計算機系統匯流排發展史

[1981]PCI匯流排產生前，計算機的系統匯流排有一段的發展史。 EISA匯流排(Exten Port的簡稱，是In

今天查閱了計算機匯流排相關的資料，做個筆記，也希望對別人有些借鑑意義。
筆記主要是按以下思路整理的：
1.系統匯流排是什麼
2.PCI匯流排產生前的匯流排
3.PCI匯流排及其特點
4.圖形處理對系統匯流排提出的挑戰
5.UMA架構與挑戰
6.UMA架構的缺陷與AGP解決方案
7.AGP的發展史
8.AGP的三種規範說明及發布時間表
9.AGP對PCI的優點
10.圖形處理提出的新挑戰與PCI-Express匯流排
11.PCI-Express的特點
12.參考文獻
列舉項比較長，有些項目有些簡單，需要補充
計算機匯流排分為以下幾個部分：
1.片內匯流排(CPU內部各功能單元之間的連線匯流排)
2.片間匯流排(從CPU晶片引出的匯流排，又稱CPU匯流排)
3.系統匯流排(CPU與外設之間的通訊匯流排)(如ISA，EISA，PCI等)
4.外部匯流排(PC之間的通訊連線)(如IEEE 1394)
筆記將只限於討論系統匯流排部分
[1981]PCI匯流排產生前，計算機的系統匯流排有一段的發展史。最原始的是名為“PC匯流排”的匯流排，由IBM在1981年以8088為CPU推出的系統匯流排，“PC匯流排“又稱’PC/XT"匯流排，是PC匯流排的第一次創新。
匯流排的主要特點是以CPU為唯一主控設備，其它設備為從屬設備。[0]
[1984]PC匯流排沿用了三年多時間，直到1984年，IBM推出基於16位英特爾80286處理器的PC/AT電腦，PC匯流排才被16位的PC/AT匯流排所代替。但是IBM公司並沒有公布AT匯流排的規格，這樣AT 匯流排技術就控制在IBM 手中。[3]
[1987]而為了開發與IBM PC 兼容的外圍設備，由INTEL 公司、IEEE和EISA集團共同研製出以IBM PC匯流排規範為基礎的匯流排標準規範-ISA匯流排，即8/16位的“工業標準結構” (Industry Standustry Architecture)。這種匯流排應該是在1984年後就慢慢形成，1987年IEEE正式制訂了ISA匯流排標準。[1][2]
[1987]在80386處理器推出後，包括IBM在內的計算機廠商，為提高機器速度，增大可用記憶體，要管理4GB的實際記憶體和64TB虛擬記憶體，增加多處理能力，因此，需要重新設計匯流排。在1987年，IBM 公司又引進了一種新型匯流排標準，稱作MCA（Micro-Channel Architecture）匯流排，用在IBM的PS/2機器上，這種匯流排32位結構匯流排，在傳輸率上和穩定性上比ISA 匯流排有了很大提高，IBM 為了壟斷這種技術，在設計上與其他廠商完全不兼容，這樣使得這種技術這能在IBM 的PS/2機器上使用，而採用ISA接口技術的外圍設備卡無法在MCA匯流排的機器上使用,其他廠商如果要使用MCA技術必須向IBM購買，這樣就使得MCA匯流排在其他廠商的機器中無法得到推廣.[3]
[1988]為了與IBM的MCA技術抗衡，九家計算機廠商聯合起來，在ISA匯流排的基礎上與1998年推出了為32位微機設計的“擴展工業標準結構” EISA匯流排(Extended ISA)，32位地址線可以直接定址範圍為4GB，32位數據位，最大傳輸率為33MB/s，同時與ISA匯流排兼容.由於EISA的技術標準公開，很受廠家歡迎，相繼有上百種EISA卡問世。[0]
[1992]EISA是一種支持多處理器的高性能32位標準匯流排，但由於要兼顧ISA，防礙了EISA的匯流排速度的進一步提高。為打破CPU與外設之間的數據傳輸瓶頸，提高微機的整體性能，VESA(Video Eletronics Standard Association 視頻電子標準協會)聯合60餘家公司，對PC匯流排進行創新，推出了VESA Local Bus(簡稱VL匯流排)的局部匯流排標準VESA v1.0.從VESA局部匯流排結構上看，局部匯流排好像是在傳統匯流排和CPU之間又插入了一級，將一些高速外設如網路適配器、GUI圖形板、多媒體、磁碟控制器等從傳統匯流排上卸下，直接通過局部匯流排掛接到CPU匯流排上，使之與高速CPU相匹配。VESA數據匯流排寬度為32位，匯流排時鐘與CPU主頻有關，最大不超過40MHz，支持Burst Mode突發傳輸方式，匯流排最高傳輸率132MB／s，地址匯流排寬度32位，匯流排最大定址空間為4GB。從CPU與匯流排的匹配關係來看，由於VESA標準匯流排幾乎是486CPU信號的延伸，故VL與486匹配達到最佳，能夠充分發揮486微機各部件的性能，因此在486系列微機基本上都採用了VESA匯流排。由於VESA匯流排是直接掛在CPU上，在CPU升級或任務變動時都會使得VESA不再適用，例如，VESA不能支持Pentium及其以上的晶片。因此，隨著486晶片的衰落，VESA已逐漸消失.[0]
[1992~1993]有沒有一種既具有VESA局部匯流排的高數據傳輸率、又與CPU相對獨立、並且功能更強的匯流排?Intel公司研製的PCI（Perpheral Component Interconnect）局部匯流排作出了肯定的回答.在Intel和多家主要電腦廠商的努力下，1993年，第一台PCI電腦問世。
第一個版本的PCI匯流排工作於33MHz頻率下，傳輸頻寬達到133MBps，比ISA匯流排和EISA匯流排有了巨大的改進，很好滿足當時計算機系統的發展需要。而且PCI採用了獨特的中間緩衝器設計，顯示卡、音效卡、網卡、硬碟控制器等高速外圍設備都可以直接掛在PCI匯流排中，再與CPU實現通訊，這種做法不僅滿足了當時配件對系統匯流排的性能要求，也提供了相當的靈活性.
[1993~1994]在PCI發布一年之後，英特爾公司緊接著提出64位的PCI匯流排，它的傳輸性能達到266MBps，但主要用於企業伺服器和工作站領域；由於這些領域對匯流排性能要求較高，64位/33MHz規格的PCI很快又不夠用了，英特爾遂將它的工作頻率提升到66MHz。而隨著X86伺服器市場的不斷擴大，64位/66MHz規格的PCI匯流排理所當然成為該領域的標準，針對伺服器/工作站平台設計的SCSI卡、RAID控制卡、千兆網卡等設備無一例外都採用64位PCI接口，乃至到今天，這些設備還被廣泛使用.不過，PC領域的32位匯流排一直都沒有得到升級，工作頻率也停留於33MHz.[4]
PC上的33MHz PCI匯流排(133MB/s的傳輸速度)面臨挑戰的主要原因之一是由於顯示卡3D計算的需求。顯示卡處理的數據流工作主要是分為四個階段，即數據從CPU到顯示卡核心，處理完後到顯示卡記憶體(顯存)，從顯存到數模轉換器(RAM-DAC),再從數模轉換器進入顯示器[5]。由於3D計算過程中，需要大量的數據，而顯存的容量由於造價過高而不得不利用計算機的系統記憶體(即傳統的RAM，也即CPU的工作記憶體)，這就是UMA(Unified Memory Architecture)的用武之地。
UMA的解決方案是從系統記憶體中劃分出一塊來，作為顯示核心的專用記憶體，以完成必要3D數據的存儲。但是UMA的處理方式比較死板，它從記憶體中劃分出來後就不歸還了，即使顯示核心不再使用這塊記憶體了。這種做法給系統的其它部分帶來了比較大的負面效應，系統性能會因系統記憶體的減少而降低10%或更多(視UMA劃分出去的記憶體數量和系統記憶體的總數量而定)。同時，由於共享系統記憶體，數據從系統記憶體到顯示核心之間的傳輸頻寬也出現了問題：一般傳輸的速度要求有200MB/s以上，突出的3D性能更需要300~400MB/s或更多。如此大的要求，133MB/s的PCI系統匯流排是滿足不了的。[6]
UMA解決架構失敗後，為了提高系統記憶體與顯示晶片之間的傳輸速度，Intel於1996年開始，到2000年間，特別針對圖形數據的傳輸，相繼提出了一系列的AGP規範，共有AGP1.0~3.0。AGP規範是Accelerated Graphics Port的簡稱，是Intel專門為顯示核心制訂。和UMA不同的是，它可以動態對記憶體進行申請和釋放，而不再總占用不放--即使顯示核心不再需要；因此，緩解了UMA解決方案出現的問題。同時，由於使用了更高的數據傳送速度，使得在相當長的時間內，PCI遇到的難題得到緩解。