硬件天书之总线的故事（上）
整机外设
提起电脑的总线，初学电脑者最先想到的可能是电脑机箱内那些纵横交错、形状各异的连接线吧，其实这种认识是不正确的，至少也是非常片面的。其实这些连线中包括电源线和数据线，而当中只有数据线才能和总线扯上那么一点关系，而那些从电源中引出的电源线则和总线没有丝毫联系。
“那究竟什么是总线呢？”有些读者肯定会产生这样的疑问。总线，就其功能而言，它是电脑内部各部件间进行信息传递的通道，如何进行通道控制、指令判断、选择具体的传输方式就属于总线技术探讨的内容。如果把CPU比作人的“大脑”，那么总线就是联系人体内各个重要器官的“神经系统”，在总线的协助下，CPU才能控制整个计算机系统的正常工作。
目前的电脑总线大致是如图1所示的结构。总线具体又分了很多种，下面我们按照个人计算机(以下简称PC)的发展过程来介绍一下各种总线。
早期的总线
1.PC/XT总线
说起总线的发展就不能不提到IT业的巨头IBM(国际商用机器公司)。1981年8月，以制造商用电脑系统为主的IBM公司推出了第一台基于Intel 8088处理器的PC──IBM PC/XT。与IBM PC/XT一起诞生的是PC/XT总线，虽然它不是最早出现的总线系统(AppleⅡ和基于8080、Z80的微机采用的总线系统都比它早)，但在X86家族中，PC/XT总线却是最年长者。现在市场上随处可见的那些由Intel或AMD生产的CPU都是这个家族的后代，基于这些CPU的个人电脑也可以称作IBM PC/XT的兼容机。
PC/XT总线是基于准16位机PC/XT的8位总线标准，也被称为PC总线。PC总线的主要特点是把CPU视为总线的唯一的主控设备，因此PC总线的效率不是很高。
PC总线是—种开放的总线架构，而且价格低廉、简便可靠、使用灵活、插板兼容性好，因此有很多电脑厂家生产基于该总线的兼容产品。虽然PC总线早已淡出个人电脑市场，甚至连单片机市场也很难见到它的踪影，但它确在PC总线历史上留下了重重的一笔。
2.ISA总线
随着286时代的到来，PC总线已经无法满足那颗奔腾的“芯”对速度的渴望。1984年，IBM公司为自己新推出的IBM PC/AT建立了一套新的总线标准，这就是著名的ISA(Industrial Standard Architecture，工业标准结构)总线，也被称作AT总线。与PC总线一样，ISA总线现也功成身退，大家只能在一些老式主板上见到它的踪影。图2这块ISA接口卡就是当时ISA总线发展时代的产物。
3.MCA总线
1987年IBM推出了32位MCA(Micro Channel Architecture，微通道结构)总线标准，并首先在自己的IBM PS/2系列上使用。但是MCA总线有两个弱点：首先是无法与当时已广泛使用的ISA总线兼容；其次MCA不再是一个开放的总线标准，任何使用MCA总线架构的电脑制造商都必须向IBM交纳一笔可观的费用。这无疑严重影响了MCA总线的推广和普及，除了IBM自己的产品，现在我们已经很难再见到采用MCA总线的PC，从这点上看，MCA是一个失败的总线标准。图3所示为一块MCA接口卡，也是为了适应MCA总线标准的产品。
4.EISA总线
1988年Compaq等9家电脑公司推出了一种新的总线标准EISA(Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准接口)。EISA适合于对总线使用要求较高的系统软件，如Windows、UNIX、OS/2等，也适用于对数据传输速率要求较高及数据传输量较大的应用场合，如高速图形处理、LAN管理和文件服务应用软件等。作为一种新的总线标准，EISA仅仅是对ISA总线性能的加强，当性能更为出众的PCI总线出现时，EISA总线的使命也就完成了。图4所示即为EISA总线标准下的EISA接口卡。
5.VESA局部总线
1992年5月，VESA(Video Electronic Standard Association，视频电子标准协会)制定了VESA局部总线标准。VESA采用32位数据线，通过扩展槽还可以增加到64位，工作频率为33MHz，最大数据传输率可以达到133MB/s。由于VESA是对CPU/内存总线的直接扩展，挂接在总线上的设备以与CPU相同的频率运行，无疑增加了CPU的负荷。后来随着奔腾时代的来临和PCI总线的出现，属于486时代的VESA总线也就迅速消亡了。
图5为原来的VESA接口卡示意图。
主流的总线
6.PCI局部总线
PCI(Pedpherd Component Interconnect，周边元件扩展接口)总线标准最早是由Intel公司于1991年底提出的。1992年推出了PCI 1.0版标淮，在1993年和1995年又分别推出2.0版和2.1版。
PCI总线是一种高性能的32位/64位地址数据复用总线标准，PCI局部总线具有即插即用的特性，拥有VESA总线所有的特性和优点。PCI总线工作频率为33MHz，最大数据传输率为133MB/s(32位)或266MB/s(64位)，总线读/写采用一种叫做线性突发的数据传送模式，极大地提高了数据的传输效率。PCI总线与CPU工作频率无关，不依赖于任何CPU，即使是将来开发出性能更高的CPU，PCI总线仍然可以找到自己的用武之地。
PCI局部总线允许在1台电脑中安装多达10个PCI扩展卡，允许将ISA、EISA等其他总线控制卡安装在上面，PCI总线采用一种称为Bus Mastering(总线管理)的技术来协助CPU完成各项任务。正是因为拥有如此之多的优点，PCI总线一经出现便成为一种流行的总线标准。在当时，PCI总线可以满足所有设备对总线带宽的需求，带宽不再是制约系统性能的瓶颈，电脑系统的性能有了一次质的飞跃。图6所示即为我们常见的PCI接口卡。
就目前而言，PCI总线还是可以完成大部分外部设备对总线带宽的需求，不过在对数据带宽需求日益增长的显示设备面前，PCI总线就显得难以应付了，因此一种专门用于显示设备的总线标准──AGP总线就这样诞生了。
7.AGP总线
随着3D游戏制作水平的提高，大量3D特效和纹理贴图所必需的数据传递需求压得PCI总线喘不过气来，拥有高带宽的AGP总线自然成了最好的解决方案。AGP(Accelerated Graphics Port，加速图形端口)是在PCI总线基础上发展起来的，它负责控制芯片和显卡之间的图形数据传输。图7所示为AGP接口卡。AGP与PCI总线的区别在于：AGP专门用于图形设备，譬如显卡，而不能用于其他外设。AGP总线直接与系统主内存相连，避免相对低速的PCI总线成为影响显卡性能的瓶颈，并且可以在显存不足的情况下直接调用系统主内存。AGP1.0是基于PCI 2.1标准，采用32位数据传输，工作频率为66MHz，因此可以提供两倍于PCI标准的总线带宽266MB/s。
与PCI总线相比，AGP总线除工作频率提升以外，在总线传输效率上也有了很大的提高。PCI总线就像一条单行道，PCI显卡从内存中读取数据时，就如同从显卡开出一辆空车到内存去装货，必须等到该车将货物运回来以后，才能发出下一趟车继续装货，这样在发出请求和得到数据之间有很多时间是在等待。AGP总线对此作了很大的改进，它更像是一条高速公路，不但改善了路面质量，提高了“车速”(提高了工作频率)，而且增强了总线控制器的功能。这样从AGP显卡可以连续发出多辆车去内存装货，减少了等待内存的寻址时间，大大提高了总线工作效率。
目前AGP总线的最新标准是AGP 8×，虽然数据传输位数也是32位，但工作频率达了533MHz，因此可以提供的最大带宽也就达到了2.1GB/s，是原来AGP 4×的2倍，AGP 8×的出现正好适应了现今CPU和GPU(显示芯片)的飞速发展。不过需要注意的是目前最新的AGP 8×标准无法做到向下完全兼容，最多只能做到与AGP 4×的部分兼容，也就是说如果AGP 8×显卡可以插到AGP 4×的插槽中，那么则以AGP 4×模式进行工作，而不是显卡本身的AGP 8×。
8.IDE/ATA总线
我们电脑中的硬盘和光驱等数据存储设备就是由IDE总线连接起来的，IDE(Integrated Drive Electronics，集成电路设备：它的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器)接口标准于1989年制定。目前流行的IDE接口有ATA 33/66/100/133MHz，ATA33又称Ultra DMA/33，是由Intel公司制定的一种同步DMA传输标准，最大传输速率可达33MB/s。ATA 66/100/133MHz则是在Ultra DMA/33基础上发展起来的，它们的最大传输速率分别可达到66MB/s、133MB/s。
9.SCSI总线
SCSI(Small Computer System Interface，小型计算机系统接口)最早出现在1979年，现在已经被完全移植到PC上。SCSI是一种低成本、多用途的电脑系统与外部设备的并行总线标准，可以采用异步或同步方式传送数据。当采用8位异步方式传输数据时，传送速率可达1.5MB/s；采用同步方式时速率可达5MB/s。在SCSI之后ANSI SCSI委员会又相继推出了SCSI-2和SCSI-3接口标准，其中在SCSI-3标准中最大传输速率可达160MB/s。
10.IEEE 1394总线
IEEE 1394是一种通用串行接口标准，在苹果机上称之为火线(Firewire)，Sony称之为i.Link(图8)。
作为一种数据传输的开放式技术标准，IEEE 1394应用于很多领域，但主要还是应用于数码方面。它可以简单地把电脑与外部设备如大容量存储器、家庭网络、高速打印机、娱乐设备甚至视频会议连接起来。而且由于数字广播、因特网、家庭数字网络和高带宽的视频/音频的传输需求，也带动了IEEE 1394的迅速发展。1394的数据传输率1394a是50MB/s，1394b的数据传输率是100MB/s。
这期我们按照总线的发展历史先讲了10种总线类型，接下来还有多种总线要介绍。让我们一起期待下期的到来吧。
阿King教你
总线频率：总线的工作频率，以MHz表示，它是影响总线传输速率的重要因素之一。
总线宽度：数据总线的位数，用位(bit)表示，如总线宽度为8位、16位、32位和64位。
总线传输速率：在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/s，即每秒处理多少兆字节。传输速率=总线时钟频率×总线宽度/8。
打个比方，高速公路上的车流量取决于公路车道的数目和车辆行驶速度，车道越多、车速越快则车流量越大；总线带宽就象是高速公路的车流量，总线位宽仿佛高速公路上的车道数，总线时钟工作频率相当于车速，总线位宽越宽、总线工作时钟频率越高则总线带宽越大。当然，影响总线性能的参数还有很多，如其同步方式、负载能力、信号线等等，但以上所介绍的三个是其重要参数。
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