計算機(jī)字長、總線和內(nèi)存編址

一、計算機(jī)字長：一般說來，計算機(jī)在同一時間內(nèi)處理的一組二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)稱為“字長”，這個二進(jìn)制數(shù)就稱為一個“字”。早期的計算機(jī)字長多為8位和16，現(xiàn)在的計算機(jī)字長大多是32位或64，也有128位或更高字長。為適應(yīng)不同的要求及協(xié)調(diào)運算精度和硬件造價間的關(guān)系，大多數(shù)計算機(jī)均支持變字長運算，即機(jī)內(nèi)可實現(xiàn)半字長、全字長（或單字長）和雙倍字長運算。在其他指標(biāo)相同時，字長越大計算機(jī)的處理數(shù)據(jù)的速度就越快。數(shù)據(jù)總線的寬度一般與字長相同。

二、計算機(jī)總線

1、CPU內(nèi)部總線：常常被直接稱為數(shù)據(jù)總線，指CPU內(nèi)部各芯片間用來傳送數(shù)據(jù)的總線，也即CPU內(nèi)部寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線，又稱為片內(nèi)總線。 它的寬度有16（8086、8088、80286）、32（80386、80486）、64（Pentium（586）、Pentium Pro（P6）、Pentium II）、……等。

2、CPU外部總線：也稱系統(tǒng)總線、內(nèi)總線或板級總線，是微機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互聯(lián)。因為該總線是用來連接微機(jī)各功能部件而構(gòu)成一個完整微機(jī)系統(tǒng)的，所以稱之為系統(tǒng)總線。人們平常所說的微機(jī)總線就是指系統(tǒng)總線，如ISA總線、PCI總線等。

與CPU相關(guān)的部分用來與其他部件之間傳送數(shù)據(jù)或控制信號，寬度主要取決于CPU的外部引線寬度，當(dāng)然也有其他部件或設(shè)備的因素，可以分為三類：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。

A、地址總線：指專用于傳送地址的總線，它只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口，所以它總是單向三態(tài)的，根據(jù)它的寬度也可以確定處理器能訪問存儲器的最大范圍。它的寬度有20（8086、8088微處理器）、24（80286）、32（80386、80486、Pentium（586））、36（Pentium Pro（P6）、Pentium II）、……等。

B、數(shù)據(jù)總線：區(qū)別于CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，用于傳送數(shù)據(jù)信息，它既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU，所以是雙向三態(tài)的。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機(jī)的一個重要指標(biāo)，通常與微處理的字長相一致。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以指令代碼或狀態(tài)信息，有時甚至是一個控制信息，因此，在實際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。寬度有16（8086、80286）、8（8088）、32（80386、80486）、64（Pentium（586）、Pentium Pro（P6）、Pentium II）、……等。

C、控制總線：用來傳送控制信號和時序信號。控制信號中，有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應(yīng)信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復(fù)位信號、總線請求信號、限備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實際控制需要而定。

3、計算機(jī)內(nèi)部的常見總線

A、分類：

按照傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分，可以分為串行總線和并行總線。串行總線中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件；并行總線的數(shù)據(jù)線通常超過2根。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232等。

按照時鐘信號是否獨立，可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨立于數(shù)據(jù)，而異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的。SPI、I2C是同步串行總線，RS232采用異步串行總線。

B、CPU的內(nèi)部總線

I2C總線：由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。

SPI總線：串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以，與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務(wù)。

SCI總線：-串行通信接口SCI（serial communication interface）也是由Motorola公司推出的。它是一種通用異步通信接口UART，與MCS-51的異步通信功能基本相同。

C、主板上的總線

前端總線：FSB（Front Side Bus），用來連接CPU和北橋芯片的總線，頻率由CPU和北橋芯片共同決定。

HT總線：（Hyper Transport），從AMD 的K8處理其開始，AMD 和Intel 兩家內(nèi)部總線發(fā)展開始分道揚鑣，Intel 繼續(xù)沿用FSB至今天的酷睿2CPU，而AMD 則開發(fā)出了HT總線（Hyper Transport）對抗Intel 。HT總線是AMD 為K8平臺專門設(shè)計的高速串行總線，它的發(fā)展歷史可回溯到1999年，原名為“LDT總線”（Lightning Data Transport，閃電數(shù)據(jù)傳輸）。2001年7月，這項技術(shù)正式推出，AMD 同時將它更名為Hyper Transport。隨后，Broadcom、Cisco、Sun、NVIDIA、ALi、ATI、Apple、Transmete等許多企業(yè)均決定采用這項新型總線技術(shù)，而AMD 也借此組建Hyper Transport開放聯(lián)盟，從而將Hyper Transport推向產(chǎn)業(yè)界。至今為止，HT總線經(jīng)歷了三代發(fā)展：

第一代HT的工作頻率在200MHz―800MHz范圍，雙向16位模式下，最大帶寬可以達(dá)到6.4GB/s。

2004年2月，Hyper Transport技術(shù)聯(lián)盟又正式發(fā)布了HT2.0規(guī)格，由于采用了Dual-data技術(shù)，使頻率成功提升到了1.0GHz、1.2GHz和1.4GHz，雙向16bit模式的總線帶寬提升到了8.0GB/s、9.6GB/s和11.2GB/s。

2007年11月19日，AMD 正式發(fā)布了HT3.0 總線規(guī)范，提供了1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz、2.6GHz幾種頻率，最高可以支持32通道。32位通道下，雙向帶寬最高可以達(dá)到史無前例的41.6GB/s。

QPI總線：由于AMD 的HT3.0提供的最大帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前Intel 1600 FSB的帶寬，為了對抗HT 3.0，Intel 另辟蹊徑，提出了QPI總線的概念。我們前面計算過，1600FSB能夠提供12.8G/s的帶寬，但是如此高的帶寬也僅僅只能滿足DDR2 800雙通道的內(nèi)存的帶寬要求（800 X 64 X 2 / 8=12.8G/s），如果此時搭配1066甚至更高的1333內(nèi)存的話，F(xiàn)SB需要提高到更高的頻率，且不說還有PCI總線、PCI-E總線、USB、SATA等多種設(shè)備也要占據(jù)一定的帶寬。而在當(dāng)前制作工藝和框架下，提升頻率變的難上加難，即便有些玩家將FSB提高到了2400，帶來的發(fā)熱量也是十分恐怖的。

如此看來，隨著處理器核心性能的提高，以及核心數(shù)量的急劇增長，F(xiàn)SB正在日益成為瓶頸，必須加以解決。Intel 要想在多核心時代處于不敗之地，目前首要問題就是順利解決系統(tǒng)資源的分配難題、充分發(fā)揮多核心的優(yōu)勢，這就是英特爾推出QPI總線技術(shù)的最終目的。

QPI最大的改進(jìn)是提供了驚人的輸出傳輸能力，在4.8至6.4GT/s之間。一個連接的每個方向的位寬可以是5、10、20bit。因此每一個方向的QPI全寬度鏈接可以提供12至16BG/s的帶寬，那么每一個QPI鏈接的帶寬為24至32GB/s，相當(dāng)于1600FSB的2-3倍，基本和HT 3.0帶寬持平。

此外，QPI另一個亮點就是支持多條系統(tǒng)總線連接，Intel 稱之為multi-FSB。系統(tǒng)總線將會被分成多條連接，并且頻率不再是單一固定的，也無須如以前那樣還要再經(jīng)過FSB進(jìn)行連接。

QPI總線相對于FSB的革命意義是重大的，帶來了PC機(jī)制造結(jié)構(gòu)上的革新，拋棄了以往北橋南橋的概念

ISA總線：ISA（industrial standard architecture）總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM 公司1984年為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應(yīng)用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機(jī)中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。        

EISA總線：EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。        

VESA總線：VESA（video electronics standard association）總線是 1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESA local bus)總線。它的推出為微機(jī)系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache 的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴(kuò)展槽擴(kuò)展到64 位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達(dá)132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。

PCI總線：PCI（peripheral component interconnect）總線是當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達(dá)132MB/s，可同時支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。

Compact PCI：以上所列舉的幾種系統(tǒng)總線一般都用于商用PC機(jī)中，在計算機(jī)系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的系統(tǒng)總線，比如STD總線、 VME總線、PC/104總線等。這里僅介紹當(dāng)前工業(yè)計算機(jī)的熱門總線之一——Compact PCI。 Compact PCI的意思是“堅實的PCI”，是當(dāng)今第一個采用無源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。Compact PCI是在原來PCI總線基礎(chǔ)上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點，提供滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴(kuò)充系統(tǒng)的I/O和其他功能。

AGP標(biāo)準(zhǔn)：PCI總線的頻率只有33MHz，這就成了超高速系統(tǒng)的一個傳送瓶頸，解決這個問題，研究人員推出了AGP標(biāo)準(zhǔn)．它通過在主存與顯示卡之間提供了一條直接的通道，使3D圖形數(shù)據(jù)越過PCI總線直接進(jìn)入顯示；從而用低成本實現(xiàn)高性能3D圖形數(shù)據(jù)的傳送。但是，AGP不能取代PCI。嚴(yán)格地講，AGP并不是一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)．而是一種點對點連接的圖形顯示接口標(biāo)準(zhǔn)。它提高了主存的內(nèi)存總線使用效率，提高了畫面的更新速度，減輕了PCI總線的負(fù)載，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

PCI-E總線：采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬。在工作原理上．PCI Express與并行體系的PCI沒有任伺相似之處，它采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)．而依靠高頻率來獲得高性能。因此PCI Express也一度被人稱為“串行PCI”。當(dāng)前PCI Express基本全面取代了AGP，就象當(dāng)初PCI取代ISA一樣。

D、硬盤的總線

SCSI：并行傳輸?shù)目偩€，SCSI-320接口的數(shù)據(jù)線能達(dá)到320MB/s的高速、而且線纜可以很長，是因為SCSI的高速數(shù)據(jù)線是“花線”，實際上就是一組組的差分信號線兩兩扭合而成，成本很高，普通電腦系統(tǒng)很難承擔(dān)。

PATA：并行傳輸?shù)目偩€，也就是的普通IDE硬盤使用的總線，最初有40根排線，這40根線里面有數(shù)據(jù)線、時鐘線、控制線、地線，其中32根數(shù)據(jù)線是并行傳輸?shù)模ㄒ粋€時鐘周期可以同時傳輸4個字節(jié)的數(shù)據(jù)），因此對同步性的要求很高。這就是為什么從PATA-66（就是常說的DMA66）接口開始必須使用80根的硬盤數(shù)據(jù)線，其實增加的這40根全是屏蔽用的地線，而且只在主板一邊接地（千萬不要接反了，反了的話屏蔽作用大大降低），有了良好的屏蔽硬盤的傳輸速度才能達(dá)到66MB/s、100MB/s和最高的133MB/s。但是在PATA-133之后，并行傳輸速度已經(jīng)到了極限，而且PATA的三大缺點暴露無遺：信號線長度無法延長、信號同步性難以保持、5V信號線耗電較大。

SATA：串行傳輸?shù)目偩€，使用嵌入式時鐘信號，具備了更強的糾錯能力，與以往相比其最大的區(qū)別在于能對傳輸指令（不僅僅是數(shù)據(jù)）進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/SPAN>

SAS：SAS(Serial Attached SCSI)即串行連接SCSI，是新一代的SCSI技術(shù)，和現(xiàn)在流行的Serial ATA(SATA)硬盤相同，都是采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速度，并通過縮短連結(jié)線改善內(nèi)部空間等。SAS是并行SCSI接口之后開發(fā)出的全新接口。此接口的設(shè)計是為了改善存儲系統(tǒng)的效能、可用性和擴(kuò)充性，并且提供與SATA硬盤的兼容性。SAS的接口技術(shù)可以向下兼容SATA。具體來說，二者的兼容性主要體現(xiàn)在物理層和協(xié)議層的兼容。在物理層，SAS接口和SATA接口完全兼容，SATA硬盤可以直接使用在SAS的環(huán)境中，從接口標(biāo)準(zhǔn)上而言，SATA是SAS的一個子標(biāo)準(zhǔn)，因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盤，但是SAS卻不能直接使用在SATA的環(huán)境中，因為SATA控制器并不能對SAS硬盤進(jìn)行控制；在協(xié)議層，SAS由3種類型協(xié)議組成，根據(jù)連接的不同設(shè)備使用相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中串行SCSI協(xié)議(SSP)用于傳輸SCSI命令；SCSI管理協(xié)議(SMP)用于對連接設(shè)備的維護(hù)和管理；SATA通道協(xié)議(STP)用于SAS和SATA之間數(shù)據(jù)的傳輸。因此在這3種協(xié)議的配合下，SAS可以和SATA以及部分SCSI設(shè)備無縫結(jié)合。

光纖通道：光纖通道的英文拼寫是Fibre Channel，和SCIS接口一樣光纖通道最初也不是為硬盤設(shè)計開發(fā)的接口技術(shù)，是專門為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的，但隨著存儲系統(tǒng)對速度的需求，才逐漸應(yīng)用到硬盤系統(tǒng)中。光纖通道硬盤是為提高多硬盤存儲系統(tǒng)的速度和靈活性才開發(fā)的，它的出現(xiàn)大大提高了多硬盤系統(tǒng)的通信速度。光纖通道的主要特性有：熱插拔性、高速帶寬、遠(yuǎn)程連接、連接設(shè)備數(shù)量大等。光纖通道是為在像服務(wù)器這樣的多硬盤系統(tǒng)環(huán)境而設(shè)計，能滿足高端工作站、服務(wù)器、海量存儲子網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)間通過集線器、交換機(jī)和點對點連接進(jìn)行雙向、串行數(shù)據(jù)通訊等系統(tǒng)對高數(shù)據(jù)傳輸率的要求。

E、外部總線

計算機(jī)和外部設(shè)備之間的總線

RS-232-C總線：RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

RS-485總線：在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。

IEEE-488總線：上述兩種外部總線是串行總線，而IEEE-488 總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

USB總線：通用串行總線USB（universal serial bus）是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的計算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達(dá)12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能支持多媒體。

三、計算機(jī)內(nèi)存編址

內(nèi)存編址方式是指把內(nèi)存進(jìn)行單元分配的方式，比如按字節(jié)編址，是以字節(jié)為最小單位對內(nèi)存進(jìn)行編址，在分配空間時也同樣以字節(jié)為最小單位，當(dāng)然內(nèi)存的最小單位為位，你還在可以在每個字節(jié)位訪問此字節(jié)的位。如果是按字進(jìn)行編址，要看計算機(jī)的字長，如果是32位計算機(jī)，就是說字長為32位即四個字節(jié)，這時候編址就四個字節(jié)編一個地址。