总线是计算机系统中的桥梁和公路。对于要学习计算机系统的人来说，如果不理解总线，那么很多认知就没办法落到实处，想不清两样东西是如何连接起来，数据是如何从一点到另一点的。

最近两三年，做了比较多的底层开发，更加感觉到总线技术的重要性，同时也对总线的理解有了一些新的感悟。

最近一段时间，又接触了几个总线有关的问题，触发我把以前的认知和理解都掏出来，”翻炒“数轮。在这样翻来覆去的思考中，有时也会冒出一些新奇的想法，产生一些新的”连接“。这些新连接把一个领域和另一个领域连通起来。

跳线之苦

我读大学时买的486电脑用的是ISA（Industry Standard Architecture）总线。这个总线的历史悠久，始于1981年，伴随着IBM PC从80年代走到我读书的90年代。

读书时，我对计算机系统的理解还模模糊糊，当时也没有仔细学习这个总线，因此也不理解它的优点和缺点。

大学毕业后，我做了一段时间的视频监控软件，当时的摄像头都是模拟摄像头，要通过一块视频捕捉卡才能把画面显示在计算机里。

我最初使用的视频捕捉卡就是ISA接口的。长长的一块卡，插在主板的ISA插槽上。

安装这个卡时，常常遇到一个非常头疼的问题，那就是因为“资源冲突”而无法安装驱动程序。

当年的计算机大多放在办公桌下面。安装卡时要把机器拉出来，拔掉电源，打开机箱，插上卡，然后盖上机箱，插电，开机，安装驱动程序。

而安装驱动程序时，经常跳出安装失败的错误框。遇到这样的问题后，就要关机，拔掉电源，打开机箱，把刚才插上的卡拔出来，通过卡上跳线帽（jumper）来修改资源配置。

卡使用的资源主要是中断和I/O地址，卡设计时，支持几种中断和I/O配置，以跳线方式来选择。选择新的跳线方式后，要重复前面的过程，插卡，盖机箱，插电，开机，再安装驱动程序。

PCI和PnP技术

我遭受跳线之苦的时间是1997年前后。其实当时已经有了更先进的PCI总线。但这是我后来才知道的。因为PCI总线虽然在1992年就宣布了，但是直到1997年时还没有流行起来。

PCI总线是英特尔领导的。它的最大特色就是即插即用（Plug and Play，PnP）。而即插即用说到底就是解决让人头疼的手工改跳线问题。

系统资源是有限的，对于某个资源，一块卡用了，那么另一块卡就不能用。对于ISA，只能通过修改跳线来选择别的。而PCI的PnP技术就是可以通过软件方式配置资源。

再进一步讲，每个PCI设备都有一个配置空间。上层软件可以通过这个配置空间来为它动态配置资源。

配置空间并不大，一般只有几十个字节。但这几十个字节的配置空间解决了大问题。有了这个空间后，上层软件不仅可以方便地查询卡的各种信息，而且还可以通过修改这些空间的数据来改变卡的状态。这种通过软件来自动配置硬件的思路显然比跳线要先进多了，是一次伟大的进步。

软件支持

那么，先进的PCI技术为什么没有一发布就流行起来呢？答案是要开发软件。要实现资源的动态分配，最适合做这件事的当然是操作系统。

最早支持PnP的操作系统是Windows 98。

在1998年年初的Comdex大会上，比尔盖茨携自己的TA演示PnP功能，自动安装驱动时，当场蓝屏，观众席上大笑声、口哨声、鼓掌声、唏嘘声，响成一团。比尔盖茨到底是大将风度，解嘲说：“这一定是我们还没有正式发布Windows 98的原因。”

Windows 98正式发布后，特别是Windows 2000的推出，PnP功能日益稳定，并不断流行起来。今天，PnP支持已经成为事实标准，所以年轻一代，再也没机会体验我当年经历的“跳线之苦”。

神奇结构体

用程序员的话来讲，所谓的PCI配置空间就是一个结构体，这个结构体定义了PCI设备的关键属性，包括它的厂商ID、设备ID、I/O资源，中断等。

在Linux内核的源代码中，可以看到一个名为pci_dev的结构体，它的大多数字段都是与PCI配置空间中的属性对应的。

从数据建模的角度来看，PCI设备结构体就是PCI设备的基本模型。

从接口的角度讲，PCI配置空间就是软件和硬件之间的一个标准接口。通过这个接口，驱动程序可以用“编程的方式”来查询和配置PCI设备。

在C语言中，结构体是常用的编程技术。但是，最初版本的C语言并没有结构体，汤普森用这个版本的C改写Unix时，觉得很不好用，这促使丹尼斯•里奇做改进，引入了结构体。有了结构体后，Unix开始彻底C语言化。

软件成熟后，PCI技术迅猛发展，成为PC系统的脊梁，至今仍是X86生态中的最重要总线。

宇宙总线USB

在PCI总线的白皮书中，封面上的PCI总线全称叫PCI Local Bus。

这个Local的含义是本地和局部的意思。具体来说，PCI总线是用在系统内部的，如果有机箱的话，那么是机箱里的。今天虽然也有所谓“内衣外穿”的方式来把PCIe总线用到系统外部，但是并不流行，成本也高。于是便有了一个问题，如何连接机箱外部的设备。

大约在1995年左右，Intel开始研发外部总线技术，解决这个问题。当时有多种备选方案，后来被选中的，就是今天流行的USB。

USB的全称非常大气，或者说非常霸气，“Universal Serial Bus”，可以翻译为“宇宙串行总线”，或者“通用串行总线”。

20多年后的今天，USB总线真的同行全球，乃至全宇宙。就连很多电源插座和拖线板上，都配了USB口，用来给USB设备供电。而且，USB口的通用程度比墙上的插座还好。墙上的插座还有中国和美国的差别。而USB不存在这样的问题，大家只要一看到熟悉的USB口，那么就插上用。

事实证明，USB总线的设计者没有吹牛，宇宙串行总线真的做到了畅行全宇宙，对得起它的名字。

描述符

如果说PCI总线的精髓是把PCI设备抽象为一个通用结构体的话，那么USB总线的精髓就是为USB总线定义了很多个结构体，这些结构体不是固定的大写，它的内容和大写是可以变化的，USB总线的设计者给这种可以灵活变化的结构体取了一个新的名字，叫USB描述符。

上图中的这段话代表USB技术的精髓，我在准备IOT课程的讲义时，特别把它摘录到了讲义里。

“USB设备使用描述符来报告它们的属性。描述符是一种定义格式的数据结构。每个描述符的开头都是一个1字节长的字段，描述整个描述符的大小，后面跟着的一个字节用来确定描述符的类型。”

多么灵活、经济而又高明的设计啊！

一切尽在描述符

因为描述符的长度灵活，类型多样，因此，几乎所有信息都可以用描述符来表达。

有一天，一个朋友遇到问题，他们开发的设备在BIOS里面显示的厂商名是Unknown。

他是熟悉PCI总线的，所以知道PCI总线是用厂商ID来决定厂商名，并且沿着这个思路想到工具网站去注册。

而当我看到这个问题后，我觉得不是这么回事。有了USB的描述符技术后，PCI总线的做法已经out了，不仅是注册繁琐，而且使用时还要根据ID查表。而USB描述符就灵活多了，名字就写在设备的固件里，你要读，就读描述符就行了。

有了USB的做法后，根据厂商ID来查名字或者装驱动的做法用的越来越少了，取而代之的是使用描述符，缺什么就读描述符。

举例来说，下面是挥码枪的设备描述符，里面报的厂商名是格蠹，产品名是Nano Target Probe（NTP）。

重要的是，描述符信息就写在固件里，修改特别方便。

在我保存的工具中，有个叫siv的小工具，可以查询系统中的设备，遇到PCI设备时，会根据它的pcidev.txt文件查找设备名称。

但这种做法显然存在更新不及时的问题，维护也不方便，更重要的是违背谁的数据谁自己管的原则。

泛化和抽象

这些年我经常思考的一个问题是“抽象”。有时是专门思考这个概念，有时是把它应用到某个场景。

回顾我们前面提到的三种总线技术，ISA是缺少抽象的。每种设备都有专门的驱动程序。驱动程序和硬件之间是靠“约定”来协同的。它们了解对方的方法是靠自己的知识。

相对ISA，PCI总线显然前进了一大步，把PCI设备抽象为一个固定的结构体，驱动程序可以通过这个结构体来查询硬件，动态配置硬件。从产品的角度来看，这样更有利于实现通用的驱动程序，方便软硬件的兼容。

而USB技术，则又前进一大步，把PCI使用的固定结构体扩展为变化无穷的描述符，这样一来，就无所不能，无所不包，所以能畅行于宇宙了。也因为此，今天的USB设备，用户使用时，很少遇到驱动程序的问题。

通过这三大总线，可以看到建模和抽象的重要性。ISA太缺少抽象，所以有跳线之苦，PCI总线有所抽象，使用至今，而USB总线在PCI的抽象基础上再做抽象，把固定结构体改为不固定的描述符，通用性达到了一个新高度。

你是谁？

如果把驱动程序和硬件设备比作两个人，那么三大总线的驱动和设备之间的对话方式是迥然不同的。模拟几个对话方便大家理解。

ISA驱动：喂，你是谁啊？

ISA设备：我是谁，你还不知道么？

PCI驱动：喂，你是谁啊？

PCI设备：读我配置空间里的厂商ID，然后查PCI标准委员会公布的厂商名录就知道了。

USB驱动：喂，你是谁啊？

USB设备：亲，读我的描述符就知道了。

三种方式，显然USB的最灵活，最方便。

玄而又玄

我信儒家，但偶尔也读一下道家的作品。对于道家说的话，我常常不喜欢。因为道家的话，太宽泛，太虚，左右逢源，不具体，不明确。比如一句“道可道，非常道”就有很多种解释，怎么说都行。

但是在深入思考抽象的价值后，我增加了对道家的认同。在抽象方面，道家做得非常早，也做得非常好。

关于抽象的价值，道家也有个非常具有道家特色的归纳。

“此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。”

“玄之又玄，众妙之门”。

什么是玄呢？翻遍我手里的道家著作，都没有太好的解释。我给它个解释，玄就是抽象。

玄而又玄就是在抽象的基础上再做抽象。

2020年疫情期间，我开了一门《在调试器下理解计算机系统》的在线课程，其中有一讲是关于PCI总线的。借着这个机会，我把总线有关的知识做了一次总结。

2021年，我实际参与两款ARM产品的开发，一款是使用ARM A核的GDK8，另一款是使用ARM M核的GDK3。在开发这两款产品和配套课程的时候，我仔细学习了ARM生态中的总线——AMBA。

在今年4月的杭州研习班间隙，我与学员们一起漫步葛岭，刚好经过葛岭上的道家圣地——抱朴道院。

在道院门口，我与格友们驻足休息，一边欣赏风景，一边介绍了我的三大总线和玄而又玄的理解。

（写文章很辛苦，恳请各位读者点击“在看”，也欢迎转发）

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