计算机组成原理：总线分类与标准化

1.总线的分类

总线的分类方法很多，也不统一。按连接部件的不同，一般认为总线分如下三类。

（1）内部总线

内部总线指CPU芯片内部的总线，如在CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑单元之间，都有总线连接。这里不作介绍。

（2）系统总线

系统总线指CPU、内存和I/O设备之间连接的总线。有时又把系统总线专指CPU和内存之间连接的总线，而把I/O设备之间相互连接的总线称为I/O总线（或者称为局部总线）。CPU按传输信息的不同，系统总线内部又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。

①数据总线。数据总线用来传送各功能部件的数据。例如，CPU和内存之间：从内存单元中读出数据，通过数据总线传给CPU中的累加器，或把CPU累加器中的数据通过数据总线传给内存某单元写入。CPU和I/O接口的数据端口之间：可以把数据端口中的数据通过数据总线传给CPU中的累加器，也可把CPU累加器中的数据通过数据总线传给数据端口。某些I/O接口和内存之间：也可以进行直接存储器传送（即所谓的DMA方式），DMA控制器从CPU中获得总线控制权，通过数据总线直接在内存和I/O接口之间进行数据传送。

数据总线是双向总线，其位数一般为8位、16位、32位或64位，它是衡量系统性能的一个重要参数。

②地址总线。地址总线用来指明CPU欲访问的内存单元或I/O端口的地址。例如，欲从内存单元中读出一个数据，或者把数据写入内存单元中，则CPU都要将内存单元的地址送到地址总线上。同样，欲从数据端口中输入一个数据，或者把数据输出到数据端口中。则CPU都要将数据端口的地址送到地址总线上。地址总线是单向总线，都是由CPU发出的。地址总线的位数决定了系统的寻址空间范围，如地址总线为20根，则对应的寻址空间范围为0～（220-1）B。

③控制总线。控制总线用来传送各种控制命令。例如，由CPU发出的内存读/写命令和I/O端口输入/输出命令。又如由I/O接口发出的中断请求信号等。对某一条控制线而言，它是单向的，但对控制总线总体来说，又是双向的，既有出，又有入。

（3）通信总线

这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。这里不作介绍。

2.总线的标准

目前，总线的标准很多，这里介绍常用的微机总线标准，如表6-1所示。

表6-1　常用的微机总线

①ISA总线。ISA总线是IBM公司推出的16位总线，数据线16位，地址线24位，总线时钟频率8MHz，最大传输速率16MB/s。开始用在286微机中（也称为AT总线），用作系统总线，CPU与内存、I/O设备可以直接挂在ISA总线上。它使用独立于CPU的总线时钟，即CPU可以采用比总线频率更高的时钟，因此386、486、Pentium级或Pentium级以上的微机还可以使用ISA总线来连接一些慢速的I/O设备。(www.xing528.com)

②EISA总线。EISA总线是在ISA总线基础上扩充的32位总线，数据线32位，总线时钟频率8MHz，最大传输速率33MB/s。它曾经用在486微机中，并与ISA总线兼容。

③PCI总线。PCI总线是由Intel公司推出的总线，总线时钟频率33MHz，数据线32位，最大传输速率133MB/s，主要用在Pentium级或Pentium级以上的微机中，和ISA总线不兼容。

PCI总线有下列特点：

·它一般不作为系统总线用，而是一种I/O总线（也称为外围设备互连总线）。可视为CPU与I/O设备之间的一个中间层，通过PCI总线控制器（俗称为PCI桥）与系统总线连接。

·.PCI控制器有多级缓冲，其数据传送是猝发方式。

·PCI总线是一个与CPU无关的总线，即不管CPU的性能如何提高，CPU芯片如何更新换代，PCI总线不必作任何改进仍然可用。

·PCI总线具有即插即用的特性。任何接口（当然要符合PCI总线标准）只要插入PCI总线插槽就能正常工作，一些系统资源如中断向量、I/O口地址等，无须用户自己配置。

④PCI Express（简称PCI-E）总线。除了3D显示卡以外，计算机配件诸如千兆网卡、声卡、RAID卡等都还在循规蹈矩地执行着PCI总线规范，但是PCI总线的带宽（133MB/s）越来越难以承受这些设备同时满负荷运转，并且PCI总线电压难以降低的缺陷也越来越凸显出来。PCI总线规范已经成为PC系统的发展桎梏，彻底升级换代迫在眉睫。PCI-E总线是新一代的总线接口，采用了点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，达到PCI所不能提供的高带宽，来满足系统的需求。

PCI-E总线能实现X1（1GB/s）、X2、X4、X8、X12、X16和X32（32GB/s）通道规格。除去提供极高的数据传输带宽之外，PCI-E总线也支持热插拔（即计算机处于工作状态时允许插拔设备），支持数据同步传输，为优先传输数据进行带宽优化等。

⑤USB总线。USB总线是一个4芯的通用串行总线。它是目前微机主板上必备的接口。现在使用的大多是USB 2.0标准，理论传输速度方480Mb/s，即60MB/s，允许连接127个即插即用设备（如键盘、鼠标、打印机、扫描仪等），支持热插拔。

⑥IEEE 1394串行I/O标准接口。IEEE 1394串行接口使用6芯电缆，数据传输率可达400MB/s，这样的高速特性特别适合于新型高速硬盘及多媒体数据传送。支持热插拔。

⑦AGP总线。AGP总线是图形显示器专用总线，总线时钟频率66MHz，数据线32位，最大传输率266MB/s，这是常说的1倍AGP速率（AGP-1X标准）。AGP还支持2倍和4倍时钟数据传输模式，即每个AGP时钟可传输2倍（AGP-2X标准）、4倍（AGP-4X标准）和8倍（AGP-8X标准）数据，最大传输率分别达到533MB/s、1066MB/s和2.1GB/s。但它是显示器专用总线，不能替代PCI总线或ISA总线。Pentium级主板上只有一个专供显示卡用的AGP总线插槽。

⑧UItra ATA/33/66/10010133硬盘接口。Ultra ATA/33/66/100/133硬盘接口是早期硬盘接口（IDE接口）的改进版。传输速率达到33MB/s、66MB/s、100MB/s、133MB/s。

⑨Serial ATA（简称SATA）硬盘接口。它采用串行方式传输数据，还具有结构简单、支持热插拔的优点。SATA 1.0的数据传输率可达150MB/s。现在流行的SATA 2.0数据传输率达到300MB/s，SATA 3.0数据传输率达到600MB/s。

注意，总线标准在不断发展。其一，新的更高性能的总线标准肯定会继续推出；其二，现有的总线标准其性能也在不断提高，如PCI总线标准，现在已经扩充到64位，总线时钟频率133MHz，最大传输速率1GB/s。