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  • 计算机系统总线发展史

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    今天查阅了计算机总线相关的资料,做个笔记,也希望对别人有些借鉴意义。
     
    笔记主要是按以下思路整理的:
    1.系统总线是什么
    2.PCI总线产生前的总线
    3.PCI总线及其特点
    4.图形处理对系统总线提出的挑战
    5.UMA架构与挑战
    6.UMA架构的缺陷与AGP解决方案
    7.AGP的发展史
    8.AGP的三种规范说明及发布时间表
    9.AGP对PCI的优点
    10.图形处理提出的新挑战与PCI-Express总线
    11.PCI-Express的特点
    12.参考文献
     
    列举项比较长,有些项目有些简单,需要补充
     
    计算机总线分为以下几个部分:
    1.片内总线(CPU内部各功能单元之间的连接总线)
    2.片间总线(从CPU芯片引出的总线,又称CPU总线)
    3.系统总线(CPU与外设之间的通讯总线)(如ISA,EISA,PCI等)
    4.外部总线(PC之间的通讯连线)(如IEEE 1394)
    笔记将只限于讨论系统总线部分
     
    [1981]PCI总线产生前,计算机的系统总线有一段的发展史。最原始的是名为“PC总线”的总线,由IBM在1981年以8088为CPU推出的系统总线,“PC总线“又称’PC/XT"总线,是PC总线的第一次创新。
    总线的主要特点是以CPU为唯一主控设备,其它设备为从属设备。[0]
    [1984]PC总线沿用了三年多时间,直到1984年,IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑,PC总线才被16位的PC/AT总线所代替。但是IBM公司并没有公布AT总线的规格,这样AT 总线技术就控制在IBM 手中。[3]
    [1987]而为了开发与IBM PC 兼容的外围设备,由INTEL 公司、IEEE和EISA集团共同研制出以IBM PC总线规范为基础的总线标准规范-ISA总线,即8/16位的“工业标准结构” (Industry Standustry Architecture)。这种总线应该是在1984年后就慢慢形成,1987年IEEE正式制订了ISA总线标准。[1][2]
    [1987]在80386处理器推出后,包括IBM在内的计算机厂商,为提高机器速度,增大可用内存,要管理4GB的实际内存和64TB虚拟内存,增加多处理能力,因此,需要重新设计总线。在1987年,IBM 公司又引进了一种新型总线标准,称作MCA(Micro-Channel Architecture)总线,用在IBM的PS/2机器上,这种总线32位结构总线,在传输率上和稳定性上比ISA 总线有了很大提高,IBM 为了垄断这种技术,在设计上与其他厂商完全不兼容,这样使得这种技术这能在IBM 的PS/2机器上使用,而采用ISA接口技术的外围设备卡无法在MCA总线的机器上使用,其他厂商如果要使用MCA技术必须向IBM购买,这样就使得MCA总线在其他厂商的机器中无法得到推广.[3]
    [1988]为了与IBM的MCA技术抗衡,九家计算机厂商联合起来,在ISA总线的基础上与1998年推出了为32位微机设计的“扩展工业标准结构” EISA总线(Extended ISA),32位地址线可以直接寻址范围为4GB,32位数据位,最大传输率为33MB/s,同时与ISA总线兼容.由于EISA的技术标准公开,很受厂家欢迎,相继有上百种EISA卡问世。[0]
    [1992]EISA是一种支持多处理器的高性能32位标准总线,但由于要兼顾ISA,防碍了EISA的总线速度的进一步提高。为打破CPU与外设之间的数据传输瓶颈,提高微机的整体性能,VESA(Video Eletronics Standard Association 视频电子标准协会)联合60余家公司,对PC总线进行创新,推出了VESA Local Bus(简称VL总线)的局部总线标准VESA v1.0.从VESA局部总线结构上看,局部总线好像是在传统总线和CPU之间又插入了一级,将一些高速外设如网络适配器、GUI图形板、多媒体、磁盘控制器等从传统总线上卸下,直接通过局部总线挂接到CPU总线上,使之与高速CPU相匹配。VESA数据总线宽度为32位,总线时钟与CPU主频有关,最大不超过40MHz,支持Burst Mode突发传输方式,总线最高传输率132MB/s,地址总线宽度32位,总线最大寻址空间为4GB。从CPU与总线的匹配关系来看,由于VESA标准总线几乎是486CPU信号的延伸,故VL与486匹配达到最佳,能够充分发挥486微机各部件的性能,因此在486系列微机基本上都采用了VESA总线。由于VESA总线是直接挂在CPU上,在CPU升级或任务变动时都会使得VESA不再适用,例如,VESA不能支持Pentium及其以上的芯片。因此,随着486芯片的衰落,VESA已逐渐消失.[0]
     
    [1992~1993]有没有一种既具有VESA局部总线的高数据传输率、又与CPU相对独立、并且功能更强的总线?Intel公司研制的PCI(Perpheral Component Interconnect)局部总线作出了肯定的回答.在Intel和多家主要电脑厂商的努力下,1993年,第一台PCI电脑问世。
     第一个版本的PCI总线工作于33MHz频率下,传输带宽达到133MBps,比ISA总线和EISA总线有了巨大的改进,很好满足当时计算机系统的发展需要。而且PCI采用了独特的中间缓冲器设计,显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速外围设备都可以直接挂在PCI总线中,再与CPU实现通讯,这种做法不仅满足了当时配件对系统总线的性能要求,也提供了相当的灵活性.
    [1993~1994]在PCI发布一年之后,英特尔公司紧接着提出64位的PCI总线,它的传输性能达到266MBps,但主要用于企业服务器和工作站领域;由于这些领域对总线性能要求较高,64位/33MHz规格的PCI很快又不够用了,英特尔遂将它的工作频率提升到66MHz。而随着X86服务器市场的不断扩大,64位/66MHz规格的PCI总线理所当然成为该领域的标准,针对服务器/工作站平台设计的SCSI卡、RAID控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用64位PCI接口,乃至到今天,这些设备还被广泛使用.不过,PC领域的32位总线一直都没有得到升级,工作频率也停留于33MHz.[4]
     
    PC上的33MHz PCI总线(133MB/s的传输速度)面临挑战的主要原因之一是由于显卡3D计算的需求。显卡处理的数据流工作主要是分为四个阶段,即数据从CPU到显卡核心,处理完后到显卡内存(显存),从显存到数模转换器(RAM-DAC),再从数模转换器进入显示器[5]。由于3D计算过程中,需要大量的数据,而显存的容量由于造价过高而不得不利用计算机的系统内存(即传统的RAM,也即CPU的工作内存),这就是UMA(Unified Memory Architecture)的用武之地。
    UMA的解决方案是从系统内存中划分出一块来,作为显示核心的专用内存,以完成必要3D数据的存储。但是UMA的处理方式比较死板,它从内存中划分出来后就不归还了,即使显示核心不再使用这块内存了。这种做法给系统的其它部分带来了比较大的负面效应,系统性能会因系统内存的减少而降低10%或更多(视UMA划分出去的内存数量和系统内存的总数量而定)。同时,由于共享系统内存,数据从系统内存到显示核心之间的传输带宽也出现了问题:一般传输的速度要求有200MB/s以上,突出的3D性能更需要300~400MB/s或更多。如此大的要求,133MB/s的PCI系统总线是满足不了的。[6]
     
    UMA解决架构失败后,为了提高系统内存与显示芯片之间的传输速度,Intel于1996年开始,到2000年间,特别针对图形数据的传输,相继提出了一系列的AGP规范,共有AGP1.0~3.0。AGP规范是Accelerated Graphics Port的简称,是Intel专门为显示核心制订。和UMA不同的是,它可以动态对内存进行申请和释放,而不再总占用不放--即使显示核心不再需要;因此,缓解了UMA解决方案出现的问题。同时,由于使用了更高的数据传送速度,使得在相当长的时间内,PCI遇到的难题得到缓解。

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