发信人: bobby (五系一家亲), 信区: ECE
标  题: 微机总线和接口标准(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年04月08日11:02:37 星期一), 站内信件

【 以下文字转载自 Hardware 讨论区 】
【 原文由 jinqiao 所发表 】
http://www.csdn.net/Develop/article/11/11029.shtm

                     微机总线和接口标准

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自1970年美国DEC公司在其PDP11/20小型计算机上采用Unibus总线以来，随着计算机
技术的迅速发展，推出了各种标准的、非标准的总线。总线技术之所以能够得到迅速
发展，是由于采用总线结构在系统设计、生产、使用和维护上有很多优越性。概括起
来有以下几点:

·便于采用模块结构设计方法，简化了系统设计；

·标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件；

·模块结构方式便于系统的扩充和升级；

·便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。

PC机从其诞生以来就采用了总线结构方式。先进的总线技术对于解决系统瓶颈提高整
个微机系统的性能有着十分重要的影响，因此在PC机二十多年的发展过程中，总线结
构也不断地发展变化。当前总线结构方式已经成为微机性能的重要指标之一。

在微机系统中除了采用总线技术外，还采用了标准接口技术，其目的也是为了便于模
块结构设计,可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的外部设备和软件。
接口一般是指主板和某类外设之间的适配电路，其功能是解决主板和外设之间在电压
等级、信号形式和速度上的匹配问题。因此不同类型的外设需要不同的接口，不同的
接口是不通用的。例如，硬盘和软盘驱动器的接口是不兼容的，因此不能在硬盘接口
上接入软盘驱动器。另一方面，由于目前的一些新型接口标准，如USB、IEEE1394等
，允许同时连接多种不同的外设，因此也把它们称为外设总线。此外，连接显示系统
的新型接口AGP，由于习惯上的原因（原来的显示卡插入ISA或者PCI总线插槽中），
也被称为AGP总线，但是实际上它应该是一种接口标准。

总线的分类

首先我们来讨论总线的分类。总线就是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传送
数据、地址和控制信息的公共通路。在微机系统中，有各式各样的总线。这些总线可
以从不同的层次和角度进行分类。

1.按相对于CPU或其它芯片的位置可分为： 

·片内总线 

·片外总线  

在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为
片内总线（即芯片内部的总线）；通常所说的总线(Bus)指片外总线，是CPU与内存RAM
、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路。有的资料上也把片内总线叫做内部
总线或内总线(Internal Bus)，把片外总线叫做外部总线或外总线(External Bus)。
 

CPU通过总线实现程序取指令、内存/外设的数据交换，在CPU与外设一定的情况下，
总线速度是制约计算机整体性能的最大因素。 

2.按总线的功能可分为： 

·地址总线 

·数据总线 

·控制总线 

通常所说的总线都包括上述三个组成部分，地址总线（ABus）用来传送地址信息，数
据总线（DBus）用来传送数据信息，控制总线（CBus）用来传送各种控制信号。例如
ISA总线共有98条线（即ISA插槽有98个引脚）；其中数据线有16条（构成数据总线）
，地址线24条（构成地址总线），其余各条为控制信号线（构成控制总线）、接地线
和电源线。 

3.按总线的层次结构可分为： 

·CPU总线：包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCD)，它用来连接CPU和控制
芯片。 

·存贮总线：包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCD)，用来连接存储控制器
和DRAM。 

·系统总线：也称为I/O通道总线，包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB)，
用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。
 

·外部总线：用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。包括
地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。 

CPU总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采用不同的芯片集。这些总
线不完全相同，也不存在互换性问题。系统总线是与I/O扩充插槽相连的，I/O插槽中
可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总线必须有统
一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。因此，我们实际上要讨论的总线就是
系统总线，各种总线标准也主要是指系统总线的标准。 

4.按总线在微机系统中的位置可分为： 

·机内总线：上面介绍的各类都是机内总线。 

机外总线（Peripheral Bus — 外设总线）：指与外部设备接口的总线，实际上是一
种外设的接口标准。目前在PC机上流行的接口标准有：IDE、SCSI、USB和IEEE1394四
种。前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连
接多种外部设备。 

5.系统总线 

上面说过，我们要讨论的总线主要是系统总线。PC机上的系统总线又可分为ISA、EISA
、MCA、VESA、PCI、AGP等多种标准。 

·ISA(Industry Standard Architecture)是IBM公司为286/AT电脑制定的总线工业标
准。也称为AT标准。 

·MCA(Micro Channel Architecture)，是IBM公司专为其PS/2系统开发的微通道总线
结构。由于执行的是使用许可证制度，因此未能得到有效推广。 

·EISA(Extended Industry Standard Architecture)，是EISA集团(1988年由Compaq
、HP、AST、NEC、Olivetti、Zenith、Tandy等组成)为32位CPU设计的总线扩展工业
标准。 

·VESA(Video Electronics Standards Association)，是VESA组织(1992年由IBM、
Compaq等发起，有120多家公司参加)按Local Bus(局部总线)标准设计的一种开放性
总线。 

·PCI(Peripheral Component Interconnect)，是SIG(Special Interest Group)集
团推出的总线结构。1992年起，先后有Intel、HP、IBM、Apple、DEC、Compaq、NEC
等著名的厂商加盟重新组建。 

AGP（Accelerated Graphics Port）即加速图形端口。它是一种为了提高视频带宽而
设计的总线规范。因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，因此严格说
来，AGP也是一种接口标准。 

6.局部总线 

在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后，要求有高速的图形描绘能力
和I/O处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战
。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已
达10MB/s以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O
总线的速度应为外设速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而
成为整个系统的主要瓶颈。 

局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶颈，使高性能CPU的功能得
以充分发挥。从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线
或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通
过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。 

局部总线可分为三种： 

·专用局部总线 

·VL总线(VESA Local Bus)。 

·PCI总线(Peripheral Component Interconnect)。 

专用局部总线是一些大公司，如NEC、Dell、HP等，为自己系统开发的专用总线，用
于图形处理、网络传输等。它们是非标准的，不能通用，也不被广大兼容机采用。VL
总线和PCI总线都是通用总线，但VL总线只是适用于486的一种过渡标准，目前已经淘
汰。586以上档次的微机普遍采用PCI总线。 

总线的主要参数 

1.总线的带宽 

总线的带宽指的是一定时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每秒钟传送多少
MB的最大稳态数据传输率。与总线带宽密切相关的两个概念是总线的位宽和总线的工
作时钟频率。 

2.总线的位宽 

总线的位宽指的是总线能同时传送的数据位数，即我们常说的32位、64位等总线宽度
的概念。总线的位宽越宽则总线每秒数据传输率越大，也即总线带宽越宽。 

3.总线的工作时钟频率 

总线的工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则总线工作速度越快，也即总线带
宽越宽。 

总线带宽、总线位宽、总线工作时钟频率的关系举个例子就很容易明白了。高速公路
上的车流量取决于公路车道的数目和车辆行驶速度，车道越多、车速越快则车流量越
大；总线带宽就象是高速公路的车流量，总线位宽仿佛高速公路上的车道数，总线时
钟工作频率相当于车速，总线位宽越宽、总线工作时钟频率越高则总线带宽越大。 


当然，单方面提高总线的位宽或工作时钟频率都只能部分提高总线的带宽，并容易达
到各自的极限。只有两者配合才能使总线的带宽得到更大的提升。 

ISA总线 

一、概述 

最早的PC总线是IBM公司于1981年推出的基于8位机PC/XT的总线，称为PC总线。1984
年IBM公司推出了16位PC机PC/AT，其总线称为AT总线。然而IBM公司从未公布过他们
的AT总线规格。为了能够合理地开发外插接口卡，由Intel公司，IEEE和EISA集团联
合开发了与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA总线，即8/16位的“工业标准结构”(ISA
-Industry Standard Architecture)总线。 

二、ISA总线的主要特点和性能指标 

8位ISA扩展I/O插槽由62个引脚组成，用于8位的插卡；8/16位的扩展插槽除了具有一
个8位62线的连接器外，还有一个附加的36线连接器，这种扩展I/O插槽既可支持8位
的插卡，也可支持16位插卡。ISA总线的主要性能指标如下：  

·I/O地址空间0100H-03FFH 

·24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB 

·8/16位数据线 

·62+36引脚 

·最大位宽16位(bit) 

·最高时钟频率8MHz 

·最大稳态传输率16MB/s 

·中断功能 

·DMA通道功能 

·开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源  

ISA插槽如图2所示。 

A1-A31及B1-B31的62线插槽即为8位插卡插槽，它与PC/XT 8位总线完全兼容。C1-C18
和D1-D18为AT总线增加的36线插槽，它和62线插槽一起供16位插卡使用。  

EISA总线 

一、概述 

ISA总线对于286和386SX等微机系统来说是方便的，但对于386DX以上档次具有32位地
址和数据宽度的微机系统来说，因其数据总线和地址总线宽度不够而影响了32位微处
理器性能的发挥。为此IBM推出了32位微机采用的MCA微通道总线技术，但由于IBM对
MCA技术采用了严格的许可证制度，使得其它厂商不能采用，同时MCA与PC/XT/AT总线
也不兼容，所以除了在PS/2计算机中采用之外，在其它兼容机中没有得到推广。为了
与MCA总线技术抗衡，Compaq、HP、AST、Epson、NEC、Olivetti、Tandy、Wyse、Zeith
 Data System(ZDS)等九家公司联合起来在ISA的基础上于1988年推出了为32位微机设
计的“扩展工业标准结构”(Extended Industry Standard Architecture)，即EISA
总线。 

EISA在结构上与ISA有良好的兼容性，保护了厂商和用户巨大的软硬件投资；同时又
充分发挥和利用32位微处理机的功能，使之在图形技术、光存储器、分布处理、网络
、数据处理等需要高速处理能力的地方发挥作用。EISA的推出打破了IBM MCA结构对
微计算机发展的垄断。 

二、EISA的主要特点 

EISA插槽既与ISA插卡兼容，又与EISA插卡兼容。在插EISA卡时使用32位数据线，能
达到33MB/s的传输率。EISA的主要性能指标与ISA相比，有以下优点： 

·开放式结构。EISA和ISA兼容，现有的ISA扩充板可以用于EISA总线上 

·32位地址域直接寻址范围为4GB 

·32位数据线 

·最大时钟频率8.3MHz 

·最大传输率 33MB/s 

EISA插槽由于要与ISA和EISA插卡兼容，因此在结构上和以往的插槽不同，采用了双
层结构，EISA插卡的金手指也是双层结构。EISA插槽结构和ISA、EISA两种插卡的连
接示意图如图3所示。 

如图所示，EISA插槽外观上与ISA插槽等长宽高，内部采用双层引脚结构，两层引脚
之间由定位键限位。上层引脚与ISA插卡上的“金手指”对应，引脚为A1-A31、B1-B31
、C1-C18和D1-D18。由于定位键的限位作用，ISA插卡不会与下层引脚相碰。下层引
脚是为EISA卡设计的，与EISA卡上的“金手指”对应。引脚为E1-E31、F1-F31、G1-
G9和H1-H19。EISA板插入时，插卡上的标准凹口会避开定位键，可插入槽底，使EISA
插卡上的“金手指”分别与槽中A、B、C、D、E、F、G、H各组引脚连接，图3表示了
ISA插槽插入ISA插卡和EISA插卡的情形。 

PCI总线 

一、概述 

90年代，随着图形处理技术和多媒体技术的广泛应用，在以Windows为代表的图形用
户接口(GUI)进入PC机之后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。这不仅要求
图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有
了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控制器和
显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的3-
5倍。因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。因此
对总线提出了更高的性能要求，从而促使了总线技术进一步发展。 

1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC
等100多家公司成立了PCI集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect
 Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。PCI是一种先进的局
部总线，已成为局部总线的新标准。PCI总线插槽如图4所示。 

二、PCI局部总线的主要性能和特点 

PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原
来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实
现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设
，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在
需要时取得总线控制权，以加速数据传送。 

1.PCI总线的主要性能 

·支持10台外设 

·总线时钟频率33.3MHz/66MHz 

·最大数据传输速率133MB/s 

·时钟同步方式 

·与CPU及时钟频率无关 

·总线宽度 32位（5V）/64位（3.3V） 

·能自动识别外设 

·特别适合与Intel的CPU协同工作 

2.其它特点 

·具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力 

·具有隐含的中央仲裁系统 

·采用多路复用方式（地址线和数据线）减少了引脚数 

·支持64位寻址 

·完全的多总线主控能力  

·提供地址和数据的奇偶校验 

·可以转换5V和3.3V的信号环境  

三、PCI总线信号定义  

要引脚 主控设备49条 目标设备47条 

可选引脚 51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等） 

总引脚数 120条（包含电源、地、保留引脚等） 

四、PCI总线结构连接方式  

PCI总线的基本连接方式如图5所示。从图中可以看到CPU总线和PCI总线由桥接电路（
习惯上称为北桥芯片）相连。芯片中除了含有桥接电路外，还有Cache控制器和DRAM
控制器等其它控制电路。PCI总线上挂接高速设备，如图形控制器、IDE设备或SCSI设
备、网络控制器等。PCI总线和ISA/EISA总线之间也通过桥接电路（习惯上称为南桥
芯片）相连，ISA/EISA上挂接传统的慢速设备，继承原有的资源。 

此外，PCI总线还有其它一些连接方式，如双PCI总线 方式、PCI TO PCI方式、多处
理器服务器方式等。鉴于篇幅关系不再详细介绍。 

五、PCI总线的新发展 

当前PCI总线的最高版本是2.1版，虽然在理论上达到66MHz的时钟频率，但对于新型
的CPU（如Xeon、Katmai等）和高总线频率主板是完全不能适应的。Intel推出的新一
代PCI总线规范称为PCI－X，主要适用于133MHz总线时钟频率的台式机主板。此外Intel
还准备推出一种称为MINI PCI的总线标准。MINI PCI对原来的PCI总线在控制线路和
功能上作了改进，减小了外形尺寸，使之适用于便携式机器。 

AGP总线 

一、为什么要采用AGP 

AGP（Accelerated Graphics Port）即加速图形端口。它是一种为了提高视频带宽而
设计的总线规范。它支持的AGP插槽可以插入符合该规范的AGP插卡。其视频信号的传
输速率可以从PCI的132MB/s提高到266MB/s（×1模式）或者532MB/s（×2模式）。 


虽然现在PC机的图形处理能力越来越强，但要完成细致的大型3D图形描绘，PCI结构
的性能仍然有限，为了让PC的3D应用能力能同图形工作站一较高低，Intel公司开发
了AGP标准，推出AGP的主要目的就是要大幅提高高档PC机的图形尤其是3D图形的处理
能力。  

严格说来，AGP不能称为总线，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡。
采用AGP的目的是为了使3D图形数据越过PCI总线，直接送入显示子系统。这样就能突
破由PCI总线形成的系统瓶颈。 

PCI总线在3D应用中的局限主要表现在3D图形描绘中。储存在PCI显示卡显示内存中的
不仅有影像数据，还有纹理数据（Texture Data）、Z轴的距离数据及Alpha变换数据
等,特别是纹理数据的信息量相当大。如果要描绘细致的3D图形，就要求显存容量很
大；再加上必须采用较快速的显存，最终造成显示卡价格高昂。因此，3D显示卡的制
造厂商所期望的是既能增加纹理数据的储存能力，又能降低产品的成本。一个有效的
办法就是将纹理数据从显示内存移到主内存，以便减少显示内存的容量，从而降低显
示卡的成本。从整个系统来看，增加显示内存也不如增加主内存划算，因为用作主内
存的DRAM的价格已不太昂贵，而且把纹理数据储存在主内存比储存在显示内存更可有
效利用内存。存储纹理数据所需的内存空间依应用程序而定，也就是说，当应用程序
结束后，它所占用的主内存空间又可恢复，纹理数据并不永远占用主内存的空间。 


然而遗憾的是，当纹理数据从显示内存移到主内存时，由于纹理数据传输量很大，数
据传输的瓶颈就从显示卡上的内存总线转移到了PCI总线上。例如，显示1024×768×
16位真彩色的3D图形时，纹理数据的传输速度需要200MB／s以上，但目前的PCI总线
最高数据传输速度仅为133MB/s，因而成为系统的主要瓶颈。  

3D绘图时所需数据传送速度如下表所示： 

AGP在主内存与显示卡之间提供了一条直接的通道。使得3D图形数据越过PCI总线，直
接送入显示子系统。这样就能突破由于PCI总线形成的系统瓶颈，从而实现了以相对
低价格来达到高性能3D图形的描绘功能。采用AGP总线的系统结构如图6所示。 

二、AGP的性能特点 

AGP以66MHz PCI Revision 2.1规范为基础。在此基础上扩充了以下主要功能： 

1.数据读写操作的流水线操作 

流水线(pipelining)操作是AGP提供的仅针对主存的增强协议。由于采用了流水线操
作减少了内存等待时间，数据传输速度有了很大提高。  

2.具有133MHz的数据传输频率 

AGP使用了32位数据总线和双时钟技术的66MHz时钟。双时钟技术允许AGP在一个时钟
周期内传输双倍的数据，即在工作脉冲波形的两边沿（即上升沿和下降沿）都传输数
据，从而达到133MHz的传输速率，即532MB/s（133M×4B/s）的突发数据传输率。 

3.直接内存执行DIME 

AGP允许3D纹理数据不存入拥挤的帧缓冲区(即图形控制器内存)，而将其存入系统内
存，从而让出帧缓冲区和带宽供其它功能使用。这种允许显示卡直接操作主存的技术
称为DIME（Direct Memory Excute）。应该说明的是，虽然AGP把纹理数据存入主存
，也可以称为UMA(Unified Memory Architecture，统一内存体系结构)技术。但是与
一些低端机采用的UMA有以下两点区别： 

·通过AGP技术使用的主内存（称为AGP RAM）并没有完全取代显示卡的显示缓存，AGP
主存只是对缓存的扩大和补充。 

·低端机的UMA是通过PCI接口运行的，其速度较慢。 

4.地址信号与数据信号分离 

采用多路信号分离技术(demultiplexing)，并通过使用边带寻址SBA(sideband address
)总线来提高随机内存访问的速度。  

5.并行操作 

允许在CPU访问系统RAM的同时AGP显示卡访问AGP内存，显示带宽也不与其它设备共享
，从而进一步提高了系统性能。 

三、AGP的工作模式 

AGP的工作模式如下表所示。  

从上表中可以看出，要真正达到良好的3D图形处理能力，应该采用2×以上的工作模
式。在1×模式下，由于带宽不足，并不能适合DIME的速度，3D图形处理能力仍然是
不理想的。因此在选购主板和AGP显示卡时，要注意它们是否支持AGP 2×的工作模式
。目前，4×模式尚未正式推出。 

四、PCI和AGP的比较 

下表列出了PCI和AGP的性能比较。 

在采用AGP的系统中，由于显示卡通过AGP、芯片组与主内存相连，提高了显示芯片与
主内存间的数据传输速度，让原需存入显示内存的纹理数据，现可直接存入主内存，
这样可提高主内存的内存总线使用效率，也提高了画面的更新速度及Z buffer（Z缓
冲）等数据的传输速度，而且还减轻了PCI总线的负载，有利于其它PCI设备充分发挥
性能。由于在PC98规格中，ISA总线已被取消，ISA设备终将被淘汰，所以，把占用了
PCI总线大量带宽的显示卡移到AGP上是非常必要的。当然AGP不可能取代PCI，因为我
们已经多次说过AGP只是一个图形显示接口标准，而不是系统总线。AGP插槽和AGP插
卡的插脚都采用了与EISA相似的上下两层结构，因此减小了AGP插槽的尺寸。图7是AGP
插卡的两层金手指插脚。 

IEEE 1394总线  

IEEE 1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把电脑、电脑外部设备、各种家
电非常简单地连接在一起。从IEEE 1394可以连接多种不同外设的功能特点来看，也
可以称为总线，即一种连接外部设备的机外总线。IEEE 1394的原型是运行在Apple 
Mac电脑上的Fire Wire(火线)，由IEEE采用并且重新进行了规范。它定义了数据的传
输协定及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强电脑与外设如硬盘、打
印机、扫描仪，与消费性电子产品如数码相机、DVD播放机、视频电话等的连接能力
。 

由于要求相应的外部设备也具有IEEE1394接口功能才能连接到1394总线上，所以直到
1995年第3季度Sony推出的数码摄像机加上了IEEE 1394接口后，1394才真正引起广泛
的注意。采用1394接口的数码摄像机，可以毫无延迟地编辑处理影像、声音数据，性
能得到增强。数码相机、DVD播放机和一般消费性家电产品，如VCR、HDTV、音响等也
都可以利用IEEE 1394接口来互相连接。电脑的外部设备，例如硬盘、光驱、打印机
、扫描仪等，也可利用IEEE 1394来传输数据。机外总线将改变当前电脑本身拥有众
多附加插卡、连接线的现状，它把各种外设和各种家用电器连接起来。电脑也成为一
种普通的家电。 

当电脑家电化之后，未来的电脑将如同现在的电视机一样，消费者可能只需拿起遥控
器便可快速完成上Internet、玩游戏、控制视听影音器材甚至控制家里的电灯、电话
等电器，真正实现居室智能化。 

一、IEEE 1394的主要性能特点 

1.采用“级联”方式连接各个外部设备 

IEEE 1394在一个端口上最多可以连接63个设备，设备间采用树形或菊花链结构。设
备(下转26页)间电缆的最大长度是4.5m，采用树形结构时可达16层，从主机到最末端
外设总长可达72M。 

2.能够向被连接的设备提供电源 

IEEE 1394的连接电缆(Cable)中共有六条芯线。其中两条线为电源线，可向被连接的
设备提供电源；其它四条线被包装成两对双绞线，用来传输信号。电源的电压范围是
8-40V直流电压，最大电流1.5A。像数码相机之类的一些低功耗设备可以从总线电缆
内部取得动力，而不必为每一台设备配置独立的供电系统。由于1394能够向设备提供
电源，即使设备断电或者出现故障也不影响整个网络的运转。  

3.采用基于内存的地址编码，具有高速传输能力 

总线采用64位的地址宽度(16位网络ID，6位节点ID，48位内存地址)，将资源看作寄
存器和内存单元，可以按照CPU—内存的传输速率进行读写操作，因此具有高速的传
输能力。1394总线的数据传输率最高可达400Mbps，因此可以适用于各种高速设备。
  

4.采用点对点结构(peer to peer) 

任何两个支持IEEE 1394的设备可以直接连接，不需要通过电脑控制，例如在电脑关
闭的情况下，仍可以将DVD播放机与数字电视机连接而直接播放光盘节目。 

5.安装方便且容易使用 

允许热即插即用，不必关机即可随时动态配置外部设备，增加或拆除外设后IEEE 1394
会自动调整拓朴结构，重设整个外设网络状态。 

二、IEEE 1394的工作模式 

1.IEEE 1394标准定义了两种总线数据传输模式，即：Backplane模式和Cable模式。
其中Backplane模式支持12.5、25、50Mbps的传输速率；Cable模式支持100、200、400Mbps
的速率。目前正在开发1G的版本。在400Mbps时，只要利用50%的带宽就可以支持不经
压缩的高质量数字化视频信息流。 

2.IEEE 1394可同时提供同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)数据传输方式。同
步传输应用于实时性的任务，而异步传输则是将数据传送到特定的地址(Explicit Address
)。这一标准的协议称为等时同步(isosynchronous)。使用这一协议的设备可以从1394
连接中获得必要的带宽。其余的带宽，可以用于异步数据传输，异步数据传输过程并
不保留同步传输所需的带宽。这种处理方式使得两种传输方式各得其所，可以在同一
传输介质上可靠地传输音频、视频和计算机数据。它对计算机内部总线没有影响。目
前的PCI局部总线可以充分利用1394。  

USB总线 

USB(Universal Serial Bus)称为通用串行总线，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft
、NEC和NT(北方电讯)七大公司共同推出的新一代接口标准。它和IEEE 1394一样，也
是一种连接外围设备的机外总线。从性能上来看，USB在很多方面不如1394，但是由
于USB有着IEEE 1394无法比拟的价格优势，在一段时间内USB将与IEEE 1394共存，分
别管理低速和高速外设。 

一、USB的主要性能特点 

1.具有热即插即用功能 

USB提供机箱外的热即插即用连接，连接外设不必再打开机箱，也不必关闭主机电源
。这个特点为用户提供了很大的方便。 

2.USB采用“级联”方式连接各个外部设备 

每个USB设备用一个USB插头连接到前一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB
插座供下一个USB外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器可以连
接多达127个外设，而两个外设间的距离(线缆长度)可达5米。USB统一的4针圆形插头
将取代机箱后部众多的串/并口(鼠标、MODEM)、键盘等插头。USB能智能识别USB链上
外围设备的插入或拆卸，扩充卡、DIP开关、跳线、IRQ、DMA通道、I/O地址都将成为
过去。 

3.适用于低速外设连接 

根据USB规范，USB传送速度可达12Mb/s(每秒12兆位)，除了可以与键盘、鼠标、MODEM
等常见外设连接外，还可以与ISDN、电话系统、数字音响、打印机/扫描仪等低速外
设连接。尽管USB被设计为也可以连接数字相机一类的较高速外设，但由于USB总线技
术推出太迟，IEEE 1394接口总线已经在数字相机、数字摄影及视频播放等高速、高
带宽领域(100Mb/s或以上)取得应用。 

USB接口插座如图8所示。 

二、IEEE 1394和USB的相似性 

1.都可以提供即插即用及热插拔的功能； 

2.采用“级联”方式，可以连接多台设备，避免了电脑背板仅能提供少量插座，只能
与少数设备连接的限制。 

三、IEEE 1394和USB的主要差别 

1.目前IEEE 1394规范的传输速度为100～400Mb/s,因此它可连接高速设备如DVD播放
机、数码相机、硬盘等；而USB受到12Mb/s传输速度限制只能连接低速的键盘、麦克
风、软驱、电话等设备。 

2.IEEE 1394的拓扑结构中，不需要集线器（Hub）就可连接63台设备，并且可以由网
桥（Bridge）再将这些独立的子网（Subtree）连接起来。IEEE 1394并不强制要用电
脑控制这些设备，也就是说这些设备可以独立工作。而在USB的拓扑结构中，必须通
过Hub来实现多重连接，每个Hub有7个连接头，整个USB网络中最多可连接127台机器
，而且一定要有电脑的存在，作为总的控制。 

3.IEEE 1394的拓扑结构在其外部设备增减时，会自动重设网络，其中包括网络短暂
的等待状态；而USB以Hub来判明其连接设备的增减，因此可以减少USB网络动态重设
的状况。 

USB和IEEE 1394在功能和设计思想上有许多相似的地方，但是它们的传输速率不同，
因而适用范围也不同。从目前情况看，PC97标准已经纳入了USB规范，新的芯片组都
支持USB，并且已有许多采用USB的电脑外设产品出现，USB的使用已经得到了推广。
而IEEE 1394尚未有支持该总线标准的芯片组推出，支持1394的外设产品也为数甚少
，因此IEEE 1394在短期内尚难以形成气候。 

IDE接口 

作为接口,包括了硬件和软件两部分：接口设备是硬件,接口信号规约标准是软件。接
口信号规约标准对每一根信号线进行定义,定义内容包括信号的属性（控制信号、状
态信号、还是数据信号）、方向和有效电平（高电平有效还是低电平有效）。只有符
合接口标准的外设，才能连接使用。基本的硬盘接口标准有四种,即ST506,IDE,ESDI
,SCSI。对于用户来讲,并不要求详细了解接口软硬件的细节,只要保证接口标准相符
即可连接使用。ST506是Seagate公司开发的最早的一种接口标准。  

ESDI的原文是Enhanced Small Device Interface,即增强型小设备接口,是由美国的
Maxtor、Shugart、CDC和XEBEC等公司联合开发的一种高性能硬盘接口。ST506和ESDI
标准都已经淘汰,目前在微机中使用最广泛的是IDE和SCSI标准。 

一、 IDE接口标准 

IDE的原文是Integrated Device Electronics,即集成设备电子部件。它是由Compaq
开发并由Western Digital公司生产的控制器接口。IDE是在ST506的基础上改进而成
的,它的最大特点是把控制器集成到驱动器内。因此在硬盘适配卡中,不再有控制器这
一部分了。这样做的最大好处是可以消除驱动器和控制器之间的数据丢失问题,使数
据传输十分可靠。这就可以提高每磁道的扇区数到30以上,从而增大容量。由于控制
器电路并入驱动器内,因此从驱动器中引出的信号线已不是控制器和驱动器之间的接
口信号线,而是通过简单处理后可与主系统连接的接口信号线,这种接口方式是与ST506
接口不同的。IDE采用了40线的单组电缆连接。在IDE的接口中,除了对AT总线上的信
号作必要的控制之外,基本上是原封不动地送往硬盘驱动器。由此可见,IDE实际上是
系统级的接口,而ST506、ESDI属于设备级接口。因此,在有的资料上也称IDE为ATA接
口(AT-Attachment:AT嵌入式接口)。 

由于把控制器集成到驱动器之中,适配卡已变得十分简单,现在的微机系统中已不再使
用适配卡，而把适配电路集成到系统主板上,并留有专门的IDE连接器插口。IDE由于
具有多种优点,且成本低廉,在个人微机系统中得到了最广泛的应用。 

二、 增强型IDE(EIDE)接口标准 

增强型IDE (Enhanced IDE)是Western Digital为取代IDE而开发的接口标准。在采用
EIDE接口的微机系统中,EIDE接口已直接集成在主板上,因此不必再购买单独的适配卡
。与IDE相比,EIDE有以下几个方面的特点: 

1.支持大容量硬盘,最大容量可达8.4GB。而原有的IDE标准,因受到硬盘磁头数(最大
为16)的限制,其管理的最大硬盘容量不超过528MB。 

2.EIDE标准支持除硬盘以外的其它外设。旧的IDE标准只支持硬盘,因此它只是一个硬
盘标准。而EIDE支持符合ATAPI接口(AT Attachment Packet Interface)标准的磁带
驱动器和CD-ROM驱动器。因此我们在谈到IDE连接的对象时,只能说硬盘,而谈到EIDE
连接的对象时就可笼统地说EIDE设备。 

3.可连接更多的外设,最多可连接四台EIDE设备。原有IDE只提供一个IDE插座,最多只
能挂接两个硬盘。EIDE提供了两个接口插座,分别称为第一IDE(Primary)接口插座和
第二IDE(Secondary)接口插座。每个插座又可连接两个设备,分别称为主(Master)和
从(Slave)设备。因此一共可连接四台设备。第一IDE接口也称为主通道,它通常与高
速的局部总线相连,用于挂接硬盘等高速的主IDE设备(Primary IDE Device)。第二IDE
接口称为辅通道,一般与ISA总线相连,可挂接CD-ROM或磁带机等辅IDE设备(Secondary
 IDE Device)。在BIOS设置中,要求用户对Secondary IDE Device的数量、主从设备
的工作模式进行设置。 

4.EIDE具有更高的数据传输速率。原有的IDE驱动器的最大突发数据传输率(Burst Data
 Transfer Rate)仅为3MB/s。突发数据传输率是指从硬盘缓冲区读取数据的速度,其
单位常用每秒兆字节(MB/s)或每秒兆位(Mb/s)。EIDE支持硬盘标准组织SFFC (Small
 Form Factor Commitee)在1993年制定的宿主传输标准,如PIO (Programmed Input/
Output)Mode 3以及PIO Mode 4,其突发数据传输率可达11.1MB/s和16.6MB/s；也支持
Multiword Mode 1 DMA以及Multiword Mode 2 DMA,其突发数据传输率为13.3MB/s和
16.6MB/s。为了说明不同的传输标准,通常把支持PIO Mode 3或Multiword Mode 1 DMA
的系统和硬盘称为Fast ATA,而把支持PIO Mode 4或Multiword Mode 2 DMA的系统和
硬盘称为Fast ATA-2。 

5.为了支持大容量硬盘，EIDE支持三种硬盘工作模式：NORMAL、LBA和LARGE模式。 


·NORMAL 普通模式 

这是原有IDE方式。在此方式下对硬盘访问时,BIOS和IDE控制器对参数不作任何转换
。在普通模式下支持的最大柱面数为1024,最大磁头数为16,最大扇区数为63,每扇区
字节数为512。因此支持最大硬盘容量为:512×63×16×1024=528MB。 

在此模式下即使硬盘的实际物理容量更大,但可访问的硬盘空间也只能是528MB。 

·LBA(Logical Block Addressing) 逻辑块寻址模式 

这种模式所管理的硬盘空间突破了528KB的瓶颈,可达8.4GB。在LBA模式下,设置的柱
面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。在访问硬盘时,由IDE控制器把由
柱面、磁头、扇区等参数确定的逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。在LBA模式下
,可设置的最大磁头数为255,其余参数与普通模式相同。由此可计算出可访问的硬盘
容量为:512×63×255×1024=8.4GB。 

·LARGE 大硬盘模式 

当硬盘的柱面超过1024而又不为LBA支持时可采用此种模式。LARGE模式采取的方法是
把柱面数除以2,把磁头数乘以2,其结果总容量不变。例如,在NORMAL模式下柱面数为
1220,磁头数为16,进入LARGE模式则柱面数为610,磁头数32。这样在DOS看来柱面数小
于1024,即可正常工作。相反的转换进程由BIOS的INT 13H完成,以便取得正确的硬盘
地址。LARGE模式支持的最大硬盘容量为:512×63×32×512=528MB 

用户可根据配置的实际硬盘在上述三种工作模式中选择设置。 

三、Ultra DMA33和Ultra DMA66接口标准 

在ATA-2标准推出之后，SFFC又推出了ATA-3标准。ATA-3标准的主要特点是提高ATA-
2的安全性和可靠性。ATA-3本身并没有定义更高的传输模式。此外，ATA标准本身只
支持硬盘，前面我们说过EIDE支持符合ATAPI接口标准的磁带驱动器和CD-ROM驱动器
，但是这些ATAPI设备和硬盘驱动器有很多区别，因此需要通过专门的驱动程序来处
理。为此SFFC将推出ATA-4标准，该标准将集成ATA-3和ATAPI并且支持更高的传输模
式。在ATA-4标准没有正式推出之前，作为一个过渡性的标准,Quantum和Intel推出了
Ultra ATA(Ultra DMA)标准。 

Ultra ATA的第一个标准是Ultra DMA33(简称UDMA33)，也有人把它称为ATA-3。符合
该标准的主板和硬盘在97年已经投放市场。UDMA33的主要特点如下: 

1.通过改善的驱动程序，充分利用硬盘控制器的性能，使硬盘在数据传输过程中避免
CPU的过多干预，使系统的并行工作能力进一步地提高。  

2.能够在时序脉冲的上下两相进行数据传输，传输速率比单相工作的硬盘提高一倍。
因此其突发数据传输率理论上可从16.6MB/s提高到33MB/s。但由于系统开销等原因，
实际的带宽没有达到33MB/s。几种主要UDMA33硬盘的实测带宽在26MB/s～30MB/s左右
。 

3.由硬盘产生选通信号，并同时把缓冲区中的数据送到总线，避免了由主机送来选通
信号造成的延时。 

Ultra DMA66（或者Ultra ATA-66）是由Quantum和Intel在98年2月份提出的最新标准
。Ultra DMA66对Ultra DMA33改进主要在以下几个方面： 

1.进一步提高了数据传输率，其突发数据传输率理论上可达66.6MB/s。 

2.采用了新型的CRC循环冗余校验。在突发传输数据时，主机和硬盘同时各自计算CRC
并存入自己的寄存器中。突发传输结束后，主机把CRC寄存器中的值送到硬盘并与硬
盘CRC寄存器中的值进行比较，从而进一步提高了数据传输的可靠性。 

3.改用80pin的排线(保留了与现有的电脑兼容的40pin排线，增加了40条地线)，以保
证在高速数据传输中降低相邻信号线间的干扰。 

虽然Intel目前尚未发布支持Ultra DMA66硬盘模式的芯片组,但是VIA Apollo Pro芯
片组已经提供了对Ultra DMA66硬盘的支持。部分主板如磐英P2-112A也提供了支持Ultra
 DMA66硬盘的接口。目前市场上已有Ultra ATA-66硬盘出售。 

使用UDMA33/66标准必须具备以下几个条件： 

·主板（控制芯片组）支持UDMA33/66规范; 

·硬盘支持UDMA33/66规范; 

·正确安装硬盘的UDMA33/66驱动程序。 

SCSI接口 

SCSI的原文是Small Computer System Interface,即小型计算机系统接口。SCSI也是
系统级接口,可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连,如硬盘驱动器、扫描仪、光
盘、打印机和磁带驱动器等。采用SCSI标准的这些外设本身必须配有相应的外设控制
器。SCSI早期只在小型机上使用,近年来也在PC机中采用。SCSI是由美国国家标准协
会(ANSI)1986年6月公布的接口标准（称为SCSI－1）。1990年又推出了SCSI－2标准
。SCSI接口标准的主要特性如下： 

1.SCSI是系统级接口,可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连,如硬盘驱动器、扫
描仪、光盘、打印机、磁带驱动器、通信设备等。总线上的主机适配器和SCSI外设控
制器的总数最大为8个。 

2.SCSI是一个多任务接口，具有总线仲裁功能。因此，SCSI总线上的适配器和控制器
可以并行工作，在同一个SCSI控制器控制下的多台外设也可以并行工作。 

3.SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据。SCSI－1在同步方式下的数据传输速率
为4MB/s,在异步方式下为1.5MB/s，最多可支持32个硬盘。SCSI－1接口的全部信号通
过一根50线的扁平电缆传送,其中包含9条数据线及9条控制和状态信号线。其特点是
操作时序简单,并具有总线仲裁功能。随后推出的扩充的SCSI－2标准增加一条68线的
电缆,把数据信号的宽度扩充为16/32位,其同步数据传送速率达到了20MB/s。 

4.SCSI可分为单端传送方式和差分传送方式。单端SCSI的电缆不能超过6米，如果数
据传送距离超过6米，应采用差分SCSI传送方式。 

5.SCSI总线上的设备没有主从之分，双方平等。启动设备和目标设备之间采用高级命
令进行通信，不涉及外设特有的物理特性。因此，使用十分方便，适应性强，便于系
统集成。 

从90年代开始，ANSI SCSI委员会开始制定SCSI-3规范。SCSI-3规范是一个多层结构
，其协议层除了原有的并行协议外新增加了三个协议：光纤信道协议、串行协议和块
传输协议。因此共有四种接口：SCSI-3并行接口、SCSI-3光纤信道接口、IEEE 1394
和SCSI-3串行接口。这些新型接口将以PCI插卡的形式出现。IEEE 1394在前面已经作
过介绍，它实际上就是以SCSI-3为基础制定的串行标准。SCSI-3的结构如图9所示。
SCSI-3协议无疑是一个较为理想的标准，目前还在设计过程之中，要完全实现规范并
进入实用可能还需要一个较长的时间。 

在90年代中期EIDE接口技术迅速发展的同时，ANSI SCSI委员会也推出了它的Ultra 
SCSI规范作为一种过渡性的方案。在理论上，Ultra SCSI的最大数据传输率提高到40MB
/s。但是Ultra SCSI作为并行总线，没有解决SCSI对电缆布线的苛刻要求，而且其高
速的数据传输率使得电缆长度和电缆质量的问题更加突出。在单端方式下，Ultra SCSI
电缆的最大长度不能超过1.5米;在差分方式下，虽然能够支持较长的电缆，但是必须
为每条数据线提供一条单独的地线，因此成本很高，同时引起了安装和兼容性的问题
。为了解决上述问题，在98年推出了Ultra2 SCSI（LVD）规范，LVD表示低电压差分
方式。Ultra2 SCSI（LVD）的主要特点是：16位数据线；最高数据传输率为80MB/s；
电缆长度最大可达12米。目前已有部分支持Ultra2 SCSI（LVD）的硬盘面市，如昆腾
的Atlas三代、IBM的Ultrastar等。98年9月，又发表了基于Ultra3 SCSI的Ultra160
/m接口标准，进一步把数据传输率提高到160MB/s。昆腾也在98年11月推出了第一个
支持Ultra160/m接口标准的硬盘Atlas10K和Atlas四代。 

SCSI对PC来说应是一种很好的选择,它不仅是一个接口,更是一条总线。相信随着技术
的进一步发展，SCSI也会象EIDE一样广泛应用在微机系统和外设中。 


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