电脑数据最重要的通道　总线技术“古”今谈

2020-09-14 12:12

电脑爱好者 2020年17期

关键词：芯片组个人电脑插槽

何为总线

如果仅就总线这个名称来说，它其实就是将数据、信号从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，即部件间的一种公用线路。它兼容性高，有共同的标准规范，与某些部件之间的特殊、专用通信线路相对应，所以被称为“总线”。

总线这个概念的范围很广，并不仅仅局限于我们常见的个人电脑中，各种高性能电脑如服务器、工作站中，以及一些特种电脑如军用电脑、汽车电脑、工控电脑（图1）中也均有总线。不过在本文中，我们仅涉及个人电脑相关的各种总线。

总线的类型则更加多样，在个人电脑的发展过程中，总线标准在不断地变化，而且除了处理器总线外，其实还存在着存储、外部接口等多种总线的并行发展。

早期總线

从PC/AT个人电脑开始，PC机逐渐成为了个人电脑市场的主力架构，同时期虽然还有苹果的APPLE Ⅱ、IBM退出PC机联盟后设计的PS/2电脑以及王安电脑等多种构型，但最终成功的还是英特尔/微软及众多兼容机厂商组成的PC机联盟。在1980年代到90年代，正是PC电脑向大众普及，同时自身在摸索中发展的关键时期，也是总线这一概念在PC上逐渐成熟的时期。

系统总线

与最早期个人电脑几乎一个型号一种设计不同，在80286、80386处理器时期，电脑开始进入普通家庭，为了降低成本、提升兼容性，此时处理器和主板、扩展卡、外部设备已经尝试标准化数据传输，在标准的PC/AT平台上，就出现了ISA（Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）总线。它有8bit和16bit两种模式，时钟频率为8MHz，总线带宽为8bitx8MHz=64Mbps=8MB/s或16bit×8MHz=128Mbps=16MB/S。

ISA总线对于当时的电脑已经完全够用了，例如当时的主要存储设备还是5.25英寸、3.5英寸软盘（图2），容量仅有数百KB～数MB，读写速度只有十几KB/s～上百KB/s;内存则是FP（FastPage） RAM（图3），位宽同样为8bit，速度也不高。比较麻烦的是，从这一时期开始，就出现了插槽与总线混淆的问题，因为其时最常见的插槽同样也叫ISA（图4），同样有8bit和16bit之分。

随着处理器性能和配件能力的提升，ISA总线逐渐变得力不从心，例如硬盘很快成为了个人电脑的标配，其速度远超软盘。同时PC/AT阵营的竞争对手也推出了一些新的总线标准，1987年IBM公司为其PS/2个人电脑平台（图5）推出的32位MAC（MicroChannel Architecture）总线，带宽就达到了40MB/s。

Compaq、AST、Epson、HP等9家公司于1988年9月联合推出EISA（Extended ISA）总线，EISA总线仍然保持ISA总线的8MHz频率，与ISA总线完全兼容，但总线位宽提高到32位，因此带宽为32bit×8MHz=256Mbps=32MB/s。但这种简单的补丁很快就满足不了要求了。1991年下半年，英特尔公司提出了PCI总线的概念，并与IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立PCISIG组织，联合推出了PCI总线。

PCI总线的位宽达到32bit和64bit，时钟频率为33MHz，因此带宽为32bit×33MHz=1056Mbps=132MB/s或64bit×33MHz=2112Mbps=264MB/s。作为总线来说，PCI的提升幅度很大，但处理器和周边配件的发展也极快，因此生命周期并不算长。然而基于这一总线的插槽却非常长寿，近期的一些主板为了兼容升级缓慢的商业、工控板卡，仍会提供PC1插槽（图6）。

为了满足日益提升的需求，PCI总线又发展到PCI-X时代，与PCI总线相比，PCI-X总线的位宽未改变，而是将时钟频率进行了提高。PCI-X 1.0的时钟频率为66MHz/100MHz/133MHz，总线带宽分别为32bit的264MB/s、400MB/s、532MB/s和64bit的528MB/s、800M B/s、1064MB/s。PCI-X 2.0的时钟频率进一步提升，达到266MHz/533MHz/1066MHz，总线带宽分别为32bit的1064MB/s、2132MB/s、4264MB/s和64bit的2128MB/s、4264MB/s、8512MB/s，PCI-X与PCI总线在硬件结构上完全兼容。

不过在实际上，PCI-X只是看起来很美，并没有成为处理器和主板的总线标准，只是发展出了相应的插槽连接方式，且实际兼容板卡很少见。不过其发展型非常重要，就是目前大家最常见的PCIe（PCI-Express），这是后话，我们在后面会详细说明。

总体来说，PCI总线是一种非常成功的设计，但也带有比较“原始”的理念。它采用树型结构，独立于CPU总线，可以和CPU总线并行操作。PCI总线上只允许有一个主设备，其他的均为PCI从设备，而且读写操作只能在主从设备之间进行，从设备之间的数据交换需要通过主设备中转。这种结构虽然有利于降低复杂度，但明显降低了效率。

处理器总线

作为需要和所有配件通信的設备，处理器自身肯定也需要一种标准化的数据传输线路，当然也可以叫做“总线”。在80286、80386时代，处理器并不需要特别的总线，但到了486时代，因为需要和大量的兼容厂商处理器以及主板上已经成型的芯片组配合，就出现了FSB （Front Side Bus，前端总线），负责与芯片组的北桥通信。

由于北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件以及和南桥芯片连接，而处理器就是通过FSB连接到北桥芯片，进而通过它和内存、显卡交换数据。因此FSB就成了处理器和外界交换数据的最主要通道，其数据传输能力也对计算机整体性能作用很大，如果没有足够快的前端总线，再强的处理器也不能明显提高计算机整体速度。

在进入21世纪前，总线继续发展，还出现了IDE（Integrated Drive Electronics，集成设备电路）与AGP （Accelerated Graphic Ports，加速图形接口）等类型，它们也有一些区别。其中IDE标准规范（图7）基本统—了外部存储设备，不管是硬盘还是光驱，都基于类似的传输标准规范，只是会有一些针对性的改进，且有着不同的版本，如ATA33、ATA66等，所以完全可以叫做总线，只不过和ISA、PCI后期的命运类似，只应用于部分设备，实际上只能叫做“局部总线”。

而AGP虽然也被叫做“总线”，但它只是特异化的PCI总线通道，引入了点对点连接，提升了速度，但实际上只能做到一点对一点，也就是处理器与显卡间的单一通道。这使得消费级主板上只能有一个专用的AGP插槽（图8），连接一块AGP显卡，其实是一种专用、特殊化连接，不应叫做总线。

总线的高速发展

上世纪90年代末到本世纪初，处理器总线成为了市场的焦点。在数年的时间内，随着架构的升级不断地变化，处理器总线的发展速度远超同时出现和普及的PCIe、SATA等总线技术，而它们共同发展，成为了今天电脑内主要的处理器总线与区域总线。

处理器总线之争

作为英特尔处理器兼容厂商，AMD有一定的创新精神，在奔腾处理器架构不再开放后，以K5、K6系列处理器以及3DNow！指令集等吸引了一些用户，但竞争力还是远远不够，直到K7出现。理论上讲，K7可以看做是AMD得到了DEC的Alpha服务器处理器（图9）技术后，在其基础上开发的，不过Alpha是一种面向不同应用的RISC架构处理器。作为面向消费系统的x86架构处理器，K7内部结构的可借鉴之处并不多，对其表现影响最大的其实是来自Alpha处理器的EV6总线。

从一般用户的角度来看，K7处理器似乎也使用了前端总线技术，只是前端总线的等效频率为200MHz。但实际上这更像是“虚拟频率”，因为其每个指令周期能处理24个系统指令请求，远多于同时期英特尔处理器的6个，此外其内存和芯片组也是不依赖于EV6总线速度的，所以能继续使用100MHz的SDRAM。

借助更先进的总线技术开创了与英特尔竞争的新时代后，很快AMD又拿出了真正的“杀手锏”，更多地借鉴了Alpha处理器技术的64位处理器——K8。其总线技术升级为HyperTransport（图10），简称“HT总线”。HyperTransport 1.0的运行频率为800MHz，数据传输率为12.8G B/s，HyperTransport2.0则达到最高1.4GHz，最高数据传输率为22.4G B/s。这一总线下的内存和芯片组同样也是不依赖于总线速度的，且可以很好地支持当时已经逐渐成熟的PCle传输技术。

另外HyperTransport还有两个特殊技能。首先，作为从服务器处理器上发展而来的技术，它“天生”就适合连接多个处理器核心，这一点在消费级处理器开始走入双核（图11）乃至多核时代时，为AMD处理器提供了重大帮助。

其次，HyperTransport是一种可以组合的数据通道，比如处理器两个核心之间和与北桥的连接都是16条16bit的HyperTransport通道，而南北桥之间则可以使用8条8bit的HyperTransport通道。内核间灵活、高速的数据传输能力也为其内置内存控制器提供了可能，两个或多个内核都可以高速访问内存控制器。

EV6和HyperTransport总线在现在看来已经不算先进，但它们的基本理念却被AMD和英特尔继承，目前的处理器总线基本都与内存、芯片组和外部设备“脱钩”，或者是可以灵活设置频率比例的，不再像FSB时代那样联系紧密了。当然在多核处理器已经成为绝对主力的今天，HyperTransport开辟的多核间高速总线连接方式也被继承了下来，随之而来的还有处理器内置内存控制器的设计。

相对来说，与K7和K8对抗的英特尔奔腾2、奔腾3、奔腾4处理器（图12）仍然采用FSB总线，只是为了提升频率，在奔腾4中采用QDR（4倍频）方式，即FSB频率达到主板提供的外频的4倍。相对保守的总线限制了这一时期的英特尔处理器性能。

开始启动的PCIe总线

在这段时期，目前如日中天的PCIe总线还是一种AGP的替代品，初期只是考虑到显卡的需求，所以只有16通道、1个插槽。而其后通道、插槽逐渐增加，仍然是因为显卡的需求，即提供SLI、Crossfire多显卡并联能力（图13）。毕竟PCIe1.0/1.1版本的带宽表现实在一般（图14），PCI插槽仍然堪用，市场上也很少见其他的PCie设备。此时用于显卡的PCIe×16插槽几乎可以看做是AGP 8×插槽的自然提升——另一种“AGP16×”而已。

其他总线

目前在我们的电脑中常见的SATA、USB等接口及其總线标准，同样在这个时期发端和发展，并为今天的广泛应用打下了基础。例如在SATA接口发展到2.0版本时，其3Gbps（约合300MB/s）的带宽就可以充分满足机械硬盘（实际传输速率在250MB/s以下）的需求了，而SATA 3.0（6Gbps）现在看来就是提前为固态存储打下了基础。

现代与未来的总线

随着为显卡准备的大量PCIe数据通道被更多类型的PCIe插槽、板卡以及衍生接口和相应设备充分利用，它在主板上逐渐形成了一统天下的态势，而在这种情况下，新的总线结构也出现在我们面前。无论是英特尔的DMI还是AMD的Infinity Fabric，实质都是利用或兼容PCIe的架构。

英特尔平台

在英特尔平台上，进入智能酷睿，也就是目前我们熟悉的酷睿i系列时代后，同样将内存控制器集成到处理器内部，就不再需要FSB总线了，而是用QPI（QuickPath Interconnect，快速通道互联）总线与外部设备（主要是内存）以及内部核心通信（图15）。QPI的频率为3.2GHz，一个时钟周期可传输两次数据，实际速率为6.4GT/s（每秒传输64亿次），有效位宽为16bit（共20bit，其中4bit用于控制、冗余、检验等数据），因此单向传输速度为16bit×6.4GT/s=102.4Gbps=12.8GB/s，因为它可以支持双向同时传输，总带宽为25.6GB/s。

不过很快，PCIe控制器也被整合到了处理器内部，此时北桥芯片彻底消失，处理器直接与残存的南桥芯片通信，它们之间的连接通道就是目前仍在使用的DMI。由于南桥目前整合的功能大都是相对低速的，如USB外设接口、SATA硬盘接口等，因此处理器的DMI总线频率、带宽的意义已经不大了，它一般就是直接使用4条PCIe通道。要保持基本的能力，它至少应该和PCIe的发展同步，这就是DMI和PCIe的版本基本相同的原因（图16）。

小知识：

QPI总线会随着处理器频率变化，所以改动处理器频率的时候会影响到内存频率，造成不稳定，从二代智能酷睿开始普遍配置的核芯显卡频率也会受到处理器频率的影响，可能造成不稳定。这两大硬件的限制，加上对市场的考虑，就造成了目前英特尔对超频严格限制的情况。

AMD平台

在锐龙处理器上，AMD使用了一种新的总线技术——Infinity Fabric，同样被用于内部多个核心之间以及核心与I/O控制器之间的沟通（图17），而它之所以非常重要，就是因为锐龙处理器的核心数量、多核心效能是非常重要的竞争优势。这一点在采用多芯片封装的锐龙3000系列处理器中更为重要。

Infinity Fabric技术的具体内容虽然严格保密，不过在AMD平台上，它其实是来自处理器内部和PCIe通道“同源”的I/O通道，加上处理器与芯片之间直接采用PCIe通道连接，所以InfinityFabric通道也极有可能是与PCIe通道的速度、标准非常相似的。

未来总线仍然基于PCIe

从目前来看，英特尔主导的CXL（Compute EXpress Link）方案（图18）很可能是下一代英特尔的处理器总线。而且因为C×L联盟中也包括了对消费级电脑极为重要的戴尔、微软等厂商（图19），加上方案本身基于主要厂商都认可和支持的PCIe 5.0规范，因此它也有很大的机会进入AMD未来的处理器中。

至于未来另一种可能会有较大变化的总线就是外设接口，USB 4虽然和雷电4标准分分合合，还看不清最终的结局，但有一点是肯定的，就是它们同样会与PCIe通道进行更深的“捆绑”。未来通过雷电3接口连接外置显卡这样的任务应该不再会是特例，外设可以借此获得近似于内置设备的性能，甚至是直接连接到PCIe通道上。