总线演变简史

总线演化简史常常听到人们说总线，什么PQ总线，AGP总线，PCI-Express总线，那究竟什么是总线呢？总线是怎么来的呢？今日，我们就来研讨这个问题。总线是微机系统中广泛采纳的一种技术。总线是一组信号线，是在多于2个模块(子系统或设施)间相互通讯的通路，也是微处理器与外部硬件接口的核心。打个比方说，模块(例如CPU,内存,南北桥芯片等)就是一个城市，那总线就是连接城市和城市之间的大路，城市之间的物资运输要靠大路，模块之间的数据传输靠的则是总线。由于计算机是一个协同工作的整体，需要模块之间不断交换数据，总线的作用自然是特别重要的。即使你的CPU每秒能处理10G的数据，但是你的总线每线只能传输1M的数据给CPU,依据瓶颈效应，你的CPU也就只能处理1M的数据，只发挥了1/10000的性能。因此，自从总线问世以来，随着微处理器技术的飞速进展，随之相应的总线技术也得到不断创新。由PC/XT到ISA、MCA、EISA、VESA到PCI.AGP、正EE1394、USB到今日的PCI-Express总线等。究其缘由，是由于CPU的处理力量快速提升，但与其相连的外围设施通道带宽过窄且总落后于CPU的处理力量，这使得人们不得不改造总线，为CPU铺设越来越快的高速大路。IEEE696(S100)总线1975年，在美国新墨西哥镇一家名为MITS的小公司，由爱德华・罗伯茨(EdwardRoberts)以8080微处理器设计安装了全球第一台PC——Altair单板机系统，但是却不幸在运输过程中丢失。爱德华•罗伯茨只好重新开头设计，并且在新的PC中，采纳了全球第一条PC扩展总线。很快，这条总线就被全球的制造商所接受，并有了一个正式的名字一PCIExpress总线具有很多优点，由于只需要从芯片组中引出很少的引脚，这使得主板布线难度大大降低，但是却具有比现在的PCI高的多的带宽和传输速度，此外在配置的敏捷性方面PCIExpress也优于PCI。它可以依据所连接的硬件设施的不同，使用不同频率的同其联系通讯。同时，PCIExpress总线可以“走出机箱"。也就是说PCIExpress可以犹如现在的USB或者Firewire一样通过计算机上的肯定接口同外部采纳相应符合PCIExpress标准接口的设施进行连接和通讯。由于PCIExpress总线采纳了点对点技术，每个PCIExpress设施都是直接同系统芯片进行沟通，因而不会像PQ总线存在整体带宽问题，不会由于个别设施而影响其它共享PQ总线的设施。PCIExpress还具有很好的向下兼容性，符合PCI2.3法律规范的板卡都可以在低带宽的PCIExpress插槽上使用。每个基本PCIExpress连接都是由一个接受对和一个发送对组成（共四组线路），由一个微分信号在两个接口之间采用电压差来传递。第一代的PCIExpress连接信号传输速度为每个基本连接单向2.5Gbit/s,通过多个基本连接同时工作,可以最大实现80Gb/s即10GB/S的带宽。看到这里，有的伴侣可能会提出疑问，PQExpress最大带宽不是8GB/S吗？这是由于PCIExpress总线是直接植入了时钟信号的，时钟信号被直接植入数据流中，而不是作为独立信号存在。由于是通过8b/10b的编码来实现，所以每个字符需要占据lObit，也就是会比通常多出20%。举个例子来说，我们每传送8bit的数据，PCIExpress总线就会自动添加2bit的时钟信号，总共传送lObit的数据。因而PCIExpress总线的实际最大带宽是要打个"八折"的。PCIExpress连接结构可以有xl、x2、x4、x8、xl2、xl6和x32几种不同形式。顾名思义，xl的连接就是则在每个方向上具有1个基本连接，X16的连接则在每个方向上具有16个基本连接，x32的连接则在每个方向上具有32个基本连接，可以进行10GB/S的传输，实现8GB/s的实际带宽。InfiniBand(NGIQFIO)总线相比之下，知道InfiniBand总线的就不多了，由于这个总线更多是面对服务器领域，而且是一路风风雨雨进展过来的。最初，为了应对服务器的不断进展对传统总线造成的压力，英特尔公司推出了所谓下T弋I/。总线结构,即NGIO(NextGenerationInput/Output)总线；随后不久，IBM、HP也提出了一个类似的用于服务器领域的总线，并称之为FIO(FutureInput/Output)总线。这两个总线在当时都掀起了相当的热潮，大家都在猜想哪个才是最终的成功者，谁都没想到它们竟然最终合并成了一个总线，就是我们现在的InfiniBand总线。1999年，Dell(戴尔1HP(惠普).IBM.Intel(英特尔\Microsoft(微软)和Sun(升阳)创立了InfiniBandTradeAssociation(IBTA),拥有180多个成员,旨在让Infiniband成为下T弋I/O标准。InfiniBand体系结构与PCI和PCIExpress并不是可以相提并论的话题。由于PCIExpress和PCI都属于本地互连技术而InfiniBand则没有这个限制。在技术上InfiniBand基于SwitchedFabric。具有1组Link(1组由两条单向传输路径组成\4组Link以及12组Link共三种规格。1组Link时传输速度为2.5Gbps,4组时为lOGbps,12组时为30Gbps,双向可分别实现5Gb/s,20Gb/s和60Gb/s的带宽。每个Link可以使用铜线或者光缆。假如使用铜线，传输距离可达17米乂段如使用光缆最长可以传输10公里。使用InfiniBand的系统是由多个子网构成的，子网之间通过路由器以及网桥连接，一个子网最多可以由6.4万个节点构成。由于消退了内部I/O总线,InfiniBand总线可以使服务器的占地面积削减60%,从而取代体积浩大的服务器。InfiniBand将使应用开发人员放开手脚，开发出速度更快的软件,由于开发人员可以使应用程序不必再经过CPU就可直接调用I/O设施。此外，它不仅能用于单台服务器，而且也可以用于集群服务器以及服务器之间高速互联。曾经辉煌的ISA总线早已从我们的主板上消逝,AGP总线也已被英特尔判了死刑，估量消逝也已是时间的问题，HyperTransportPCIExpress总线已经切实走到我们身边。总线技术的不断进展，不断地为模块之间修筑越来越快的高速大路，让CPU等各个部件越来越完全地发挥其性能。以铜为鉴,可以正衣冠;以古为鉴,可以知兴替;以人为鉴，可以正得失；以总线为鉴，可以明进展，总线的进展史就是计算机的进展史。-S100e后来S100总线还得到了正EE（美国电气电子工程师学会）的认可，并被命名为正EE696总线标准。PC/XT总线20世纪70年月末，苹果公司的成功让IBM公司上下眼红不已，并由最高决策层下令研制个人电脑。1981年，IBM推出了以8088为CPU的新一代个人计算机，为增加扩充力量也设计了总线。该总线被称为PC或PC/XT总线,是PC总线的第一次创新。与以前苹果等公司做法不同的是4BM向外界完全公开了包括PC/XT总线完整法律规范在内的技术文件,允许各个厂商开发基于PC/XT总线的产品。这一举措无疑是特别成功的，将众多的厂商都拉入了IBM的阵营,从而促生了今日兼容机的富强场面。PC/XT总线具有牢靠简便、使用敏捷等优点，并削减了自定义引脚，提高了总线的兼容性。但由于IBM推出PC机较为仓促，使PC/XT总线技术也有些不足，如总线布置较为混乱，对信号完整性及频率方面考虑不够总线位宽也较低PC/XT总线只有8bit总线位宽，工作频率为4.77MHZ/S,数据总线带宽因而仅为8X4.77/8=4.77MB/s,最大数据传输率仅为2.38MB/S。ISA（PC/AT）总线1984年IBM公司推出了16位PC机PC/AT,同时也在PC总线基础上增加36个引脚，推出了对应的16位总线-AT总线。其工作频率也提升到了8MHz，总线带宽也就相应提升到了16X8/8=16MB/S。相比PC/XT总线取得了很大的进步。但由于种种缘由JBM公司从未公布过他们的AT总线规格,尽管各兼容机厂商仿照出了AT总线，但还是存在某些模糊不清的解释，为了能够更好的合理开发兼容于PC/AT总线的产品，由Intel公司、IEEE（美国电气电子工程师学会）和EISA集团联合开发出与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA（IndustryStandardArchitecture）总线（因此有时我们也把8位和8位/16位兼容的AT总线称为ISA）。ISA总线虽然最大数据传输率仅为8MB/S，但其允很多个CPU共享系统资源。由于兼容性好，它在上个世纪80年月是最广泛采纳的系统总线，不过它的弱点也是显而易见的，比如传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。MCA总线随着32bit外部总线的386DX处理器消失JSA总线的16bit总线位宽就成为了系统严峻的瓶颈，并影响处处理器性能的发挥。为了提高计算机的速度，充分发挥80386的性能，IBM又重新设计了总线。但是这次，IBM公司为爱护自身的利益，在宣布PC/2机器时，推出了享有专利的MCA总线，不再向众多的兼容机厂商开发。从技术层面上讲，MCA是比较先进的，其总线位宽为32bit,寻址空间达到了4GB，总线时钟为10MHz,总线带宽和最大数据传输率达到了40MB/S。而且MCA配有总线仲裁机构，可支持16个总线主掌握器，允许共享中断级，适用于多用户、多任务的环境。但是，由于MCA总线与ISA总线不兼容，不支持ISA外设，影响了在PC兼容机上的使用。EISA总线为了打破IBM的垄断，1988年9月，Compaq（康柏\AST、Epson（爱普生\HP（惠普）Olivetti.NEC等9家公司联合起来，推出了一种兼容性更优越的总线，即EISA（ExtendedISA,扩展ISA）总线。和IBM不同，EISA总线是把ISA总线扩展到32bit位宽，与8/16bit的ISA总线完全兼容。但是EISA总线工作频率照旧仅有8MHz,带宽也仅提高了一倍，只有32MB/soEISA总线支持多处理器结构，具有较强的I/O扩展力量和负载力量，支持多总线主控，而且其技术标准公开，因而受到众多厂家的欢迎。惋惜的是，EISA总线兼顾了ISA的电气特性,因而阻碍了总线速度的进一步提高，并且成本过高。VESA总线随着多媒体的渐渐普及，常常需要在CPU和外设之间进行大量高速的数据传送和处理，MCA总糊口EISA总线渐渐无法满意数据传输的需要。为了解决CPU和外设之间越来越严峻的瓶颈问题,1992年VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation视频电子标准协会）联合IBM、COMPAQ（康柏）等60余家公司,对PC总线进行了第五次创新，推出了VESALocalBus（简称VESA或VL总线）局部总线。VESA总线也是一种开放性总线，具有32bit的总线位宽，总线工作频率也大幅提高,达到了33MHz,同时支持BurstMode突发传输方式，最大数据传输率也达到了132MB/S。VESA总线转变了以往的总线结构,将网络适配器、多媒体设施、磁盘掌握器等从传统的ISA总线上卸下，而是直接通过VESA总线连接到CPU总线上，使这些设施和CPU的数据传输量和传输速度大幅增加。尤其是显卡,正是由于VESA总线解决了以往的瓶颈，从今开头了其高速进展。但是由于VESA总线没有严格的标准，只是规定了信号线定义，这导致不同公司的VESA总线板卡相互兼容性较差,而且最多只能有3个扩展槽，扩展性也特别有限。由于VESA总线是直接连接CPU的，可以说是特地针对486开发的，因而VESA总线就不能支持Pentium以及以上的CPU。随着486的衰落和Pentium的普及，VESA总线也就渐渐走向没落。PQ总线90年月，随着图形处理技术和多媒体技术的广泛应用，VESA总线已远远不能满意显卡等设施的要求，这就促使IT厂商们开发新的总线技术。1991年下半年，Intel公司首先提出了PQ的概念，并联合IBM、COMPAQ（康柏1AST、HP（惠普）DEC等100多家公司成立了PCI集团（PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup外围部件互连专业组），简称PCISIG,推出了开放性的PQ总线。和VESA总线一样，PQ总线同样将网络适配卡、磁盘掌握器等高速外设通过PCI局部总线直接挂在CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。PQ具有32bit总线位宽,可扩展至64bit;工作频率为33MHz，最大传输率达到了133MB/S（32bit\同时，PCI提出了桥（Bridge）的概念，其功能是连接两条计算机总线，使总线间相互通讯。在PQ法律规范中，提出了主桥、标准总线桥和PCI桥三种桥。其中主桥负责CPU和PCI之间的传输，标准总线桥负责PCI和ISA、EISA之类的标准总线之间的传输，PCI桥则负责PCI与PCI之间的传输。其中，主桥称为北桥（NorthBridge）,其它的桥就称为南桥（SouthBridge）,随之也就诞生了传统意义上的南北桥芯片。PQ总线支持线性突发传输，支持总线主控及同步操作，而且由于其采纳了独立于CPU的结构设计,因而不像VESA总线一样受CPU限制，具有很好的兼容性，可以和各种不同的CPU兼容。由于PQ总线的诸多优点，很快的它就取代了VESA.ISA等总线，成为了“最长寿"的总线，始终沿用至今。AGP总线随着CPU性能的不断攀高，也随着图形处理器的不断升级，图形芯片和CPU之间交换的数据量自然也随之不断水涨船高。由于传统PQ总线最大数据传输率只有133MB/S,这已远远无法满意图形处理器对数据传输的要求。因而,Intel再次联合众多厂商，开放了第一个图形芯片专用总线--AGP总线(AcceleratedGraphicsPort,高速图形接口\AGP总线实质上是对PCI技术标准的扩充，但是其采纳了地址和数据线分别的设计，可实现流水线处理，同时大幅提高了系统实际数据的传输速率和随机访问主内存时的性能。AGP总线位宽为32bit,时钟频率为66MHz，最大能以533MHz(AGP8X)工作，最高传输速率可达2112MB/S(AGP8X\和传统的众多总线相比,AGP总线可以将系统主内存映射为AGP内存，用作显卡上的专业显存的扩展；并通过直接内存执行方式提高系统的3D图形处理性能。AGP总线的消失很好的解决了图形芯片和CPU的数据交换问题，但这是以其通用性的牺牲为代价的。AGP总线始终只能使用在图形芯片方面，无法在更多的领域发挥其功效。AlphaEV6总线假如你手上有比较老的电脑教学书籍，你会发觉它们几乎都没有提到一个单词，那就是FSB(前端总线频率)，这个在今日特别流行的词语。这是怎么回事呢？缘由就是在当时,前端总线频率和CPU外频都是同步的，这就造成人们很少把它们区分开来讲。但是自从AlphaEV6总线发布以后，前端总线频率开头和CPU外频分道扬镶，它们之间已经无法再划上等号。为了能给CPU更大的数据传输带宽,AMD研发了AlphaEV6总线，采纳源同步时钟技术，可以采用同一方波的提升沿和下降沿分别完成一次触发，这就可以轻易的使处理器与芯片组之间的总线频率达到两倍于外频的速度。以AthlonXP2000+为例,2000+的外频为133MHz,前端总线频率就达到了133MHzX2=266MHz0与此同时，AlphaEV6总线采纳信息包传输合同，允许每一处理器容纳24项预处理任务，这个数字可是PQ总线的6倍！同时，AlphaEV6总线能支持的处理器物理可寻址存储器也达到了8T字节（1T=1OOOGB），而PQ总线仅支持64GB的数据存取。AlphaEV6总线可以特别有效地提升处理器与内存、芯片组之间进行数据交换的带宽,这为Athlon系列CPU在和奔腾3乃至之后奔腾4的竞争中助力不少。QuadPumped总线随着AlphaEV6总线的发布，英特尔也迫切要为它的奔腾4开发一个专用总线来增大带宽，QuadPumped（4倍并发）总线就这样诞生了。相比之下,QuadPumped总线可以在一个时钟周期内，在总线上同时传送四路64bit数据，这样一来，前端总线的频率就提升到了CPU外频的四倍。以外频为200MHz的奔腾42.6C为例其前端总线频率就为400MHzX4=1600MHz。在相同CPU外频下QuadPumped总线拥有比AlphaEV6总线高一倍的带宽，更有利于CPU性能的发挥。PCI-X总线为解决英特尔架构服务器中PQ总线的瓶颈问题，Compaq（康柏\IBM和HP（惠普）公司打算加快加宽PCI芯片组的时钟速率和数据传输速率，使其分别达到133MHz和1GB/S.采用对等PCI技术和英特尔公司的快速芯片作为智能I/O电路的协处理器来构建系统，这种新的总线就称为PCI-X.与PCI相比,PCI-X拥有更宽的通道、更优良的通道性能以及更好的平安性能，但是PCI-X又能与目前的PCI设施兼容，并具有良好的扩展性，这就很大程度上削减了PQ-X总线普及的阻力。和PCI相比，PQ-X频率是可扩展的，可随设施的变化而变化，而不是像PCI那样是固定的。比如某一设施工作于66MHz,那么它就将工作于66MHz,而假如设施支持100MHz的话，PQ-X就将于100MHz下工作。PCI-X可以支持66,100,133MHz等频率，工作于66MHz的PCI-X掌握器将最多能访问4个PCI-X设施，在64bit模式下拥有533MB/S的带宽。同时，我们还可以通过增加PQ-X至PCI-X的桥接芯片来支持更多设施。但是随着PQ-X设施工作频率的提升，可以管理的设施数目也会递减。当全部的PCI-X设施均工作于100MHz下时,在64bit模式下就将拥有800MB/S的带宽，但是最多可以管理的PCI-X设施也缩减到了两个。当PQ-X设施工作于133MHz时，PQ-X总线将只能支持1个PQ-X设施，但是其将具有惊人的1066MB/S带宽（64bit模式）！2002年7月,PCI-SIG又提出了全新的PCI-X2.0标准，包括PCI-X266和PCI-X533两个法律规范，在64bit模式,分别具有2.1GB/S带宽和4.3GB/S带宽。如今，最新一代的PCI-X3.0标准又被提出，PCI-X1066等同工作在1066MHz,在64bit模式下具有8.6GB/s的恐怖带宽。而且PCI-X1066和PCI-X266以及PCI-X533都是向下兼容的。HyperTransport总线1999年,AMD在MicroProcessorForum上首次提出了HyperTransport总线的概念，当时还是被称为LightningDataTranspor