总线，接口详解

一、什么是总线？什么是接口？

总线和接口都有相互连接的含义。接口：两个部件连接。总线：多个部件连接。

接口与总线有时也不加区分，合称为总线接口或接口总线等。

部件：CPU，内存，显卡，硬盘， KVM。

总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束；

接口包括：PCI总线接口、USB串行接口、RS232串行接口、打印机并行接口（老式主板上有）等；

USB接口电路：由USB接口底座、电感、滤波电容、电阻排、保险电阻和南桥芯片（USB控制器）等组成。

部件通过接口和总线连接完成通信。

二、总线组成

总线由总线控制器，接口和传输线组成；

总线控制器：由于总线的共享性，所以需要一个总线控制器来控制总线的使用和分配；

接口：由三态门和缓冲寄存器组成。三态门可以决定当前总线与这个部件的联通状态，三态门的输出可以是1、0和高阻抗三个状态；

传输线：除了传输数据、地址和控制信号的信息线外，还有电源线和接地线来连接到每个部件；

按功能分为控制线，地址线和数据线；

参考：https://blog.csdn.net/stringNewName/article/details/51451955

参考：https://www.cnblogs.com/onlyforcloud/articles/4444321.html 计算机原理学习（2）-- 存储器和I/O设备和总线

参考：https://wenku.baidu.com/view/e78eef22aeaad1f347933f2c.html  计算机总线

参考：http://baijiahao.baidu.com/s?id=1601905877566591798&wfr=spider&for=pc 主板怎么选？看完秒懂

举例：

主板芯片组一般由北桥（North Bridge）芯片和南桥(South Bridge)芯片组成。它们都是总线控制器。

北桥芯片是处理器和高速设备之间的联系纽带，如内存、PCI-E等设备的总线就构建于北桥之上。    

南桥芯片负责相对低速的系统设备的连接，如I/O设备、IDE、SATA、USB 2.0、32Bit的普通PCI插槽等，同时现代的南桥芯片还集成了诸如AC'97声卡控制器、网络控制器等常用而又要求不高的设备。

北桥和南桥之间则通过高速的总线连接起来，如Intel的Hub Link技术、VIA的V-Link技术、SIS的Multi-Threaded“妙渠”技术、都是为方便两者间大数据量的传输而开发的高速总线。

参考：https://baike.baidu.com/item/%E6%8E%A5%E5%8F%A3%E6%80%BB%E7%BA%BF/12724095

三、总线的分类？

按照CPU内外来分类：

• 内部总线：在CPU内部，ALU/CU和Cache（Cache控制器）之间传输数据所用的总线称为片内总线。
• 外部总线：CPU与内存/PCIE显卡/PCH之间进行通讯的通路,也称系统总线。通常所说的总线指片外部总线。
• I/O总线：第一层I/0总线和第二层I/O总线。

参考：http://www.360doc.com/content/18/0801/17/16534268_774955702.shtml 主板芯片详细介绍
 

1. 环形总线（片内）

内核，LLC（三级缓存LastLevelCache）通过总线控制器与其他内核，内存控制器等总线控制器通信。

 

CPU环形总线倍频：也是CPU缓存频率，CPU Cache Ratio。

参考：http://www.sohu.com/a/224211922_641165 小科普 | BIOS设置选项详细解释①——CPU核心篇

Cache（数据Cache）及其地址变换逻辑（也叫Cache控制器）

https://blog.csdn.net/Kiloveyousmile/article/details/74331592 Cache控制器的设计

2.1 QPI/UPI总线（外部总线）

QPI总线实现芯片之间的直接互联；

QPI采用了与PCI-E类似的串行式点对点设计（基于包传输）；

一组QPI具有具有20条数据传输线，每一条通路可传送20bit数据。有16bit是真实有效的数据，其余四位用于循环冗余校验；

QPI是双向的，在发送的同时也可以接收另一端传输来的数据；

QPI总线总带宽=QPI传输速率（GT/s）×每次传输的有效数据(即16bit/8=2Byte)×双向。

QPI总线总带宽=4.8GT/s×2Byte×2=19.2GB/s，QPI总线总带宽=6.4GT/s×2Byte×2=25.6GB/s。

https://wenku.baidu.com/view/41b249e9aeaad1f346933f6d.html FSB总线与HT总线与QPI总线的区别

Intel于2017年发布的Skylake-SP 至强中，用UPI取代QPI。UPI@ 10.4GT/s

2.2 内存总线（外部总线）

CPU和内存的之间的连接，CPU集成的内存控制器负责通过内存总线和内存模组（DDR1/2/3/4）通讯，例如寻址、读写等。

http://tieba.baidu.com/p/4650289532 为什么电脑所有总线都串行了，只有内存是并行的

2.3 PCI-E总线（外部总线）

PCI-E总线是全双工点对点串行连接，（与PCI总线共享并行架构相比）

与基于半双工共享并行架构而制定的PCI以及AGP规范不同，PCI-E规范是基于全双工点对点串行架构制定的，而且还支持热拔插，其中全双工代表每个PCI-E通道在同一周期内可以实现数据的双向传输；点对点意味着每个PCI-E设备都是独立连接，不需要向整个总线请求带宽；串行传输则可以让其信号速率轻松达到GT/s（相当于GHz）的级别。

点对点意味着每一个PCI Express设备都拥有自己独立的数据连接（通道），各个通道之间并发的数据传输互不影响，

PCI-E 3.0 传输速率8GT/S，单通道单向带宽=8GT/s x 128/130 ÷ 8 =0.98GB/s≈1GB/S（GT/S描述物理层通信协议的速率）；

显卡接口（显卡控制器）：占用PCI-E 3.0 X16

参考：https://www.cnblogs.com/shaobojiao/p/7885553.html

2.4 DMI接口（PCH）（外部总线）

CPU集成内存控制器及PCI-E控制器，直接和内存及显卡进行数据传输，DMI连接南桥整合了所有的I/O功能。

DMI采用点对点连接，DMI 3.0,占用PCI-E 3.0 x4

参考：https://wenku.baidu.com/view/3c9c5f190a4e767f5acfa1c7aa00b52acfc79cb0.html PCH简单介绍

参考：https://wenku.baidu.com/view/fe7cb313f11dc281e53a580216fc700abb6852b6.html  认识主板及PCH

3. I/O总线

3.1 USB总线（第一层I/O总线）

USB 3.0 线缆具有8个主要的传导体（conductors）：3个双绞信号对用于USB数据通路，以及一对用于电源。

四线差分信号，与USB2.0两线非超高速信号分离；每条数据线的时钟频率是2.5Ghz,单向带宽：5Gbps；

USB 3.0对Wifi 2.4GHz有干扰；

参考：https://www.cnblogs.com/coryxie/p/3956220.html USB 3.0体系结构概览

3.2 SPI总线（第一层I/O总线）

Serial Peripheral Interface串行外设接口。南桥与外设以串行方式通信。在Intel架构中放BIOS/UEFI固件的Flash可以通过SPI总线和南桥连接

3.3 LPC总线（第一层I/O总线）

LPC(Low Pin Count, 少引脚数)，连接Super I/O等接口，连接legacy I/O controller控制

3.3.1 LPT接口（第二层I/O）

并口，打印终端(line print terminal)接口

3.3.2 RS-232接口（第二层I/O）

串口

3.3.3 PS/2接口（第二层I/O）

 

在开发MCU应用系统时，如果单颗MCU无法满足系统的要求，一个很普遍的做法就是使用两颗或更多的MCU，把一部分“杂项工作”分配给另一个有“助理”性质的低端MCU来完成。但是，采用两颗MCU，缺点也很明显，尤其是在芯片与PCB成本、系统可靠性及功耗方面都有先天的不足。此外，若采用了不同架构的MCU，还要面临需要不同的开发工具与开发人员的挑战。如果换一种思路，让MCU内部包含两个内核，其中一个用于主控，另一个用于协控，并且它们主控与协控在架构上能够向下兼容、高效通信，则在很多场合下都可以既保持多机系统的强大，又能避免多机系统的不足。

http://www.techbulo.com/2484.html 

总线工作频率为33MHZ说的是一秒钟有33M个总线传输周期（不是时钟周期）
32位宽度指的是数据线有32条
一个传输周期传送32位数据，4字节
数据传输速度就是一秒钟4*33字节