总线与接口标准

第 11章 总 线 与 接 口 标 准 教学目的和要求 通 过 本 章 的 学 习 ， 使 学 生 掌 握 微 机 总线 和 接 口 标 准 的 基 本 概 念 ， 掌 握 主 要 总 线及 主 要 接 口 的 性 能 指 标 和 特 点 。 熟 悉 RS-232C串 行 通 信 接 口 标 准 ， 为 今 后 开 发 RS-232C串 行 通 信 奠 定 良 好 的 基 础 。 了 解 PCI总 线 和 通 用 外 设 接 口 标 准 USB的 基 本 知 识 重点v 总 线 与 接 口 标 准 的 基 本 概 念 v PCI总 线 等 几 种 典 型 总 线v RS-232C串 行 通 信 接 口 及 通 用 外 设 接口 标 准 USB的 基 础 知 识 总 线 与 接 口 标 准 难点v PCI总 线 结 构 v USB的 系 统 组 成 、 传 输 类 型 、 交 换 的 包格 式 v 其 他 总 线 的 组 成 与 原 理 总 线 与 接 口 标 准 11.1 总 线 和 接 口 标 准 的 基 本 概 念 11.1.1总 线 的 基 本 概 念 与 分 类 一 、 基 本 概 念 总 线 总 线 是 指 一 组 进 行 互 连 和 传 输 信 息 的 信 号 线 ，这 组 信 号 线 一 般 都 包 括 地 址 线 、 数 据 线 、 控 制 线 、电 源 线 等 几 种 信 号 线 。 微 型 机 系 统 所 使 用 的 芯 片内 部 、 电 路 插 件 板 元 器 件 之 间 、 系 统 各 插 件 板 之间 、 系 统 与 系 统 之 间 的 连 线 ， 都 由 各 自 的 总 线 把各 部 分 组 织 起 来 ， 从 而 组 成 一 个 能 彼 此 传 输 信 息和 对 信 息 进 行 加 工 处 理 的 整 体 总 线 标 准 是 指 国 际 工 业 界 正 式 公 布 或 推荐 的 把 各 种 不 同 的 模 块 组 成 微 机 系 统 时 必须 遵 守 的 规 范 。 具 体 来 讲 ， 它 是 指 芯 片 之间 ， 插 件 板 之 间 及 微 机 系 统 之 间 ， 通 过 总线 进 行 连 接 和 传 输 信 息 时 ， 应 遵 守 的 一 些协 议 和 规 范 总 线 标 准 总 线 标 准 一 般 包 括 硬 件 和 软 件 两 方 面的 内 容 。 硬 件 方 面 主 要 有 总 线 的 信 号 线定 义 、 时 钟 频 率 、 系 统 结 构 、 仲 裁 及 配置 、 电 气 规 范 、 机 械 规 范 等 方 面 的 内 容 ，软 件 方 面 主 要 有 总 线 协 议 、 驱 动 程 序 和管 理 程 序 等 。 总 线 标 准 为 微 型 机 系 统 中各 模 块 的 互 连 提 供 了 一 个 统 一 的 标 准 ，为 接 口 的 软 、 硬 件 设 计 者 和 开 发 应 用 者提 供 了 方 便 （ 1） 总 线 标 准 的 最 重 要 特 点 是 公 用 性 。 具 有 相 同总 线 的 不 同 功 能 的 模 块 都 可 以 挂 接 到 总 线 上 ， 共享 总 线 ， 扩 充 性 能 好 （ 2） 信 号 一 般 以 并 行 方 式 传 输 ， 传 输 速 率 快 （ 3） 一 般 在 微 机 主 板 上 以 多 个 扩 展 插 槽 形 式 提 供 （ 4） 所 定 义 的 信 号 线 种 类 齐 全 。 一 般 都 有 分 离 的数 据 线 、 地 址 线 和 控 制 线 总 线 标 准 的 一 般 特 点 二 、 总 线 的 分 类 (5类 ) 片 内 总 线 片 内 总 线 也 称 为 CPU总 线 ， 它 是 位 于 微处 理 器 内 部 的 总 线 ， 是 ALU及 各 种 寄 存 器 等功 能 单 元 之 间 的 通 路 元 件 级 总 线 元 件 级 总 线 也 称 为 片 间 总 线 。 该 总 线 限 制在 一 块 电 路 板 内 ， 它 是 实 现 板 内 各 元 器 件 相 互连 接 的 信 号 线 。 片 间 总 线 通 常 包 括 地 址 线 、 数据 线 和 控 制 线 等 ， 是 各 种 总 线 中 速 度 最 快 、 效益 最 高 、 功 能 最 直 接 的 总 线 。 一 般 指 CPU引 脚 没有 经 过 组 合 、 驱 动 隔 离 ， 而 被 直 接 引 用 的 信 号线 二 、 总 线 的 分 类 (5类 )(续 一 ） 通 信 总 线 通 信 总 线 也 叫 外 部 总 线 ， 是 微 机 系 统 之 间 或微 机 系 统 与 通 信 设 备 之 间 进 行 通 信 的 一 组 信 号 线 。如 串 行 通 信 采 用 的 RS-232-C、 RS-485总 线 ， 微机 与 智 能 仪 器 之 间 通 信 采 用 的 IEEE488、 VXI总线 以 及 最 近 流 行 和 正 在 迅 速 发 展 的 用 于 微 机 与 外部 设 备 之 间 进 行 通 信 的 USB通 用 串 行 总 线 等 。 这些 通 信 总 线 的 特 点 更 符 合 接 口 标 准 的 特 点 ， 因 此 ，常 称 为 接 口 标 准二 、 总 线 的 分 类 (5类 )(续 二 ） 系 统 总 线 系 统 总 线 也 叫 板 级 总 线 或 标 准 总 线 ， 它主 要 用 于 微 机 系 统 内 部 各 插 件 板 之 间 进 行连 接 和 传 输 信 息 ， 是 微 机 系 统 最 重 要 的 一种 总 线 ， 一 般 在 主 板 上 做 成 扩 展 插 槽 形 式 。如 ISA总 线 构 成 了 IBM PC/AT微 机 系 统 二 、 总 线 的 分 类 (5类 )(续 三 ） 局 部 总 线 局 部 总 线 是 介 于 CPU总 线 和 系 统 总 线 之 间 的 一 级 总线 ， 是 目 前 高 档 微 机 中 常 采 用 的 一 种 重 要 总 线 。 它 的两 侧 分 别 由 桥 芯 片 连 接 ， 分 别 面 向 CPU总 线 和 系 统 总 线 ，但 局 部 总 线 离 CPU总 线 更 近 一 些 。 采 用 局 部 总 线 的 优 点在 于 一 些 高 速 外 设 通 过 局 部 总 线 和 CPU总 线 直 接 连 接 ，而 不 必 象 早 期 的 微 机 中 那 样 将 高 速 外 设 和 慢 速 外 设 统统 挂 在 较 慢 的 系 统 总 线 上 ， 从 而 可 以 显 著 提 高 数 据 传输 的 速 率 和 充 分 发 挥 CPU高 速 的 优 势二 、 总 线 的 分 类 (5类 )(续 四 ） 二 、 总 线 的 分 类 (5类 )(续 五 ） 局 部 总 线 又 可 分 专 用 局 部 总 线 、 VL总线 （ 486机 中 采 用 ） 、 PCI总 线 3种 。 其 中前 两 种 已 很 少 用 或 不 用 ， 目 前 微 机 系 统中 的 局 部 总 线 主 要 是 指 PCI总 线 ， 它 是 一种 先 进 的 局 部 总 线 标 准 11.1.2接 口 标 准 与 接 口 标 准 的 分 类 一 、 基 本 概 念 接 口 所 谓 接 口 就 是 微 处 理 器 与 外 围 设 备 之 间 的连 接 电 路 ， 它 是 两 者 之 间 进 行 信 息 交 换 时 的 必要 通 路 ， 不 同 的 外 设 有 不 同 的 输 入 /输 出 接 口电 路 。 例 如 ， 键 盘 输 入 有 键 盘 接 口 电 路 ， CRT显 示 器 有 显 示 器 输 出 接 口 电 路 ， 打 印 机 也 有 打印 输 出 接 口 电 路 等 等 接 口 标 准 是 指 外 设 接 口 的 规 范 和 定 义 ，它 涉 及 外 设 接 口 的 信 号 线 定 义 、 传 输 速 率 、传 输 方 向 、 拓 朴 结 构 、 电 气 和 机 械 特 性 等方 面 接 口 标 准 （ 1） 接 口 标 准 的 最 大 特 点 是 专 用 性 ， 一 般 情 况 下是 一 种 接 口 只 连 接 一 类 设 备 ， 不 能 混 用 （ 2） 一 般 在 机 箱 外 ， 以 插 头 或 插 座 形 式 提 供 （ 3） 信 号 传 输 形 式 既 有 并 行 传 输 又 有 串 行 传 输 （ 4） 定 义 信 号 线 较 少 ， 且 种 类 不 多 接 口 标 准 的 一 般 特 点 “ 7” 号 和 “ 9” 号 位 置 都 是 USB接 口 。 它 也 是 一 种 串 行接 口 ， 目 前 最 新 的 标 准 是 2.0版 ， 理 论 传 输 速 率 可 达480MB/s。 目 前 许 多 上 设 都 采 用 这 种 设 备 接 口 ， 如 Modem、打 印 机 、 扫 描 仪 、 数 码 相 机 等 。 它 的 优 点 就 是 数 据 传 输 速率 高 、 支 持 即 插 即 用 、 支 持 热 拨 插 、 无 需 专 用 电 源 、 支 持多 设 备 无 PC独 立 连 接 等 “ 8” :IEEE 1394接 口 ， 1.6GB/s的 传 输 速 率 。 即 插即 用 、 热 拨 插 。 使 用 费 比 较 高 ， 目 前 仍 受 到 许 多 限 制 ， 只是 在 一 些 高 档 设 备 中 应 用 普 遍 ， 如 数 码 相 机 、 高 档 扫 描 仪等 “ 10” 号 位 置 是 指 双 绞 以 太 网 线 接 口 ， 也 称 之 为 “ RJ-45接 口 ” 。 这 要 主 板 集 成 了 网 卡 才 会 提 供 的 ， 它 是 用 于 网 络 连 接 的 双 绞 网 线 与 主 板 中 集 成 的 网 卡 进 行 连 接 二 、 接 口 标 准 的 分 类 接 口 标 准 的 分 类 方 法 也 较 多 ， 根 据 所 连 设备 的 性 质 及 功 能 ， 一 般 分 为 以 下 5种 图 形 显 示 接 口 标 准 传 统 串 并 行 接 口 标 准 外 存 设 备 接 口 标 准 通 用 外 设 接 口 标 准 测 试 仪 器 接 口 标 准 图 形 显 示 接 口 标 准 支 持 图 形 显 示 卡 的 接 口 标 准 。 如 高 速 显 示 的新 型 接 口 标 准 AGP 传 统 串 并 行 接 口 标 准 它 是 微 机 系 统 中 进 行 串 行 和 并 行 输 入 输 出 的端 口 。 如 RS-232-C、 RS-485、 I2C、 IEEE1284）等 接 口 标 准 外 存 设 备 接 口 标 准 支 持 硬 盘 、 光 盘 、 CD-ROM和 磁 带 等 存 储 介 质的 接 口 标 准 ， 如 IDE和 SCSI接 口 标 准 通 用 外 设 接 口 标 准 支 持 多 种 新 型 外 设 的 通 用 型 接 口 标 准 。 如USB、 IEEE1394等 ， 如 前 所 述 ， 它 们 常 被 叫 做 外设 总 线 是 因 为 这 些 接 口 标 准 已 经 具 备 了 总 线 的一 些 特 征 ， 还 具 有 一 些 网 络 特 性 测 试 仪 器 接 口 标 准 提 供 和 一 些 测 试 仪 器 仪 表 相 连 接 的 接 口 标准 。 如 IEEE-488和 VXI接 口 标 准 11.1.3总 线 的 组 成 及 性 能 指 标 一 、 总 线 的 组 成 总 线 按 信 号 类 型 或 功 能 一 般 可 分 为 以 下 五 种 数 据 总 线 数 据 总 线 一 般 为 双 向 三 态 ， 用 来 传 输 数 据 ， 数据 总 线 的 宽 度 （ 位 数 ） 反 映 了 总 线 传 输 数 据 的 速 率 地 址 总 线 地 址 总 线 一 般 为 单 向 三 态 ， 用 来 传 输 地 址 信 息 ，地 址 线 的 位 数 决 定 了 微 机 系 统 的 寻 址 范 围 控 制 总 线 用 来 传 输 控 制 或 状 态 信 号 。 它 根 据 使 用 条 件不 同 ， 有 的 为 单 向 ， 有 的 为 双 向 传 输 ， 有 的 是 三 态 ，有 的 是 非 三 态 。 控 制 总 线 代 表 了 总 线 的 控 制 能 力 电 源 和 地 线 电 源 和 地 线 是 总 线 中 不 可 缺 少 的 ， 它 决 定 了总 线 使 用 的 电 源 种 类 ， 地 线 分 布 及 用 法 备 用 线 备 用 线 主 要 是 留 作 功 能 扩 充 和 用 户 的 特 殊 要求 使 用 控 制 总 线 二 、 总 线 的 性 能 指 标 总 线 宽 度 总 线 宽 度 是 指 一 次 可 以 同 时 传 输 数 据 的 位 数 ，单 位 为 位 (bit) 总 线 频 率 它 是 指 总 线 在 每 秒 钟 内 能 传 输 数 据 的 次 数 ，单 位 为 MHz。 如 ISA的 总 线 频 率 为 8MHz， 而 PCI总 线 有 33.3MHz、 66.6MHz两 种 总 线 频 率 传 输 速 率 指 总 线 在 每 秒 钟 内 能 传 输 的 最 多 字 节数 ， 单 位 为 MB/s。 三 者 的 关 系 是 ： 传 输 速 率 =总 线 宽 度 /8 总 线 频 率 总 线 宽 度 越 宽 ， 总 线 频 率 越 高 ， 则 总 线 传 输 速 率越 快 例 【 11-1】 PCI总 线 频 率 为 33.3MHz， 总 线 宽 度 32位 ， 则 ：传 输 速 率 =32b/8 33.3 MHz =133.2MB/s 传 输 速 率 11.2 几 种 典 型 总 线 及 接 口 标 准 在 微 机 系 统 中 ， 通 常 由 多 种 总 线 构 成 。如 386主 板 板 上 常 有 ISA 总 线 和 EISA总 线 ，486主 板 上 常 有 ISA 总 线 和 VESA总 线 ，Pentium主 板 上 常 有 ISA 总 线 和 PCI总 线 ，P 、 P 主 板 常 有 ISA 总 线 、 PCI总 线 和AGP总 线 ， 而 P 主 板 上 常 有 用 PCI总 线 和AGP总 线 ， 或 称 AGP接 口 标 准 等 。 微 机 系统 的 一 种 总 线 层 次 结 构 图 如 图 11 1所 示 微 机 系 统 的 一 种 总 线 层 次 结 构 图 11.2.1 PC/XT总 线 和 ISA总 线 PC/XT总 线 是 最 早 的 PC机 的 系 统 总线 ， 是 IBM公 司 于 1981年 推 出 的 基 于 准16位 机 PC/XT的 总 线 ， 也 称 PC总 线 ，PC/XT总 线 支 持 8位 数 据 传 输 和 20位 地址 寻 址 空 间 一 、 ISA总 线 的 主 要 特 点 ISA总 线 是 16位 的 总 线 ， 可 以 只 用 低 8位 数 据线 ： 当 作 8位 数 据 线 使 用 时 ， 只 用 其 前 62个 引脚 ， 此 时 ， 它 有 8位 数 据 线 ， 20位 地 址 线 ； 当作 16位 数 据 线 使 用 时 ， 用 到 全 部 98个 引 脚 ，此 时 ， 它 有 16位 数 据 线 ， 24位 地 址 线 ISA总 线 的 最 高 工 作 频 率 为 8MHz， 数 据 宽 度为 16位 ， 由 公 式 （ 11-1） 计 算 可 得 数 据 传 输 速 率 为 16MB/s。 地 址 线 24条 ， 可 寻址 16MB的 内 存 空 间 一 、 ISA总 线 的 主 要 特 点 （ 续 ） ISA总 线 共 有 15个 外 部 中 断 输 入 端 ，其 中 保 留 3个 没 有 用 。 另 外 还 有 7个 DMA通 道 ISA总 线 是 开 放 式 总 线 结 构 ， 具 备了 一 定 的 多 主 控 功 能 ， 即 允 许 有 多 个 主控 模 块 分 时 共 享 总 线 二 、 ISA总 线 信 号 及 ISA插 座 ISA总 线 98根 线 分 成 7类地 址 线数 据 线总 线 周 期 控 制 线总 线 控 制 线中 断 信 号 线DMA信 号 线电 源 线 ISA插 座 和 信 号 分 布 图 SA0 SA19 和 LA17 LA 23 (O) SA0 SA19为 地 址总 线 0 19位 ， 是 可 锁 存 的 地 址 信 号 ， LA17 LA23为 地 址 总 线 17 23位 ， 是 非 锁 存 信 号 。 地 址 信 号用 于 寻 址 存 储 器 和 I/O设 备 。 SA0 SA19加 上 LA17 LA23， 允 许 寻 址 多 达 16MB存 储 空 间 AEN 地 址 允 许 信 号 ， 输 出 。 此 信 号 用 来 在 DMA期间 禁 止 I/O端 口 的 地 址 译 码 。 AEN信 号 有 效 ， 表 示DMA控 制 器 正 在 控 制 系 统 总 线 ， 进 行 DMA传 输 。 此时 CPU放 放 弃 了 总 线 控 制 权 ， 用 AEN信 号 来 禁 止 I/O端 口 的 地 址 译 码1.地 址 线 BALE 地 址 锁 存 允 许 信 号 ， 输 出 。 它 由 总 线控 制 器 8288提 供 ， 可 用 BALE信 号 的 下 降 沿 将 系统 总 线 上 的 地 址 信 号 SA0 SA19锁 存 SBHE I/O线 ， 数 据 总 线 高 字 节 允 许 信 号 。SBHE有 效 ， 表 示 数 据 总 线 上 传 输 的 是 高 字 节 数据 （ SD8 SD15） 2.数 据 线 SD0SD7和 SD8 SD15， 双 向 。 SD0是 最 低 有 效 位 ， SD15是 最 高 有 效 位 。CPU既 可 以 按 字 节 传 输 ， 也 可 按 字 传 输 MEMR* 存 储 器 读 信 号 (2)MEMW* 存 储 器 写 信 号 SMEMR*、 SMEMW* 存 储 器 读 写 控 制 (用 于 A0A19寻 址 的 1M内 存 空 间 的 访 问 ） (3)IOW* I/O写 命 令 (4)IOR* I/O读 命 令 (5)MEMCS16*、 I/OCS16* ， 存 储 器 和 I/O 16位 片 选 信 号 (6) OWS*， 输 入 ， 零 等 待 状 态 信 号 3.控 制 线 I/O CHRDY， 输 入 ， I/O通 道 就 绪 信 号 总 线 控 制 线 MASTER* ， 输 入 ， 主 控 设 备 信 号 IOCHCK*， I/O通 道 检 验 信 号 ， 输 入 RESET DRV， 系 统 复 位 驱 动 信 号 ， 输 出 CLK， 总 线 系 统 时 钟 ， 输 出 。 OSC， 振 荡 器 信 号 ， 输 出 ， 由 晶 振 产 生 REFRESH*， I/O线 ， 刷 新 信 号 中 断 信 号 线 IRQ3 IRQ 7、 IRQ9IRQ12、 IRQ14IRQ15，输 入 上 述 中 断 请 求 线 用 于 I/O设 备 向 CPU发 出 中 断 请求 信 号 。 IRQ9优 先 级 最 高 ， 其 次 是 IRQ10 IRQ 12，IRQ14 IRQ 15， 最 低 是 IRQ3IRQ7。 另 外IRQ0 IRQ 2、 IRQ8和 IRQ13用 于 系 统 板 上 。 当IRQ线 上 由 低 变 高 时 ， 产 生 一 个 中 断 请 求 DMA信 号 线 DRQ0 DRQ3、 DRQ5 DRQ7， 输 入 DACK0* DACK3* ， DAK5* DAK7* ，输 出 ， DMA响 应 信 号 ， 用 来 响 应 DMA请 求 。 低 电平 有 效 T/C， 计 数 结 束 信 号 ， 输 出 。 在 任 何 一 个DMA通 道 的 终 点 计 数 计 满 时 发 出 此 脉 冲 共 有 4组 ： 12V 5 12V 10 5V 5 5V 104个 地 (GND ) 电 源 信 号 线 三 、 ISA总 线 周 期 ISA支 持 八 种 类 型 的 总 线 周 期 存 储 器 读 存 储 器 写 I/O端 口 读 I/O端 口 写 中 断 响 应 DMA传 输 刷 新 仲 裁 周 期 了 解 和 掌 握 ISA总 线 周 期 的 时 序 ， 特 别 是 I/O端口 读 和 I/O端 口 写 总 线 周 期 ， 对 于 开 发 接 口 电 路 是非 常 重 要 的 11.2.2 PCI总 线 PCI总 线 (Peripheral Component Interconnct Special Interest Group)， 即 外 围部 件 互 联 专 业 组 ， 简 称 PCISIG。 是 由 Intel、IBM、 Compaq、 AST、 HP、 Apple、 DEC等100多 家 公 司 于 1991年 共 同 推 出 的 一 种 局 部 总线 ， 广 泛 应 用 于 当 前 高 档 微 机 、 工 作 站 及 笔 记本 电 脑 中 PCI局 部 总 线 的 结 构 示 意 图 PCI总 线 引 线 示 意 图地 址 和 数 据 AD31AD0C/BE#3BE#0 接 口 控 制 FRAME# TRDY# IRTY# STOP# DEVSEL# IDSEL REQ# GNT# PERR# SERR# CLK RST# 64位 扩 充PAR64REQ64#ACK64#INTA#INTB#INTC#INTD#TD1TD0TCKTMSTRST#出 错仲 裁系 统 AD63AD32C/BE#7BE#4LOCK# 接 口 控 制中 断JTAG PAR PCI卡 一 、 PCI总 线 的 特 点 与 ISA等 总 线 相 比 ， PCI总 线 具 有 如 下 的 特 点 传 输 速 率 高 允 许 多 总 线 共 存 PCI总 线 不 依 赖 于 某 一 具 体 的 微 处 理 器 ， 它 支 持 多 种 微 处 理 器 和 将 来 发 展 的 微 处 理 器 总 线 数 据 宽 度 32位 或 64位 支 持 64位 寻 址 5V和 3.3V两 种 电 源 供 电 自 动 识 别 与 配 置 外 设 ， 方 便 用 户 使 用 11.2.3 AGP总 线 AGP加 速 图 形 端 口 于 1996年 8月 提 出 的 一 种新 型 视 频 接 口 标 准 ， 它 是 专 门 为 3D加 速 而 设 置的 加 速 图 形 端 口 ， 允 许 3D图 形 数 据 越 过 PCI总线 ， 把 主 存 和 显 存 直 接 连 接 起 来 ， 从 而 解 决 了PCI总 线 设 计 中 对 于 超 高 速 系 统 的 瓶 颈 问 题 AGP应 该 是 一 种 接 口 标 准 ， 因 为 它 是 一 种点 对 点 的 连 接 端 口 ， 除 图 形 控 制 器 专 用 外 ， 没有 别 的 设 备 能 够 使 用 AGP， 但 是 ， 我 们 习 惯 上也 称 其 为 AGP总 线 一 、 AGP总 线 的 结 构 采 用 AGP总 线 的 系 统 结 构 图 二 、 AGP总 线 的 特 点 设 计 AGP的 目 的 是 为 了 实 现 高 性 能 的 3D图 像 ， 提 高显 示 的 速 度 ， 因 此 采 用 了 一 些 先 进 技 术 双 时 钟 技 术 流 水 线 技 术 进 行 读 写 内 存 DIME(Direct Memory Excute)技 术 当 CPU访 问 系 统 RAM时 ， AGP显 示 卡 同 时 可 以 访 问AGP RAM， 两 种 总 线 同 时 传 输 数 据 多 路 信 号 分 离 技 术 显 示 系 统 不 占 用 PCI总 线 三 、 AGP的 工 作 模 式 AGP支 持 3种 工 作 模 式 ： 1， 2和 4模 式 。3种 工 作 模 式 的 图 形 性 能 是 依 次 提 高 的 。 目 前 微机 的 BIOS中 基 本 上 都 是 采 用 4模 式模 式 工 作 频 率（ MHz） 数 据 传 输 率（ MB/s） 传 输 触 发 方 式 1 66 266 上 升 沿 2 133 532 上 升 沿 和 下 降 沿 4 266 1064 上 升 沿 和 下 降 沿 四 、 AGP与 PCI的 比 较 性 能 指 标 PCI AGP 方 式 带 宽（ MB/S） 133 533总 线 时 钟 （ MHZ） 33 66数 据 线 宽 度 （ 位 ） 32 32数 据 传 输 同 步 同 步 插 槽 最 多 5个 1个 内 存 优 先 存 取 不 支 持 支 持 信 号 线 数 量 49 65 11.3 RS-232C串 行 通 信 接 口 标 准 RS - 232C是 数 据 终 端 设 备 （ DTE） 和 数据 通 信 设 备 （ DCE） 之 间 的 接 口 标 准 ， 是 在微 机 接 口 应 用 中 常 用 的 一 种 串 行 通 信 总 线 标准 ， 全 称 为 EIARS232C标 准（ Electoronic Industrial Associate Recommended Standard 232C） 11.3.1 RS-232C串 行 通 信 接 口 标 准 的 信 号 线 RS232C标 准 的 信 号 线 共 25根 ， 其 中 只 定 义了 22根 。 这 22根 信 号 线 又 分 为 主 、 辅 两 个 信 道 ，大 多 数 微 机 串 行 通 信 系 统 中 都 只 使 用 主 信 道 的 信号 线 。 在 通 信 中 ， 即 便 是 只 使 用 主 信 道 ， 也 并 非主 信 道 的 所 有 信 号 都 要 连 接 ， 一 般 情 况 下 只 需 使用 其 中 的 9根 信 号 线 。 这 就 是 为 什 么 我 们 在 微 机的 机 箱 上 看 到 的 串 行 通 信 接 口 （ 如 COM1、COM2） 只 有 9根 的 原 因 脚号 信 号 名 缩 写 名 方 向 与 功 能 说 明 3 发 送 数 据 TxD DTE DCE终 端 发 送 串 行 数 据 2 接 收 数 据 RxD DTE DCE终 端 接 收 串 行 数 据 7 请 求 发 送 RTS DTE DCE终 端 请 求 通 信 设 备 切 换 到 发 送 方 向 8 清 除 发 送 CTS DTE DCE设 备 已 切 换 到 发 送 方 向 6 数 传 机 就 绪 DSR DTE DCE通 信 设 备 就 绪 ， 设 备 可 用 5 信 号 地 SG 无 方 向 信 号 地 ， 所 有 信 号 公 共 地 1 数 据 载 体 检 出 DCD DTE DCE通 信 设 备 正 在 接 收 通 信 链 路 的 信 号 4 数 据 终 端 就 绪 DTR DTE DCE终 端 设 备 就 绪 ， 设 备 可 用 9 振 铃 指 示 器 RI DTE DCE通 信 设 备 通 知 终 端 ， 通 信 链 路 有 振 铃 串 行 通 信 接 口 标 准 的 信 号 线 11.3.2 RS-232C串 行 通 信 接 口 标 准的 电 气 特 性 RS-232C串 行 通 信 接 口 标 准 中 ， 对 于 发送 端 ， 规 定 5V 15V表 示 逻 辑 “ 1”（ MARK信 号 ） ， 用 5V 15V表 示 逻辑 “ 0” （ SPACE信 号 ） ， 内 阻 为 几 百 欧姆 ， 可 以 带 2500pF的 电 容 负 载 。 负 载 开 路时 电 压 不 得 超 过 25V。 对 于 接 收 端 ， 电压 低 于 3表 示 逻 辑 “ 1” ， 高 于 3表 示 逻辑 “ 0” n 232C接 口 采 用 EIA电 平n 高 电 平 为 3V 15V 逻 辑 “ 0”n 低 电 平 为 3V 15V 逻 辑 “ 1”n 实 际 常 用 12V或 15Vn 标 准 TTL电 平 n 高 电 平 ： 2V 5Vn 低 电 平 ： 0V 0.8V 相 互 转 换11.3.3 RS-232C电 平 与 TTL电 平 的 转 换 MAX232引 脚 图 MAX232的 用 法 1. 在 C1+和 C1-两 端 、 C2+和 C2-两 端 、 V+和 地 两端 、 V-和 地 两 端 分 别 接 一 个 0.1f(105)电 容 2. 可 以 将 两 路 RS-232C电 平 转 换 成 两 路 TTL电平 。 分 别 从 R1IN和 R2IN输 入 ， 对 应 从 T1OUT和T2OUT输 出 。 注 意 ， 输 入 和 输 出 的 逻 辑 值 保 持 一致 ， 如 输 入 -5V， 即 逻 辑 1， 输 出 也 是 逻 辑 1， TTL电 平 为 高 电 平 ， 即 3.6V左 右 3. 可 以 将 两 路 TTL电 平 转 换 成 两 路 RS-232C电平 ， 分 别 从 T 1IN和 T2IN输 入 ， 对 应 从 R1OUT和R2OUT输 出 。 同 样 输 入 和 输 出 的 逻 辑 值 保 持 一 致 11.3.4 RS-232C的 机 械 特 性 RS-232C的 机 械 特 性 规 定 ： 微 机 的 RS-232C接口 通 向 外 部 的 连 接 器 是 一 种 标 准 的 “ D” 型 插 针 11.4 通 用 串 行 总 线 USB USB（ Universal Serial Bus） 通 用 串 行 总线 是 由 Compaq、 Digital Equipment、 Intel、Microsoft、 IBM、 NEC及 Northern Telecom等 7家 公 司 联 合 开 发 的 一 种 流 行 的 外 设 接 口标 准 1996年 2月 公 布 了 USB 1.0版 本 ， 传 输 速 率 有 低速 1.5Mbps和 高 速 12Mbps两 种 模 式 。 USB 2.0已于 2000年 4月 27日 由 Compaq、 HP、 Intel、Lucent、 Micrsoft、 NEC、 Philips正 式 对 外 发 布 ，作 为 新 一 代 USB标 准 ， USB 2.0兼 容 所 有 USB 1.0外 部 设 备 及 电 缆 线 等 ， 传 输 速 率 达 480Mbps。USB 2.0不 仅 使 USB大 大 提 速 ， 而 且 使 更 多 的 设备 可 以 经 USB连 接 到 PC 11.4.1 USB的 性 能 特 点 传 输 速 度 快 连 接 简 单 快 捷 通 用 连 接 器 无 须 外 接 电 源 扩 充 外 设 能 力 强 一 、 传 输 速 度 快 USB 1.0 提 供 了 两 种 速 度 ： USB低 速1.5Mbps， 低 速 的 USB支 持 低 速 设 备 ，例 如 ， 调 制 解 调 器 、 键 盘 、 鼠 标 、 优 盘 、硬 盘 、 光 驱 、 网 卡 、 扫 描 仪 、 数 码 相 机等 ； USB全 速 12Mbps， USB全 速 的 数据 传 输 速 度 比 RS-232C串 口 的 9600bps快 1000多 倍 ， 它 用 于 大 范 围 的 多 媒 体 设备 。 而 USB 2.0的 数 据 传 输 速 度 可 以 高达 480Mbps 二 、 连 接 简 单 快 捷 USB连 接 简 单 快 捷 ， 可 以 进 行 热 插 拔 。即 设 备 连 到 USB时 ， 不 必 打 开 机 箱 ， 也不 必 关 闭 主 机 电 源 三 、 通 用 连 接 器 USB用 一 种 通 用 的 连 接 器 可 以 连 接 多种 类 型 的 外 设 ， 其 外 型 为 4针 插 头 四 、 无 须 外 接 电 源 由 USB总 线 提 供 电 源 到 外 部 设 备 ，USB能 提 供 +5V/500mA的 电 源 ， 供 低功 耗 USB设 备 如 USB键 盘 、 USB鼠 标 、优 盘 等 作 电 源 使 用 ； 但 需 高 功 耗 的 USB设 备 ,如 扫 描 仪 等 仍 需 自 带 电 源 ； USB还采 用 APM（ Advanced Power Management） 技 术 ， 可 以 有 效 地 节 省电 源 功 耗 五 、 扩 充 外 设 能 力 强 USB采 用 星 形 层 式 结 构 和 Hub技 术 ，允 许 一 个 USB主 控 机 可 以 连 接 多 达 127个 外 设 ， 用 户 不 用 担 心 要 连 接 的 设 备 数目 会 受 到 限 制 。 两 个 外 设 间 的 距 离 可 达 5米 ， 扩 充 方 便 11.4.2 USB的 物 理 接 口 和 电 气 特 性 一 、 接 口 信 号 线 二 、 电 气 特 性 D+、 D-线 电 气 特 性 ： 无 驱 动 ： 高 速 VD+ 2.7V, VD- 0.8V, 低 速 反 之 ； 有 驱 动 ： 高 速 VD+ 2.0V, VD- 2.0V, 低 速 反 之收 发 器 ： 对 地 电 源 电 压 为 4.755.25V， 设 备 吸 入的 最 大 电 流 值 为 500mA ， D+、 D-上 不 加 电 压USB设 备 ： 高 速 在 D+上 加 3.03.6V电 压 , 低 速 反 之 三 、 USB设 备 及 其 描 述 器 USB设 备 USB设 备 分 成 Hub设 备 和 功 能 设 备 两 种 管 道 管 道 是 从 逻 辑 概 念 上 来 描 述 信 息 传 输 的 通 道 端 点 USB描 述 器 （ 1） 设 置 描 述 器 （ 2） 设 备 描 述 器 （ 3） 端 点描 述 器 （ 4） 接 口 描 述 器 11.4.3 USB系 统 组 成 及 拓 扑 结 构 一 、 USB系 统 的 组 成 USB的 软 硬 件 USB主 控 制 器 /根 集 线 器 USB集 线 器 (USB Hub) USB设 备 USB设 备 驱 动 程 序 USB驱 动 程 序 USB主 控 制 器 驱 动 程 序 二 、 USB系 统 拓 扑 结 构 11.4.4 USB的 传 输 类 型 一 、 USB的 数 据 流 类 型 USB支 持 控 制 信 号 流 实 时 数 据 流 块 数 据 流 中 断 数 据 流 等 4种 数 据 类 型 1. 控 制 信 号 流 : 控 制 信 号 流 的 作 用 是 当 USB设备 一 旦 加 入 系 统 时 ， USB系 统 软 件 与 设 备 之 间 建立 起 控 制 信 号 流 来 发 送 控 制 信 号 ， 这 种 数 据 不允 许 出 错 或 丢 失 2. 实 时 数 据 流 :实 时 数 据 流 用 于 传 输 连 续的 固 定 速 率 的 数 据 ， 它 所 需 要 的 带 宽 与 所 传 输数 据 的 采 样 率 有 关 。 因 为 实 时 数 据 流 要 求 有 固定 的 速 率 和 低 延 时 ， 在 USB系 统 中 ， 专 门 对 此 操作 进 行 了 设 计 ， 尽 量 保 证 有 较 大 的 缓 冲 区 ， 并确 保 有 低 的 误 码 率 3. 块 数 据 流 :通 常 用 于 发 送 大 量 数 据 4. 中 断 数 据 流 :用 于 传 输 少 量 随 机 输 入信 号 。 它 包 括 事 件 通 知 信 号 、 输 入 字 符 或坐 标 等 信 息 二 、 USB的 传 输 类 型 与 USB数 据 流 类 型 对 应 ， USB有 4种 基 本 的 传 输类 型 : 批 传 输 中 断 传 输 等 时 传 输 控 制 传 输 批 传 输 批 传 输 可 以 是 单 向 ， 也 可 以 是 双 向 。 它用 于 传 输 大 批 数 据 ， 这 种 数 据 传 输 的 时 间性 不 强 ， 但 要 确 保 数 据 的 正 确 性 。 在 包 的传 输 过 程 中 ， 出 现 错 误 ， 则 需 重 新 传 输 。其 典 型 的 应 用 是 扫 描 仪 、 打 印 机 中 断 传 输 是 单 向 的 ， 且 仅 输 入 到 主 机 ， 它 用 于不 固 定 的 、 少 量 的 数 据 传 输 。 当 设 备 需 要 主 机 为其 服 务 时 ， 向 主 机 发 送 此 类 信 息 以 通 知 主 机 ， 像键 盘 、 鼠 标 之 类 的 输 入 设 备 采 用 这 方 式 。 USB的 中断 传 输 是 Polling（ 查 询 ） 类 型 。 主 机 要 频 繁 地 请求 端 点 输 入 。 USB设 备 在 全 速 情 况 下 ， 其 端 点Polling周 期 为 1 255ms； 对 于 低 速 情 况 ，Polling周 期 为 10 255ms。 因 此 ， 最 快 的 Polling频 率 是 1KHz。 在 信 息 的 传 输 过 程 中 ， 如 果 出 现 错误 ， 则 需 将 在 下 一 个 Polling中 重 新 传 输 中 断 传 输 等 时 传 输 也 称 同 步 传 输 ， 可 以 单 向 也 可以 双 向 ， 用 于 传 输 连 续 性 、 实 时 的 数 据 。这 种 方 式 的 特 点 是 要 求 传 输 速 率 固 定 ， 时间 性 强 ， 忽 略 传 输 错 误 ， 即 传 输 中 出 错 也不 重 传 。 因 为 这 样 会 影 响 传 输 速 率 。 传 输的 最 大 数 据 包 是 1024B/ms。 视 频 设 备 、 数字 声 音 设 备 和 数 字 相 机 采 用 这 种 方 式 等 时 传 输 控 制 传 输 是 双 向 的 ， 它 的 传 输 有 2 3个阶 段 ： Setup阶 段 ， Data阶 段 （ 可 以 没 有 ）和 Status阶 段 。 在 Setup阶 段 ， 主 机 命 令 给设 备 ； 在 Data阶 段 ， 传 输 的 是 Setup阶 段 所设 定 的 数 据 ； Status阶 段 ， 设 备 返 回 握 手信 号 给 主 机 控 制 传 输 11.4.5 USB包 的 类 型 与 格 式 一 、 USB包 的 类 型 USB总 线 的 数 据 传 输 包 含 一 个 或 多 个 交换 （ Transaction） ， 而 交 换 是 由 包（ Packet） 组 成 的 ， 因 此 包 是 组 成 USB交换 的 基 本 单 位 PID类 型 PID名 称 PID3:0 描 述Token OUT 0001b 具 有 PID、 类 型 检 查 、 设 备 地 址 、 端 点 号 和 CRC域 的 宿 主 到 功 能设 备 的 发 送 包IN 1001b 功 能 设 备 到 宿 主 的 接 收 包 ， 具 有 和 发 送 包 一 样 的 域SOF 0101b 帧 开 始 包SETUP 1101b 主 机 发 给 设 备 的 设 置 包 ， 用 于 控 制 传 输 的 设 置 。Data DATA0 0011b 数 据 包 0DATA1 1011b 数 据 包 1DATA2 0111b 在 微 帧 中 高 速 、 高 带 宽 的 等 时 交 换 的 数 据 包MDATA 1111b 为 分 离 的 高 速 和 高 带 宽 等 时 交 换 中 的 数 据 包Handshake ACK 0010b 接 收 设 备 发 的 接 受 数 据 正 确 的 应 答 包NAK 1010b 接 收 设 备 无 法 接 受 数 据 或 没 有 数 据 返 回 个 宿 主STALL 1110b 设 备 已 经 被 挂 起 ， 需 要 主 机 插 手 解 决 故 障 NYET 0110b 接 收 器 无 应 答Special PRE 1100b (Token)预 告 包 ， 预 告 下 面 将 以 低 速 方 式 和 低 速 设 备 通 信ERR 1100b (Handshake)分 离 交 换 错 误 的 握 手 信 号SPLIT 1000b 高 速 分 离 交 换 标 志PING 0100b 为 批 或 控 制 端 点 传 输 而 设 置 的 高 速 流 控 制 探 测Reserved 0000b 保 留PID类 型 PID名 称 PID3:0 描 述 其 中 包 的 分 类 编 码 由 PID表 示 。 8位 PID中 只有 高 4位 用 于 包 的 分 类 编 码 ， 低 4位 作 校 验 用 ，其 含 义 如 图 11-12 PID域 的 格 式 所 示 二 、 USB包 的 格 式 1.标 志 包 (1) 帧 开 始 包 (SOF)SYNC PID FRAME NUMBER CRC8位 8位 11位 5位编 码数 据 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 标 志 包 由 帧 开 始 包 和 接 受 (或 发 送 、 设 置 )包 组 成 。 发 送 方 ： 主 机 (每 隔 1ms一 次 ) (2) 接 受 包 (IN)SYCN PID ADDR ENDP CRC8位 8位 7位 4位 5位接 受 交 换 包 括 了 全 部 4种 传 输 类 型 。 接 受 交 换 : 根 Hub广 播 接 受 包 目 标 设 备 返 回 数 据 包 根 Hub发 握 手 包 （ 等 时 传 输 无 握 手 包 ） (3)发 送 包 (OUT) 发 送 交 换 : 根 Hub广 播 发 送 包 根 Hub发 数 据 包 目标 设 备 发 握 手 包 （ 批 传 输 才 有 握 手 包 ） 接 受 交 换 包 括 了 除 等 时 传 输 外 的 其 他 3种 传输 类 型 (4)设 置 包 (SETUP) 控 制 传 输 开 始 由 主 机 发 设 置 包 ， 后 面 可能 由 一 个 或 多 个 IN或 OUT交 换 ， 或 只 包含 一 个 端 点 传 到 主 机 的 状 态 2、 数 据 包 DATA CRCSYNC PID8位 USB 1.1数 据 包 格 式8位 01023位 16位SYNC PID DATA CRC8位 USB 2.0数 据 包 格 式8位 08192位 16位发 送 方 ： 主 机 或 设 备 SYCN PID8位 8位3.握 手 包 发 送 方 ： 主 机 或 设 备 ， 即 数 据 接 受 方 。 只 由 SYNC和 PID组 成 主 机 希 望 与 低 速 设 备 进 行 低 速 传 输 时 发此 包 低 速 设 备 只 支 持 控 制 传 输 与 中 断 传 输 与 低 速 设 备 交 换 数 据 只 有 8字 节 发 送 方 ： 主 机 4.特 殊 包 11.4.6 USB的 应 用 更 多 的 USB产 品 还 在 不 断 地 问 世 。 基 于 USB2.0 标 准 的 USB硬 盘 、 扫 描 仪 和 数 码 相 机 、 数 码 摄 像机 等 需 大 数 据 量 传 输 的 新 产 品 也 已 投 入 使 用 ， 其数 据 传 输 速 度 已 高 达 480Mb/s； 还 出 现 了 USB转 接设 备 ， 提 供 USB接 口 到 其 他 接 口 的 转 换 ， 这 样 ，非 USB接 口 的 外 设 就 能 间 接 地 使 用 接 USB接 口 ，如 USB到 PS/2、 USB到 PCI 、 USB到 SCSI等 ； 新的 专 用 测 量 仪 器 也 与 PC机 USB接 口 ， 如 频 谱 测 试仪 通 过 专 用 USB电 缆 与 PC机 USB接 口 ， 实 现 PC机接 收 频 谱 测 试 仪 测 试 的 数 据 对 于 笔 记 本 电 脑 来 讲 ， 使 用 USB接 口 可 使笔 记 本 电 脑 的 外 设 连 接 变 得 方 便 简 单 ， 机箱 上 提 供 多 个 USB接 口 ， USB光 驱 、 USB软驱 等 作 为 配 件 ， 使 用 时 只 需 插 上 USB接 口即 可 ,极 大 地 方 便 了 用 户 使 用 。 而 且 系 统结 构 简 单 ， 可 以 使 更 高 主 频 的 微 处 理 器 用于 笔 记 本 电 脑 中 习 题 1111.2 11.3 11.4 11.8 11.9 11.10