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转 计算机总线技术的现状与未来发展趋势  

2011-05-03 16:12:12|  分类: 计算机 |  标签: |举报 |字号 订阅

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            众所周知,在PC(Personal Computer 即个人计算机)的发展中,总线屡屡成为系统性能的瓶颈,这主要是CPU(Central processor Unit  即中央处理器  )的更新换代和应用不断扩大所致。总线是微机系统中广泛采用的一种技术。总线是一组信号线,是在多于2个模块(子系统或设备)间相互通讯的通路,也是微处理器与外部硬件接口的核心。自IBM PC问世20余年来,随着微处理器技术的飞速发展,使得PC的应用领域不断扩大,随之相应的总线技术也得到不断创新。由PC/XT到ISA、MCA、EISA、VESA再到PCI、AGP、IEEE1394、USB总线等。究其原因,是因为CPU的处理能力迅速提升,但与其相连的外围设备通道带宽过窄且总落后于CPU的处理能力,这使得人们不得不改造总线,尤其是局部总线。目前,AGP局部总线数据传输率可达528MB/s,PCI-X可达1GB/s,系统总线传输率也由66MB/s到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s。总线的这种创新,促进了PC系统性能的日益提高。随着微机系统的发展,有的总线标准仍在发展、完善,与此同时,有某些总线标准会因其技术过时而被淘汰。当然,随着应用技术发展的需要,也会有新的总线技术不断研制出来,同时在竞争的市场中,不同总线还会拥有自己特定的应用领域。目前除了大家熟悉、较为流行的PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线外,又出现了EV6总线、PCI-X局部总线、NGIO总线等,它们的出现,从某种程度上代表了未来总线技术的发展趋势。20年来,CPU已经迅速发展到6-7代,相应的总线技术创新也已经达到了10余次之多。如果从这个角度来预测一下,在21世纪初期,CPU主频有加快发展的趋势,加上内存存取时间的不断缩短,PC系统总线势必面临提高数据传输率的创新:

        1、ISA总线

        ISA(Industry Standard Architecture即工业标准结构总线)是美国IBM公司为286计算机制定的工业标准总线。该总线的总线宽度是16位,总线频率为8MHz。

        2、EISA总线

        EISA(Extended Industry Standard Architecture即扩展工业标准结构总线)是为32位中央处理器(386、486、586等等)设计的总线扩展工业标准。EISA总线包括ISA总线的所有性能外,还把总线宽度从16位扩展到32位、总线频率从8.3MHz提高到16MHz

        3、MCA总线

        MCA(Micro Channel Architecture即微通道总线结构)是IBM公司专为其PS\2系统(使用各种Intel处理器芯片的个人计算机系统)开发的总线结构。该总线的总线宽度是32位,最高总线频率为10MHz。虽然MCA总线的速度比ISA和EISA快,但是IBM对MCA总线执行的是使用许可证制度,因此MCA总线没有象ISA、EISA总线一样得到有效推广。

        4、VESA总线

        VESA(Video Electronics Standards Association即视频电子标准协会)是VESA组织(1992年由IBM、Compaq等发起,有120多家公司参加)按局部总线(Local  Bus)标准设计的一种开放性总线。VESA总线的总线宽度是32位,最高总线频率为33MHz。

        5、PCI总线

        PCI(Peripheral Component Interconnect即连接外部设备的计算机内部总线 )是美国SIG(Special Interest Group of Association for Computer Machinery即美国计算机协会专业集团)集团推出的新一代64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz,数据传输率为80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)。

        早期的486系列计算机主板采用ISA总线和EISA总线,而奔腾(Pentium)或586系列计算机主板采用了PCI总线和EISA总线。根据586系列主板的技术标准,主板应该淘汰传统的EISA总线,而使用PCI总线结构,但由于很多用户还在使用ISA总线或EISA总线接口卡,所以大多数586系列主板仍保留了EISA总线。

        6、AGP总线

        AGP(Accelerated Graphics Port)即高速图形接口。专用于连接主板上的控制芯片和AGP显示适配卡,为提高视频带宽而设计的总线规范,目前大多数主板均有提供。

        7、USB总线

        USB(Universal Serial Bus即通用串行总线)是一种简单实用的计算机外部设备接口标准,目前大多数主板均有提供。

        8、Alpha EV6总线

        为消除现有总线的瓶颈,AMD(American Micro Devices即美国微设备公司)Athlon(是AMD公司在1999年末推出的新一代64位处理器系统)系统要求总线结构在设计上力求为新一代x86平台提供前所未有的数据传输带宽,以确保运行于多路处理器服务的企业级商业应用软件可以更顺畅地运行。为此,AMD公司在其最先推出的一款Athlon处理器上使用了一个200MB/s的系统总线,即Alpha  EV6总线,其带宽较目前Intel P6总线结构大1倍。如果使用更高时钟频率的AMD Athlon处理器,这个系统总线的频率还可以相应提高,以支持更大的数据带宽,满足更大、更强劲的系统配置的需要。

        AMD Athlon总线采用信息包传输协议,而不是受限制的管道式P6总线协议,将处理器的请求传输至系统芯片组。这个信息包传输协议可将系统带宽的使用率降至最低,并允许每一处理器容纳24项预处理任务,是PCI总线结构预处理任务的6倍。由于高速AMD Athlon系统总线可支持较大的64字节突发式传输以及利用误差校正代码保护所有数据,因此需依赖系统存储器提供重要数据的应用方案将是直接的受益者。此外,AMD  Athlon系统总线结构能够支持处理器物理可寻址存储器取8TB(1TB=1024GB)以上的数据,相比之下,PCI总线的结构则只可支持64GB的数据存取。

        9、PCI-X局部总线

        为解决Intel架构服务器中PCI总线的瓶颈问题,Compaq、IBM和HP公司决定加快加宽PCI芯片组的时钟速率和数据传输速率,使其分别达到133MHz和1GB/s。利用对等PCI技术和Intel公司的快速芯片作为智能I/O电路的协处理器来构建系统,这种新的总线称为PCI-X。PCI-X
        技术能通过增加计算机中央处理器与网卡、打印机、硬盘存储器等各种外围设备之间的数据流量来提高服务器的性能。与PCI相比,PCI-X拥有更宽的通道、更优良的通道性能以及更好的安全性能。很多媒体和观察家都预计在未来的几年中,PCI-X能与目前的设备兼容,并具有良好的扩展性,发展前景乐观。

        10、NGIO总线

        NGIO(Next Generation Input/Output)总线是Intel公司推出的下一代I/O总线结构。与其它总线结构有所区别,NGIO总线结构采用的是与传统共享总线不同的交换机制和系统主芯片连接的对等PCI总线。这种总线结构的出现可以说彻底改变了CPU传输数据的方式,在CPU和外部设备之间不进行同步数据传输,而是将信息打成数据包在目标通道适配器和主通道适配器间发送。这种异步通讯可以将CPU从相对速度较慢的外围设备数据的处理等待中解放出来,而这在多处理器系统中尤为重要。因为在多处理器系统中,各CPU间要为使用较慢的外围总线而展开竞争,而NGIO则有一个多级交换器,它一端连接2个目标通道适配器和PCI控制器,PCI总线另一端连接主通道适配器,通过主通道适配器连接芯片组,芯片组再连接CPU和内存。NGIO有4条连线,2条用于输入,2条用于输出,数据传输率为2.5GB/s。NGIO在工作时,将处理器与I/O分离,这使得处理器在每次出现新的数据处理请求时不必停下来,而由连接到服务器内存上的I/O引擎与外设进行通信。此外,NGIO还可以创建多条I/O通道,允许通道上的信号类型变化,其交换器集合采用允许数据选择多条路径的"交换结构"(Switched Fabric)方式。这些变化使NGIO具有了更好的性能、可靠性和可伸缩性。由于NGIO具有多条不与处理器直接连接的通道,因此还可以对可靠性进行其他的一些改进。

        由于在无需增加更多直连到处理器的内部数据通道或总线的条件下,就可以添加处理器,因此,可伸缩性得到了改善。另外,NGIO还有其他一些优点。例如,利用NGIO,服务器可以被分割,因此,处理器和内存可以安装在一起,而I/O 可以放在另一处。使用这种设置的优点是可以在相同的物理空间中堆叠更多的服务器。

        11、Future I/O总线

        Future I/O(将来的输入输出总线)总线结构是与NGIO相竞争的另一种总线,目前仍处在IBM、Compaq、HP等公司的研制开发中,据称其数据传输率可达10GB/s。

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