现代微型计算机总线技术的发展.doc

现代微型计算机总线技术发展
闫长青　吴石增
　　摘　要: 对现代微型计算机总线技术进行了概述, 并对随微型计算机不停发展所采取多个经典总线进行了介绍, 关键介绍了新近应用较多PCI和AGP总线。同时对多种总线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发展, 引发了新技术革命, 甚至引发了大家生活方法巨大变革。微型计算机之所以有如此大能力, 与计算机结构技术不停革新、 发展是亲密相关。而总线技术正是计算机结构技术中一个十分关键组成部分。
　　采取总线技术, 是现代计算机技术发展肯定因为总线技术应用, 简化了系统设计, 便于组织各模块专业化生产, 也便于产品升级换代, 同时也能得到众多计算机厂商支持。
　　在通常微型计算机系统中, 往往含有不一样层次总线结构, 以386微机系统为例, 它就支持以下4种总线:
　　(1)CPU总线: 含有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)存放总线: 含有32位地址线(MAB)和36位数据线(MDB, 包含4位奇偶校验位), 用来连接存放控制器和DRAM。
　　(3)系统总线: 也称I/O通道总线, 用来与扩充槽上各扩充板卡相连。系统总线有多个标准, 其数据地址线不一样, 以适适用于不一样应用系统。
　　(4)外部总线: 含有24位地址线(XAB)和8位数据线(XDB), 用来与主机板上I/O控制器和键盘控制器相连接。
　　在以上多个总线中, CPU总线、 存放总线、 外部总线在系统板上, 不一样计算机系统采取芯片组不一样。所以这些总线均不完全相同, 也没有交换性问题。
　　而系统总线则不一样, 它是与I/O扩展插槽相连接。I/O插槽中能够插入多种扩充板卡, 作为多种外设适配器与外设连接。所以要求系统必需有统一标准, 方便根据这些标准来设计各类适配卡。
　　本文以下讨论微机总线即指PC及其兼容机系统总线或称I/O总线。下面将对微机总线发展过程中多个经典总线技术进行逐一介绍, 关键是新近采取PCI及AGP总线技术。
1　PC/XT总线、 ISA(AT)总线、 及EISA总线
　　这多个总线为较早在微机系统上采取总线标准。其中, ISA(AT)总线至今仍有一定应用。
1.1　PC/XT总线
　　最早PC机系统总线是IBM企业于1981年推出基于准16位机PC/XT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视为总线唯一主控设备, 其它外围设备均为隶属(Slave)设备, 包含临时掌管总线DMA控制器或协处理器。
　　IBM PC/XT总线是一个开放结构总线, 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, 所以有很多厂家生产该总线兼容产品, 品种范围广泛。起初, IBM PC总线产品关键用于办公自动化, 以后很快扩大到试验室或工业环境下数据采集和控制。
1.2　ISA(AT)总线
　　1984年IBM企业推出了16位PC机PC/AT, 其总线称为AT总线。以后为了统一标准, 便将8位和8位/16位兼容AT总线命名为工业标准结构(ISA——Industrial Standard Architecture)。
　　因为ISA是8位和8/16位兼容总线, 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位插接板; 8/16位扩展插槽除了含有1个8位62线连接器外, 还有1个附加36线连接器。这种扩展I/O插槽既支持8位插接板, 也支持16位插接板。
　　ISA总线含有以下关键性能指标:
　　.I/O地址空间0100H～03FFH;
　　.24位地址线, 可直接寻址内存容量为16MB;
　　.8/16位数据线;
　　.62+36引脚;
　　.最大传输率8Mb/s;
　　.中止功效;
　　.DMA通道功效;
　　.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。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, 还加强了中止处理和DMA传输能力, 而且含有了一定多主功效。故ISA(AT)总线尤其适合于控制外设和进行数据通信功效模块。
1.3　EISA总线
　　扩展工业标准结构(EISA——Extend Industrial Standard Architecture), 是由COMPAQ牵头一个联合组织共同制订一组总线标准。
　　EISA总线是一个32位总线结构, 除了ISA支持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总线数据传输速度愈加快, 且支持多主控总线功效, 可使一般微机单处理器系统升至多处理器工作状态, 使运行达成峰值, 其峰值总线数据传输率达33Mb/s。
2　PCI局部总线
　　进入1993年后, 因为微处理器飞速发展, 使ISA、 EISA总线均显落后。微处理器高速度和总线低速度不一样时, 造成硬盘、 图形卡和其它外设只能经过1个慢速且狭窄瓶颈发送和接收数据。所以推出了一项新技术——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。这么可将部分高速外设, 比如网络适配卡、 磁盘控制器等从ISA总线上卸下来而经过局部总线直接挂接至CPU总线上, 使之与高速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
　　标准局部总线中经典是PCI局部总线(Peripheral Component Interconnect Local Bus), 由Intel企业开发。其特点是在CPU和外设之间插入1个复杂管理层, 以协调数据传输并提供总线接口。因为采取了信号缓冲, PCI能支持10种外设, 并在高时钟频率下保持最高传输速率。
　　PCI局部总线许可在1个计算机上安装多达10个PCI附加扩展卡, 许可将ISA、 EISA等扩充总线控制卡安装在上面, 以使全部已安装系统总线愈加好地同时。PCI控制器能够用32位或64位(这取决于设备)与系统CPU交换数据。另外, 还许可智能化PCI辅助适配器采取一个称为总线管理(bus mastering)技术帮助CPU实施多种任务。PCI规范许可复用, 即在1个时间内许可有1个以上电信号出现在总线上。
　　PCI总线较以前总线含有独特优点:
　　.高性能多媒体技术。高性能图形、 视像、 网络对处理器提出很高要求。PCI局部总线提供了很宽通路, 许可这些应用程序相当平滑实施。
　　.真正兼容性。与其它总线标准不一样, 任何与PCI相兼容机器可用于任何遵从PCI系统而不管其总线类型或所用处理器。
　　.与Intel处理器一起工作。PCI总线可与Intel处理器协同工作, 而不管其兆赫值从Intel 486SX处理器直至飞跃及未来版本。
　　.增加余地。PCI能以32Mb/s速率传送数据, 远比ISA总线5Mb/s快, 这使PCI可处理极高容量, 如用于全屏幕高质量视频等级。
　　可见, PCI局部总线为外设提供了访问微处理器更宽、 愈加快通路, 有效地克服了数据传输瓶颈现象。在现在一段时间内, PCI局部总线接口是很多适配器首选接口, 如网络适配器、 内置MODEM卡、 声音适配器等, 且现在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)是一个用来连接CPU和图形加速器、 比PCI愈加快总线。它是由关键图形器件厂商及全球PC机和OEM厂商组成AGP实施者论坛(AGP—IF)在1996年8月提出。Intel企业决定将AGP技术关键用于基于Pentium Ⅱ处理器平台上。
3.1　AGP总线特点
　　AGP是专门为点对点图形器件设计, 并非为了替换PCI总线, 它是PCI总线增强和扩充。AGP标准建立在PCI 2.1标准基础上。
　　在PCI总线下, 很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3D显示卡, PCI总线就会不堪重负, 所以造成了AGP总线产生。故AGP设计关键是在PC机上实现高性能3D图像。
　　AGP性能特点:
　　.为3D图形显示提供高带宽(为PCI4倍), 使突发数据传输率达526Mb/s。
　　.采取了管线技术、 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纹理图像进行处理。因为AGP许可图形控制器与系统内存无缝连接, 无须将纹理数据预载到当地显存上。
　　.降低了总线阻塞, 提升了处理效率。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, 必需等到该车将货物运回来后, 才能发出下一趟车。这么在发出请求和得到数据之间有很多时间是在等候。AGP总线对此作了很大改善, AGP更像一条高速公路, 不仅改善了路面质量提升了车速(提升了时钟频率), 而且增强了总线控制器功效, 这么使得从AGP显示卡能够连续发出多辆车, 降低了等候内存寻址时间, 大大提升了处理效率。
　　AGP与PCI总线相比含有更高时钟频率和数据传输率。对于1个系统基频为66MHz飞跃级计算机来说, PCI工作频率为基频1/2即33MHz, 对应峰值数据传输率为132Mb/s; 而AGP有3种模式: ×1模式、 ×2模式和×4模式, 工作频率分别达66MHz、 133MHz和266MHz, 对应峰值数据传输率为264Mb/s、 528Mb/s和1Gb/s。
3.2　AGP工作模式
　　AGP有2种工作模式: 一个是直接内存访问(DMA: Direct Memory Access)模式, 另一个是直接内存实施(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纹理和其它数据装载到图形加速器当地内存中, 接着图形加速器多种处理工作如纹理映射、 明暗度调整、 Z向缓冲等都在当地内存中实施。在此模式下, AGP与基于PCI图形加速器工作方法大致一样。图形加速器只是拥有了AGP总线高速数据传输优势。
　　当AGP总线处于实施模式时, 图形数据可直接在系统内存中实施而不需要将原始数据全部传输到图形控制器。比如3D图形部分特定操作如传输量最大纹理映射可在系统主存中直接处理, 然后图形控制器将处理过数据传输到显示缓冲区。这么做好处是可降低主内存和图形控制器之间数据传输量, 同时也节省了图形控制器当地内存。
　　为实现以上功效, 就要求图形控制器必需能访问系统主内存, 能在主内存和显示内存之间传送数据。下面以Windows 95为例, 说明图形处理器访问系统内存方法。
　　图形处理器要能访问系统内存, 首先必需得到系统支持, 现在Windows 95中OSR 2.1能够支持AGP实施模式; 还需要有名为“USBSUPPEXE”程序, 它从表面看是USB设备支持程序, 实际上包含了1个新虚拟内存管理器VMM32.VXD, 关键增加了多个对AGP专用内存进行分配和管理API接口, 使AGP显示卡驱动程序可经过这多个API接口给AGP在系统内存分配AGP专用内存。另外, 在微软提供多媒体编程接口Direct 5.0中, 包含有DirectDraw, 其中新增了支持AGPDIME功效, 使程序员不需直接访问硬件就可利用AGP优点。另外, 随AGP显示驱动程序同时安装还有“VGARTD.VXD”虚拟设备管理程序, 它是AGP实施DIME模式关键所在。
　　AGPDIME实施过程以下: 3D程序开始运行, 先经过DirectDrawAPI分配1个足够大显示内存缓冲区。DirectDraw缺省内存分配方法为: 先分配显示缓冲器当地内存, 依据对应显示分辨率和色彩深度计算好显示中常见缓冲区大小, 在当地内存中优先分配, 然后将剩下缓冲区分配给纹理缓冲区。通常3D应用程序纹理数据相当大, 显示控制器当地内存放不下时, 就在系统主内存中给AGP分配“AGP主内存”。因为Windows 95采取虚拟地址映射方法, 所以可将临时不用内存存放在硬盘上, 在需要时再调入内存, 若AGP主内存也被操作系统存入硬盘再调入, 会影响图形显示效果, 故AGP主内存是被操作系统锁定, 使其不能被交换到硬盘。　　
　　内存分配好后, 图形控制器可把在系统内存中AGP主内存看成显示卡当地内存一样使用, 且AGP主内存是1块连续内存区。因为在PCI控制芯片组中有1个图形地址重映射表(Graphics Address Remapping Table)硬件, 它可将图形控制器要寻址内存地址转换成对应物理地址, 又因为图形地址重映射表和CPU地址映射表均由操作系统来管理, 故图形控制器和CPU均能访问相同AGP主内存。图形控制器访问AGP主内存, 把AGP主内存中显示需要纹理转换成硬件能直接显示格式, 存入显示缓冲区, 再进行显示, 这么可大大降低数据传输量。
　　因为AGP主内存是动态分配, 所以对不一样3D应用程序和不一样分辨率, AGP主内存大小可重新分配。另外, 在3D应用程序结束后, 能够释放AGP主内存。
3.3　AGP应用展望
　　即使AGP总线拥有很高速度和优越性能, 但其应用还有赖于计算机系统其它部分技术发展。现在AGP峰值数据传输率虽能达成264Mb/s、 528Mb/s, 甚至1Gb/s, 但现在系统内存最快访问速度为528Mb/s, 加上CPU、 总线控制器和AGP图形控制器均需访问系统内存, 系统内存实际给AGP图形控制器使用带宽远远满足不了AGP需要。估计伴随系统内存访问速度提升, AGP总线优越性将表现得愈加显著, 其应用也会越来越广泛。
4　总结
　　现将多个总线性能列于表1加以比较, 供感爱好同行参考。
表1　多个总线性能
总线
PC/XT
ISA(AT)
EISA
PCI
AGP
推出时间
1981年
1984年
1988年
1993年
1996年
带宽/b
8
8/16
32
32/64
64
总线类型
系统总线
系统总线
系统总线
局部总线
管线
最高时钟频率/MHz

8
8.3
33
66以上
蜂值数
据传输率
/Mbs-1

5
33
132
264或更高
带外设能力

>12
>12
10
1个图形
控制器
作者单位: 中国科学院电工研究所(100080)
参考文件
　1　何宗琦.PC总线技术概述.电脑报, 1995; (2)
　2　秦风评测试验室.您了解AGP吗.电脑技术, 1998; (5)
　3　William S.Computer organization and architecture:designing for performance.Prentice Hall Inc,1996
(收稿日期: 1998-09-02)