从ISA到PCI-E “高速路”建成史！

如同高速公路一样，电脑中的各个单元也是依靠总线来连接的。如果以英文来解释总线，单词是“BUS”，极为形象——有了足够快的信息“道路”，才能发挥电脑中各个部件的性能，让数据在总线这条高速公路上快速传输。你可能知道PCI-E，但是你知道ISA吗？

总线是什么？

总线（Bus）是指电脑内部规范化的交换数据（data）方式，是一种内部结构，它的作用是为处理器、内存、输入/输出设备提供传递信息的公共通道，一如连接各地的高速公路般连接城市个各个地方。总线的基本逻辑是，在同一个时间内只能负责传输一个数据（比特，bit）。要想传输的更多、更快，那就必须扩展“道路”，加宽“车道”。总线的宽度越大，传输速度就越快。

针对不同的连接总线也是有（针对性）区别的。一般来说，电脑的总线分为几种。第一种是数据总线，名为Data Bus，主要负责处理器和内存之间的数据存储、传输；第二种是地址总线，即Address Bus，它负责用来在指定的内存（Random Access Memory）数据存储地址；第三种总线，是控制总线Control Bus，它负责将微处理器（Control Unit，非中央处理器）发出的信号传送到具体外部设备上，比如SATA设备（并发）、USB设备（串行）；还有一种是扩展总线Expansion Bus，它的作用是电脑内部和外部设备进行通讯的总线，比如我们说的PCI-E总线就是扩展总线的一种。

例如一台电脑，主板的主芯片（PCH）要负责CPU与内存、显卡等数据吞吐大户的通讯工作（现在的CPU也会肩负这一工作），那么它如何工作呢？在CPU部分，通过前端总线（即FSB）连接到PCH芯片上，进而通过其与内存、显卡进行数据的“交流”。

总线也是代际迭代的，随着时间的发展数据的传输需求越来越高，例如PCI-E 5.0的总线带宽速度已经达到了惊人的128GB/s（全双工），这要比早期ISA总线的数据带宽大多了——8MB/s。你没看错，早期的ISA总线带宽受限于位宽只有8Bit/16Bit，最大的带宽传输速度不过区区4.77MB/s、8MB/s！

ISA——我不快但是我很关键

ISA的全称为Industrial Standard Architecture，工业标准结构总线，它最早出现于1981年，是IBM兼容电脑的一个总线系统，位宽只有8bit。到了1984年，ISA总线升级为16bit。可插接显卡、声卡、网卡已及所谓的多功能接口卡等扩展插卡。其缺点是CPU资源占用太高，数据传输带宽太小，是已经被淘汰的插槽接口。目前它现在只存在于极少部分的工控类设备上还在使用。

ISA总线的表现形式是一个长长的插槽，远比现在的PCI-E长许多，而且它的使用其实并不方便——现如今我们非常习惯的“即插即用”，即Plug-n-Play功能根本没有，所以在安装了ISA接口的设备时，必须手动设置IRQ（中断请求）、I/O地址（输出／输入地址）、DMA信道才能配置其工作。

早年间数据总线的传输负载并不高，在80286处理器时代ISA总线还能够完全应对。但是当80386这个32bit位宽外部总线的处理器出现后，总线带宽就成为了严重的性能瓶颈，毕竟ISA扩展标准后也不过是16bit位宽。因此在1988年的时候，康柏、惠普等九个厂商协同制定标准，将ISA总线扩展到了32bit位宽，相应的名称也变成了EISA，即Extended ISA扩展ISA。EISA总线的工作频率其实和ISA一样都是8MHz，并且可以向下兼容8bit、16bit位宽的ISA总线设备。

ISA总线的致命弱点可不止带宽很有限，它更大的问题在于CPU占用率高、且占用硬件中断资源。1990年代后期PCI总线逐步取代了ISA总线。在Intel PC'98规范中彻底放弃了对ISA总线的支持，后期即便有推出带有ISA插槽的主板，也不过是通过模拟的方式实现对ISA设备的支持。

PCI——提速全靠我

1992年的时候，Intel提出了PCI，外围组件互连Peripheral Component Interconnect总线协议1.0标准，对比ISA总线协议，PCI总线标准一开始就提供了ISA无法企及的高度：133MB/s的带宽（33MHz时钟，每时钟传送32bit），这对当时的电脑来说已经是超高速带宽了。到了后期，PCI总线标准进一步提升到64bit位宽，带宽达到了264MB/s。

另一个特点是在PCI上实现了即插即用功能——安装即可使用（当然在操作系统内还需要安装驱动程序），无需手动调配硬件资源。

另外，PCI总线标准增加了奇偶校验错（PERR）、系统错（SERR）、从设备结束（STOP）等控制信号及超时处理等可靠性措施，使数据传输的可靠性大为增加。

在90年代末期，PCI总线即便是64bit的修订版本规格，其仅仅264MB/s的带宽吞吐能力已经无法为显卡提供足够的带宽支撑，而此时业界又没有一个更好的解决办法。于是，Intel将AGP这种点对点的专用传输通道提了出来。

AGP——特殊的候补队员

AGP，全称为加速图形接口（Accelerated Graphics Port），1997年，Intel为了应对显卡这种带宽吞吐大户的需求，在PCI总线标准上创建的一种点对点传输通道，可以说，它并非是一个总线标准——毕竟它只是为显卡的专用接口。要知道，任何一个总线都允许多个设备共享，而AGP只能只能实现“一对一”的模式，仅仅为显卡提供带宽支撑。

AGP时代，出现了许多经典的显卡，比如3DFX Voodoo Banshee、NVIDIA RIVA 128、3Dlabs Permedia 2、ATi Rage系列、Matrox Millennium II、S3 ViRGE GX/2等等。比较有趣的是，最早的一批AGP显卡并非原生AGP接口，而是通过桥接方式由PCI总线转换成AGP，而且需要一颗单独的芯片负责处理转换，这导致首批此类显卡的性能根本无法发挥实际效率。直到真正原生的AGP接口显卡出现，人们才领略了AGP接口的高带宽究竟能带来什么样的3D加速性能。

AGP的带宽究竟有多大呢？AGP的第一版达到了266MB/s的带宽，到了后期AGP 8×的带宽达到了2.1GB/s。AGP的规范版本一共经历了4次更替，分别为AGP 1×、AGP 2×、AGP 4×和AGP 8×，他们对应的规格版本分别是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，因为连电压都会有区别。

PCI-E——历经5代的超大家族

到了AGP 8×后期，最高2.1GB/s的带宽吞吐能力也不足以支撑显卡日益高涨的带宽需求，同时，其他设备也对总线带宽有了更高的要求，PCI+AGP的组合已经不够看了，于是PCI-E应运而生。

2001年Intel在IDF（Intel开发者论坛）大会上公布了最新的总线技术，被命名为“3GIO”。之后的2002年，PCI特殊兴趣组织（PCI-SIG）正式公布了新一代总线技术标准，这就是从3GIO改名而来的PCI-E。

PCI-E的规范设计十分友好，只要是支持PCI总线的操作系统，无需修改升级即可支持PCI-E总线技术标准，很快，这个总线技术标准就取代了PCI+AGP的组合，成为最主流的总线技术标准。

PCI-E不仅具有极为强大的带宽吞吐能力，而且它还能支持更高的供电，对于大功率的PCI-E扩展设备无疑十分友好。甚至，它在电压的支持上也做了特别设计，可以分别支持+3.3V、3.3Vaux以及+12V三种不同的电压标准，让PCI-E设备的设计更为简单容易。

当然，最重要的还是PCI-E惊人的带宽吞吐能力。根据需求PCI-E可以以不同规格、不同速率提供给使用者设计不同的插槽，如PCI-E ×1、PCI-E ×2、PCI-E ×4、PCI-E ×8、PCI-E ×16。

PCI-E规范主要是为了提升电脑内部所有总线的速度，因此带宽有多种不同规格标准，其中PCI-E ×16是特别为显卡所设计。

计算公式：PCI-E串行总线带宽（MB/s）=串行总线时钟频率（MHz）×串行总线位宽（bit/8 = B）×串行总线管线×编码方式×每时钟传输几组数据（cycle），例如全双工PCI-E 1.0 ×1，其带宽= 2500×1/8×1×8/10×1×2=500MB/s。

可以说，PCI-E的出现一定程度解决了带宽不足的问题，而且PCI-E总线技术标准也在不断升级，从最初的PCI-E 1.0已经更替到最新的PCI-E 6.0。

PCI-E 4.0总线技术准，其带宽吞吐能力对比最初的ISA总线技术标准呈几何数量级的增长，这就是技术进步带来的好处——否则，NVME规范的固态硬盘，又怎么可能发挥其超强的读写性能？次时代的旗舰级显卡，又如何能够支撑4K分辨率下的游戏贴图运算呢？