計算機組成原理 — 總線系統

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總線系統

總線的分類

總線的功能

總線判優控制

總線通信

出錯處理

總線類型

系統總線

ISA、EISA 和 VESA 總線

PCI 和 PCI-E 總線

主板接口插槽示意圖

總線系統

計算機系統大多采用模塊結構，一個模塊可以是具有專門功能的插件板，或叫做部件。例如：主板、存儲器卡、I/O 接口板等等。隨著集成電路集成度的提高，在一塊板上可以安裝多個模塊。各模塊之間傳送信息的通路就是總線，為了便于不同廠家生成的模塊能夠靈活的構成系統，所以形成了總線標準。

總線系統是指微型計算機各部件之間傳送信息的通道。

總線的分類

按照物理位置分類：

內部總線：指主機各模塊之間傳送信息的通道。如：連接 CPU、存儲器、I/O 接口（設備控制器）的總線。常用的由 ISA 總線、PCI 總線和控制機的 STD 總線。

外部總線：指系統之間或系統與外部設備之間傳送信息的通道。如：USB 和 IEEE 1394 等串行總線和 ISA(IDE) 和 SCSI 等并行總線。

按照組織形式分類：

單總線：所有的模塊都連接到單一的總線上，總線具有地址線、數據線、控制線、電源/地線。單總線結構簡單、便于擴充，但卻因為共享度高，所以容易成為數據傳輸率的瓶頸。

多總線：將相較于主機而言速度更低的 I/O 設備從總線上分離出去，形成 系統總線 和 I/O 總線 分離的雙總線結構。同理，還可以將高速 I/O 設備（e.g. 圖形、視頻、網絡）與慢速 I/O 設備分離為兩條 I/O 總線，成為三總線結構。這是現在最常見的總線組織形式。

按照傳輸方式分類：

串行總線：一位一位的傳送二進制的總線。

并行總線：一次能同時傳送多個二進制位數的總線。

按照傳輸的數據類型分類：

數據總線：用于在 CPU 與內存或 I/0 接口（設備控制器）之間傳送數據。

地址總線：用于傳送計算單元或 I/O 接口的地址信息。

控制總線：用于在 CPU 與內存或 I/O 接口之間傳送控制信號。

總線的功能

總線是由兩個或兩個以上源部件傳送信息到一個或多個部件的一組傳輸線，如果一根傳輸線僅用于連接一個源部件和一個或多個目的部件，則不稱為總線。總線，顧名思義應該具有公共屬性。又由于總線所具有的公共屬性，所以首先需要規定每個部件所發送信息的信息類型，此外，為了避免多個部件（或稱為模塊）同時發送信息的矛盾還需要設置總線控制線路。總線控制線路負責總線判優、仲裁邏輯、驅動器和中斷邏輯。

總線判優控制

總線判優控制是為了保證在同一時間內只能有一個申請者在使用總線。能夠控制總線并啟動數據傳送的設備稱為主控器，能夠響應總線主控器發出的總線指令的設備稱為受控器。通常 CPU 為主控器，存儲器為受控器，I/O 設備可以為主控器也可以為受控器。

總線通信

同步通信：通信雙方由統一的時鐘控制數據傳輸，時鐘信息通常由 CPU 發出，并送到總線上的所有部件，在規定的總線周期內，只有通信雙方可以收發數據。

異步通信：通信雙方通過 “握手” 信號實現總線數據傳送，通常用于實現不同速度部件之間的數據傳送。

并行通信：并行通信表示各位同時傳輸，有 8 位、16 位、32 位和 64 位。特點是位數越多傳輸越快，但傳輸距離短，只能在一個機柜內使用。

串行通信：串行通信表示一位一位的傳輸。特點是速度較慢，但勝在通信線路簡單，容易實現雙向傳輸，特別適合遠距離傳輸。

NOTE：通常的，出現了一種新的并行通信協議，就會緊隨著出現與之對應的串行通信協議。這是因為并行通信方式總是存在著一些難以克服的缺陷，使其無法滿足所有的應用場景。比如：

信號時滯：雖然并行通信中的所有位是同時傳輸的，但卻不能保證是所有位都同時到達的，先到等后到就造成了時滯的問題。而且會隨著傳輸距離的拉長越發明顯。

串擾：總線上傳輸的是電子信息，所以并排線纜間容易出現互相干擾的問題，這也導致了并行通信有著更高的誤碼率。

影響機箱散熱：并行通信依賴大連接器和很寬的帶狀傳輸電纜，這會擠壓機箱的散熱空間。

串行異步通信：串行通信和異步通信的結合。這種通信方式需要使用到特殊的數據格式（具有起始位、停止位和奇偶校驗位）。

出錯處理

數據傳送過程中可能會產生錯誤，有些接收部件自己具有糾錯能力，但有些卻沒有。不能自動糾錯的部件最起碼需要能夠發現錯誤，并且可以發出 “數據錯誤” 信息，通常向 CPU 發出中斷請求信號，CPU 響應中斷請求后轉入出錯處理程序。

總線類型

系統總線

系統總線（System Bus），又稱為 CPU 總線、FSB（Front Side Bus，前端系統）總線，是一個單獨的計算機總線，用于完成處理機（CPU、Cache、存儲器和 I/O 接口）內部部件之間的通信。系統總線具有三種不同的功能總線，使用數據總線來搭載信息，使用地址總線來決定將信息送往何處，使用控制總線來決定如何動作。

ISA、EISA 和 VESA 總線

ISA 總線（Industry Standard Architecture，工業標準體系結構）：是為 PC/AT 電腦而制定的總線標準，有 8 位和 16 位兩種模式，時鐘頻率為 8MHz，工作頻率為 33MHz/66MHz，數據傳輸率大約是 16MB/S。ISA 接口插槽，其顏色一般為黑色，比 PCI 接口插槽要長，位于主板的最下端。可插接顯卡，聲卡，網卡已及所謂的多功能接口卡等擴展插卡。缺點是 CPU 資源占用太高，數據傳輸帶寬太小，是已經被淘汰的插槽接口。

EISA（Extended Industry Standard Architecture，擴展工業標準結構）：是一種為 32 位 CPU 設計的總線擴展標準，兼容 ISA 總線，現也已被淘汰。

VESA（Video Electronics Standard Association）：是一種局部總線（Local Bus），簡稱 VL（VESA Local Bus）總線。VESA 考慮到了 CPU 與主存儲器和 Cache 的直接相連，通常把這部分總線稱為 CPU 總線或主總線，其他設備通過 VL 總線與 CPU 總線相連，所以 VL 總線被稱為局部總線。

局部總線：就是 CPU 總線的擴展，即將外部設備通過局部總線控制器，直接與 CPU 總線相連，使得總線時鐘與 CPU 時鐘相同，從而達到外設與 CPU 同步工作的目的，這樣如果在 33MHz 時鐘頻率下，總線傳輸速率可達 132MB/s。但由于總線擴展插槽的電氣性能的限制，提高工作頻率只能為 40MHz，則數據傳輸率最高只能達到 160MB/s，而將低速的外部設備，仍然通過 ISA 總線控制器，以 8MHz/16MHz 的速率運行，這樣一般構成的系統是 VESA 和 ISA 兩種總線的結合，即在主板上同時存在兩種擴展插槽。

PCI 和 PCI-E 總線

《計算機組成原理 — PCIe 總線》

主板接口插槽示意圖

主板（Motherboard, Mainboard，Mobo），又稱主機板、系統板、邏輯板（Logic Board）、母板、底板等，是構成復雜電子系統，例如：電子計算機的中心或者主電路板。

下圖為較為古老的 LGA 1366 主板，包含了南橋和北橋，這是最后一代使用雙晶片的主機板。之后所有 Intel 與 AMD 的主板均僅有南橋，北橋和內建顯示核心已整合到 CPU。

CPU 插槽（LGA 1366）

北橋（被散熱片覆蓋）

南橋（被散熱片覆蓋）

記憶體插座（三通道）

PCI 擴充槽

PCI Express 擴充槽

跳線

控制面板（開關掣、LED 等）

20+4pin 主機板電源

4+4pin 處理器電源

背板 I/O

前置 USB 針腳

前置面板音效針腳

SATA 插座

ATA 插座（大部分 Intel Sandy Bridge 以后的家用主板都已舍棄 IDE 介面）

軟碟機插座（目前絕大多數主板已舍棄軟碟機介面）

主板 CPU 插槽

主板內存插槽

PCI-E 插槽：可以作為顯卡、固態硬盤、聲卡、采集卡等外部設備的擴展接口。按照速率不同有 x1、x2、x4、x8、x16 幾種類型。

主板 SATA 接口插槽

主板網卡適配器

單片機

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