電腦數(shù)據(jù)最重要的通道　總線技術(shù)“古”今談

何為總線

如果僅就總線這個(gè)名稱來說，它其實(shí)就是將數(shù)據(jù)、信號(hào)從一個(gè)或多個(gè)源部件傳送到一個(gè)或多個(gè)目的部件的一組傳輸線，即部件間的一種公用線路。它兼容性高，有共同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，與某些部件之間的特殊、專用通信線路相對(duì)應(yīng)，所以被稱為“總線”。

總線這個(gè)概念的范圍很廣，并不僅僅局限于我們常見的個(gè)人電腦中，各種高性能電腦如服務(wù)器、工作站中，以及一些特種電腦如軍用電腦、汽車電腦、工控電腦（圖1）中也均有總線。不過在本文中，我們僅涉及個(gè)人電腦相關(guān)的各種總線。

總線的類型則更加多樣，在個(gè)人電腦的發(fā)展過程中，總線標(biāo)準(zhǔn)在不斷地變化，而且除了處理器總線外，其實(shí)還存在著存儲(chǔ)、外部接口等多種總線的并行發(fā)展。

早期總線

從PC/AT個(gè)人電腦開始，PC機(jī)逐漸成為了個(gè)人電腦市場的主力架構(gòu)，同時(shí)期雖然還有蘋果的APPLE Ⅱ、IBM退出PC機(jī)聯(lián)盟后設(shè)計(jì)的PS/2電腦以及王安電腦等多種構(gòu)型，但最終成功的還是英特爾/微軟及眾多兼容機(jī)廠商組成的PC機(jī)聯(lián)盟。在1980年代到90年代，正是PC電腦向大眾普及，同時(shí)自身在摸索中發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，也是總線這一概念在PC上逐漸成熟的時(shí)期。

系統(tǒng)總線

與最早期個(gè)人電腦幾乎一個(gè)型號(hào)一種設(shè)計(jì)不同，在80286、80386處理器時(shí)期，電腦開始進(jìn)入普通家庭，為了降低成本、提升兼容性，此時(shí)處理器和主板、擴(kuò)展卡、外部設(shè)備已經(jīng)嘗試標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸，在標(biāo)準(zhǔn)的PC/AT平臺(tái)上，就出現(xiàn)了ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）總線。它有8bit和16bit兩種模式，時(shí)鐘頻率為8MHz，總線帶寬為8bitx8MHz=64Mbps=8MB/s或16bit×8MHz=128Mbps=16MB/S。

ISA總線對(duì)于當(dāng)時(shí)的電腦已經(jīng)完全夠用了，例如當(dāng)時(shí)的主要存儲(chǔ)設(shè)備還是5.25英寸、3.5英寸軟盤（圖2），容量僅有數(shù)百KB～數(shù)MB，讀寫速度只有十幾KB/s～上百KB/s;內(nèi)存則是FP（FastPage） RAM（圖3），位寬同樣為8bit，速度也不高。比較麻煩的是，從這一時(shí)期開始，就出現(xiàn)了插槽與總線混淆的問題，因?yàn)槠鋾r(shí)最常見的插槽同樣也叫ISA（圖4），同樣有8bit和16bit之分。

隨著處理器性能和配件能力的提升，ISA總線逐漸變得力不從心，例如硬盤很快成為了個(gè)人電腦的標(biāo)配，其速度遠(yuǎn)超軟盤。同時(shí)PC/AT陣營的競爭對(duì)手也推出了一些新的總線標(biāo)準(zhǔn)，1987年IBM公司為其PS/2個(gè)人電腦平臺(tái)（圖5）推出的32位MAC（MicroChannel Architecture）總線，帶寬就達(dá)到了40MB/s。

Compaq、AST、Epson、HP等9家公司于1988年9月聯(lián)合推出EISA（Extended ISA）總線，EISA總線仍然保持ISA總線的8MHz頻率，與ISA總線完全兼容，但總線位寬提高到32位，因此帶寬為32bit×8MHz=256Mbps=32MB/s。但這種簡單的補(bǔ)丁很快就滿足不了要求了。1991年下半年，英特爾公司提出了PCI總線的概念，并與IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立PCISIG組織，聯(lián)合推出了PCI總線。

PCI總線的位寬達(dá)到32bit和64bit，時(shí)鐘頻率為33MHz，因此帶寬為32bit×33MHz=1056Mbps=132MB/s或64bit×33MHz=2112Mbps=264MB/s。作為總線來說，PCI的提升幅度很大，但處理器和周邊配件的發(fā)展也極快，因此生命周期并不算長。然而基于這一總線的插槽卻非常長壽，近期的一些主板為了兼容升級(jí)緩慢的商業(yè)、工控板卡，仍會(huì)提供PC1插槽（圖6）。

為了滿足日益提升的需求，PCI總線又發(fā)展到PCI-X時(shí)代，與PCI總線相比，PCI-X總線的位寬未改變，而是將時(shí)鐘頻率進(jìn)行了提高。PCI-X 1.0的時(shí)鐘頻率為66MHz/100MHz/133MHz，總線帶寬分別為32bit的264MB/s、400MB/s、532MB/s和64bit的528MB/s、800M B/s、1064MB/s。PCI-X 2.0的時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提升，達(dá)到266MHz/533MHz/1066MHz，總線帶寬分別為32bit的1064MB/s、2132MB/s、4264MB/s和64bit的2128MB/s、4264MB/s、8512MB/s，PCI-X與PCI總線在硬件結(jié)構(gòu)上完全兼容。

不過在實(shí)際上，PCI-X只是看起來很美，并沒有成為處理器和主板的總線標(biāo)準(zhǔn)，只是發(fā)展出了相應(yīng)的插槽連接方式，且實(shí)際兼容板卡很少見。不過其發(fā)展型非常重要，就是目前大家最常見的PCIe（PCI-Express），這是后話，我們?cè)诤竺鏁?huì)詳細(xì)說明。

總體來說，PCI總線是一種非常成功的設(shè)計(jì)，但也帶有比較“原始”的理念。它采用樹型結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于CPU總線，可以和CPU總線并行操作。PCI總線上只允許有一個(gè)主設(shè)備，其他的均為PCI從設(shè)備，而且讀寫操作只能在主從設(shè)備之間進(jìn)行，從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換需要通過主設(shè)備中轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)雖然有利于降低復(fù)雜度，但明顯降低了效率。

處理器總線

作為需要和所有配件通信的設(shè)備，處理器自身肯定也需要一種標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)傳輸線路，當(dāng)然也可以叫做“總線”。在80286、80386時(shí)代，處理器并不需要特別的總線，但到了486時(shí)代，因?yàn)樾枰痛罅康募嫒輳S商處理器以及主板上已經(jīng)成型的芯片組配合，就出現(xiàn)了FSB （Front Side Bus，前端總線），負(fù)責(zé)與芯片組的北橋通信。

由于北橋芯片負(fù)責(zé)聯(lián)系內(nèi)存、顯卡等數(shù)據(jù)吞吐量最大的部件以及和南橋芯片連接，而處理器就是通過FSB連接到北橋芯片，進(jìn)而通過它和內(nèi)存、顯卡交換數(shù)據(jù)。因此FSB就成了處理器和外界交換數(shù)據(jù)的最主要通道，其數(shù)據(jù)傳輸能力也對(duì)計(jì)算機(jī)整體性能作用很大，如果沒有足夠快的前端總線，再強(qiáng)的處理器也不能明顯提高計(jì)算機(jī)整體速度。

在進(jìn)入21世紀(jì)前，總線繼續(xù)發(fā)展，還出現(xiàn)了IDE（Integrated Drive Electronics，集成設(shè)備電路）與AGP （Accelerated Graphic Ports，加速圖形接口）等類型，它們也有一些區(qū)別。其中IDE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（圖7）基本統(tǒng)—了外部存儲(chǔ)設(shè)備，不管是硬盤還是光驅(qū)，都基于類似的傳輸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，只是會(huì)有一些針對(duì)性的改進(jìn)，且有著不同的版本，如ATA33、ATA66等，所以完全可以叫做總線，只不過和ISA、PCI后期的命運(yùn)類似，只應(yīng)用于部分設(shè)備，實(shí)際上只能叫做“局部總線”。

而AGP雖然也被叫做“總線”，但它只是特異化的PCI總線通道，引入了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，提升了速度，但實(shí)際上只能做到一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)，也就是處理器與顯卡間的單一通道。這使得消費(fèi)級(jí)主板上只能有一個(gè)專用的AGP插槽（圖8），連接一塊AGP顯卡，其實(shí)是一種專用、特殊化連接，不應(yīng)叫做總線。

總線的高速發(fā)展

上世紀(jì)90年代末到本世紀(jì)初，處理器總線成為了市場的焦點(diǎn)。在數(shù)年的時(shí)間內(nèi)，隨著架構(gòu)的升級(jí)不斷地變化，處理器總線的發(fā)展速度遠(yuǎn)超同時(shí)出現(xiàn)和普及的PCIe、SATA等總線技術(shù)，而它們共同發(fā)展，成為了今天電腦內(nèi)主要的處理器總線與區(qū)域總線。

處理器總線之爭

作為英特爾處理器兼容廠商，AMD有一定的創(chuàng)新精神，在奔騰處理器架構(gòu)不再開放后，以K5、K6系列處理器以及3DNow！指令集等吸引了一些用戶，但競爭力還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，直到K7出現(xiàn)。理論上講，K7可以看做是AMD得到了DEC的Alpha服務(wù)器處理器（圖9）技術(shù)后，在其基礎(chǔ)上開發(fā)的，不過Alpha是一種面向不同應(yīng)用的RISC架構(gòu)處理器。作為面向消費(fèi)系統(tǒng)的x86架構(gòu)處理器，K7內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可借鑒之處并不多，對(duì)其表現(xiàn)影響最大的其實(shí)是來自Alpha處理器的EV6總線。

從一般用戶的角度來看，K7處理器似乎也使用了前端總線技術(shù)，只是前端總線的等效頻率為200MHz。但實(shí)際上這更像是“虛擬頻率”，因?yàn)槠涿總€(gè)指令周期能處理24個(gè)系統(tǒng)指令請(qǐng)求，遠(yuǎn)多于同時(shí)期英特爾處理器的6個(gè)，此外其內(nèi)存和芯片組也是不依賴于EV6總線速度的，所以能繼續(xù)使用100MHz的SDRAM。

借助更先進(jìn)的總線技術(shù)開創(chuàng)了與英特爾競爭的新時(shí)代后，很快AMD又拿出了真正的“殺手锏”，更多地借鑒了Alpha處理器技術(shù)的64位處理器——K8。其總線技術(shù)升級(jí)為HyperTransport（圖10），簡稱“HT總線”。HyperTransport 1.0的運(yùn)行頻率為800MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為12.8G B/s，HyperTransport2.0則達(dá)到最高1.4GHz，最高數(shù)據(jù)傳輸率為22.4G B/s。這一總線下的內(nèi)存和芯片組同樣也是不依賴于總線速度的，且可以很好地支持當(dāng)時(shí)已經(jīng)逐漸成熟的PCle傳輸技術(shù)。

另外HyperTransport還有兩個(gè)特殊技能。首先，作為從服務(wù)器處理器上發(fā)展而來的技術(shù)，它“天生”就適合連接多個(gè)處理器核心，這一點(diǎn)在消費(fèi)級(jí)處理器開始走入雙核（圖11）乃至多核時(shí)代時(shí)，為AMD處理器提供了重大幫助。

其次，HyperTransport是一種可以組合的數(shù)據(jù)通道，比如處理器兩個(gè)核心之間和與北橋的連接都是16條16bit的HyperTransport通道，而南北橋之間則可以使用8條8bit的HyperTransport通道。內(nèi)核間靈活、高速的數(shù)據(jù)傳輸能力也為其內(nèi)置內(nèi)存控制器提供了可能，兩個(gè)或多個(gè)內(nèi)核都可以高速訪問內(nèi)存控制器。

EV6和HyperTransport總線在現(xiàn)在看來已經(jīng)不算先進(jìn)，但它們的基本理念卻被AMD和英特爾繼承，目前的處理器總線基本都與內(nèi)存、芯片組和外部設(shè)備“脫鉤”，或者是可以靈活設(shè)置頻率比例的，不再像FSB時(shí)代那樣聯(lián)系緊密了。當(dāng)然在多核處理器已經(jīng)成為絕對(duì)主力的今天，HyperTransport開辟的多核間高速總線連接方式也被繼承了下來，隨之而來的還有處理器內(nèi)置內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)。

相對(duì)來說，與K7和K8對(duì)抗的英特爾奔騰2、奔騰3、奔騰4處理器（圖12）仍然采用FSB總線，只是為了提升頻率，在奔騰4中采用QDR（4倍頻）方式，即FSB頻率達(dá)到主板提供的外頻的4倍。相對(duì)保守的總線限制了這一時(shí)期的英特爾處理器性能。

開始啟動(dòng)的PCIe總線

在這段時(shí)期，目前如日中天的PCIe總線還是一種AGP的替代品，初期只是考慮到顯卡的需求，所以只有16通道、1個(gè)插槽。而其后通道、插槽逐漸增加，仍然是因?yàn)轱@卡的需求，即提供SLI、Crossfire多顯卡并聯(lián)能力（圖13）。畢竟PCIe1.0/1.1版本的帶寬表現(xiàn)實(shí)在一般（圖14），PCI插槽仍然堪用，市場上也很少見其他的PCie設(shè)備。此時(shí)用于顯卡的PCIe×16插槽幾乎可以看做是AGP 8×插槽的自然提升——另一種“AGP16×”而已。

其他總線

目前在我們的電腦中常見的SATA、USB等接口及其總線標(biāo)準(zhǔn)，同樣在這個(gè)時(shí)期發(fā)端和發(fā)展，并為今天的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。例如在SATA接口發(fā)展到2.0版本時(shí)，其3Gbps（約合300MB/s）的帶寬就可以充分滿足機(jī)械硬盤（實(shí)際傳輸速率在250MB/s以下）的需求了，而SATA 3.0（6Gbps）現(xiàn)在看來就是提前為固態(tài)存儲(chǔ)打下了基礎(chǔ)。

現(xiàn)代與未來的總線

隨著為顯卡準(zhǔn)備的大量PCIe數(shù)據(jù)通道被更多類型的PCIe插槽、板卡以及衍生接口和相應(yīng)設(shè)備充分利用，它在主板上逐漸形成了一統(tǒng)天下的態(tài)勢，而在這種情況下，新的總線結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)在我們面前。無論是英特爾的DMI還是AMD的Infinity Fabric，實(shí)質(zhì)都是利用或兼容PCIe的架構(gòu)。

英特爾平臺(tái)

在英特爾平臺(tái)上，進(jìn)入智能酷睿，也就是目前我們熟悉的酷睿i系列時(shí)代后，同樣將內(nèi)存控制器集成到處理器內(nèi)部，就不再需要FSB總線了，而是用QPI（QuickPath Interconnect，快速通道互聯(lián)）總線與外部設(shè)備（主要是內(nèi)存）以及內(nèi)部核心通信（圖15）。QPI的頻率為3.2GHz，一個(gè)時(shí)鐘周期可傳輸兩次數(shù)據(jù)，實(shí)際速率為6.4GT/s（每秒傳輸64億次），有效位寬為16bit（共20bit，其中4bit用于控制、冗余、檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)），因此單向傳輸速度為16bit×6.4GT/s=102.4Gbps=12.8GB/s，因?yàn)樗梢灾С蛛p向同時(shí)傳輸，總帶寬為25.6GB/s。

不過很快，PCIe控制器也被整合到了處理器內(nèi)部，此時(shí)北橋芯片徹底消失，處理器直接與殘存的南橋芯片通信，它們之間的連接通道就是目前仍在使用的DMI。由于南橋目前整合的功能大都是相對(duì)低速的，如USB外設(shè)接口、SATA硬盤接口等，因此處理器的DMI總線頻率、帶寬的意義已經(jīng)不大了，它一般就是直接使用4條PCIe通道。要保持基本的能力，它至少應(yīng)該和PCIe的發(fā)展同步，這就是DMI和PCIe的版本基本相同的原因（圖16）。

小知識(shí)：

QPI總線會(huì)隨著處理器頻率變化，所以改動(dòng)處理器頻率的時(shí)候會(huì)影響到內(nèi)存頻率，造成不穩(wěn)定，從二代智能酷睿開始普遍配置的核芯顯卡頻率也會(huì)受到處理器頻率的影響，可能造成不穩(wěn)定。這兩大硬件的限制，加上對(duì)市場的考慮，就造成了目前英特爾對(duì)超頻嚴(yán)格限制的情況。

AMD平臺(tái)

在銳龍?zhí)幚砥魃希珹MD使用了一種新的總線技術(shù)——Infinity Fabric，同樣被用于內(nèi)部多個(gè)核心之間以及核心與I/O控制器之間的溝通（圖17），而它之所以非常重要，就是因?yàn)殇J龍?zhí)幚砥鞯暮诵臄?shù)量、多核心效能是非常重要的競爭優(yōu)勢。這一點(diǎn)在采用多芯片封裝的銳龍3000系列處理器中更為重要。

Infinity Fabric技術(shù)的具體內(nèi)容雖然嚴(yán)格保密，不過在AMD平臺(tái)上，它其實(shí)是來自處理器內(nèi)部和PCIe通道“同源”的I/O通道，加上處理器與芯片之間直接采用PCIe通道連接，所以InfinityFabric通道也極有可能是與PCIe通道的速度、標(biāo)準(zhǔn)非常相似的。

未來總線 仍然基于PCIe

從目前來看，英特爾主導(dǎo)的CXL（Compute EXpress Link）方案（圖18）很可能是下一代英特爾的處理器總線。而且因?yàn)镃×L聯(lián)盟中也包括了對(duì)消費(fèi)級(jí)電腦極為重要的戴爾、微軟等廠商（圖19），加上方案本身基于主要廠商都認(rèn)可和支持的PCIe 5.0規(guī)范，因此它也有很大的機(jī)會(huì)進(jìn)入AMD未來的處理器中。

至于未來另一種可能會(huì)有較大變化的總線就是外設(shè)接口，USB 4雖然和雷電4標(biāo)準(zhǔn)分分合合，還看不清最終的結(jié)局，但有一點(diǎn)是肯定的，就是它們同樣會(huì)與PCIe通道進(jìn)行更深的“捆綁”。未來通過雷電3接口連接外置顯卡這樣的任務(wù)應(yīng)該不再會(huì)是特例，外設(shè)可以借此獲得近似于內(nèi)置設(shè)備的性能，甚至是直接連接到PCIe通道上。

從處理器內(nèi)部總線到與芯片組的連接，再到各個(gè)配件乃至外設(shè)產(chǎn)品，PCIe高速通道有望貫通個(gè)人電腦的所有方面。這一目標(biāo)如果實(shí)現(xiàn)的話，必將帶給我們一個(gè)完全不同的電腦應(yīng)用模式，引領(lǐng)個(gè)人電腦應(yīng)用進(jìn)入新天地。