如同高速公路一樣，電腦中的各個(gè)單元也是依靠總線來(lái)連接的。如果以英文來(lái)解釋總線，單詞是“BUS”，極為形象——有了足夠快的信息“道路”，才能發(fā)揮電腦中各個(gè)部件的性能，讓數(shù)據(jù)在總線這條高速公路上快速傳輸。你可能知道PCI-E，但是你知道ISA嗎？

總線是什么？

總線（Bus）是指電腦內(nèi)部規(guī)范化的交換數(shù)據(jù)（data）方式，是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的作用是為處理器、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備提供傳遞信息的公共通道，一如連接各地的高速公路般連接城市個(gè)各個(gè)地方?？偩€的基本邏輯是，在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)只能負(fù)責(zé)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)（比特，bit）。要想傳輸?shù)母?、更快，那就必須擴(kuò)展“道路”，加寬“車道”?？偩€的寬度越大，傳輸速度就越快。

針對(duì)不同的連接總線也是有（針對(duì)性）區(qū)別的。一般來(lái)說(shuō)，電腦的總線分為幾種。第一種是數(shù)據(jù)總線，名為Data Bus，主要負(fù)責(zé)處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸；第二種是地址總線，即Address Bus，它負(fù)責(zé)用來(lái)在指定的內(nèi)存（Random Access Memory）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址；第三種總線，是控制總線Control Bus，它負(fù)責(zé)將微處理器（Control Unit，非中央處理器）發(fā)出的信號(hào)傳送到具體外部設(shè)備上，比如SATA設(shè)備（并發(fā)）、USB設(shè)備（串行）；還有一種是擴(kuò)展總線Expansion Bus，它的作用是電腦內(nèi)部和外部設(shè)備進(jìn)行通訊的總線，比如我們說(shuō)的PCI-E總線就是擴(kuò)展總線的一種。

例如一臺(tái)電腦，主板的主芯片（PCH）要負(fù)責(zé)CPU與內(nèi)存、顯卡等數(shù)據(jù)吞吐大戶的通訊工作（現(xiàn)在的CPU也會(huì)肩負(fù)這一工作），那么它如何工作呢？在CPU部分，通過(guò)前端總線（即FSB）連接到PCH芯片上，進(jìn)而通過(guò)其與內(nèi)存、顯卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的“交流”。

總線也是代際迭代的，隨著時(shí)間的發(fā)展數(shù)據(jù)的傳輸需求越來(lái)越高，例如PCI-E 5.0的總線帶寬速度已經(jīng)達(dá)到了驚人的128GB/s（全雙工），這要比早期ISA總線的數(shù)據(jù)帶寬大多了——8MB/s。你沒(méi)看錯(cuò)，早期的ISA總線帶寬受限于位寬只有8Bit/16Bit，最大的帶寬傳輸速度不過(guò)區(qū)區(qū)4.77MB/s、8MB/s！

ISA——我不快但是我很關(guān)鍵

ISA的全稱為Industrial Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，它最早出現(xiàn)于1981年，是IBM兼容電腦的一個(gè)總線系統(tǒng)，位寬只有8bit。到了1984年，ISA總線升級(jí)為16bit?？刹褰语@卡、聲卡、網(wǎng)卡已及所謂的多功能接口卡等擴(kuò)展插卡。其缺點(diǎn)是CPU資源占用太高，數(shù)據(jù)傳輸帶寬太小，是已經(jīng)被淘汰的插槽接口。目前它現(xiàn)在只存在于極少部分的工控類設(shè)備上還在使用。

ISA總線的表現(xiàn)形式是一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的插槽，遠(yuǎn)比現(xiàn)在的PCI-E長(zhǎng)許多，而且它的使用其實(shí)并不方便——現(xiàn)如今我們非常習(xí)慣的“即插即用”，即Plug-n-Play功能根本沒(méi)有，所以在安裝了ISA接口的設(shè)備時(shí)，必須手動(dòng)設(shè)置IRQ（中斷請(qǐng)求）、I/O地址（輸出／輸入地址）、DMA信道才能配置其工作。

早年間數(shù)據(jù)總線的傳輸負(fù)載并不高，在80286處理器時(shí)代ISA總線還能夠完全應(yīng)對(duì)。但是當(dāng)80386這個(gè)32bit位寬外部總線的處理器出現(xiàn)后，總線帶寬就成為了嚴(yán)重的性能瓶頸，畢竟ISA擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)后也不過(guò)是16bit位寬。因此在1988年的時(shí)候，康柏、惠普等九個(gè)廠商協(xié)同制定標(biāo)準(zhǔn)，將ISA總線擴(kuò)展到了32bit位寬，相應(yīng)的名稱也變成了EISA，即Extended ISA擴(kuò)展ISA。EISA總線的工作頻率其實(shí)和ISA一樣都是8MHz，并且可以向下兼容8bit、16bit位寬的ISA總線設(shè)備。

ISA總線的致命弱點(diǎn)可不止帶寬很有限，它更大的問(wèn)題在于CPU占用率高、且占用硬件中斷資源。1990年代后期PCI總線逐步取代了ISA總線。在Intel PC'98規(guī)范中徹底放棄了對(duì)ISA總線的支持，后期即便有推出帶有ISA插槽的主板，也不過(guò)是通過(guò)模擬的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)ISA設(shè)備的支持。

PCI——提速全靠我

1992年的時(shí)候，Intel提出了PCI，外圍組件互連Peripheral Component Interconnect總線協(xié)議1.0標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比ISA總線協(xié)議，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)一開始就提供了ISA無(wú)法企及的高度：133MB/s的帶寬（33MHz時(shí)鐘，每時(shí)鐘傳送32bit），這對(duì)當(dāng)時(shí)的電腦來(lái)說(shuō)已經(jīng)是超高速帶寬了。到了后期，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提升到64bit位寬，帶寬達(dá)到了264MB/s。

另一個(gè)特點(diǎn)是在PCI上實(shí)現(xiàn)了即插即用功能——安裝即可使用（當(dāng)然在操作系統(tǒng)內(nèi)還需要安裝驅(qū)動(dòng)程序），無(wú)需手動(dòng)調(diào)配硬件資源。

另外，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)增加了奇偶校驗(yàn)錯(cuò)（PERR）、系統(tǒng)錯(cuò)（SERR）、從設(shè)備結(jié)束（STOP）等控制信號(hào)及超時(shí)處理等可靠性措施，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃源鬄樵黾印?/p>

在90年代末期，PCI總線即便是64bit的修訂版本規(guī)格，其僅僅264MB/s的帶寬吞吐能力已經(jīng)無(wú)法為顯卡提供足夠的帶寬支撐，而此時(shí)業(yè)界又沒(méi)有一個(gè)更好的解決辦法。于是，Intel將AGP這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專用傳輸通道提了出來(lái)。

AGP——特殊的候補(bǔ)隊(duì)員

AGP，全稱為加速圖形接口（Accelerated Graphics Port），1997年，Intel為了應(yīng)對(duì)顯卡這種帶寬吞吐大戶的需求，在PCI總線標(biāo)準(zhǔn)上創(chuàng)建的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸通道，可以說(shuō)，它并非是一個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)——畢竟它只是為顯卡的專用接口。要知道，任何一個(gè)總線都允許多個(gè)設(shè)備共享，而AGP只能只能實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”的模式，僅僅為顯卡提供帶寬支撐。

AGP時(shí)代，出現(xiàn)了許多經(jīng)典的顯卡，比如3DFX Voodoo Banshee、NVIDIA RIVA 128、3Dlabs Permedia 2、ATi Rage系列、Matrox Millennium II、S3 ViRGE GX/2等等。比較有趣的是，最早的一批AGP顯卡并非原生AGP接口，而是通過(guò)橋接方式由PCI總線轉(zhuǎn)換成AGP，而且需要一顆單獨(dú)的芯片負(fù)責(zé)處理轉(zhuǎn)換，這導(dǎo)致首批此類顯卡的性能根本無(wú)法發(fā)揮實(shí)際效率。直到真正原生的AGP接口顯卡出現(xiàn)，人們才領(lǐng)略了AGP接口的高帶寬究竟能帶來(lái)什么樣的3D加速性能。

AGP的帶寬究竟有多大呢？AGP的第一版達(dá)到了266MB/s的帶寬，到了后期AGP 8×的帶寬達(dá)到了2.1GB/s。AGP的規(guī)范版本一共經(jīng)歷了4次更替，分別為AGP 1×、AGP 2×、AGP 4×和AGP 8×，他們對(duì)應(yīng)的規(guī)格版本分別是AGP 1.0（AGP 1×、AGP 2×）、AGP 2.0（AGP 4×）、AGP 3.0（AGP 8×）。另外，AGP接口向下兼容，而不能向上兼容，因?yàn)檫B電壓都會(huì)有區(qū)別。

PCI-E——?dú)v經(jīng)5代的超大家族

到了AGP 8×后期，最高2.1GB/s的帶寬吞吐能力也不足以支撐顯卡日益高漲的帶寬需求，同時(shí)，其他設(shè)備也對(duì)總線帶寬有了更高的要求，PCI+AGP的組合已經(jīng)不夠看了，于是PCI-E應(yīng)運(yùn)而生。

2001年Intel在IDF（Intel開發(fā)者論壇）大會(huì)上公布了最新的總線技術(shù)，被命名為“3GIO”。之后的2002年，PCI特殊興趣組織（PCI-SIG）正式公布了新一代總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這就是從3GIO改名而來(lái)的PCI-E。

PCI-E的規(guī)范設(shè)計(jì)十分友好，只要是支持PCI總線的操作系統(tǒng)，無(wú)需修改升級(jí)即可支持PCI-E總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，很快，這個(gè)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就取代了PCI+AGP的組合，成為最主流的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

PCI-E不僅具有極為強(qiáng)大的帶寬吞吐能力，而且它還能支持更高的供電，對(duì)于大功率的PCI-E擴(kuò)展設(shè)備無(wú)疑十分友好。甚至，它在電壓的支持上也做了特別設(shè)計(jì)，可以分別支持+3.3V、3.3Vaux以及+12V三種不同的電壓標(biāo)準(zhǔn)，讓PCI-E設(shè)備的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單容易。

當(dāng)然，最重要的還是PCI-E驚人的帶寬吞吐能力。根據(jù)需求PCI-E可以以不同規(guī)格、不同速率提供給使用者設(shè)計(jì)不同的插槽，如PCI-E ×1、PCI-E ×2、PCI-E ×4、PCI-E ×8、PCI-E ×16。

PCI-E規(guī)范主要是為了提升電腦內(nèi)部所有總線的速度，因此帶寬有多種不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，其中PCI-E ×16是特別為顯卡所設(shè)計(jì)。

計(jì)算公式：PCI-E串行總線帶寬（MB/s）=串行總線時(shí)鐘頻率（MHz）×串行總線位寬（bit/8 = B）×串行總線管線×編碼方式×每時(shí)鐘傳輸幾組數(shù)據(jù)（cycle），例如全雙工PCI-E 1.0 ×1，其帶寬= 2500×1/8×1×8/10×1×2=500MB/s。

可以說(shuō)，PCI-E的出現(xiàn)一定程度解決了帶寬不足的問(wèn)題，而且PCI-E總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷升級(jí)，從最初的PCI-E 1.0已經(jīng)更替到最新的PCI-E 6.0。

PCI-E 4.0總線技術(shù)準(zhǔn)，其帶寬吞吐能力對(duì)比最初的ISA總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)呈幾何數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，這就是技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的好處——否則，NVME規(guī)范的固態(tài)硬盤，又怎么可能發(fā)揮其超強(qiáng)的讀寫性能？次時(shí)代的旗艦級(jí)顯卡，又如何能夠支撐4K分辨率下的游戲貼圖運(yùn)算呢？