式計算機引人到測控系統中，而此時的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀80年代，微處理器在控制領域得到應用，微處理器被嵌人到各種儀器設備中，形成了分佈式控制系統。  

隨着微處理器的發展和廣泛應用，產生了以IC代替常規電子線路，以微處理器為核心，實施信息採集、顯示、處理、傳輸及優化控制等功能的智能設備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數字式智能化儀表產品，其本身具備了諸如自動量程轉換、自動調零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態報告、趨勢圖等功能 通信技術的發展，促使傳送數字化信息的網絡技術開始得到廣泛應用。與此同時，基於質量分析的維護管理、與安全相關係統的測試記錄、環境監視需求的增加，都要求儀表能在當地處理信息，並在必要時允許被管理和訪問，這些也使現場儀表與上級控制系統的通信量大增。 另外，從實際應用的角度出發，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導致了現場總線的產生 ^[2]  。

總線的優點就是能夠更加方便地更換各個部件。如果您想更換一個更好的顯卡，您只需從總線上拔掉原來的顯卡，然後插上新的就可以了。如果您要在計算機上安裝兩個顯示器，只需在總線上插入兩個顯卡。

二、三十年前，處理器的速度要非常慢，以便與總線同步，即總線與處理器的速度相同。而且當時計算機上只有一條總線。處理器的運轉速度非常快，多數計算機都有兩條或更多的總線。每條總線專用於特定類型的流量。

現今，一台典型的台式個人計算機一般有兩條主總線：

一條是我們通常所説的系統總線或局部總線，用於連接微處理器（中央處理器）和系統內存。它是系統中運行最快的總線。 另一條總線的速度較慢，用於與硬盤和聲卡等部件進行通信。這種類型的總線最常見的是PCI總線。這些運行較慢的總線通過橋接器連接到系統總線，因為橋接器是計算機芯片組的一部分並能起到流量交換的作用，所以能夠將其他總線的數據集成到系統總線。 其實還有其他的總線。例如，通用串行總線（USB），用於把照相機、掃描儀和打印機等設備連接到計算機。它利用細線纜連接到設備，並且多個設備可以同時共用一根總線。FireWire是另一種總線，主要用於攝影機和外置硬盤。

總線分類的方式有很多，如被分為外部和內部總線、系統總線和非系統總線等等，下面是幾種最常用的分類方法。

最常見的是從功能上來對數據總線進行劃分，可以分為地址總線（address bus）、數據總線（data bus）和控制總線（control bus）。在有的系統中，數據總線和地址總線可以在地址鎖存器控制下被共享，也即複用。

地址總線是專門用來傳送地址的。在設計過程中，見得最多的應該是從CPU地址總線來選用外部存儲器的存儲地址。地址總線的位數往往決定了存儲器存儲空間的大小，比如地址總線為16位，則其最大可存儲空間為216（64KB）。

數據總線是用於傳送數據信息，它又有單向傳輸和雙向傳輸數據總線之分，雙向傳輸數據總線通常採用雙向三態形式的總線。數據總線的位數通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數據總線寬度也是16位。在實際工作中，數據總線上傳送的並不一定是完全意義上的數據。

控制總線是用於傳送控制信號和時序信號。如有時微處理器對外部存儲器進行操作時要先通過控制總線發出讀/寫信號、片選信號和讀入中斷響應信號等。控制總線一般是雙向的，其傳送方向由具體控制信號而定，其位數也要根據系統的實際控制需要而定。

按照數據傳輸的方式劃分，總線可以被分為串行總線和並行總線。從原理來看，並行傳輸方式其實優於串行傳輸方式，但其成本上會有所增加。通俗地講，並行傳輸的通路猶如一條多車道公路，而串行傳輸則是隻允許一輛汽車通過單線公路。常見的串行總線有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而並行總線相對來説種類要少，常見的如IEEE1284、ISA、PCI等。

按照時鐘信號是否獨立，可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨立於數據，也就是説要用一根單獨的線來作為時鐘信號線；而異步總線的時鐘信號是從數據中提取出來的，通常利用數據信號的邊沿來作為時鐘同步信號 ^[2]  。

早期美國國際商用機器公司（IBM）生產的PC（circa 1982）使用了最早的PC總線，它的位寬是16位，速度為4.77兆赫。後來正式稱為工業標準結構（ISA）總線。這種總線傳輸數據的速度約為9兆字節/秒，速度之快甚至能用在現今的應用軟件中。

幾年前，許多計算機仍在使用ISA總線。二十世紀八十年代初，為早期的IBM PC開發了專用這種總線的計算機卡。甚至在大量可取代它的先進技術出現後，人們仍在使用ISA總線。

這種總線被人們長期使用有兩個主要原因：

它長期與多數硬件製造商保持兼容性。 多媒體興起之前，只有少數的外圍硬件設備完全採用新型總線的速度。 隨着技術的進步，ISA總線無法跟上時代的步伐，於是開發了其他的總線。其中主要的是擴展工業標準結構（EISA）線（位寬32位，頻率8兆赫）和視頻電子標準協會局部總線（VL-Bus）。VL-Bus（由創建該標準的視頻電子標準協會（VESA）命名）的位寬是32位，以局部總線的速度運行，一般與處理器的速度相同。實質上，VL-Bus能夠直接連接到CPU。人們可以用這種方式連接一個單獨的設備，甚至還可以連接兩個。但是將兩個以上的設備連接到VL-Bus則可能會影響CPU的性能。因此，VL-Bus一般只用於連接顯卡，它將真正從高速訪問CPU的過程中受益。

總線技術無疑是從分佈式流程提供簡單交互手段的基本型消息總線演變過來的。隨着時間的轉移，越來越多複雜的功能已經被添加進來，提供對信息的格式控制以及流程的註冊。還有一種轉變是從簡單的總線方法，即每個消息通常只有一個目的地，轉變為可支持多個的代理結構，在很多情況下也提供發佈和訂購的靈活性。這一演變引起了對何為消息系統的相當大的困惑，而這也是面向消息中間件的一般概念背後的一個驅動力 ^[3]  。