【转】认识物理I/O构件- 主机I/O总线

在数据离开系统内存总线后，它通常传输到另一条总线，即主机I/O总线。在今天的产品中，最常见的主机I/O总线是PCI总线，但也存在着几种其他的总线，如S -总线，EIS A总线及VME总线。主机I/O总线实现了几种重要的功能，包括：

    允许加入新的插卡。

    允许从内存总线输入和输出数据。

    允许在插卡之间传输数据。

 

    主机I/O总线并不是处于设备与系统内存总线间的仅有的中介物，在主机I/O总线和系统内存总线之间还存在着桥控制器芯片，该芯片负责在两总线之间交换数据。图2 - 3显示了带有4个I/O 插卡的主机I/O总线，这4个I/O插卡都通过桥控制器芯片与系统内存总线相连。

 

 

 

    主机I/O总线是在内存和外设之间传送数据的运输工具。工业上提供了许多不同的外设，包括视频显示器、声卡、打印机、扫描仪及存储设备等。如果把系统C P U比作跑车之引擎，那么主机I/O总线就类似于跑车的传动装置，把引擎的原动力传给车轮，并驱动车轮前进。许多数据处理应用要求大量的数据在存储设备之间传输。如果一个系统不能有效地实现数据在主机I/O总线和内存总线之间的传输，那么，这个系统在数据处理负担增加时就不能提供适合的性能。 

    有时，扩展槽的数量是有限的，为了有更多的扩展槽可利用，可以另加桥接控制器，并如图2 - 5那样把这些另加的主机I/O总线连到一起。

 

 

无论什么时候召开商业新闻发布会，只要有主机I/O总线技术的新信息，都有充足的理由引起各方面的关注。因为当主机I/O总线技术发生变化时，许多与之相关的现存技术都会处于生死存亡的关头，它将波及包括系统公司、适配器插卡制造商、CPU公司、软件公司、芯片制造商以及很多重要的I T机构。在P C行业，用户不得不区分ISA、微路径、EISA、PCI总线的优劣，还经常把钱错花在已经过时的服务器I/O总线上。以下是一些I/O总线技术的简要概述。

1.PCI 

    现在大多数服务器系统都有内存总线设计，这种设计能提供数据在主机I/O总线上的有效传输。虽然有几种主机I/O总线技术存在于广泛不同的系统上，但由于外设部件互联总线PCI总线在成本和性能上所具有的超群优势，使它正成为工业标准。PC机使用的PCI卡数量相对较大，且制造的产量很大，导致P C I组件的整体价格比其他服务器总线技术更低。所以，为了具有竞争力的价格，大部分系统公司都已经采用PCI技术。已经证明，PCI的性能超过许多不同目的应用的需求，这包括存储及I/O密集型应用。

    几年前，Intel公司就已经认识到，如果要保持他们的竞争力，就必须要在x86系列处理器中提供更好的I/O能力。然而，一方面，要保持与已有的PC总线技术的兼容，另一方面，又要在CPU中提供更高的I / O能力，这给Intel公司提出了严峻的挑战。

    Intel从486芯片系列开始，通过把PCI桥技术集成到CPU/内存芯片集，提供高速I/O总线。其他的总线技术，如ISA、微路径、EISA等，可以通过PCI桥控制器接入主机内存总线。 在引入这个新技术之后，Intel把PCI的后续开发转让给一个标准机构，PCI专业组（PCI-SIG）。随后，许多其他的公司也把PCI当作标准接受，并对它的发展做出过贡献。事实上，PCI已经广泛地被诸如I BMSun和康柏这样的公司所接受，虽然这些公司都拥有自己的I/O总线技术。

    在PC系统上，PCI总线的性能很难预测，这是因为PC系统常常是PCI成分和非PCI成分的混合。尽管混合配置的系统性能毫无疑问受到很大的影响，但也很难估算出使用混合总线技术的系统性能受到负面影响的程度。因此，如果不是因为没有适合的PCI卡可以使用，就不要在PCI 系统中使用ISA卡。

注意为了最优的性能，避免在你的服务器中使用ISA适配器。

 

2.c-PCI

    c-PCI即致密PCI的缩写，是工业标准PCI总线的一个衍生物，目的是服务于工业和通信领域的应用。这些领域的计算机对容错和环境的抵御能力要求很高，因为它们一般都放置在一些很少或无人管理的地方，c-PCI支持适配器的热插拔，其显著特征之一是系统中没有主板，所有的系统构件都在具有服务能力的插卡上。

    为了管理这种特殊的硬件，c-PCI使用了实时操作系统，因为实时操作系统为这些c-PCI卡的插拔提供了容错的基础，这些插卡包括桥控制器卡、CPU卡（Lynx Real Time Systems公司生产的Lynx操作系统便是这种系统的一例)。

 

3.VESA 局域总线

    VESA局域总线是目前市场上的PCI产品的直系前辈，它由工业标准组开发，能提供比以往基于PC的I/O总线快得多的速度，它的某些优势性能来源于把接口直接放在处理器中，这将使数据传输特别快。这就是“局域总线”所指：VESA是通过电子手段的方式连接到CPU而实现的，并与CPU享有共同的电源要求，结果导致对插卡数量支持的严重限制，通常情况下不超过两个。这就是说，大多数服务器系统必须把更陈旧的总线技术与VESA混合使用，在吞吐量要求很高的系统中，这是不可接受的。总之，VESA局部总线一方面提供某些优越性，另一方面却又存在着几个工程上的障碍，使它难于和PCI竞争。

 

4. ISA，E I S A和微路径 

    PC机广泛应用的最重要的因素之一是系统的可用性高和外设廉价，如果I/O总线技术没有很好的互操作性，P C机的繁荣将是不可能的。以下各节将讨论P C总线技术的早期发展

 

1) ISA总线

 

    最初的PC总线并不称为ISA工业标准体系结构，只是在几种其他具有竞争力的总线出现后，为了使它与这些总线相区别，才将它命名为ISA。ISA的设计目的是在相对慢速的设备和慢速的处理器之间传输数据，因而它的速度也是很慢的。但它有相当完备的基本功能。在IBM PC-AT 微机出现时，它已经升级到1 6位数据总线，最大的时钟频率达到8MHz。随着处理器速度的继续提高和PC应用数量的持续增长，需要开发出新的I/O总线体系结构，以保持与处理器的发展保持同步。

 

2) 微路径

 

    1987年，IBM公司宣布它的微路径总线体系结构，这个体系结构将总线控制插卡和更高的时钟频率组合于一体。微路径引入了新的物理连接器，使得它与现存的基于ISA计算机和适配器不能兼容，甚至在改变其连接器的设计后，微路径也必须用更慢的时钟速度来维持与适配器的兼容性，所以不仅微路径与ISA在物理上不兼容，而且它的性能也被现存的ISA设计所限制。结果，很少别的计算机厂商把该技术用于他们的系统中，微路径适配器的开发量远远少于PC工业所需要的水平。随着时间的推移，这个总线技术的成功在少数高端UNIX系统上获得了验证，这些UNIX系统差不多都是来自于IBM公司。今天微路径技术实际上是一个被淘汰的技术。但有趣的是，尽管微路径技术的不兼容的连接器设计注定了它在80年代后期PC机市场上的失败，但它后来却被用作PCI总线连接器规范，并获得了巨大的成功。

 

3) EISA

    EISA表示增强的ISA，主要由康柏公司开发，但在几家PC公司获得了实现，以替代IBM的微路径技术。EISA允许在同一系统中既可安装ISA卡，也可安装E ISA卡，这两种卡型享有同样的总线结构。因为EISA技术要求与ISA卡相兼容，因而，其性能受到严重的限制。同时，微路径是与ISA的设计兼容而不是与卡兼容的，所以不能显示它比EISA优越。但由于EISA价格更便宜，且更广泛可用，因此，很快地占领市场。

    由于PCI总线体系结构不仅能够提供更强的ISA向后兼容性，而且还具有更高的性能，所以，它的出现使EISA将逐渐地从市场上消失。

 

5.S-总线
S-总线是一种流行于Sun的产品的I/O总线，能提供比其他基于PC的总线更好的性能，包括PCI的早期实现。像PCI一样，Sun也对工业界开放了S-总线技术，随后形成的标准组接管了S-总线规范的开发。但S-总线绝对没有真正地达到事实标准所要求的规模，在这一点上它与PCI是不同的。PCI的性能最终赶上了S-总线，而且对于Sun来说，PCI实现起来更便宜。

6.VME
VME总线已经被用于基于MIPS的UNIX工作站和DEC公司的VAX系统。VME也成为了一种工业标准，而且广泛地运用于工业计算应用中，目前它在工业计算应用中也正在被PCI和C-PCI所代替。

7.I/O总线比较

表中给出了上述讨论的总线技术的简单的比较。PCI总线占有三列，它们分别表示：版本2.0，这是当前机器上安装的主要版本；版本2.1，这是1999年广泛实现的版本；c-PCI版本。

8.未来的I/O总线

随着处理器性能的不断提高，提供给处理器数据的I/O总线速度也不得不随之增加。过去20年中所发生的正是这样，在可以预见的将来，情况可能仍然如此。1999年秋，出现了一种新的I/O总线规范标准SystemI/O（SIO），这个新的规范是由一个拥有众多成员的工业合作组织开发的。

SIO是一个技术“合并者”，它组合了两个有竞争力的I/O总线原型。其中之一称之为FutureI/O（FIO），由IBM、康柏和HP提出，另一个I/O总线称为NextGenerationI/O（NGIO），主要由Intel提出，Sun也对此给予了一定的支持。

1999年，尽管SIO的细节还没有确定，但可望实现FIO和NGIO中提出的同样类型的技术。结果将很可能对存储网络技术产生深远的影响，因为FIO和NGIO都被设计成串行I/O传输。可以期望，在没有主机I/O适配器的情况下，SIO能够提供连接存储设备和子系统到缆线，以及缆线直接连接到系统I/O总线的能力。