计算机知识-问题笔记（2）：总线

计算机知识-问题笔记（2）：总线

一、总线的基本原理

1.基本概念

总线是连接计算机系统相关部件的公共信息通路，它不仅是一组传输线，还包括一套管理信息传输的规则。
一般来说，连接系统各个部件有专用总线和共享总线两种（专用总线是点对点，共享可以被多个部件分时共享）。

总线的分类：

（1）按照是否共享：专用总线和共享总线。
（2）按传递信号的功能：地址总线、数据总线和控制总线。
（3）按照在系统中的位置：芯片级、板级、系统级和系统外部。
（4）按数据传输方向：单工总线和双工总线。
（5）按传送位数：串行总线和并行总线。

总线的特性：

（1）物理特性。指总线的物理连接方式。根数、插头形状等。
（2）功能特性。指功能层次、资源类型、传递方式和控制方式、每一根线的功能。
（3）电平特性。每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。
（4）时间特性。具体每根线的时序关系。

2.工作原理

系统总线的结构可分为单总线和多总线两大类。

1. 单总线
   系统上的所有部件，包括CPU、主存储器、I/O设备都挂在一组总线上。各部分可以通过总线进行信息的交互。
   但是不能同时实现CPU与主存，CPU与I/O和主存与I/O之间的通信。
2. 双总线结构
   多总线结构提高了数据传输率，减轻了系统总线的负担。

总线的性能

1. 总线宽度。总线中数据总线的数量，用位表示，总线的数据传输量与总线宽度成正比。

2. 总线时钟。总线中各种信号的定时基准。

3. 最大数据传输速率（总线带宽）。在总线中每秒钟传输的最大字节量，用MB/s或GB/s表示。
   总线带宽 = （总线宽度 / 8 位）*总线频率

4. 信号线数。总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线。

5. 负载能力。总线中信号线带负载的能力，表明了总线的扩充能力强。

6. 通信定时方式。由于数字信号的传送必须占用一定的时间间隔，因此两点之间的通信必须有共同的定时标准。定时方式有同步方式和异步方式两种。

7. 总线复用。在一条线上传输多种信号的情况。

8. 总线控制方式。包括传输方式、并发工作、设备自动配置、中断分配及仲裁方式等。

9. 其他指标。

总线控制功能

与总线相连的部件有两种工作方式：主方式和从方式。部件工作于主方式时可以控制总线并启动信息传送，工作于从方式时只能按主部件的要求工作。有的部件可以工作两种方式，但不能同时进行。

总线的基本控制功能

1. 总线驱动。在计算机中通常采用三态总线驱动器来驱动总线。
2. 总线数据传送。
3. 出错处理。
4. 总线仲裁控制。也成为总线判优，避免各部件同时往总线发送信息造成冲突。

总线的仲裁方法

大致可分为静态和动态两种，静态方法是总线分时分配给每个设备，每个主设备占用一个时间片；动态方法是当总线上的一个部件要与另一个部件进行通信时，首先应该发出总线请求信号。

总线的操作过程

总线请求 -> 总线仲裁 -> 寻址 -> 传送数据 -> 检错处理 -> 总线释放
总线控制线路包括总线仲裁逻辑、总线驱动电路和中断逻辑等。

二、常用系统总线

1.ISA和EISA总线

ISA（工业标准体系结构）带宽为8MB/s或16MB/s，具有一个8位62线的连接器，还有一个附加的36线连接器，这种扩展I/O插槽既可以支持8位的插卡，也可以支持16位的插卡。同时ISA总线还支持中断功能能和DMA功能。
EISA很好地兼容ISA，总线带宽为33MB/s，具有32位地址宽度，直接寻址范围为4GB，具有32位数据线，增强了中断功能和DMA仲裁和传输功能，并使用突发方式对主存进行访问。

2.PCI总线

PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽，可见其应用的广泛性。

PCI是在原来的CPU和ISA/EISA总线之间插入的层间总线，由一个桥接电路实现对PCI总线的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。

PCI总线的主要性能：

1. 数据总线宽度为32位，可扩充到64位。
2. 总线时钟频率为33MHz/66MHz。
3. 支持64位寻址能力。
4. 支持即插即用功能，新插入的PCI总线，系统能自动识别并装入相应的驱动。
5. 支持猝发传输。采用这种方式，主设备预先发出一个起始地址，接着是一系列隐含地址的数据信号。
6. 完全的多总线主控能力。
7. 具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力。

3.AGP总线

AGP总线是一种专用于视频传输的总线规范。AGP插槽可以插入AGP显卡，可将视频传输速率提高：
不同AGP接口的模式传输方式不同。

1X模式
工作频率达到了PCI总线的两倍—66MHz，传输带宽理论上可达到266MB/s。

2X频率
AGP 2X工作频率同样为66MHz，但是它使用了正负沿（一个时钟周期的上升沿和下降沿）触发的工作方式，在这种触发方式中在一个时钟周期的上升沿和下降沿各传送一次数据，从而使得一个工作周期先后被触发两次，使传输带宽达到了加倍的目的，而这种触发信号的工作频率为133MHz，这样AGP 2X的传输带宽就达到了266MB/s×2（触发次数）=533MB/s的高度。

4X频率
AGP 4X仍使用了这种信号触发方式，只是利用两个触发信号在每个时钟周期的下降沿分别引起两次触发，从而达到了在一个时钟周期中触发4次的目的，这样在理论上它就可以达到266MB/s×2（单信号触发次数）×2（信号个数）=1066MB/s的带宽了。

8X频率
在AGP 8X规范中，这种触发模式仍然使用，只是触发信号的工作频率变成266MHz，两个信号触发点也变成了每个时钟周期的上升沿，单信号触发次数为4次，这样它在一个时钟周期所能传输的数据就从AGP4X的4倍变成了8倍，理论传输带宽将可达到266MB/s×4（单信号触发次数）×2（信号个数）=2133MB/s的高度了。

4.PCI-E总线

PCI-E是从PCI总线基础上演变过来的，具有以下优点：

1. 点对点串行互联。每一个PCI-E设备都拥有自己独立的数据连接，各个设备之间并发的数据传输互不影响。
2. 双通道，高带宽，传输速度快。类似于全双工模式，提高了传输效率。使用了内嵌时钟技术，时钟信息直接写入数据流，更能节省通道。
3. 灵活扩展性。与PCI不同，PCI-E总线能延伸到系统之外，采用专用线缆可以将各种外设直接与系统内的PCI-E总线连接在一起。
4. 使用小型连接，节约空间，减少串扰，减低电源消耗，并有电源管理功能。
5. 支持设备热插拔和热交换。（热插拔即带电插拔，在系统不关闭的情况下也可以插拔。）
6. 具有数据包和层协议架构，可保持端对端和链接级数据完整性。
7. 在软件层保持与PCI的兼容。

三、主要外设总线

外设总线用于实现计算机主机和外围设备之间的连接。传统的外设接口是专用的，通常只能与某一设备相连。

1.SATA总线

与硬盘、光驱等外存相连的总线分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种。IDE接口硬盘多用于以前的PC中。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。

SATA是Serial ATA的缩写，即串行ATA。它是一种电脑总线，主要功能是用作主板和大量存储设备（如硬盘及光盘驱动器）之间的数据传输之用。这是一种完全不同于串行PATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。SATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点，Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据。

SATA接口是新型计算机硬盘接口，在接口的物理特性上，完全推翻了SATA并行接口的模式，接口分为信号与电源两部分。
如，SATA物理接口示意图（a）为硬盘设备信号部分连接器，（b）为设备供电部分连机器（c）（d）是分别是电缆部分的信号、电源连接器，（e）是主机部分的电缆连接器，（f）和（g）是电缆与插座连接的示意图。

2.USB总线

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

USB优点

• 使用方便
  （1）适合多种设备。USB接口采用统一的标准，为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的标准连接方式。
  （2）具有自动配置即插即用的能力。
  （3）USB不需要用户进行初始化定义。
  （4）节省硬件资源。
  （5）易于连接。
  （6）无需另备电源。
  （7）支持热插拔。
  （8）简易电缆连接。（下图为几种常见的USB连接器）
  

• 速度较快
  USB提供低速（1.5Mb/s）、全速（12Mb/s）和高速（480Mb/s）3种速率来适应不同类型的设备。最新USB3.0的传输速率达到2.5Gb/s。

• 可靠性高
  （1）硬件设计：USB驱动器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。
  （2）数据传输协议：USB是一种基于信息的协议总线，它必须遵循对于总线上传输信息的格式、组织、应答方式等所做的一系列规定。

接口定义

USB是一种常用的pc接口，他只有4根线，两根电源两根信号，故信号是串行传输的，usb接口也称为串行口，usb2.0的速度可以达到480Mbps。可以满足各种工业和民用需要。
USB接口的输出电压和电流是：+5V 500mA 实际上有误差，最大不能超过+/-0.2V 也就是4.8-5.2V 。
USB接口的4根线一般是下面这样分配的：黑线：gnd 红线：vcc绿线：data+ 白线：data-
需要注意的是千万不要把正负极弄反了，否则会烧掉usb设备或者电脑的南桥芯片

1. 接口颜色
   一般的排列方式是：红白绿黑从左到右
   定义：
   红色－USB电源：标有－VCC、Power、5V、5VSB字样
   绿色－USB数据线：（正）－DATA+、USBD+、PD+、USBDT+
   白色－USB数据线：（负）－DATA-、USBD-、PD-、USBDT-
   黑色－地线：GND、Ground

2. USB原理
   USB的结构框架（如右图）
   PC主板上的那两个插口，就是root hub。root hub是一个USB系统的总控制端口。它既可以直接接外设，也可以通过hub控制更多的外设。USB hub结构类似通常的网络集线器，有一个upper link和很多子端口，每个子端口可以接一个外设，也可以再通过一个hub接入更多外设，直到所有外设加起来到127为止。

3. USB的加载过程
   当USB设备接入hub或root hub后，主机控制器和主机软件（host controller & host software）能自动侦测到设备的接入。然后host software读取一系列的数据用于确认设备特征，如vendor ID, product ID, interface工作方式，电源消耗量等参数。之后主机分配给外设一个单独的地址。地址是动态分配的，各次可能不同。在分配完地址之后对设备进行初始化，初始化完成以后就可以对设备进行IO操作了。
   
   USB系统组成

   1. USB互连：指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作。
   2. USB的调度：USB提供了一个共享的连接，避免了优先级判别的开销。
   3. USB的设备：USB设备分为集线器、分配器或文本设备等类。
   4. USB的主机：在任何USB系统中，只有一个主机。

USB传输类型

1. 控制传输：双向传输，数据量通常较小。
2. 中断传输：用于定时查询设备是否有中断数据要传输。
3. 数据块传输：应用在数据要大量传输和接收，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证可靠传输。
4. 等时传输：同步传输提供了确定的贷款和间隔，例如对于即时通话的网络电话应用。

3.IEEE总线

计算机接口IEEE1394，俗称火线接口，主要用于视频的采集，在INTEL高端主板与数码摄像机(DV)上可见。 IEEE 1394，别名火线（FireWire）接口，是由苹果公司领导的开发联盟开发的一种高速度传送接口，数据传输率一般为800Mbps。

相对优点

IEEE-1394 的优点是支持点对点的通信、广播通信，也支持热插拔，以及设备可以使用更大的总功率（30V电压的情况下电流高达1.5A）。

相对缺点

与USB的功能相比（主机计算机管理接口），IEEE-1394的设备有更多需要实现的功能，因此实现起来更加复杂而且昂贵。超高速USB已经超越了IEEE-1394b的3.2Gbit/s总线速度。与所有计算机都有USB端口不同，IEEE-1394端口不是那么普遍，可能需要在扩展卡上添加端口。对于某些设备（如驱动器）而言，两种接口都工作得不错，而且有些设备科可同时支持两种接口。