一、引子

这一节中，我们简单了解一下总线标准。（408不考）

经过之前的学习，我们知道，总线是多种多样的，有可能是并行总线，也可能是串行总线。

对于总线的仲裁方式，可以采用链式查询，也可以采用计数器定时查询，还有独立请求的方式。

对于总线的操作和定时，可以采用同步通信的方式，异步通信（不互锁、半互锁、全互锁）等。

可以看到，总线的种类多种多样，而各个厂商制造的硬件部件都想要挂在总线上并正常工作。所以我们需要制定总线标准来规定总线的属性。然后，各个厂商就可以根据总线标准来制造硬件部件。

:question: 如何定义一个总下标准呢？

    首先可以确定这个总线是并行传输还是串行传输。如果是并行传输的话，还要确定同时要传输多少位的数据，就意味着要设置多少条数据线。然后就是总线仲裁方式、总线定时方式等。

比如：

二、总线标准

1.基本概念

由于CPU工作速度非常快，所以系统总线的工作速度也应该是主板上最快的。

现代主板上，有CPU，北桥，南桥。北桥的速度一般比南桥快。

局部总线一般和北桥芯片连接。

2.总线标准

下面来介绍一下总线的标准。

只需要简单了解，能够记住总线标准的英文缩写和简单特性即可，不需要过多深究。

（1）系统总线

上述文字了解即可。

①ISA

系统总线。用于连接CPU、主存，甚至直接连接各种I/O设备。由CPU直接控制。

主要用于IBM的16位机器上，是一个并行总线。

可以同时传递8bit或者16bit的数据，工作频率是8MHz（比较低）。

每个总线周期传送2个字节（B），每秒只能传送8M次，所以最大速度是16MB/s。（这些速度啥的不用记忆）

②EISA扩展总线

系统总线。

E是扩展的意思（Extend）。

并行传输的位数增加了一倍（32），速度也提升了一倍（32MB/s）。

③拓展

随着CPU速度的发展，上述两种总线无法满足CPU速度的需求。

后来，Intel提出了一种系统总线标准FBS前端总线，比上述两种总线速度都要快。

后来，Intel又对这种总线标准进行了更近一步的提升，提出了QPI总线标准。这种总线的标准，是现在很多处理器上还在使用的。

（2）局部总线

局部总线通常用于连接显卡、高速网卡等高速的硬件部件。

①VESA

局部总线一般不会和CPU直接相连，而是和高速的北桥芯片相连。

1991年，微软之类的公司，都开始出现了图形化的操作系统。由于这种图形化的操作系统需要处理活动图像（比如窗口拖动等），这些图像数据要比之前字符数据大得多。

所以，这些图像数据，要输出到显示器上，就需要更大的带宽。

这时候，视频电子标准协会这个组织就提出了新的局部总线的标准叫VESA，也是并行总线，一用来专门传送图像数据。

早期的VESA总线对外暴露出的总线接口如下：

②PCI

VESA的工作频率完全受到CPU的控制，由于VESA的工作频率是有固定上限的，因此当CPU发展越来越快，CPU给出的时钟信号也越来越高之后，VESA总线标准很难跟上CPU的发展。

所以，Intel公司提出了一种新的总线标准PCI。

可以看到，PCI总线速度比VESA总线快的多。

而且，PCI总线不依附于某个具体的处理器。在这种总线刚开始出现的时候，它是由北桥芯片控制的。所以当CPU工作频率越来越高之后，PCI也能适应接下来的需求，因为PCI并不受到CPU的控制。

这种总线，早期也被直接用作系统总线，即直接连接CPU。

PCI总线对外暴露的接口如下：

③AGP

并行总线，可以同时传送多位数据。

随着多媒体技术的不断发展，开始出现了3D类的游戏等。

由于我们对图像数据的传送带宽需求越来越大，PCI也逐渐跟不上时代的发展。

于是，Intel又提出了AGP总线标准。

这种总线标准是基于PCI 2.1版本扩充修改得到的。

速度前面的*1可以理解为：位宽扩展了一位。

AGP其实是一系列标准，可以包含一倍速标准，也可以包含八倍速标准。

④PCI-E

之前说的PCI，是一种并行总线，同时传送多个bit的数据。

这里的E是指Express，非常快的意思。

<1> 第三代I/O技术：将总线技术从并行传输转换为了串行传输。

之前提到的ISA、EISA等，都是并行传输。那么想要提升传输速度，比较简单的方法就是增加数据线，但是想要短时间内提升并行总线的工作频率是比较困难的。

所以之前的总线发展，无非就是提升数据线数量或者工作频率。

虽然串行传输，一次只能传送1个bit的数据，但是串行传输不需要考虑数据线之间的干扰问题，所以工作频率可以非常高。速度也就可以非常快了。

<2> 除了串行这个特点，还有一个点对点方式，即每一个PCI-E的设备都可以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。布线空间变少，同时布线成本更低。

并行总线传输，是把多个设备挂在同一条并行总线上，就会出现多个设备争用总线的问题。

<3> PCI-E还支持双向传输模式，比如两个设备之间可以双向传输数据。

<4> PCI-E对外暴露的总线接口还支持热拔插。

也就是说硬件部件只要遵循PCI-E的标准，那么只需要将硬件部件插在PCI-E的接口上就可以直接使用。

还可以看到，PCI-E*1的针脚比PCI-E*16针脚少很多。

为啥呢？一会儿再说。

（3）设备总线

①RS-232C

串行通信总线。

通信总线：计算机系统与外界打印机系统的通信。

设备总线：打印机也可以看作连接在计算机上的设备。

所以通信总线也可以叫做设备总线。

RS-232C传输速度很慢。

这种总线标准刚开始提出是为了连接打印机。早期的打印机是针式打印机，对速度要求很小。所以RS-232C这种速度就可以满足需求了。

上图可以看见很多针脚，但是每次只能传送1bit的数据。

②SCSI

随着I/O设备不断发展，开始出现了一些对速度要求比较高的I/O设备。

比如激光打印机、彩色打印机等。

所以，人们又提出了SCSI总线标准，它是一种并行总线，可以同时传输多个比特的数据，传输的频率也比较高。

③PCMCIA

PC：个人电脑

MC：存储卡

IA：国际协会

在早期，计算机网络传输速度非常慢，所以计算机与计算机想要进行数据的交换，并不像现在这么方便。90年代初，计算机之间的数据交互，通常需要存储卡作为媒介进行交互。

所以PCMCIA用于连接便携的存储设备。比如将PC卡插在电脑上，将文件存在PC卡上，再把PC卡拿给其他人，存到别人的电脑里面。

支持即插即用。

这种总线标准对外暴露的接口如下图：

④USB

USB属于设备总线，串行总线（同一时刻只能传送1bit的数据）。

之前提到的都是并行总线。

USB这种总线标准对应的接口可以有很多种。

手机充电器那个大头对应的是上图第三个，这种接口是Type A，A型接口。

Type B通常用于显示器里面。

现在通常会见到Type C（也叫USB-C），它其实也是USB总线标准里面的一种。

我们来看一下Type-A接口，来简单介绍一下，串行传输数据的大致原理。

可以看到，它对外暴露了四个金属针脚（4个小铁片）。

1号和4号是用来供电的，不用于数据的传输。VCC是供电端，GND是接地端。

2号和3号会配合着传输1bit的数据。并不是两个bit数据往两条线走，而是两个同时传输1bit数据。

这是怎么实现的呢？

采用的是差模信号的方式表示二进制的0和1，就是2号和3号之间的电压差是多少，用电压差来确定传送的是0还是1。比如，检测到2号高、3号低就是1，2号低、3号高就是0。这种方式抗干扰能力强，所以工作频率可以很高。

对于之前说的并行传输，一根线传送1bit数据，高电平表示1、低电平表示0。但是这种方式很容易因为环境的干扰而导致电信号失态。比如现在想传送一个0.5v的低电平信号，但是由于环境的干扰变成了2.5v这种不高不低的电信号。

再回到刚才说的接口，2号和3号这两根线通常会拧成麻花状，如下图：

这种双绞线，也可以提高抗干扰能力。

看一下实际的USB线，确是如此：

红线和绿线用来传送二进制的0和1。在数据线内部，确实被拧成了麻花形状。

3.连接硬盘总线标准

接下来我们来看一下连接硬盘的总线标准。

硬盘同样可以看作一种外部设备，但是硬盘对于速度的需求，显然要比其他很多外部设备都要高。因为硬盘读写的快慢，会很大程度上影响系统整体的运行速度。

①IDE

90年代使用的一种总线标准叫做IDE。是一种并行总线（速度不是很高），同时传送多个bit的数据。

IDE又可以称作ATA，或者PATA（P表示并行的意思）。

看一下长下面的样子：（硬盘插在上面就可以用了）

IDE接口长这样：

②SATA

这里的ATA和上面的一样，只不过这里加了S，是串行的意思。

这种总线标准传输速度非常快，SATA3.0能达到600MB/s。

SATA总线接口如下：

三、总结

1.速度对比

将刚才的总线标准，做一张表，对比一下速度。

如下：

画横框的考频比较高。

速度不用记忆，只需要知道英文缩写是不是总线标准，能够分辨这种总线属于系统总线还是局部总线还是设备总线即可。

2.总线标准的发展

如下：

经过学习，我们发现，整体总线发展有一个规律：串行总线替代并行总线。

:question:为何串行总线取代并行总线？

==并行总线，各条线不能有长度差。==

解释一下。

假设现在制造一个并行总线，要同时传送4个bit的数据。

如果现在第四根线制作的长度比较长，当我们传送电信号时。对于比较长的线来说，接收端接收到信号的时间会有延迟。

现在还要结合同步定时的方式。

本来第一个时钟信号内就应该接收4个bit数据，然而在第一个时钟信号内，第4个电信号比其他的信号后到达。

这就可能导致，当传输第一个数据0101的时候，前三根数据线已经传送了010，进入下一个传输阶段，比如传输1011，此时第四根数据线才将上一个数据的1送达。这个数应该在上一个传输阶段就要送达的！

现在的串行，通常是基于包来传输的。

虽然说是串行，但是可以用多个数据通路分别串行传输多个数据包。

再回到之前说的问题，这个地方，✖1就是有一个数据通路，✖16就是有16个数据通路。（16个通路就可以同时传送16个数据包，当我们从每条线上收到80bit数据的时候，再将数据包排序即可）

:bookmark: 这种串行总线多个数据通路和并行总线是有区别的。

并形总线每条线传过来的数据，一定是每一次收到一整组，这一组数据作为数据的整体。

对于串行总线来说，是每一条线发送一组数据，16条线可以同时发送16组数据，收到16组数据之后，再对这16组数据进行排序。

所以，综上所述，串行总线工作频率可以很高，而且可以设置多个串行数据通路，所以串行总线会逐步取代并行总线。

3.实例

这个简单了解即可。

如下是Intel的一款很古老的处理器奔腾三代。

这个处理器和北桥芯片相连接的系统总线是FBS，北桥芯片和显卡相连接的是AGP。

PCI总线会对外暴露一些插槽、接口。

南桥芯片通过IDE与硬盘、光驱连接。

ISA是一种系统总线，在早期是直接连接CPU的。但在奔腾三代处理器主板上，ISA总线用于连接某些ISA设备，它在后来变成了设备总线，用于连接一些比较慢的I/O设备。