總線

如果説主板（Mother Board）是一座城市，那麼總線就像是城市裏的公共汽車（bus），能按照固定行車路線，傳輸來回不停運作的比特（bit）。一條線路在同一時間內都僅能負責傳輸一個比特。因此，必須同時採用多條線路才能傳送更多數據，而總線可同時傳輸的數據數就稱為寬度（width），以比特為單位，總線寬度愈大，傳輸性能就愈佳。總線的帶寬（即單位時間內可以傳輸的總數據數）為：總線帶寬 = 頻率 x 寬度/8（Bytes/sec） ^[3]  。當總線空閒（其他器件都以高阻態形式連接在總線上）且一個器件要與目的器件通信時，發起通信的器件驅動總線，發出地址和數據。其他以高阻態形式連接在總線上的器件如果收到（或能夠收到）與自己相符的地址信息後，即接收總線上的數據。發送器件完成通信，將總線讓出（輸出變為高阻態）。

在計算機中用於連接各種功能部件並在它們之間傳送數據的公用線路或通路。在計算機系統中按其所連接的對象，總線可分為： 片總線，又稱器件級總線，它是中央處理器芯片內部的總線。內總線，又稱系統總線或板級總線，它是計算機各功能部件之間的傳輸通路，微型計算機總線通常稱為內總線。外總線，又稱通信總線，它是計算機系統之間，或者是計算機主機與外圍設備之間的傳輸通路 ^[1]  。

總線是一種共享型的數據傳送設備。雖然總線上可聯接多個設備，但任一時刻通常只能有一對設備參與數據傳輸。按信息傳輸的形式，總線可分為並行總線和串行總線兩種。並行總線對n位二進制信息用n條傳輸線同時傳送，其特點是傳輸速度快，但系統結構較複雜，它用於計算機系統內的各部件之間的連接；串行總線對多位二進制信息共用一條傳輸線，多位二進制信息按時間先後順序通過總線，它的特點是結構簡單，但其傳輸速度較慢。總線必須有明確的規範： 總線定時協議，即在總線上傳送信息時必須遵守一定的定時規則，例如同步總線定時，異步總線定時，半同步總線定時等。總線的物理特性，包括信號、電源、地址的電氣特性，以及連線、接插件的機械特性。總線帶寬，它是總線所能達到的最高傳輸率，其單位是MB/S。

由於總線是連接各個部件的一組信號線。通過信號線上的信號表示信息，通過約定不同信號的先後次序即可約定操作如何實現。總線的特性如下

其中的數據總線DB（Data Bus）、地址總線AB（Address Bus）和控制總線CB（Control Bus），也統稱為系統總線，即通常意義上所説的總線。

有的系統中，數據總線和地址總線是複用的，即總線在某些時刻出現的信號表示數據而另一些時刻表示地址；而有的系統是分開的。51系列單片機的地址總線和數據總線是複用的，而一般PC中的總線則是分開的。

“數據總線DB”用於傳送數據信息。數據總線是雙向三態形式的總線，即他既可以把CPU的數據傳送到存儲器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數據傳送到CPU。數據總線的位數是微型計算機的一個重要指標，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。需要指出的是，數據的含義是廣義的，它可以是真正的數據，也可以是指令代碼或狀態信息，有時甚至是一個控制信息，因此，在實際工作中，數據總線上傳送的並不一定僅僅是真正意義上的數據。

常見的數據總線為ISA（ISA總線）、EISA、VESA、PCI等。

“地址總線AB”是專門用來傳送地址的，由於地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態的，這與數據總線不同。地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小，比如8位微機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為2^16=64KB，16位微型機（x位處理器指一個時鐘週期內微處理器能處理的位數[1 、0]多少，即字長大小）的地址總線為20位，其可尋址空間為2^20=1MB。一般來説，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節。

“控制總線CB”用來傳送控制信號和時序信號。控制信號中，有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、設備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，(信息)一般是雙向的，控制總線的位數要根據系統的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決於CPU。

按照傳輸數據的方式劃分，可以分為串行總線和並行總線。串行總線中，二進制數據逐位通過一根數據線發送到目的器件；並行總線的數據線通常超過2根。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232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，而異步總線的時鐘信號是從數據中提取出來的。SPI、I2C是同步串行總線，RS232採用異步串行總線。

外部總線指纜線和連接器系統，用來傳輸I/O路徑技術指定的數據和控制信號，另外還包括一個總線終結電阻或電路，這個終結電阻用來減弱電纜上的信號反射干擾。

計算機總線是一組能為多個部件分時共享的信息傳送線，用來連接多個部件併為之提供信息交換通路。總線不僅是一組信號線，從廣義上講，總線是一組傳送線路及相關的總線協議。

在計算機科學技術中，人們常常以MHz表示的速度來描述總線頻率。計算機總線的種類很多，前端總線的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是將CPU連接到北橋芯片的總線。計算機的前端總線頻率是由CPU和北橋芯片共同決定的。

一般有SCSI、ATA、SATA等幾種。SATA是串行ATA的縮寫，為什麼要使用串行ATA就要從PATA——並行ATA的缺點説起。我們知道ATA或者説普通IDE硬盤的數據線最初就是40根的排線，這40根線裏面有數據線、時鐘線、控制線、地線，其中32根數據線是並行傳輸的（一個時鐘週期可以同時傳輸4個字節的數據），因此對同步性的要求很高。這就是為什麼從PATA-66（就是常説的DMA66）接口開始必須使用80根的硬盤數據線，其實增加的這40根全是屏蔽用的地線，而且只在主板一邊接地（千萬不要接反了，反了的話屏蔽作用大大降低），有了良好的屏蔽硬盤的傳輸速度才能達到66MB/s、100MB/s和最高的133MB/s。但是在PATA-133之後，並行傳輸速度已經到了極限，而且PATA的三大缺點暴露無遺：信號線長度無法延長、信號同步性難以保持、5V信號線耗電較大。那為什麼SCSI-320接口的數據線能達到320MB/s的高速、而且線纜可以很長呢？你有沒有注意到SCSI的高速數據線是“花線”？這可不是為了好看，那“花”的部分實際上就是一組組的差分信號線兩兩扭合而成，這成本可不是普通電腦系統願意承擔的。

計算機中其他的總線還有：通用串行總線USB（Universal Serial Bus）、IEEE1394、PCI等等。

1、總線的帶寬（總線數據傳輸速率）

總線的帶寬指的是單位時間內總線上傳送的數據量，即每秒鐘傳送MB的最大穩態數據傳輸率 ^[2]  。與總線密切相關的兩個因素是總線的位寬和總線的工作頻率，它們之間的關係：

總線的帶寬=總線的工作頻率*總線的位寬/8

或者 總線的帶寬=（總線的位寬/8 ）/總線週期

2、總線的位寬

總線的位寬指的是總線能同時傳送的二進制數據的位數，或數據總線的位數，即32位、64位等總線寬度的概念。總線的位寬越寬，每秒鐘數據傳輸率越大，總線的帶寬越寬。

總線的工作時鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬越寬。

主板北橋芯片負責聯繫內存、顯卡等數據吞吐量最大的部件，並和南橋芯片連接。CPU就是通過前端總線（FSB）連接到北橋芯片，進而通過北橋芯片和內存、顯卡交換數據。前端總線是CPU和外界交換數據的最主要通道，因此前端總線的數據傳輸能力對計算機整體性能作用很大，如果沒足夠快的前端總線，再強的CPU也不能明顯提高計算機整體速度。數據傳輸最大帶寬取決於所有同時傳輸的數據的寬度和傳輸頻率，即數據帶寬=（總線頻率×數據位寬）÷8。PC機上所能達到的前端總線頻率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz幾種，前端總線頻率越大，代表着CPU與北橋芯片之間的數據傳輸能力越大，更能充分發揮出CPU的功能。CPU技術發展很快，運算速度提高很快，而足夠大的前端總線可以保障有足夠的數據供給給CPU，較低的前端總線將無法供給足夠的數據給CPU，這樣就限制了CPU性能得發揮，成為系統瓶頸。

總線一個操作過程是完成兩個模塊之間傳送信息，啓動操作過程的是主模塊，另外一個是從模塊。某一時刻總線上只能有一個主模塊佔用總線。

總線的操作步驟：

主模塊申請總線控制權，總線控制器進行裁決。

總線的操作步驟：

主模塊得到總線控制權後尋址從模塊，從模塊確認後進行數據傳送。

數據傳送的錯誤檢查。

總線定時協議：定時協議可保證數據傳輸的雙方操作同步，傳輸正確。定時協議有三種類型：

同步總線定時：總線上的所有模塊共用同一時鐘脈衝進行操作過程的控制。各模塊的所有動作的產生均在時鐘週期的開始，多數動作在一個時鐘週期中完成。

異步總線定時：操作的發生由源或目的模塊的特定信號來確定。總線上一個事件發生取決前一事件的發生，雙方相互提供聯絡信號。

總線定時協議

半同步總線定時：總線上各操作的時間間隔可以不同，但必須是時鐘週期的整數倍，信號的出現,採樣與結束仍以公共時鐘為基準。ISA總線採用此定時方法。

數據傳輸類型：分單週期方式和突發(burst)方式。

單週期方式：一個總線週期只傳送一個數據。

突發方式：取得主線控制權後進行多個數據的傳輸。尋址時給出目的地首地址，訪問第一個數據，數據2、3到數據n的地址在首地址基礎上按一定規則自動尋址（如自動加1）。

為什麼要制定總線標準?

便於機器的擴充和新設備的添加，有了總線標準，不同廠商可以按照同樣的標準和規範生產各種不同功能的芯片、模塊和整機，用户可以根據功能需求去選擇不同廠家生產的、基於同種總線標準的模塊和設備，甚至可以按照標準，自行設計功能特殊的專用模塊和設備，以組成自己所需的應用系統。這樣可使芯片級、模塊級、設備級等各級別的產品都具有兼容性和互換性，以使整個計算機系統的可維護性和可擴充性得到充分保證。

總線標準的技術規範？

機械結構規範：模塊尺寸、總線插頭、總線接插件以及安裝尺寸均有統一規定。

功能規範：總線每條信號線（引腳的名稱）、功能以及工作過程要有統一規定。

電氣規範：總線每條信號線的有效電平、動態轉換時間、負載能力等。

主板上的處理器-主存總線經常是特定的專用總線，而用於連接各種I/O模塊的I/O總線和底板式總線則通常可在不同計算機中互用。實際上，底板式總線和I/O總線通常是標準總線，可被許多由不同公司製造的不同計算機使用。

ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線是IBM公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統總線標準。所以也叫AT總線。

主要特點:

(1)支持64KI/O地址空間、16M主存地址空間的尋址，支持15級硬中斷、7級DMA通道。

(2)是一種簡單的多主控總線。除了CPU外，DMA控制器、DRAM刷新控制器和帶處理器的智能接口控制卡都可成為總線主控設備。

(3)支持8種總線事務類型：存儲器讀、存儲器寫、I/O讀、I/O寫、中斷響應、DMA響應、存儲器刷新、總線仲裁。

它的時鐘頻率為8MHz，共有98根信號線。數據線和地址線分離，數據線寬度為16位，可以進行8位或16位數據的傳送，所以最大數據傳輸率為16MB/s。

總線標準-EISA

EISA(ExtendedIndustrialStanderdArchitecture)總線 是一種在ISA總線基礎上擴充的開放總線標準。 支持多總線主控和突發傳輸方式。

時鐘頻率為8.33MHz。共有198根信號線，在原ISA總線的98根線的基礎上擴充了100根線，與原ISA總線完全兼容。具有分立的數據線和地址線。數據線寬度為32位，具有8位、16位、32位數據傳輸能力，所以最大數據傳輸率為33MB/s。地址線的寬度為32位，所以尋址能力達232。即：CPU或DMA控制器等這些主控設備能夠對4G範圍的主存地址空間進行訪問。

總線標準-PCI

PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線

是一種高性能的32位局部總線。它由Intel公司於1991年底提出，後來又聯合IBM、DEC等100多家PC業界主要廠家，於1992年成立PCI集團，稱為PCISIG，進行統籌和推廣PCI標準的工作。

用於高速外設的I/O接口和主機相連。採用自身33MHz的總線頻率，數據線寬度為32位，可擴充到64位，所以數據傳輸率可達132MB/s～264MB/s。

速度快、支持無限突發傳輸方式 、支持併發工作（PCI橋提供數據緩衝,並使總線獨立於CPU） ，可在主板上和其他系統總線（如：ISA、EISA或MCA）相連接，系統中的高速設備掛接在PCI總線上，而低速設備仍然通過ISA、EISA等這些低速I/O總線支持。支持基於微處理器的配置，可用在單處理器系統中，也可用於多處理器系統。

採用總線結構的主要優點

1、面向存儲器的雙總線結構信息傳送效率較高，這是它的主要優點。但CPU與I/O接口都要訪問存儲器時，仍會產生衝突。

2、CPU與高速的局部存儲器和局部I/O接口通過高傳輸速率的局部總線連接，速度較慢的全局存儲器和全局I/O接口與較慢的全局總線連接，從而兼顧了高速設備和慢速設備，使它們之間不互相牽扯。

3、簡化了硬件的設計。便於採用模塊化結構設計方法，面向總線的微型計算機設計只要按照這些規定製作cpu插件、存儲器插件以及I/O插件等，將它們連入總線就可工作，而不必考慮總線的詳細操作。

4、簡化了系統結構。整個系統結構清晰。連線少，底板連線可以印製化。

5、系統擴充性好。一是規模擴充，規模擴充僅僅需要多插一些同類型的插件。二是功能擴充，功能擴充僅僅需要按照總線標準設計新插件，插件插入機器的位置往往沒有嚴格的限制。

6、系統更新性能好。因為cpu、存儲器、I/O接口等都是按總線規約掛到總線上的，因而只要總線設計恰當，可以隨時隨着處理器的芯片以及其他有關芯片的進展設計新的插件，新的插件插到底板上對系統進行更新，其他插件和底板連線一般不需要改。

7、便於故障診斷和維修。用主板測試卡可以很方便找到出現故障的部位，以及總線類型。

由於在CPU與主存儲器之間、CPU與I/O設備之間分別設置了總線，從而提高了微機系統信息傳送的速率和效率。但是由於外部設備與主存儲器之間沒有直接的通路，它們之間的信息交換必須通過CPU才能進行中轉，從而降低了CPU的工作效率（或增加了CPU的佔用率。一般來説，外設工作時要求CPU干預越少越好。CPU干預越少，這個設備的CPU佔用率就越低，説明設備的智能化程度越高），這是面向CPU的雙總線結構的主要缺點。同時還包括：

1、利用總線傳送具有分時性。當有多個主設備同時申請總線的使用是必須進行總線的仲裁。

2、總線的帶寬有限，如果連接到總線上的某個硬件設備沒有資源調控機制容易造成信息的延時（這在某些即時性強的地方是致命的）。

3、連到總線上的設備必須有信息的篩選機制，要判斷該信息是否是傳給自己的。

任何一個微處理器都要與一定數量的部件和外圍設備連接，但如果將各部件和每一種外圍設備都分別用一組線路與CPU直接連接，那麼連線將會錯綜複雜，甚至難以實現。為了簡化硬件電路設計、簡化系統結構，常用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。採用總線結構便於部件和設備的擴充，尤其制定了統一的總線標準則容易使不同設備間實現互連。

微機中總線一般有內部總線、系統總線和外部總線。內部總線是微機內部各外圍芯片與處理器之間的總線，用於芯片一級的互連；而系統總線是微機中各插件板與系統板之間的總線，用於插件板一級的互連；外部總線則是微機和外部設備之間的總線，微機作為一種設備，通過該總線和其他設備進行信息與數據交換，它用於設備一級的互連。另外，從廣義上説，計算機通信方式可以分為並行通信和串行通信，相應的通信總線被稱為並行總線和串行總線。並行通信速度快、實時性好，但由於佔用的口線多，不適於小型化產品；而串行通信速率雖低，但在數據通信吞吐量不是很大的微處理電路中則顯得更加簡易、方便、靈活。串行通信一般可分為異步模式和同步模式。---隨着微電子技術和計算機技術的發展，總線技術也在不斷地發展和完善，而使計算機總線技術種類繁多，各具特色。

最早的PC總線是IBM公司1981年在PC/XT電腦採用的系統總線，它基於8bit的8088 處理器，被稱為PC總線或者PC/XT總線。

1984年，IBM 推出基於16-bit Intel 80286處理器的PC/AT 電腦，系統總線也相應地擴展為16bit，並被稱呼為PC/AT 總線。而為了開發與IBM PC 兼容的外圍設備，行業內便逐漸確立了以IBM PC 總線規範為基礎的ISA（工業標準架構：Industry Standard Architecture ）總線。

由於ISA/EISA總線速度緩慢，一度出現CPU 的速度甚至還高過總線的速度，造成硬盤、顯示卡還有其它的外圍設備只能通過慢速並且狹窄的瓶頸來發送和接受數據，使得整機的性能受到嚴重的影響。為了解決這個問題，1992年Intel 在發佈486處理器的時候，也同時提出了32-bit 的PCI（周邊組件互連）總線。

（Accelerated Graphics Port）

PCI 總線是獨立於CPU 的系統總線，可將顯示卡、聲卡、網卡、硬盤控制器等高速的外圍設備直接掛在CPU 總線上，打破了瓶頸，使得CPU 的性能得到充分的發揮。可惜的是，由於PCI 總線只有133MB/s 的帶寬，對付聲卡、網卡、視頻卡等絕大多數輸入/輸出設備也許顯得綽綽有餘，但對於胃口越來越大的3D 顯卡卻力不從心，併成為了制約顯示子系統和整機性能的瓶頸。因此，PCI 總線的補充——AGP 總線就應運而生了。

在經歷了長達10年的修修補補，PCI 總線已經無法滿足電腦性能提升的要求，必須由帶寬更大、適應性更廣、發展潛力更深的新一代總線取而代之，這就是PCI-Express 總線。

相對於PCI總線來講，PCI-Express總線能夠提供極高的帶寬，來滿足系統的需求。PCI Express總線2.0標準的帶寬如下表所示：

經歷着這麼三代半（AGP總線只是一種增強型的PCI總線）的發展，PC的外部總線終於發展到PCI-E 4.0，提供了比以往總線大得多的帶寬。至於今後總線發展的方向，相信會隨着人們對帶寬需要的不斷增加，而很快來出現。