8.2 外总线简介

8.2 外总线简介

一、AGP 的后半部分

前面已经讲过，AGP 是专门给显卡用的高速接口。传统 PCI 是多个设备共享一条总线，而 AGP 是显卡和芯片组之间的点对点连接，所以更适合图形数据传输。

1. AGP 的 1×、2×、4×、8×模式

教材这里继续讲 AGP 的传输倍率。

AGP 基本频率是：66 MHz

数据总线宽度是：32 位 = 4 字节

所以 AGP 1× 的理论传输率是：66 MHz × 4 B = 266 MB/s

然后：

这里的“等效频率”不是说总线时钟真的一直变成那么高，而是通过在一个时钟周期内传输多次数据来提高吞吐量。

你可以这样记：

1×：一个周期传 1 次 2×：一个周期传 2 次 4×：一个周期传 4 次 8×：一个周期传 8 次

所以带宽依次翻倍：266 → 533 → 1066 → 2133 MB/s

2. 上升沿和下降沿传输

表中写：

1×：上升沿 2× / 4× / 8×：上升沿和下降沿，什么意思？

时钟信号是一个方波：

低电平 → 高电平：上升沿 高电平 → 低电平：下降沿

1× 模式只在上升沿传数据。

2× 开始，不仅上升沿传，下降沿也传，相当于一个时钟周期内传两次。

所以 2× 比 1× 快一倍。

4×、8×则通过更复杂的多倍速技术继续增加每周期的数据传输次数。

3. AGP 的 DIME 技术

教材写了：DIME：Direct Memory Execute

可以理解成：显卡可以直接使用主存中的一部分数据，尤其是纹理数据。

以前显卡处理 3D 图形时，需要把大量纹理数据放到显存中。显存容量有限，价格也比普通内存贵。

AGP 的想法是：让显卡可以通过 AGP 直接访问主存中的纹理数据。

这样，主存的一部分就像“显卡可用的扩展纹理存储区”。

4. DIME 和 UMA 的区别

书上提到 AGP 把纹理数据放入主存，也可以看成一种 UMA：

UMA：Unified Memory Architecture，统一内存体系结构

但是它又强调，AGP 的 DIME 和低端机的 UMA 不完全一样。

区别是：

AGP 的主存只是作为显存的扩展和补充； 低端 UMA 常常是显卡没有独立显存，直接把主存当显存用。

换句话说：

AGP DIME：显卡有自己的显存，主存主要用来补充存放纹理。 低端 UMA：显卡基本直接共享主存，速度较慢。

所以不能简单认为“AGP 就是 UMA”。AGP 的性能比低端 UMA 通常更好。

5. 地址信号和数据信号分离

教材说 AGP 采用：Demultiplexing，多路信号分离

以及：SBA：Side Band Address，边带寻址

这个点非常重要。PCI 总线里，地址和数据共用 AD 总线：先传地址，再传数据

这叫地址/数据复用。

AGP 为了提高速度，使用边带地址线 SBA，把地址信息和数据信息分开传。

这样就可以：一边传当前数据，一边准备下一次访问的地址。

这类似流水线思想。

对比一下：

PCI： 地址阶段 → 数据阶段 → 地址阶段 → 数据阶段 AGP： 数据传输时，旁边的 SBA 可以提前给出后续地址

所以 AGP 访问图形数据更快。

6. AGP 的并行操作

书上说：

CPU 访问系统 RAM 的同时，AGP 显卡可以访问 AGP 内存。

意思是，AGP 让显卡和 CPU 的数据通路更加独立。

传统 PCI 中，如果显卡大量占用 PCI 总线，会影响其他 PCI 设备，比如网卡、声卡、磁盘控制器。

AGP 则让显卡有自己的专用通道：

显卡通过 AGP 访问主存/图形数据； 普通外设继续通过 PCI 工作。

这样可以减轻 PCI 总线负担，提高系统整体性能。

二、AGP 的工作模式总结

AGP 的工作模式可以这样记：

AGP 1×：266 MB/s，3.3 V AGP 2×：533 MB/s，3.3 V AGP 4×：1066 MB/s，1.5 V AGP 8×：2133 MB/s，1.5 V

需要特别注意电压兼容问题：

AGP 1× / 2× 是 3.3 V AGP 4× / 8× 是 1.5 V

所以老显卡不能随便插到新插槽里，新显卡也不一定能插老插槽。电压不兼容可能损坏主板或显卡。

考试简答可以写：

AGP 通过提高工作模式倍率、采用流水线操作、边带寻址、地址数据分离和直接内存执行 DIME 技术，提高了图形数据传输能力。

三、PCI 和 AGP 的比较

可以整理成：

重点不是背表格，而是理解：

PCI 是通用外设总线； AGP 是图形显示专用接口。

PCI 可以挂多个设备：网卡、声卡、SCSI 卡、采集卡等

AGP 基本只给显卡用，并且一般只有一个 AGP 插槽。

所以：AGP 不能取代 PCI。

因为 AGP 只是图形接口，不是系统通用扩展总线。

补一个串行总线的概念：

四、外总线的概念

外总线外总线用于连接：

计算机主机 ↔ 外部设备

比如：

串口设备 打印机 仪器仪表 移动存储 扫描仪 键盘鼠标 工业控制设备

它和系统总线、局部总线不一样。

系统总线/局部总线更多在主板内部或扩展槽内部使用；外总线更偏向于外部设备接口。

五、RS-232-C 总线

1. RS-232-C 是什么？RS-232-C 是一种串行物理接口标准。

它是 EIA 制定的标准：

RS：Recommended Standard，推荐标准 232：标准编号 C：修订版本

RS-232-C 常见于老式串口，比如：

COM 口 调制解调器 工控设备 早期鼠标 单片机串口通信

2. RS-232-C 的信号线

教材说标准有 25 条信号线，包括：

一个主通道，一个辅助通道

但实际很多情况下不需要全部信号线。

最简单的双工通信只需要：

发送线 TXD 接收线 RXD 地线 GND

所以最常见的串口通信就是三根线：TXD、RXD、GND

如果要硬件流控，还会使用 RTS、CTS 等控制线。

3. RS-232-C 的波特率

书上列了一些标准波特率：

50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200

常见的是：

9600 bps 19200 bps 115200 bps

虽然书上只列到 19200，但实际现代串口经常用更高的波特率。

4. RS-232-C 的缺点

教材重点说了 RS-232-C 的距离限制。

原因有两个：

1. 电缆电容负载限制 2. 单端信号抗干扰能力差

RS-232 是单端信号：信号线相对地线传输

问题是，一旦地线上有干扰，或者两端地电位不同，信号就容易出错。

所以 RS-232 一般适合：短距离、点对点通信

书上说通常用于：20 m 以内

六、RS-485 总线

1. RS-485 为什么比 RS-232 更适合远距离？

RS-485 采用：平衡发送，差分接收

也就是它不是用“信号线对地”的方式传输，而是用两根线之间的电压差表示 0 和 1。

例如：

A - B 为正：一种逻辑状态 A - B 为负：另一种逻辑状态

因为外界干扰通常同时加到两根线上，接收端只看两根线的差值，所以能抵消很多共模干扰。

这就是：差分传输抗干扰能力强。

2. RS-485 的特点

书上讲了几个关键点：

1. 适合几十米到上千米通信 2. 抗共模干扰能力强 3. 半双工工作方式 4. 适合多点互连 5. 可构成分布式系统

半双工的意思是：同一时刻只能有一个节点发送，其他节点接收。

不是不能双向通信，而是不能同时双向通信。

3. RS-485 的节点数量

传统 RS-485 最多并联 32 个驱动器和 32 个接收器。

后来芯片驱动能力增强，可以更多，比如：

128 个驱动器和 128 个接收器

这个点考试可能会问：

RS-485 适用于多点通信，而 RS-232 一般用于点对点通信。

4. RS-232 和 RS-485 对比

RS-232：短距离、点对点、单端 RS-485：长距离、多点、差分

七、IEEE-488 总线

IEEE-488 是一种并行总线接口标准。

它主要用于：仪器仪表系统

比如：数字电压表 信号发生器 示波器 频谱仪 数据采集设备

它也常被称为：GPIB

教材说它的特点：

1. 双向异步传输 2. 总线方式连接 3. 最多可连接 15 台设备 4. 最大传输距离约 20 m 5. 一般传输速度 500 KB/s 6. 最大可达 1 MB/s

它和 RS-232/RS-485 不一样。

RS-232/485 偏向串行通信；IEEE-488 是并行总线，主要用于实验室仪器控制。

八、SCSI 总线

1. SCSI 是什么？

SCSI 全称：Small Computer System Interface 小型计算机系统接口

它是一种连接主机和外设的接口。

常见设备包括：

硬盘 磁带机 光驱 扫描仪 服务器存储设备

2. SCSI 的特点

教材说 SCSI 的速度、性能、稳定性比 IDE 好，所以主要用于：

服务器 工作站 高性能存储系统

SCSI 不是简单的“线缆接口”，它的控制器比较强。

书上说：

SCSI 控制器相当于一块小型 CPU，有自己的命令集和缓存。

这说明 SCSI 外设的智能化程度比普通 IDE 高。

3. SCSI 设备数量

在 SCSI 总线中，控制器本身也算一个设备。

所以：实际最大可连接设备数 = 理论最大设备数 - 1

例如理论支持 8 个 ID，那么因为控制器占一个，外设最多 7 个。

九、USB 总线概述

USB 是这几页重点中的重点。

USB 全称：Universal Serial Bus通用串行总线

它是为了解决传统外设接口混乱、接口数量不足、配置麻烦的问题。

以前的 PC 后面有很多接口：

串口 COM 并口 LPT PS/2 键盘鼠标口 游戏口 专用扫描仪接口 打印机接口

USB 的目标是：用一种统一、方便、可扩展、低成本的接口连接多种外设。

1. USB 的主要特点

教材总结 USB 特点：

易于使用 速度较快 可靠性高 低成本 低功耗 可给外设供电 支持热插拔 支持多个设备连接

USB 的一个非常重要的优点是：设备插上之后，系统可以自动识别并配置。

这和 PCI 的即插即用思想类似。

2. USB 的引脚

USB 有 4 根线：

可以记成：两根电源线：+5V、GND，两根数据线：D+、D-

D+ 和 D- 是差分数据线。

所以 USB 不仅传数据，还能给设备供电。

3. USB 1.1 和 USB 2.0 指标

注意单位是：Mb/s，不是 MB/s，小写 b 是 bit，比特；大写 B 是 Byte，字节。

所以：480 Mb/s = 60 MB/s 理论值

十、USB 的拓扑结构

1. USB 是星形多层结构

图 7.7 是 USB 的逻辑拓扑结构。

USB 不是像 RS-485 那样一根总线挂一堆设备，而是：

主机 | 根集线器 Root Hub | 普通集线器 Hub | USB 设备

它是一种：多层星形结构

每个星形中心是一个集线器 Hub。

一个 Hub 可以有多个端口，通常 2 到 7 个端口。

2. USB 连接都是点对点

虽然叫 USB 总线，但它的物理连接不是所有设备并在一根线上，而是：

主机 ↔ Hub Hub ↔ 设备 Hub ↔ 下一级 Hub

每一段连接都是点对点的。

但从逻辑上看，主机统一管理所有 USB 设备，所以教材仍然称它为总线。

3. USB 设备的两大类

USB 设备可以分成：

1. 集线器 Hub 2. 功能设备 Function

Hub 的作用是：扩展 USB 端口

Function 的作用是：真正完成某种外设功能

例如：

鼠标 键盘 打印机 U 盘 摄像头 MODEM 移动硬盘

4. 复合设备 Composite Device

有些 USB 设备既有功能设备，又带 Hub 功能，或者一个物理设备内部包含多个功能。

这种设备叫：复合设备

比如：

带 USB Hub 的键盘 带读卡器的显示器 多功能打印机 带声卡和麦克风的 USB 摄像头

对主机来说，它可能表现为多个 USB 设备或多个 USB 功能。

十一、USB 是主从式协议

这一点非常重要。

USB 是主—从式总线协议。

意思是：USB 通信由主机发起； 设备不能随便主动占用总线发送数据。

也就是说，USB 设备一般要等主机来问：

你有没有数据？ 你准备好了吗？ 我要给你发数据。设备再响应。

这和 PCI 不同。PCI 设备可以通过总线主控成为 Master，而普通 USB 设备不能主动成为主机。

十二、USB 主机的职责

教材列了 USB 主机的几个职责。

1. 检测设备接入和断开

当 USB 设备插入或拔出时，主机要发现这个事件。

插入后，主机会：

1. 检测设备存在 2. 给设备分配地址 3. 读取设备描述符 4. 确认设备类型 5. 加载或匹配驱动 6. 配置设备

这个过程叫：枚举 Enumeration

虽然教材这页没有直接突出这个词，但它描述的就是 USB 枚举过程。

2. 管理 USB 数据流

主机负责安排总线上的数据传输。

如果多个 USB 设备都要传数据，主机会把时间分成帧，然后给每个设备分配传输机会。

USB 把数据通道分为 1 ms 的帧。

在每一帧里，主机给不同设备安排传输时间。

对于必须固定速率的设备，比如音频设备，主机要保证它们每帧能得到足够时间。

如果带宽不够：主机就不允许该设备进行通信或不接受该配置。

3. 错误检查

主机在发送的数据中加入错误校验码。

接收方收到后重新计算校验码，和收到的校验码比较。

如果不一致：说明数据传输有错

USB 可以要求重新传输，或者报告错误。

不过教材也提到，USB 有些传输类型可能不允许重传，目的是保持稳定的传输速率。

比如音频/视频实时数据，有时候宁可丢一点数据，也不能一直等重传。

4. 提供电源

USB 除了两根数据线，还有：+5 V，GND

所以 USB 可以给外设供电。

每个 USB 设备最多可从总线获得：500 mA

但低功耗设备或某些端口可能限制在：100 mA

所以有些外设需要外接电源，比如：

大功率移动硬盘 打印机 扫描仪 部分 USB Hub

十三、USB 设备的职责

USB 设备也有自己的职责。

1. 检测和自己相关的通信

USB 设备会监视总线上的通信。

如果主机发来的地址不是自己的，设备忽略。

如果地址是自己的，设备就接收数据或响应请求。

2. 对标准请求作出响应

设备连接后，主机会发标准请求，比如：

你是什么设备？ 你支持哪些配置？ 你需要多少电流？ 你有几个端点？ 你属于哪种设备类？

设备必须回答这些请求。

设备的回答信息存在描述符中，比如：

设备描述符 配置描述符 接口描述符 端点描述符 字符串描述符

这部分是 USB 驱动和枚举的核心。

3. 错误检查

USB 设备也要进行错误检测。

如果发现数据错误，可以请求重传，或者不确认该数据。

4. 电源管理

如果设备不是总线供电，就必须自己供电。

如果总线进入低功耗状态，设备也要进入挂起状态。

没有远程唤醒能力的设备，挂起时从总线取电不能超过 500 μA； 有远程唤醒能力并被主机使能后，限制为 2.5 mA。

十四、USB 设备类型

教材表 7.11 列了一些 USB 设备类。

其中最常见、最容易考的是：

HID：Human Interface Device，人机接口设备

键盘、鼠标都属于 HID。

U 盘、移动硬盘属于：Mass Storage，大容量存储设备

十五、USB 通信流

1. USB 是基于令牌包的协议

教材说：USB 是 token-based，总线协议。

也就是说，USB 通信不是设备想发就发，而是主机先发一个令牌包。

令牌包相当于主机发出的命令：

哪个设备？ 哪个端点？ 这次是读还是写？

设备收到令牌后，才按照主机要求传数据或接收数据。

2. 地址字段

USB 令牌包里有 7 位地址字段。

7 位可以表示：2^7 = 128

也就是地址范围：0 ~ 127

但地址 0 是默认地址，用于刚接入、还没有正式分配地址的设备。

所以实际最多可连接：127 个 USB 设备

这就是教材表里写的：连接的设备数：127

3. 端点 Endpoint

USB 里非常重要的概念是：Endpoint，端点

端点是 USB 设备内部的通信入口或出口。

可以这样理解：

设备地址：找到哪个 USB 设备 端点号：找到该设备内部哪个通信通道

比如一个 USB 摄像头可能有：

控制端点 视频数据端点 音频数据端点 状态端点

一个 USB 键盘可能有：

控制端点 按键数据输入端点

端点是主机和设备通信的终点。

4. 端点号

教材说令牌包中包含 4 位端点地址。

4 位可以表示：2^4 = 16

也就是端点号：0 ~ 15

并且端点还分方向：

输入 IN 输出 OUT

所以一个设备理论上可以有：16 个输入端点 + 16 个输出端点

共：32 个端点方向

注意端点 0 很特殊，一般用于控制传输，是每个 USB 设备必须有的默认控制端点。

十六、USB 中“设备、端点、管道”的关系

教材开始提到“管道”的概念。

可以这样理解：

设备 Device：一个 USB 外设 端点 Endpoint：设备内部的通信口 管道 Pipe：主机软件和设备端点之间建立的逻辑通信通道（也是操作系统第八章里面进程之间通讯的通道）

举例：

U 盘是一个 USB 设备； U 盘里面有接收命令的端点、传输数据的端点； 操作系统和这些端点之间建立管道来完成读写。

所以：主机不是直接“随便往设备发数据”，而是通过特定管道和特定端点通信。

十七、这几页最重要的对比总结

1. RS-232、RS-485、IEEE-488、SCSI、USB 对比

2. PCI、AGP、USB 的区别

十八、考试简答模板

题 1：RS-232-C 和 RS-485 有什么区别？

RS-232-C 采用单端信号传输，通信距离较短，抗干扰能力较弱，一般用于点对点短距离串行通信。RS-485 采用平衡发送和差分接收，具有较强的抗共模干扰能力，适合几十米到上千米的远距离通信，并且支持多点互连，常用于工业控制和分布式系统。

题 2：USB 的主要特点是什么？

USB 是一种通用串行总线，具有使用方便、速度较快、可靠性高、低成本、低功耗等特点。USB 支持热插拔和即插即用，可以通过集线器构成多层星形拓扑结构，最多连接 127 个设备。USB 使用 4 芯电缆，其中包括两根差分数据线和 +5V 电源线、地线，因此还可以向外设供电。

题 3：USB 的拓扑结构是什么？

USB 采用多层星形拓扑结构。整个 USB 系统中只有一个主机，主机通过根集线器连接普通集线器或功能设备，普通集线器又可以继续连接下一级集线器或 USB 设备。每个集线器可以提供多个下行端口，所有连接都是点对点的，但逻辑上由主机统一管理整个 USB 总线。

题 4：USB 主机的主要职责是什么？

USB 主机负责检测 USB 设备的连接和断开，为新接入设备分配地址并读取配置描述信息；负责管理总线上的数据流和带宽分配；负责进行错误检测和必要的重传控制；同时还通过 USB 电源线为外部设备提供电源，并进行电源管理。

题 5：USB 设备的主要职责是什么？

USB 设备负责监视总线通信，识别与自己地址相符的传输请求；对主机发出的标准请求作出响应，并提供设备能力和资源需求等配置信息；进行数据的错误检查；在需要时进行电源管理，进入挂起状态或响应远程唤醒。

题 6：什么是 USB 端点？

端点是 USB 设备中可以被主机识别的通信终点，是主机与设备进行数据传输的基本对象。USB 设备通过设备地址被主机选中，而设备内部的具体通信通道则通过端点号确定。令牌包中包含 4 位端点号，因此一个方向最多可有 16 个端点。端点分为输入端点和输出端点，端点 0 通常作为默认控制端点。

十九、复习

1. AGP 是显卡专用接口，解决 PCI 图形带宽不足。 2. AGP 通过 1×/2×/4×/8×、流水线、SBA、DIME 提高性能。 3. RS-232 适合短距离点对点，RS-485 适合远距离多点通信。 4. USB 是主从式、令牌包协议，主机控制所有通信。 5. USB 采用多层星形拓扑，通过 Hub 扩展端口。 6. USB 设备最多 127 个，端点是设备内部通信终点。

最容易混的地方是：

USB 不是设备主动发起通信，而是主机主动管理通信。 AGP 不是通用总线，而是图形专用接口。 RS-485 比 RS-232 抗干扰强，因为它是差分传输。