bus

工作原理

如果说主机板(Mother Board)是一座城市，那麽汇流排就像是城市裏的公共汽车(bus)，能按照固定行车路线，传输来回不停运作的比特(bit)。这些线路在同一时间内都仅能负责传输一个比特。因此，必须同时採用多条线路才能传送更多资料，而汇流排可同时传输的资料数就称为宽度(width)，以比特为单位，汇流排宽度愈大，传输性能就愈佳。汇流排的频宽(即单位时间内可以传输的总资料数)为:汇流排频宽 = 频率 x 宽度(Bytes/sec)。当汇流排空闲(其他器件都以高阻态形式连线在汇流排上)且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动汇流排，发出地址和资料。其他以高阻态形式连线在汇流排上的器件如果收到(或能够收到)与自己相符的地址信息后，即接收汇流排上的资料。传送器件完成通信，将汇流排让出(输出变为高阻态)。

汇流排特徵

由于汇流排是连线各个部件的一组信号线。通过信号线上的信号表示信息，通过约定不同信号的先后次序即可约定操作如何实现。汇流排的特徵如下

• (1)物理特徵:物理特徵又称为机械特徵，指汇流排上部件在物理连线时表现出的一些特徵，如插头与插座的几何尺寸、形状、引脚个数及排列顺序等。
• (2)功能特徵:功能特徵是指每一根信号线的功能，如地址汇流排用来表示地址码。资料汇流排用来表示传输的资料，控製汇流排表示汇流排上操作的命令、状态等。
• (3)电气特徵:电气特徵是指每一根信号线上的信号方向及表示信号有效的电平範围，通常，由主设备(如CPU)发出的信号称为输出信号(OUT)，送入主设备的信号称为输入信号(IN)。通常资料信号和地址信号定义高电平为逻辑1、低电平为逻辑0，控製信号则没有俗成的约定，如WE表示低电平有有效、Ready表示高电平有效。不同汇流排高电平、低电平的电平範围也无统一的规定，通常与TTL是相符的。
• (4)时间特徵:时间特徵又称为逻辑特徵，指在汇流排操作过程中每一根信号线上信号什麽时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了汇流排操作的正确进行。为了提高电脑的可拓展性，以及部件及设备的通用性，除了片内汇流排外，各个部件或设备都採用标準化的形式连线到汇流排上，并按标準化的方式实现汇流排上的信息传输。而汇流排的这些标準化的连线形式及操作方式，统称为汇流排标準。如ISA、PCI、USB汇流排标準等，相应的，採用这些标準的汇流排为ISA汇流排、PCI汇流排、USB汇流排等。

汇流排分类

汇流排按功能和规範可分为五大类型:

• 资料汇流排(Data Bus):在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的资料。
• 地址汇流排(Address Bus):用来指定在RAM(Random Access Memory)之中储存的资料的地址。
• 控製汇流排(Control Bus):将微处理器控製单元(Control Unit)的信号，传送到周边设备，一般常见的为 USB Bus和1394 Bus。
• 扩展汇流排(Expansion Bus):可连线扩展槽和电脑。
• 局部汇流排(Local Bus):取代更高速资料传输的扩展汇流排。

其中的资料汇流排DB(Data Bus)、地址汇流排AB(Address Bus)和控製汇流排CB(Control Bus)，也统称为系统汇流排，即通常意义上所说的汇流排。

有的系统中，资料汇流排和地址汇流排是复用的，即汇流排在某些时刻出现的信号表示资料而另一些时刻表示地址;而有的系统是分开的。51系列单片机的地址汇流排和资料汇流排是复用的，而一般PC中的汇流排则是分开的。

资料汇流排DB用于传送资料信息。资料汇流排是双向三态形式的汇流排，即他既可以把CPU的资料传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的资料传送到CPU。资料汇流排的位数是微型电脑的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其资料汇流排宽度也是16位。需要指出的是，资料的含义是广义的，它可以是真正的资料，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控製信息，因此，在实际工作中，资料汇流排上载送的并不一定仅仅是真正意义上的资料。

常见的资料汇流排为ISA、EISA、VESA、PCI等。

地址汇流排AB是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O连线埠，所以地址汇流排总是单向三态的，这与资料汇流排不同。地址汇流排的位数决定了CPU可直接定址的记忆体空间大小，比如8位微机的地址汇流排为16位，则其最大可定址空间为2^16=64KB，16位微型机(x位处理器指一个时锺周期内微处理器能处理的位数(1 、0)多少，即字长大小)的地址汇流排为20位，其可定址空间为2^20=1MB。一般来说，若地址汇流排为n位，则可定址空间为2^n位元组。

控製汇流排CB用来传送控製信号和时序信号。控製信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断回响信号等;也有是其它部件反馈给CPU的，比如:中断申请信号、复位信号、汇流排请求信号、设备就绪信号等。因此，控製汇流排的传送方向由具体控製信号而定，(信息)一般是双向的，控製汇流排的位数要根据系统的实际控製需要而定。实际上控製汇流排的具体情况主要取决于CPU。

按照传输资料的方式划分，可以分为串列汇流排和并行汇流排。串列汇流排中，二进位资料逐位通过一根资料线传送到目的器件;并行汇流排的资料线通常超过2根。常见的串列汇流排有SPI、I2C、USB及RS232等。

按照时锺信号是否独立，可以分为同步汇流排和非同步汇流排。同步汇流排的时锺信号独立于资料，而非同步汇流排的时锺信号是从资料中提取出来的。SPI、I2C是同步串列汇流排，RS232採用非同步串列汇流排。

内部汇流排

并发

• CAMAC，用于仪表检测系统
• 工业标準架构汇流排(ISA)
• 扩展ISA(EISA)
• Low Pin Count(LPC)
• 微通道(MCA)
• MBus
• 多汇流排(Multibus)，用于工业生产系统
• NuBus，或称IEEE 1196
• OPTi在地汇流排，用于早期Intel 80486主机板
• 外围部件互联汇流排(PCI)
• S-100汇流排(S-100 bus)，或称IEEE 696，用于Altair或类似微处理器
• SBus或称IEEE 1496
• VESA在地汇流排(VLB，VL-bus)
• VERSAmodule Eurocard bus(VME汇流排)
• STD汇流排(STD bus)，用于八位或十六位微处理器系统
• Unibus
• Q-Bus
• PC/104
• PC/104 Plus
• PC/104 Express
• PCI-104
• PCIe-104

串列

• 1-Wire
• HyperTransport
• I²C
• 串列PCI(PCIe)
• 串列外围接口汇流排(SPI汇流排)
• 火线i.Link(IEEE 1394)

外部汇流排

外部汇流排指缆线和连线器系统，用来传输I/O路径技术指定的资料和控製信号，另外还包括一个汇流排终结电阻或电路，这个终结电阻用来减弱电缆上的信号反射干扰。

并发

• ATA:磁碟/磁带周边附属档案汇流排，也称 PATA、IDE、EIDE、ATAPI 等等。(the original ATA is parallel, but see also the recentserial ATA)
• HIPPI(HIgh Performance Parallel Interface):高速平行接口。
• IEEE-488:也称 GPIB(General-Purpose Instrumentation Bus)或 HPIB(Hewlett-Packard Instrumentation Bus)。
• PC card:前身为知名的PCMCIA，常用于笔电和其它携带型设备，但自从引入USB以及嵌入式网路后，这个汇流排就慢慢不再使用了。
• SCSI(Small Computer System Interface):小型电脑系统接口，磁碟/磁带周边附属档案汇流排。

串列

• USBUniversal Serial Bus, 大量外部设备均採用此汇流排
• Serial Attached SCSIand otherserial SCSIbuses
• Serial ATA
• Controller Area Network(CAN汇流排)
• EIA-485
• FireWire
• Thunderbolt

电脑汇流排

a.主机板的汇流排

在电脑科学技术中，人们常常以MHz表示的速度来描述汇流排频率。电脑汇流排的种类很多，前端汇流排的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU连线到北桥晶片的汇流排。电脑的前端汇流排频率是由CPU和北桥晶片共同决定的。

b.硬碟的汇流排

一般有SCSI、ATA、SATA等几种。SATA是串列ATA的缩写，为什麽要使用串列ATA就要从PATA--并行ATA的缺点说起。我们知道ATA或者说普通IDE硬碟的资料线最初就是40根的排线，这40根线裏面有资料线、时锺线、控製线、地线，其中32根资料线是并行传输的(一个时锺周期可以同时传输4个位元组的资料)，因此对同步性的要求很高。这就是为什麽从PATA-66(就是常说的DMA66)接口开始必须使用80根的硬碟资料线，其实增加的这40根全是禁止用的地线，而且只在主机板一边接地(千万不要接反了，反了的话禁止作用大大降低)，有了良好的禁止硬碟的传输速度才能达到66MB/s、100MB/s和最高的133MB/s。但是在PATA-133之后，并行传输速度已经到了极限，而且PATA的三大缺点暴露无遗:信号线长度无法延长、信号同步性难以保持、5V信号线耗电较大。那为什麽SCSI-320接口的资料线能达到320MB/s的高速、而且线缆可以很长呢?你有没有注意到SCSI的高速资料线是花线?这可不是为了好看，那花的部分实际上就是一组组的差分信号线两两扭合而成，这成本可不是普通电脑系统愿意承担的。

c.其他的汇流排

电脑中其他的汇流排还有:通用串列汇流排USB(Universal Serial Bus)、IEEE1394、PCI等等。

技术指标

1、汇流排的频宽(汇流排资料传输速率)

汇流排的频宽指的是单位时间内汇流排上载送的资料量，即每钞锺传送MB的最大稳态资料传输率。与汇流排密切相关的两个因素是汇流排的位宽和汇流排的工作频率，它们之间的关系:

汇流排的频宽=汇流排的工作频率*汇流排的位宽/8

或者 汇流排的频宽=(汇流排的位宽/8 )/汇流排周期

2、汇流排的位宽

汇流排的位宽指的是汇流排能同时传送的二进位资料的位数，或资料汇流排的位数，即32位、64位等汇流排宽度的概念。汇流排的位宽越宽，每秒锺资料传输率越大，汇流排的频宽越宽。

3、汇流排的工作频率

汇流排的工作时锺频率以MHZ为单位，工作频率越高，汇流排工作速度越快，汇流排频宽越宽。

合理搭配

主机板北桥晶片负责联系记忆体、显示卡等资料吞吐量最大的部件，并和南桥晶片连线。CPU就是通过前端汇流排(FSB)连线到北桥晶片，进而通过北桥晶片和记忆体、显示卡交换资料。前端汇流排是CPU和外界交换资料的最主要通道，因此前端汇流排的资料传输能力对电脑整体性能作用很大，如果没足够快的前端汇流排，再强的CPU也不能明显提高电脑整体速度。资料传输最大频宽取决于所有同时传输的资料的宽度和传输频率，即资料频宽=(汇流排频率×资料位宽)÷8。目前PC机上所能达到的前端汇流排频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种，前端汇流排频率越大，代表着CPU与北桥晶片之间的资料传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快，运算速度提高很快，而足够大的前端汇流排可以保障有足够的资料供给给CPU，较低的前端汇流排将无法供给足够的资料给CPU，这样就限製了CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。

汇流排操作

汇流排一个操作过程是完成两个模组之间传送信息，啓动操作过程的是主模组，另外一个是从模组。某一时刻汇流排上只能有一个主模组佔用汇流排。

汇流排的操作步骤:

主模组申请汇流排控製权，汇流排控製器进行裁决。

汇流排的操作步骤:

主模组得到汇流排控製权后定址从模组，从模组确认后进行资料传送。

资料传送的错误检查。

汇流排定时协定:定时协定可保证资料传输的双方操作同步，传输正确。定时协定有三种类型:

同步汇流排定时:汇流排上的所有模组共用同一时锺脉沖进行操作过程的控製。各模组的所有动作的产生均在时锺周期的开始，多数动作在一个时锺周期中完成。

非同步汇流排定时:操作的发生由源或目的模组的特定信号来确定。汇流排上一个事件发生取决前一事件的发生，双方相互提供联络信号。

汇流排定时协定

半同步汇流排定时:汇流排上各操作的时间间隔可以不同，但必须是时锺周期的整数倍，信号的出现,採样与结束仍以公共时锺为基準。ISA汇流排採用此定时方法。

资料传输类型:分单周期方式和突发(burst)方式。

单周期方式:一个汇流排周期只传送一个资料。

突发方式:取得主线控製权后进行多个资料的传输。定址时给出目的地首地址，访问第一个资料，资料2、3到资料n的地址在首地址基础上按一定规则自动定址(如自动加1)。

汇流排标準

为什麽要製定汇流排标準?

便于机器的扩充和新设备的增加，有了汇流排标準，不同厂商可以按照同样的标準和规範生产各种不同功能的晶片、模组和整机，使用者可以根据功能需求去选择不同厂家生产的、基于同种汇流排标準的模组和设备，甚至可以按照标準，自行设计功能特殊的专用模组和设备，以组成自己所需的套用系统。这样可使晶片级、模组级、设备级等各级别的产品都具有兼容性和互换性，以使整个电脑系统的可维护性和可扩充性得到充分保证。

汇流排标準的技术规範?

机械结构规範:模组尺寸、汇流排插头、汇流排接外挂程式以及安装尺寸均有统一规定。

功能规範:汇流排每条信号线(引脚的名称)、功能以及工作过程要有统一规定。

电气规範:汇流排每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。

哪种汇流排是标準的?

主机板上的处理器-主存汇流排经常是特定的专用汇流排，而用于连线各种I/O模组的I/O汇流排和底板式汇流排则通常可在不同电脑中互用。实际上，底板式汇流排和I/O汇流排通常是标準汇流排，可被许多由不同公司製造的不同电脑使用。

汇流排标準-ISA

ISA(IndustrialStandardArchitecture)汇流排是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统汇流排标準。所以也叫AT汇流排。

主要特点:

(1)支持64KI/O地址空间、16M主存地址空间的定址，支持15级硬中断、7级DMA通道。

(2)是一种简单的多主控汇流排。除了CPU外，DMA控製器、DRAM重新整理控製器和带处理器的智慧型接口控製卡都可成为汇流排主控设备。

(3)支持8种汇流排事务类型:存储器读、存储器写、I/O读、I/O写、中断回响、DMA回响、存储器重新整理、汇流排仲裁。

它的时锺频率为8MHz，共有98根信号线。资料线和地址线分离，资料线宽度为16位，可以进行8位或16位资料的传送，所以最大资料传输率为16MB/s。

汇流排标準-EISA

EISA(ExtendedIndustrialStanderdArchitecture)汇流排 是一种在ISA汇流排基础上扩充的开放汇流排标準。 支持多汇流排主控和突发传输方式。

时锺频率为8.33MHz。共有198根信号线，在原ISA汇流排的98根线的基础上扩充了100根线，与原ISA汇流排完全兼容。具有分立的资料线和地址线。资料线宽度为32位，具有8位、16位、32位资料传输能力，所以最大资料传输率为33MB/s。地址线的宽度为32位，所以定址能力达232。即:CPU或DMA控製器等这些主控设备能够对4G範围的主存地址空间进行访问。

汇流排标準-PCI

PCI(PeripheralComponentInterconnect)汇流排

是一种高性能的32位局部汇流排。它由Intel公司于1991年底提出，后来又联合IBM、DEC等100多家PC业界主要厂家，于1992年成立PCI集团，称为PCISIG，进行统筹和推广PCI标準的工作。

用于高速外设的I/O接口和主机相连。採用自身33MHz的汇流排频率，资料线宽度为32位，可扩充到64位，所以资料传输率可达132MB/s~264MB/s。

速度快、支持无限突发传输方式 、支持并发工作(PCI桥提供资料缓沖,并使汇流排独立于CPU) ，可在主机板上和其他系统汇流排(如:ISA、EISA或MCA)相连线，系统中的高速设备挂接在PCI汇流排上，而低速设备仍然通过ISA、EISA等这些低速I/O汇流排支持。支持基于微处理器的配置，可用在单处理器系统中，也可用于多处理器系统。

优点与缺点

採用汇流排结构的主要优点

1、面向存储器的双汇流排结构信息传送效率较高，这是它的主要优点。但CPU与I/O接口都要访问存储器时，仍会产生沖突。

2、CPU与高速的局部存储器和局部I/O接口通过高传输速率的局部汇流排连线，速度较慢的全局存储器和全局I/O接口与较慢的全局汇流排连线，从而兼顾了高速设备和慢速设备，使它们之间不互相牵扯。

3、简化了硬体的设计。便于採用模组化结构设计方法，面向汇流排的微型电脑设计只要按照这些规定製作cpu外挂程式、存储器外挂程式以及I/O外挂程式等，将它们连入汇流排就可工作，而不必考虑汇流排的详细操作。

4、简化了系统结构。整个系统结构清晰。连线少，底板连线可以印製化。

5、系统扩充性好。一是规模扩充，规模扩充仅仅需要多插一些同类型的外挂程式。二是功能扩充，功能扩充仅仅需要按照汇流排标準设计新外挂程式，外挂程式插入机器的位置往往没有严格的限製。

6、系统更新性能好。因为cpu、存储器、I/O接口等都是按汇流排规约挂到汇流排上的，因而只要汇流排设计恰当，可以随时随着处理器的晶片以及其他有关晶片的进展设计新的外挂程式，新的外挂程式插到底板上对系统进行更新，其他外挂程式和底板连线一般不需要改。

7、便于故障诊断和维修。用主机板测试卡可以很方便找到出现故障的部位，以及汇流排类型。

採用汇流排结构的缺点

1、利用汇流排传送具有分时性。当有多个主设备同时申请汇流排的使用是必须进行汇流排的仲裁。

2、汇流排的频宽有限，如果连线到汇流排上的某个硬体设备没有资源调控机製容易造成信息的延时(这在某些即时性强的地方是致命的)。

3、连到汇流排上的设备必须有信息的筛选机製，要判断该信息是否是传给自己的。

相关信息

任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连线，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连线，那麽连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬体电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连线，这组共用的连线线路被称为汇流排。

採用汇流排结构便于部件和设备的扩充，尤其製定了统一的汇流排标準则容易使不同设备间实现互连。

微机中汇流排一般有内部汇流排、系统汇流排和外部汇流排。内部汇流排是微机内部各外围晶片与处理器之间的汇流排，用于晶片一级的互连;而系统汇流排是微机中各外挂程式板与系统板之间的汇流排，用于外挂程式板一级的互连;外部汇流排则是微机和外部设备之间的汇流排，微机作为一种设备，通过该汇流排和其他设备进行信息与资料交换，它用于设备一级的互连。

另外，从广义上说，电脑通信方式可以分为并行通信和串列通信，相应的通信汇流排被称为并行汇流排和串列汇流排。并行通信速度快、即时性好，但由于佔用的口线多，不适于小型化产品;而串列通信速率虽低，但在资料通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串列通信一般可分为非同步模式和同步模式。---随着微电子技术和电脑技术的发展，汇流排技术也在不断地发展和完善，而使电脑汇流排技术种类繁多，各具特色。

汇流排的发展史

ISA汇流排

(Industry Standard Architecture)

最早的PC汇流排是IBM公司1981年在PC/XT电脑採用的系统汇流排，它基于8bit的8088 处理器，被称为PC汇流排或者PC/XT汇流排。

1984年，IBM 推出基于16-bit Intel 80286处理器的PC/AT 电脑，系统汇流排也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT 汇流排。而为了开发与IBM PC 兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBM PC 汇流排规範为基础的ISA(工业标準架构:Industry Standard Architecture )汇流排。

PCI汇流排

(Peripheral Component Interconnect)

由于ISA/EISA汇流排速度缓慢，一度出现CPU 的速度甚至还高过汇流排的速度，造成硬碟、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传送和接受资料，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)汇流排。

3、AGP 汇流排

(Accelerated Graphics Port)

PCI 汇流排是独立于CPU 的系统汇流排，可将显示卡、音效卡、网卡、硬碟控製器等高速的外围设备直接挂在CPU 汇流排上，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 汇流排只有133MB/s 的频宽，对付音效卡、网卡、影片卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的3D 显示卡却力不从心，并成为了製约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI 汇流排的补充--AGP 汇流排就应运而生了。

4、PCI-Express

在经历了长达10年的修修补补，PCI 汇流排已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由频宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一代汇流排取而代之，这就是PCI-Express 汇流排。

相对于PCI汇流排来讲，PCI-Express汇流排能够提供极高的频宽，来满足系统的需求。PCI Express汇流排2.0标準的频宽如下表所示:

经历着这麽三代半(AGP汇流排只是一种增强型的PCI汇流排)的发展，PC的外部汇流排终于发展到我们现在看到的PCI-E 2.0，提供了比以往汇流排大得多的频宽。至于今后汇流排发展的方向，相信会随着人们对频宽需要的不断增加，而很快来出现。

专业术语