计算机总线技术概括.docx

计算机总线技术概括.docx

《计算机总线技术概括.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机总线技术概括.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

计算机总线技术概括

计算机总线技术概括

部门：

xxx

时间：

xxx

整理范文，仅供参考，可下载自行编辑

计算机总线技术总结

前言

从1946年人类第一台计算机的产生，到今天个人微型计算机的普及，人类的计算机技术已经发展了六十年。

影响人类计算机技术发展的因素是多方面的，例如计算机结构的发展，计算机核心处理器的发展，计算机总线技术的发展，以及与计算机相连的各种外设的发展等等。

本文的主要内容是介绍计算机总线技术的发展，在第一部分将会简单介绍一下计算机结构技术，然后再重点介绍计算机总线技术。

b5E2RGbCAP

一，计算机结构发展的介绍：

1，冯·诺依曼计算机结构：

冯·诺依曼计算机结构是根据冯·诺依曼提出的程序存储原理设计的，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起存储的结构。

程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。

但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。

冯·诺依曼计算机结构如下图所示，目前很多处理器仍然使用冯·诺依曼结构，如英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理器、ARM的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器等。

p1EanqFDPw

2，哈佛计算机结构：

为了改变冯诺依曼计算机结构的取指令与数据的读写要从同一存储空间经由一条总线传输，进而影响计算机的性能这一不足。

人们又提出了哈佛计算机结构，哈佛机构是将程序和数据存储在两个相互独立的存储器中，这样在一个机器周期就允许同时获得指令字<来自程序存储器）和操作数<来自数据存储器）从而提高了执行速度，是数据的吞吐量提高了一倍。

又由于程序和数据存储两个相互独立的存储空间，因此取指和执行能够重叠，中央处理器从程序存储空间读取指令内容，解码之后得到数据地址，再到数据存储空间读取相应的数据，并进行下一步的操作<通常是执行），程序存储空间和数据存储空间分开，采用不同的总线，可以使程序和数据具有不同的总线宽度，从而提供交大的存储器带宽，是数据传输效率更高，尤其提高了数字信号处理的效率。

目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，如Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11。

 哈佛结构如下图所示：

DXDiTa9E3d

3，改进型哈佛计算机结构：

对于现在很多的算法而言有时需要多个操作数，例如最常见的卷积运算，一条指令需读取两个操作数，而哈佛结构只能解决取指令和取数之间的矛盾，对于这种情况就没有办法了，这时就应该利用改进型哈佛结构。

改进型的哈佛结构，使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块<程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。

目前TI公司DSP采用的改进型哈佛结构，其改进之处在于在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。

这一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。

只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。

改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中（Cache>，省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。

RTCrpUDGiT

二，计算机总线技术的发展：

在过去的几十年中随着计算机技术的快速发展，计算机总线技术的也得到长足的发展，计算机总线的性能与计算机核心处理器性能以及与计算机连接各种外设的性能之间的匹配也成为影响计算机技术发展的重要因素。

因此计算机总线技术也逐渐受到人们的重视，呈现出百家争鸣，百花齐放的态势，计算机总线发展出很多种类，各有优缺点，有各个不同的应用场合，分类方法也不尽相同。

5PCzVD7HxA

1，计算机总线的定义：

计算机总线是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电器和机械特性，是计算机内部各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信。

jLBHrnAILg

2，计算机总线的技术指标：

<1）总线的带宽<总线数据传输速率）：

总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每钞钟传送MB的最大稳态数据传输率。

与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率，它们之间的关系：

xHAQX74J0X

　　总线的带宽＝总线的工作频率X总线的位宽/8

<2）总线的位宽：

总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念。

总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。

LDAYtRyKfE

<3）总线的工作频率：

总线的工作时钟频率以MHZ为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。

Zzz6ZB2Ltk

3，计算机总线的分类：

计算机总线技术的分类方法有很多种，按总线在计算机系统中不同的层次位置可将总线分为片内总线，片总线<芯片级总线），内部总线<系统总线），外部总线<通讯总线）；按总线的通信传输方式可将总线分为串行总线和并行总线；按总线传输数据的时钟特性可将总线分为同步总线和异步总线；按总线传输的信号性质可将总线分为地址总线，数据总线，控制总线，当然总线还有很多其他的分类方式。

本文按照总线在计算机系统中的不同层次位置来对总线进行分类，并具体介绍各种总线。

dvzfvkwMI1

<1）片内总线：

它位于微处理器芯片内部，故称为芯片内部总线。

用于微处理器内部ALU和各种寄存器等部件间的互连及信息传送。

由于受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快内部数据传送速度，也可采用双总线或三总线结构。

rqyn14ZNXI

<2）片总线：

片总线又称元件级<芯片级）总线。

微机主板、单扳机以及其它一些插件板、卡<如各种I/O接口板/卡），它们本身就是一个完整的子系统，板/卡上包含有CPU，RAM，ROM，I/O接口等各种芯片，这些芯片间也是通过总线来连接的，因为这有利于简化结构，减少连线，提高可靠性，方便信息的传送与控制。

通常把各种板、卡上实现芯片间相互连接的总线称为片总线或元件级总线。

典型的片总线包括I2C总线，SPI总线，SCI总线，CAN总线。

EmxvxOtOco

I2C总线：

I2C

它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。

它的主要特点是：

只要求两条总线线路：

一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL；每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器，它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏，工作模式是主从模式，可以实现半双工通讯；数据传输为串行的8位双向数据传输，位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s；连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制。

SixE2yXPq5

SPI总线：

SPI

Motorola公司生产的绝大多数MCU<微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。

SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。

SPI总线的主要特点是：

通常只要求三条总线，一条主设备数据输出、从设备数据输入总线SDO，一条主设备数据输入、从设备数据输出总线，一条数据传输同步时钟信号总线<由主设备产生），在有多个从设备情况下可以加一条从设备使能信号线<由主设备控制）；SPI总线有一个主设备和一个或多个从设备，工作模式为主从模式，可实现全双工通讯；数据传输为串行传输，传输速率没有最大规定，没有规定流传输控制规则，没有应答机制无法检查数据是否传输成功。

6ewMyirQFL

SCI总线：

串行通信接口SCI

它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。

UART总线是一种异步串口，一般由波特率产生器（产生的波特率等于传输波特率的16倍>、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收，接收并行数据，发送串行数据，用于异步通信，该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。

数据传输方向可以从最低有效位开始

kavU42VRUs

CAN总线：

CAN总线属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统具有网络各节点之间的数据通信实时性强，开发周期短，已形成国际标准等优势。

CAN总线是一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

通信速率可达1MBPS。

CAN总线的工作模式是半双工的，收发数据要分时进行，不管CAN网络上挂多少设备，在同一时刻只能有1个发送数据。

如果有多个需要同时发送则只有优先级别高的先发送，其它等待。

y6v3ALoS89

上述总线的具体性能参数如下表1：

总线类型

总线条数

通信方式

工作模式

总线上的器件数

数据传输速率

I2C

2

同步串行

半双工

<10

有三种模式标准100kbit/s,快速400bit/s,高速3.4Mbit/s

SPI

3或4

同步串行

全双工

<10

一般无标准通信速率

SCI（UART>

2

异步<并行接收串行输出）

全双工

2

不同的波特率对应不同速率

CAN

2或1

异步串行

半双工

120

不同应用领域具有不同速率

<3）内部总线：

内部总线又称系统总线或板级总线。

因为该总线是用来连接计算机中各功能部件而构成一个完整微机系统的，所以称之为系统总线。

系统总线是计算机系统中最重要的总线，人们平常所说的计算机总线就是指系统总线，如PC/XT总线、ISA总线

系统总线是我们要讨论的重点内容。

M2ub6vSTnP

PC/XT总线：

最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，它基于8bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。

PC/XT总线支持8位数据传输和20位寻址空间<1M）。

其特点是把CPU视为总线的唯一主控设备，其余外围设备均为从属（Slave>设备，包括暂时掌管总线的DMA控制器或协处理器。

　　IBMPC/XT总线是一种开放的结构总线，在其总线母板上有数个系统插槽，可用于I/O设备与PC机连接。

其价格低、可靠简便、使用灵活、且对插板兼容性好，因此有许多厂家生产该总线的兼容产品，品种范围广泛。

起初，IBMPC总线产品主要用于办公自动化，后来很快扩大到实验室或工业环境下的数据采集和控制。

0YujCfmUCw

ISA（AT>总线：

1984年，IBM推出基于16-bitIntel80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。

而为了开发与IBMPC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBMPC总线规范为基础的ISA<工业标准架构：

IndustryStandardArchitecture）总线。

ISA总线最大传输速率仅为8MB/s因此它的弱点也是显而易见的，传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等，很快使ISA总线在飞速发展的计算机技术中成为瓶颈。

eUts8ZQVRd

EISA总线：

1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32-bit，这就是著名的EISA

EISA总线的工作频率仍旧仅有8MHz，并且与8/16bit的ISA总线完全兼容，由于是32-bit总线的缘故，带宽提高了一倍，达到了32MB/s.可惜的是，EISA仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI总线给取代了。

sQsAEJkW5T

PCI总线：

由于ISA/EISA总线速度缓慢，一度出现CPU的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受到严重的影响。

为了解决这个问题，1992年Intel在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit的PCI<周边组件互连）总线。

最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到了133MB/s<33MHzX32bit/8），比ISA总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。

目前计算机上广泛采用的是这种32-bit、33MHz的PCI总线。

GMsIasNXkA

APG总线：

PCI总线是独立于CPU的系统总线，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CPU总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到充分的发挥。

可惜的是，由于PCI总线只有133MB/s的带宽，对付声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的3D显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。

因此，PCI总线的补充——AGP总线就应运而生了。

TIrRGchYzg

Intel于1996年7月正式推出了AGP<加速图形接口，AcceleratedGraphicsPort）接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI2.1版规范并进行扩充修改而成，工作频率为66.7MHz，1X模式下带宽为266MB/S，是PCI总线的两倍。

后来依次又推出了AGP2X、AGP4X，现在则是AGP8X，传输速度达到了2.1GB/S。

7EqZcWLZNX

PCI-X总线：

PCI-X是1999年正式发表的，是对现有的PCI总线的继承和发展，它将PCI的性能推向顶峰。

PCI-X总线操作采用分离事务处理方式，消除了等待状态，大幅度地提高了总线的利用率。

PCI-X总线带宽最高达1.066GB/S（133MHz/64-bit>。

PCI-X是共事总线结构式向交换式总线结构过渡的产物。

在高性能服务产品中为提高I/O吞吐率已采用PCI-X总线结构。

lzq7IGf02E

PCI-X总线宽度从PCI的32bit提高到64bit，总线频率提高到最高133MHz，理论传输速度达到64bit*133MHz=1GB/s，新的PCI-X2.0

PCI-E总线：

随着新的技术和设备层出不穷，特别是游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI的工作频率和带宽都已经无法满足需求。

此外，PCI还存在IRQ共享冲突，只能支持有限数量设备等问题。

在经历了长达10年的修修补补，PCI总线已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一带总线取而代之，这就是PCI-Express总线。

NrpoJac3v1

Intel在2001年，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代I/O技术，最后却被正式命名为PCI-Express，Express意思是高速、特别快的意思。

2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress1.0规范，并且根据开发蓝图，在2006年的时候正式推出PCIExpress2.0规范。

PCIExpress是新一代的总线接口。

它采用了目前业内流行的点对点串行连接，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，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。

1nowfTG4KI

相对于PCI总线来讲，PCI-Express总线能够提供极高的带宽，来满足系统的需求。

经历着这么三代半

fjnFLDa5Zo

上述总线的具体性能参数如下表2：

总线类型

推出时间

总线位宽

总线类型

时钟频率/MHZ

数据传输带宽/MBs-1

带外设能力

PC/XT

1981

8

系统总线

ISA（AT>

1984

8/16

系统总线

8

16

>12

EISA

1988

32

系统总线

8.3

33

>12

PCI

1992

32/64

局部总线

33/66

133（32bit@33HZ>

10

AGP（1X>

1996

32

特定局部总线

66.7以上

266或更高

1个图形控制器

PCI-X（1.0>

1999

64

改进局部总线

133

1024

PCI-E（1X>

2004

8

新一代局部总线

2.5/GHZ

512

未来总线的发展趋势，PCI-X的改进，PCI-E的发展，IBM、HP、Cmpap公司下一代的总线技术FutureI/O，AMD公司的Arapaho技术。

tfnNhnE6e5

<4）外部总线：

外部总线又称为通信总线用于计算机与计算机之间，计算机与远程终端之间，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。

该类总线不是计算机系统已有的总线而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。

外部总线又分为串行总线和并向总线。

典型的外部总线由IEEE-488总线，RS-232-C总线，RS-422和RS-485总线，通用串行总线USB。

HbmVN777sL

IEEE-488总线：

IEEE-488总线是并行总线接口标准。

IEEE-488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。

它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。

最大传输距离为20M，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。

V7l4jRB8Hs

RS-232-C总线：

RS-232-C是美国电子工业协会EIA

RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。

RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每M电缆的电容量减小，通信距离可以增加。

传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20M以内的通信。

83lcPA59W9

RS-422和RS-485总线：

RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，是由电子工业协会

它定义了接口电路的特性，实际上还有一根信号地线，共5根线。

RS-422由RS-232发展而来，由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。

即一个主设备

接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω<终接电阻）。

RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式

RS-422的最大传输距离为4000英尺<约1219M），最大传输速率为10Mb/s。

其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。

只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。

一般100M长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。

mZkklkzaaP

为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

在要求通信距离为几十M到上千M时，广泛采用RS-485串行总线标准。

RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千M以外得到恢复。

RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

AVktR43bpw

通用串行总线USB：

USB总线为通用串行总线，USB接口位于PS/2接口和串并口之间，允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接下来127个外设，传输速率可达480Mb/S，P它可以向低压设备提供5伏电源，同时可以减少PC机I/O接口数量。

ORjBnOwcEd

通用串行总线USB

它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。

它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。

另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。

2MiJTy0dTT

申明：

所有资料为本人收集整理，仅限个人学习使用，勿做商业用途。