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总线标准

大纲定位

本条已不在现行大纲内

现行 408 大纲「总线」只列三条:总线的基本概念、总线的组成及性能指标、总线事务和定时。具体总线标准的命名与分类(ISA / EISA / PCI / PCIe / AGP / USB / SATA)已不再单列

那为什么还留着这篇:其中有一条仍然在纲内、而且反复出现在"下列叙述中错误的是"里——并行总线不一定比串行总线快。这个结论属于总线基本概念,但只有把并行到串行的演进原因讲清楚,才不会背成一句反直觉的口诀。

怎么分配时间:本篇已压缩到只保留这一条主线。各标准的版本号、速率数值一律不需要背,扫一眼建立坐标即可。带宽计算与总线事务在 总线概述总线事务与定时 两篇,那才是正事。

总线标准是什么

总线标准规定了总线的机械特性(接口尺寸)、电气特性(信号电平)、功能特性(信号定义)和时序特性(时钟协议),使不同厂家的设备可以互联互通。

一张坐标图就够了:

标准并行/串行位置备注
ISA / EISA / VESA并行第一代 I/O 总线早已淘汰
PCI / AGP / PCI-X并行第二代 I/O 总线PCI 通过桥接器与 CPU 总线相连
PCIe(PCI-Express)串行第三代 I/O 总线点对点,按通道(lane)组织,×1×32
USB串行通信总线(外总线)支持热插拔、即插即用,树形级联
SATA串行通信总线取代并行的 PATA(IDE)

唯一需要留意的判断

PCIe 是串行的。名字里带着"PCI",又插在主板扩展槽上,很容易顺手当成并行——"PCI-Express×16 采用并行传输方式"是错误说法。×16 指的是 16 条通道并联,每条通道内部仍是串行差分传输。

USB、SATA 同理,都是串行。

为什么高速总线从并行走向串行

这才是本篇的核心,也是仍在纲内的那部分。

并行总线的困境:并行传输要求同时发出的所有数据位在另一端同时到达。频率越高、走线越长,问题越严重:

  • 串扰:相邻信号线之间互相干扰
  • 时钟偏移(skew):各位到达时间不一致,最快位和最慢位的时间差被放大到超过一个时钟周期,采样就错了

于是并行总线的频率被信号完整性卡死,加线数也救不回来。

串行总线的破解方式

  • 每次只在一根(一对)信号线上传一位,不存在位与位之间的对齐问题,某一位的时延抖动不影响其他位
  • 差分信号传输,抗干扰能力强
  • 链路上不单独走时钟线,接收端用锁相环从数据流的 0-1、1-0 跳变中恢复时钟
  • 频率因此可以提得极高,再用多通道并联把总带宽堆上去

结论:

串行单通道频率优势×通道数>并行的线数优势

所以 PCI(并行)被 PCIe(串行)取代、PATA(并行)被 SATA(串行)取代。"并行总线传输比串行总线传输速度快"是错的——在低频短距离下并行有优势,但现代高速总线的胜负早已倒过来了。

只需带走的三句话

  1. PCIe、USB、SATA 都是串行;ISA、PCI、AGP 是并行。×16 是通道数,不是并行位宽。
  2. 并行不等于快。并行受串扰和时钟偏移限制,高速场景下串行凭高频 + 多通道反超。
  3. 不同速度的总线之间靠桥接器相连,越靠近 CPU 的总线越快——这条在 总线概述 的多总线层次图里讲。

教材出处

  • 袁春风《计算机组成与系统结构(第 3 版)》§8.3:同步并行总线的传输时延问题与串行传输的优势(p279)、三代 I/O 总线与 PCI-Express 通道结构(p282)

真题练习

总线标准的命名辨析已移出大纲。历年涉及标准的真题仍按"真题原貌"收录在 总线概述 的真题区里,与总线基本概念的题放在一起,转过去做即可。