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1、现代微型计算机总线技术的发展闫长青吴石增摘 要：对现代微型计算机的总线技术进行了概述，并对随微型计算机不断发展所采用 的几种典型的总线进行了介绍，重点介绍了新近应用较多的PCI和AGP总线。同时对各种总 线的性能进行了综合对比。关键词：总线技术PC/XT总线ISA总线PCI总线AGP总线EISA总线近十几年来，微型计算机有了迅猛的发展，引发了新的技术革命，甚至引起 了人们生活方式的巨大变革。微型计算机之所以有如此大的能力，与计算机结构 技术的不断革新、发展是密切相关的。而总线技术正是计算机结构技术中一个十 分重要的组成部分。采用总线技术，是现代计算机技术发展的必然。由于总线技术的应用，简化 了
2、系统设计，便于组织各模块的专业化生产，也便于产品的升级换代，同时也能 得到众多计算机厂商的支持。在一般的微型计算机系统中，往往具有不同层次的总线结构，以386微机系统 为例，它就支持以下4种总线：(1) CPU总线：具有32位地址线(CAB)和32位数据线(CDB)，它用来连接CPU和 外围芯片。(2) 存储总线：具有32位地址线(MAB)和36位数据线(MDB，包括4位奇偶校验 位)，用来连接存储控制器和DRAM。(3) 系统总线：也称I/O通道总线，用来与扩充槽上的各扩充板卡相连。系统 总线有多种标准，其数据地址线不同，以适用于不同的应用系统。(4) 外部总线：具有24位地址线(XAB)和
3、8位数据线(XDB)，用来与主机板上的 I/O控制器和键盘控制器相连接。在以上几种总线中，CPU总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的计 算机系统采用的芯片组不同。所以这些总线均不完全相同，也没有互换性问题。而系统总线则不同，它是与I/O扩展插槽相连接的。I/O插槽中可以插入各 种扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。因此要求系统必须有统一的标 准，以便按照这些标准来设计各类适配卡。本文以下讨论的微机总线即指PC及其兼容机的系统总线或称I/O总线。下面 将对微机总线发展过程中的几种典型总线技术进行逐一介绍，重点是新近采用的 PCI及AGP总线技术。1 PC/XT总线、ISA(AT)总线
4、、及EISA总线这几种总线为较早在微机系统上采用的总线标准。其中，ISA(AT)总线至今仍 有一定的应用。1.1 PC/XT 总线最早的PC机的系统总线是IBM公司于1981年推出的基于准16位机PC/XT的总 线，也称PC总线。PC/XT总线支持8位数据传输和20位寻址空间。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。IBM PC/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
5、范围广泛。起初，IBM PC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。1.2 ISA(AT)总线1984年IBM公司推出了 16位PC机PC/AT，其总线称为AT总线。后来为了统 一标准，便将8位和8位/16位兼容的AT总线命名为工业标准结构(ISAIndustrial Standard Architecture)。由于ISA是8位和8/16位兼容的总线，故插槽有2种类型，即8位和8/16位。8 位扩展I/O插槽由62个引脚组成，用于8位的插接板；8/16位的扩展插槽除了具有 1个8位62线的连接器外，还有1个附加的36线连接器。这种扩展I/O插槽既支持
6、8 位的插接板，也支持16位的插接板。ISA总线具有以下的王要性能指标：.I/O地址空间0100H03FFH；.24位地址线，可直接寻址的内存容量为16MB；.8/16位数据线；.62+36 引脚；.最大传输率8Mb/s；.中断功能；.DMA通道功能；.开放式总线结构，能使多个CPU共享系统资源。ISA总线结构示意图如图1。图1 ISA总线结构示意图从表面看，ISA(AT)总线是在PC/XT总线基础上增加了 1个36线插座形成的。 但实际上，ISA(AT)总线比PC/XT总线不仅增加了数据线宽度和寻址空间，还加强 了中断处理和DMA传输能力，并且具备了一定的多主功能。故ISA(AT)总线特别
7、适合于控制外设和进行数据通信的功能模块。1.3 EISA 总线扩展工业标准结构(EISAExt end Indus trial St andard Archi tect ure)，是由COMPAQ牵头的一个联合组织共同制定的一组总线标准。EISA总线是一种32位总线结构，除了 ISA支持的8位或16位数据传输外，还 支持32位地址总线和32位数据传输。与ISA总线相比，EISA总线数据传输速度更 快，且支持多主控总线功能，可使普通微机的单处理器系统升至多处理器工作状 态，使运行达到峰值，其峰值总线数据传输率达33Mb/s。2 PCI局部总线进入1993年后，由于微处理器的飞速发展，使ISA、E
8、ISA总线均显落后。微 处理器的高速度和总线的低速度不同步，造成硬盘、图形卡和其它外设只能通过1 个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据。因此推出了一项新技术局部总线。从结构上看，局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加1级总线。这样可将 一些高速外设，例如网络适配卡、磁盘控制器等从ISA总线上卸下来而通过局部 总线直接挂接至CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。局部总线结构示意 图如图2。图2局部总线结构示意图标准的局部总线中典型的是PCI局部总线(Peripheral Component Int erconnec t Local Bus)，由In tel公司开发。其特点是在CPU和外设之
9、间插入 1个复杂的管理层，以协调数据传输并提供总线接口。由于采用了信号缓冲，PCI 能支持10种外设，并在高时钟频率下保持最高的传输速率。PCI局部总线允许在1个计算机上安装多达10个PCI附加扩展卡，允许将ISA、 EISA等扩充总线控制卡安装在上面，以使所有已安装的系统总线更好地同步。PCI 控制器可以用32位或64位(这取决于设备)与系统的CPU交换数据。另外，还允许 智能化的PCI辅助适配器采用一种称为总线管理(bus mastering)的技术协助CPU 执行各种任务。PCI规范允许复用，即在1个时间内允许有1个以上的电信号出现 在总线上。PCI总线较以前的总线具有独特优点：高性能的
10、多媒体技术。高性能图形、视像、网络对处理器提出很高的要求。 PCI局部总线提供了很宽的通路，允许这些应用程序相当平滑的执行。真正的兼容性。与其它总线标准不同，任何与PCI相兼容的机器可用于任何 遵从PCI的系统而不论其总线类型或所用的处理器。与Intel处理器一起工作。PCI总线可与Intel处理器协同工作，而不论其 兆赫值从Intel 486SX处理器直至奔腾及未来的版本。增长的余地。PCI能以32Mb/s的速率传送数据，远比ISA总线的5Mb/s快， 这使PCI可处理极高的容量，如用于全屏幕高质量视频的级别。可见，PCI局部总线为外设提供了访问微处理器更宽、更快的通路，有效地 克服了数据传
11、输的瓶颈现象。在目前一段时间内，PCI局部总线接口是许多适配 器的首选接口，如网络适配器、内置MODEM卡、声音适配器等，且目前绝大多数 主板上均带有PCI插槽。3 AGP总线AGP加速图形端口 (Accelerated Graphics Port)是一种用来连接CPU和图形 加速器、比PCI更快的总线。它是由主要的图形器件厂商及全球的PC机和OEM厂 商组成的AGP执行者论坛(AGPIF)在1996年8月提出的。In tel公司决定将AGP 技术主要用于基于Pentium II处理器的平台上。3.1 AGP总线特点AGP是专门为点对点的图形器件设计的，并非为了替代PCI总线，它是PCI 总线
12、的增强和扩充。AGP的标准建立在PCI 2.1标准的基础上。在PCI总线下，许多外设如高速硬盘驱动器、高速网络适配卡、调制解调器、声卡等均 需使用PCI总线传输数据，而PCI的数据带宽有限（峰值传输率为132Mb/s）,若再加上1个需 大量数据传输的3D显示卡，PCI总线就会不堪重负，因此导致了 AGP总线的产生。故AGP的 设计核心是在PC机上实现高性能的3D图像。AGP性能特点：为3D图形显示提供高带宽（为PCI的4倍），使突发数据传输率达526Mb/s。采用了管线技术、边带寻址，在时钟上升沿和下降沿可同时存取数据。可直接对系统内存中的纹理图像进行处理。因为AGP允许图形控制器与系统内存的
13、无缝 连接，不必将纹理数据预载到本地显存上。减少了总线阻塞，提高了处理效率。PCI总线就像一条单行道，其显示卡从内存中取得 数据时，如同从显示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后，才能发 出下一趟车。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，AGP更像一条高速公路，不但改善了路面质量提高了车速（提高了时钟频率），而且 增强了总线控制器的功能，这样使得从AGP显示卡可以连续发出多辆车，减少了等待内存的 寻址时间，大大提高了处理效率。AGP与PCI总线相比具有更高的时钟频率和数据传输率。对于1个系统基频为66MHz的奔 腾级计算机来说，PCI
14、的工作频率为基频的1/2即33MHz,相应的峰值数据传输率为132Mb/s； 而AGP有3种模式：X1模式、X2模式和X4模式，工作频率分别达56MHz、133MHz和266MHz， 相应的峰值数据传输率为264Mb/s、528Mb/s和1 Gb/s。3.2 AGP的工作模式AGP有2种工作模式：一种是直接内存访问（DMA： Direct Memory Access）模式，另一种 是直接内存执行（DIME： Direct Memory Execute）模式。当AGP总线工作在DMA模式时，AGP总线先将系统内存中的纹理和其它数据装载到图形 加速器的本地内存中，接着图形加速器的各种处理工作如纹理
15、映射、明暗度调整、Z向缓冲 等都在本地内存中执行。在此模式下，AGP与基于PCI的图形加速器的工作方式大致一样。 图形加速器只是拥有了 AGP总线高速数据传输的优势。当AGP总线处于执行模式时，图形的数据可直接在系统内存中执行而不需要将原始数据 全部传输到图形控制器。例如3D图形的一些特定操作如传输量最大的纹理映射可在系统的主 存中直接处理，然后图形控制器将处理过的数据传输到显示缓冲区。这样做的好处是可减少 主内存和图形控制器之间的数据传输量，同时也节省了图形控制器的本地内存。为实现以上功能，就要求图形控制器必须能访问系统的主内存，能在主内存和显示内存 之间传送数据。下面以Windows 95
16、为例，说明图形处理器访问系统内存的方法。图形处理器要能访问系统内存，首先必须得到系统的支持，目前Windows 95中的OSR 2.1 能够支持AGP的执行模式；还需要有名为“USBSUPP.EXE”的程序，它从表面看是USB设备的 支持程序，实际上包括了1个新的虚拟内存管理器VMM32.VXD，主要增加了几个对AGP专用内 存进行分配和管理的API接口，使AGP显示卡的驱动程序可通过这几个API接口给AGP在系 统内存分配AGP专用内存。另外，在微软提供的多媒体编程接口 Direct 5.0中，包括有 DirectDraw,其中新增了支持AGP的DIME功能，使程序员不需直接访问硬件就可利用AGP的 优点。此外，随AGP显示驱动程序同时安装的还有“VGARTD.VXD”的虚拟设
