总线与接口

2．1．5　总线与接口

在计算机系统中，CPU、存储器、各种输入设备之间需要通过总线把各部分组织起来，组成一个能彼此传输信息和对信息进行加工处理的整体。由于主机与I／O设备之间的相对独立性，它们之间一般不能直接连接，所以需要通过起“转换器”作用的接口才能实现连接。

1）总线

计算机中的各个部件，包括CPU、内存储器、外存储器和I／O设备的接口，它们之间是通过一条公共信息通路连接起来的，这条信息通路就称为“总线”。总线可以将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件，如图2．14所示。

图2．14　微型计算机总线结构示意图

（1）总线的分类

①数据总线、地址总线和控制总线

根据总线上传送信息的不同，可将总线分为三类：数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。

数据总线用于CPU与主存储器、CPU与I／O接口之间传送信息，它是双向的传输总线。数据总线的宽度决定每次能同时传输信息的位数，是决定计算机性能的主要指标。

地址总线主要用来指出数据总线上源数据或目的数据在主存储单元或I／O端口的地址，它是单向传输总线。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2²⁰＝1MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2ⁿ字节。

控制总线用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I／O接口电路的，也有的是其他部件反馈给CPU的，因此控制总线的传送方向由具体控制信号决定。

②内部总线、系统总线和外部总线

根据总线的位置和功能不同，总线可以分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是CPU与外围芯片（包括内存）之间连接的总线，用于芯片一级的互连；系统总线是各接口卡与主板之间连接的总线，用于接口卡一级的互连；外部总线是主机和外部设备之间的连线，用于设备一级的互连。在这三类总线中，系统总线是最重要的，所以我们通常所说的总线就是指系统总线。

对于微型计算机来说，目前常见的系统总线有ISA总线、PCI总线、AGP总线、PCI－E总线。ISA总线在80286～80486时代应用非常广泛，以至于现在一些奔腾机中还保留其总线插槽，主要是一些老式的接口卡插槽，如10Mb／sISA网卡、ISA声卡等。PCI总线是Intel推出的32／64位标准总线，32位PCI总线的数据传输速率为133MB／s，能满足声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入／输出设备的需求，逐步取代了ISA。AGP总线是为提高视频带宽而设计的总线规范，专用于连接主板上的控制芯片和AGP显示适配卡，数据传输速率可达2．1GB／s，目前大多数主板均有提供。但随着显卡芯片的更新速度加快，高端显卡对总线的要求越来越高，出现了替代PCI总线的PCI－E总线。PCI－E总线的数据传输速率可达10GB／s，目前性能较好的主板上都配置了PCI－E总线插槽。图2．15为多总线结构的计算机示意图。

图2．15　多总线结构示意图

（2）总线的性能指标

①总线位宽：总线位宽指总线能同时传送的数据位数，即数据总线的位数，用位（bit）表示，如总线位数为8位、16位、32位和64位。

②总线工作频率：总线工作频率也称为总线的时钟频率，以MHz为单位。例如PCI总线有33．3MHz、66．6MHz两种总线工作频率。

③总线带宽：总线带宽是指单位时间内总线上可传送的最大数据量，单位为MB／s，它与总线位宽和总线工作频率有关，即总线带宽（MB／s）＝（总线工作频率×总线位宽×每个总线周期的传输次数）／8。由此可见，总线位宽越大，总线工作频率越高，则总线传输速率越快。例如PCI总线工作频率为33．3MHz，总线位数为32位，则总线带宽为32b／8×33．3 MHz＝133．2MB／s。

2）I／O接口

I／O接口是一组电子电路，它是CPU和I／O设备之间交换信息的媒介和桥梁，负责实现CPU通过系统总线把I／O电路和外围设备联系在一起。按照电路和设备的复杂程度，I／O接口的硬件主要分为两大类：一类是I／O接口芯片，这些芯片大都是集成电路，如鼠标、键盘等设备的控制器都集成在主板上的芯片内；另一类是I／O接口控制卡，由若干个集成电路按一定的逻辑组成一个部件，插在主板的扩充槽内，如显卡、声卡、网卡等。但是，为了降低PC机的成本，缩小机器的体积，目前已有不少机器的声卡、显卡已经集成到主板上。

（1）I／O接口的功能

由于计算机的外围设备品种繁多，特性各异，每种设备都有各自的接口。不同种类的外设的接口的组成和任务各不相同，但它们能实现的功能大致是相同的，各种接口都必须具有下列基本功能：

①实现数据缓冲，在外设接口中设置若干个数据缓冲寄存器，在主机与外设交换数据时，先将数据暂存在该缓冲器中，然后输出到外部设备或输入到主机；

②“记录”外设工作状态并“通知”主机，为主机管理外设提供必要信息，外设的工作状态一般可分为“空闲”、“忙”和“结束”三种；

③能够接收主机发来的各种控制信号，独立地控制I／O设备的操作；

④实现主机与外设之间的通信控制，包括同步控制、中断控制等。

（2）常用的I／O接口标准

在PC机中有多种不同的I／O接口，它们在接口的信号线定义、传输速率、传输方向、拓扑结构、电气和机械特性等方面都有自己的特性。PC机中常见的接口标准有IDE接口、USB接口、显示器输出接口等，图2．16显示的是机箱背面的I／O接口。

图2．16　PC机箱背面的I／O接口

①IDE接口和SATA接口

IDE接口主要用于连接硬盘、光驱和软驱，采用并行双向传送方式，体积小，数据传输快。SATA接口采用串行方式传输数据，是一种不同于并行IDE的新型硬盘接口类型。SATA接口的数据传输速率比IDE接口的要快。

②COM接口（串口）和LPT接口（并口）

目前大多数主板都提供了两个COM接口，分别为COM1和COM2，作用是连接串行鼠标和外置Modem等设备。LPT口一般用来连接打印机或扫描仪，它采用25脚的DB－25接头。

③PS／2接口

PS／2接口的功能比较单一，仅能用于连接键盘和鼠标。一般情况下，鼠标的接口为绿色，键盘的接口为紫色。PS／2接口的传输速率比COM接口的稍快一些。

④显示器输出接口

显示器输出接口是计算机与显示器之间的桥梁，它负责向显示器输出相应的图像信号。目前主流产品有VGA和DVI两种接口标准。VGA是输出模拟信号的接口，而DVI接口可兼容模拟和数字信号，它的传输速率快，画面清晰，因此DVI接口的普及将是数字时代的必然发展趋势。

⑤USB接口

通用串行总线USB（Universal Serial Bus）不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的新型接口技术。目前USB1．1是在支持USB的计算机与外设上普遍采用的标准，它提供的传输速率有低速1．5Mbps和全速12Mbps两种。低速的USB（1．5Mbps）支持低速设备，例如调制解调器、键盘、鼠标等。全速的USB（12Mbps）支持中速设备。USB2．0向下兼容USB1．1，数据的传输率将达到480Mb／s，可支持数字摄像设备、扫描仪、打印机及移动存储设备。

目前USB接口已经在PC机的多种外设上得到应用，包括扫描仪、数码相机、数码摄像机等。USB之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备以下特点：

●使用方便：USB接口允许外设热插拔，而不必关闭主机电源，同时能真正做到即插即用；

●数据传输速率快：标准并行接口的数据传输率为1Mb／s，串行接口的数据传输率仅为并行接口的1／8，而USB2．0接口的最高传输率目前可达480Mb／s。

●连接灵活：USB接口支持多个不同设备的串列连接，一个USB口理论上可以连接127个USB设备，连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头实现多个设备的连接。

●独立供电：USB接口提供了内置电源，能向低压设备提供＋5V的电源，能从主板上获得500mA的电流。

⑥IEEE1394接口

继USB之后，IEEE 1394接口技术正在步入市场领域，这种新型的接口比USB功能更为强大。IEEE 1394是一种高效的串行接口标准，中文译为“火线接口”。同USB一样，IEEE1394也支持即插即用和热插拔，也可为外设提供电源，但一个IEEE1394接口最多能连接63个不同设备。

目前IEEE1394接口可以应用于较高带宽的场合，如打印机、扫描仪、数码相机、数码摄像机、视频会议系统及数字电视等，由此可见，IEEE1394的应用不仅仅局限于PC机领域，还将扩展到通信和信息家电领域。

⑦红外线接口

红外线接口用来取代点对点的线缆连接，可以连接无线键盘、无线鼠标等设备，可以使手机和计算机间实现无线传输数据，还可以在具备红外接口的设备间进行信息交流。