计算机上的总线知识

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一、什么是总线

总体上来说，总线是PC机的一种内部结构，它是CPU、内存、输入、输出

设备传递信息的公用通道。总线是将信息以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。通俗的说,就是多个部件间的公共连线,用于在各个

部件之间传输信息。

1、计算机工作原理

大家可能都知道，我们现在使用的计算机是基于提出的"存储程序计算机(Stored Program Computer)"，又称冯·诺依曼结构。

冯·诺依曼结构具有两个特点：1.使用二进制；2.全部指令和数据存放在

存储器中，数据处理单元到存储器中读取指令并顺序执行。冯·诺依曼结构的

核心思想就是"存储程序"，其最大的优点在于结构比较简单，便于控制。基于

这种结构，1949年制造出了电子计算机EDIAC(而非1946年制造的ENIAC)，宣

告人类历史上的电子计算机时代开始了。

尽管经过了近60年的发展，计算机经历了4代的变迁，发展到了我们今天所使用的微型计算机时代，但是计算机的基本结构没有太大的变化，基本延续

了冯·诺依曼当初的设计思想：

如上图所示的计算机工作原理，计算机核心部件是运算器和控制器，我们

想要处理的信息指令通过输入设备进入存储器，再由存储器进入运算器，运算

结果从输出设备反馈给我们，当然这一切都是在控制器的指挥下完成的。

在实际应用中，控制器和运算器构成了我们通常所说的CPU，存储器就是

内存、硬盘、光盘、U盘，当然还有一些老掉牙的设备(软盘、磁带、磁鼓…)；输入设备就是鼠标键盘，当然还有一些不常用的如扫描仪、光笔等等；输出设

备则是显示器、打印机等等。

那么CPU和这些设备之间的信息交换是如何完成的呢?有的读者可能说：是通过主板完成的！这个答案可以算对，但是不太精确，其实CPU和外部设备之

间的信息指令通讯是通过总线完成的。

2、总线的概念

正如我们上面所说的，PC机的各个部件都要通过总线相连接，外部设备通

过相应的接口电路再于总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。

在计算机内部每个有效信息，必须具有3个基本属性：内容、指向和行为，这三个属性要通过三个总线实现：数据总线、地址总线、控制总线。他们好像

一封信件的内容、地址和信件的状态，比如一封信到你家门口，邮递员会大喊

一声："信来了"。

在计算机内部数据在数据总线上传递的，每条传输线我们称之为1位，各

个传输线按序排列，他们之间是并行关系，地址总线也是一样的，数据总线决

定每次传输数据的大小，地址总线决定了cpu所能访问的最大内存空间的大小，控制总线反映了数据的状态和传输方式，它是地址总线的扩展和补充。

按照功能的不同，系统总线可以划分为三种：数据总线DB(Data Bus)、地

址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)。"数据总线DB"用于传

送数据信息，"地址总线AB"是专门用来传送地址的，"控制总线CB"用来传送控制信号和时序信号。

数据总线DB用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的

数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处

理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是

16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以指

令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总

线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。

地址总线AB是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的

位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为216=64KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址

空间为220=1MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。

控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器

送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双

向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具

体情况主要取决于CPU。

按照传输数据的方式划分，可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，

二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过

2根。

按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟

信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。

3、总线的技术指标

(1)总线的带宽(总线数据传输速率)：总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每钞钟传送MB的最大稳态数据传输率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率，它们之间的关系：

总线的带宽=总线的工作频率X总线的位宽/8

(2)总线的位宽：总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，

或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽，每

秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。

(3)总线的工作频率：总线的工作时钟频率以MHZ为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。

4、采用北桥/南桥芯片组的计算机总线

以上是从计算机构成原理的角度来探寻计算机总线的，我们日常计算机应用的时候会接触到一些具体类型的总线。早期的计算机系统构架离我们太遥远了，所以我们回顾的起点就从目前应用最广泛、历史最久的南北桥芯片组架构开始。

北桥/南桥芯片组是为了支持PCI总线而引入的，它使得微型计算机的层次结构更加清晰：

(1)位于处理器和北桥之间的是速度最快的处理器总线；

(2)北桥与南桥之间的是33 MHz的PCI总线；

(3)南桥下面是ISA、EISA等传统的慢速I/0扩展总线。

在采用北桥/南桥芯片组的微型计算机中，不同速率的部件被安排接入到相应的总线或桥芯片提供的接口：

(1)高速的主存由北桥中的DRAM控制器控制，该控制器支持主存所能达到的最高速率；

(2)L2高速缓存直接接到处理器总线上；

(3)PCI设备接到PCI总线上；

(4)USB设备接到南桥中的USB接口。

在最初引入北桥/南桥芯片组时还没有提出AGP总线标准，此时的图形设备通过PCI总线图形接口板连接到系统中。随着AGP总线标准的推出，Intel发布了支持AGP的北桥/南桥芯片组，即440系列芯片组，在北桥芯片中设置了AGP接口。如图：

二、PC外部总线发展史

依据总线与处理器之间的关系，直接与CPU连接的称为内部总线，通过北桥与处理器通讯的称为外部总线。

1、ISA总线(Industry Standard Architecture)

最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，它基于

8bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。

1984年，IBM推出基于16-bit Intel 80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。而为了开发与IBM PC兼容

的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBM PC总线规范为基础的ISA(工业标准

架构：Industry Standard Architecture)总线。

ISA总线最大传输速率仅为8MB/s因此它的弱点也是显而易见的，传输速

率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等，很快使ISA总线在飞速发展的

计算机技术中成为瓶颈。

因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32-bit，这就

是著名的EISA(Extended ISA，扩展ISA)总线。EISA总线的工作频率仍旧仅有

8MHz，并且与8/16bit的ISA总线完全兼容，由于是32-bit总线的缘故，带宽提高了一倍，达到了32MB/s.可惜的是，EISA仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI总线给

取代了。

2、PCI总线(Peripheral Component Interconnect)

由于ISA/EISA总线速度缓慢，一度出现CPU的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和

接受数据，使得整机的性能受到严重的影响。为了解决这个问题，1992年

Intel在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit的PCI(周边组件互连)

总线。

最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到了

133MB/s(33MHz X32bit/8)，比ISA总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。目前计算机上广泛采用的是这种32-bit、33MHz的PCI总线。

3、AGP总线(Accelerated Graphics Port)

PCI总线是独立于CPU的系统总线，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制

器等高速的外围设备直接挂在CPU总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到

充分的发挥。可惜的是，由于PCI总线只有133MB/s的带宽，对付声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的

3D显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI

总线的补充--AGP总线就应运而生了。

Intel于1996年7月正式推出了AGP(加速图形接口，Accelerated Graphics Port)接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI 2.1版规范并

进行扩充修改而成，工作频率为66MHz，1X模式下带宽为266MB/S，是PCI总

线的两倍。后来依次又推出了AGP 2X、AGP4X，现在则是AGP 8X，传输速度达

到了2.1GB/S。

4、PCI-Express

然而时光飞逝，转眼就到了2004年，新的技术和设备层出不穷，特别是游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI的工作频率和带宽都已经无法满足需求。此外，PCI还存在IRQ共享冲突，只能支持有限数量设备等问题。

在经历了长达10年的修修补补，PCI总线已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一带总线取而代之，这

就是PCI-Express总线。

Intel在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代

I/O技术，最后却被正式命名为PCI-Express，Express意思是高速、特别快的

意思。

2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCI Express 1.0规范，并且根据开发蓝图，在2006年的时候正式推出PCI Express2.0规范。

相对于PCI总线来讲，PCI-Express总线能够提供极高的带宽，来满足系

统的需求。PCI Express总线2.0标准的带宽如下表所示：

经历着这么三代半(AGP总线只是一种增强型的PCI总线)的发展，PC的外

部总线终于发展到我们现在看到的PCI-E 2.0，提供了比以往总线大得多的带

宽。至于今后总线发展的方向，相信会随着人们对带宽需要的不断增加，而很

快出现。

三、PC内部总线发展历程

首先请大家回答几个问题：什么是外频?什么是前端总线，二者是什么关系?

1、外频与FSB总线(Front Side Bus)

外频和前端总线是两个不同的概念，之所以大家会混淆不清，就是因为在

古老的Pentium年代，二者的频率值往往是相同的。

外频指的是CPU外部的时钟频率，CPU主频=外频X倍频。在Pentium时代，CPU的外频一般是60/66MHz，从Pentium II 350开始，CPU外频提高到100MHz。

而前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，表示了CPU和外

界数据传输的速度。

之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长

一段时间里(主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时)，前端总线

频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。

随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此产生

了DDR(Double Date Rate)技术和QDR(Quad Date Rate)技术，使得前端总线的频率成为外频的2倍(AMD的K7处理器)、4倍(Intel的奔腾处理至今酷睿处理器)，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。

"前端总线FSB"这个名称是由AMD在推出K7 CPU时提出的概念，前端总线

的速度指的是数据传输的速度，由于数据传输最大带宽取决于所有同时传输的

数据的宽度和传输频率，即数据带宽=(总线频率X数据位宽)÷8。

目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz(AMD)、

333MHz(AMD&Intel)、400MHz(AMD&Intel)、533MHz(Intel)、800MHz(Intel)、1066MHz(Intel)、1333MHz(Intel)、1600MHz(Intel)等几种，Intel最新的至

尊版处理器QX9770采用了1600MHz的前端总线，最大带宽为：1600×64÷

8=12.8G/s。

前端总线频率越大，代表着CPU与北桥之间的数据传输量越大，更能充分发挥出CPU的功能。相反，较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。

2、HT总线(Hyper Transport)

从AMD的K8处理其开始，AMD和Intel两家内部总线发展开始分道扬镳，Intel继续沿用FSB至今天的酷睿2CPU，而AMD则开发出了HT总线(Hyper Transport)对抗Intel。

HT总线是AMD为K8平台专门设计的高速串行总线，它的发展历史可回溯到1999年，原名为"LDT总线"(Lightning Data Transport，闪电数据传输)。2001年7月，这项技术正式推出，AMD同时将它更名为Hyper Transport。随后，Broadcom、Cisco、Sun、NVIDIA、ALi、ATI、Apple、Transmete等许多企业均决定采用这项新型总线技术，而AMD也借此组建Hyper Transport开放联盟，从而将Hyper Transport推向产业界。

至今为止，HT总线经历了三代发展：

第一代HT的工作频率在200MHz-800MHz范围，双向16位模式下，最大带宽可以达到6.4GB/s。

2004年2月，Hyper Transport技术联盟又正式发布了HT2.0规格，由于采用了Dual-data技术，使频率成功提升到了1.0GHz、1.2GHz和1.4GHz，双向16bit模式的总线带宽提升到了8.0GB/s、9.6GB/s和11.2GB/s。

2007年11月19日，AMD正式发布了HT3.0总线规范，提供了1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz、2.6GHz几种频率，最高可以支持32通道。32位通道下，双向带宽最高可以达到史无前例的41.6GB/s。

3、QPI总线

由于AMD的HT3.0提供的最大带宽远远超过目前Intel 1600 FSB的带宽，为了对抗HT 3.0，Intel另辟蹊径，提出了QPI总线的概念。

我们前面计算过，1600FSB能够提供12.8G/s的带宽，但是如此高的带宽

也仅仅只能满足DDR2 800双通道的内存的带宽要求(800 X64 X2/8=12.8G/s)，如果此时搭配1066甚至更高的1333内存的话，FSB需要提高到更高的频率，

且不说还有PCI总线、PCI-E总线、USB、SATA等多种设备也要占据一定的带宽。而在当前制作工艺和框架下，提升频率变的难上加难，即便有些玩家将FSB提

高到了2400，带来的发热量也是十分恐怖的。

如此看来，随着处理器核心性能的提高，以及核心数量的急剧增长，FSB

正在日益成为瓶颈，必须加以解决。Intel要想在多核心时代处于不败之地，

目前首要问题就是顺利解决系统资源的分配难题、充分发挥多核心的优势，这

就是英特尔推出QPI总线技术的最终目的。

QPI最大的改进是提供了惊人的输出传输能力，在4.8至6.4GT/s之间。

一个连接的每个方向的位宽可以是5、10、20bit。因此每一个方向的QPI全宽

度链接可以提供12至16BG/s的带宽，那么每一个QPI链接的带宽为24至

32GB/s，相当于1600FSB的2-3倍，基本和HT 3.0带宽持平。

此外，QPI另一个亮点就是支持多条系统总线连接，Intel称之为multi-FSB。系统总线将会被分成多条连接，并且频率不再是单一固定的，也无须如以前那样还要再经过FSB进行连接。

QPI总线相对于FSB的革命意义是重大的，带来了PC机制造结构上的革新，抛弃了以往北桥南桥的概念，当然，这些变化已经不是本文所要探讨的主要问

题了。

四、总线与PC机技术指标

认识了几种常见的总线之后，我们来梳理一下内部总线与外部总线以及内

存之间的关系。

1、内部总线与内存

我们在第一节分析PC机构成原理的时候提到，数据要进入内存存储器后才能进入CPU进行处理，因此内部总线与内存之间的关系是影响PC机性能重要的一个因素。

回顾一下前面举到的双通道DDR2 800内存的例子，DDR2、DDR3内存位宽64，频率800，需要占用的内部总线带宽为：800 X64 X2(双通

道)/8(1Byte=8bit)=12.8G/s。那么三通道DDR3 1600需要的带宽则是：1600

X64 X3/8=38.4G/s，如此高的带宽要求，FSB是力不从心的，而HT 3.0和QPI

开发出来的原因就是为了满足如此高的带宽要求。

2、总线与显卡

如下图所示，在传统的南北桥框架中，显卡通过北桥与CPU发生数据交换，尽管目前的显卡已不可能完全达到PCI-E 2.0总线带宽的上限，但是实际应用

证明：传统的FSB已经无法满足多卡互联后的高端显卡的带宽要求，比如我们

在3路SLI或者4路CrossFire时候遇到的多卡不如双卡甚至不如单卡的情况。

为了解决这个问题，Intel和AMD分别走了我们前面讲到两条不同的道路：HT和QPI。

目前HT 3.0的速度最高只有2.6GHz，比如AMD的旗舰四核心处理器Phenom X4 940BE就是这一速度，而超传输技术联盟(HTC)在2008年8月19日

发布了新版HT3.1规范和HTX 3规范，将这种点对点、低延迟总线技术的速度

提升到了3.2GHz。在提速至3.2GHz后，再结合双倍数据率(DDR)，HT 3.1可提供最高每位6.4GB/s(3.2GHz X2因为DDR以2倍速传输)的数据传输率，32-bit 带宽可达51.2GB/s(6.4GB/s X32bit/8)。

QPI这面，虽然每一个QPI链接的带宽为24至32GB/s，但是Intel采取了一种全新的解决方法，也就是Intel称之为multi-FSB的技术。在这种技术下

系统总线将会被分成多条连接，频率不再是单一固定的，而是根据系统各个子

系统对数据吞吐量的需求，每条系统总线连接的速度也可不同，通过这种方式

也可以在某一通道上获得很高的带宽。

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