《微型计算机原理与接口技术》第7章-2013

,微型计算机原理与接口技术,第,7,章 总 线,总线是微型计算机中将各部件连接起来的信息传输通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。,CPU,片内总线,M,I/O,片间总线,I/O,接口板,外部设备,内总线,外总线,7.1,总线概念,7.2,总线标准,7.1,总线概念,片内总线,这种总线是芯片的内总线，如微处理器内用来连接,ALU,、,CU,和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，,由芯片生产厂家自己确定。,(,芯片级总线,),CPU,片内总线,M,I/O,I/O,接口板,外部设备,系统总线,外部总线,1.,总线的分类,片间总线,微处理器、存储器芯片、,I/O,接口芯片等之间的连接总线。片,间总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。,CPU,片内总线,M,I/O,I/O,接口板,外部设备,系统总线,外部总线,系统总线,系统总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线。,系统总线有不同的总线标准，如,S-100,总线,(IEEE-696,标,),STD,总线,IBM-PC,总线，,ISA,总线、,PCI,总线标准等，采用,不同总线标准的功能板无法连接在一起,。（内总线）,CPU,片内总线,M,I/O,I/O,接口板,外部设备,系统总线,外部总线,局部总线,与所连接的,CPU,和外部设备相比，系统总线发展滞后、速度缓慢、带宽较窄，成为数据传输瓶颈。为了打破这一瓶颈，将一些高速外设从系统总线上卸下，通过控制和驱动电路直接挂到,CPU,局部总线上，使高速外设能按,CPU,速度运行。,这种直接连接,CPU,和高速外围设备的传输通道就是局部总线,。局部总线一端与,CPU,连接，另一端与高速外设和系统总线连接，好象在系统总线和,CPU,总线之间又插入一级。,CPU,片内总线,M,I/O,I/O,接口板,外部设备,系统总线,外部总线,外总线,用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的,通信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵,循。如并行总线,IEEE-488,标准，串行总线,RS-232,标准等。,IEEE1394,，,USB,（通用串行总线）。,CPU,片内总线,M,I/O,I/O,接口板,外部设备,系统总线,外部总线,CPU,片内总线,M,I/O,I/O,接口板,外部设备,系统总线,外总线,PC,系列微机系统采用开放式的多总线结构,CPU,与连接到系统板上的外设打交道须经过芯片级总线、局部总线、（系统总线）和外部总线这样三到四级总线。,2.,总线的性能指标,总线宽度,一次可以传输的数据位数。越宽在一定时间,中传输的信息量越大，但不会超过,CPU,的数据,宽度。,总线频率,总线工作时每秒钟内能传输数据的次数。越,高传输的速度越快。,传输率,每秒能够传输的字节数。,MB/s,传输率、宽度和频率之间的关系：,传输率,=,宽度,/8 *,频率,如：,PCI,总线的宽度为,32,位，总线频率为,33MHz,，则,PCI,的数据传输率为：,传输率,= 32/8 * 33 = 132MB/s,3.,与总线有关的,CPU,引脚信号,(,部分,),系统控制信号,:,时钟输入,CLK,中断请求,INTR,和,NMI,系统复位信号,RESET,系统复位后，程序运行的地址为,: FFFFFFF0H,实模式,CS: F000H, IP: 0FFF0H,系统时钟,是微处理器内部与外部操作的同步时基信号，由时钟（,CLK,）输入信号来提供。,CLK,时钟周期：,T,状态：就是指时钟周期,T,M/IO,：,=1,表明该总线周期,CPU,与存储器交换信息,=0,表明该总线周期,CPU,与,I/O,接口交换信息,W/R,：,=1,表明该总线周期,CPU,进行写操作,=0,表明该总线周期,CPU,进行读操作,D/C,：,=1,表明该总线周期,传输的是数据,=0,表明该总线周期,传输的是指令代码,这三个信号的组合，决定当前,总线周期,所完成的操作,总线周期定义信号,:,(,输出,),“,周期”是一段时间,CPU,通过总线与存储器、,I/O,交换一个数据所需要的时间称为总线周期,T,1,CLK,T,3,T,2,T,4,8086,总线周期,总线周期定义的操作,M/IO D/C W/R,操作,0 0 0,中断,0 0 1,中止,/,专用周期,0 1 0,I/O,读,0 1 1,I/O,写,1 0 0,微代码读,1 0 1,保留,1 1 0,存储器读,1 1 1,存储器写,总线仲裁信号,:,(1)HOLD,：,总线保持请求（输入）,(2)HLDA,：,总线保持响应（输出）,AB,DB,CB,X86,DMAC,高速,I/O,接口,HOLD,HLDA,7.2,总线标准,总线插槽是主板和,I/O,接口之间的连接器,为了连接众 多类型的接口电路,主一般都配有几种类型标准的总线。,PC,系列机主板上的总线标准有：,XT,总线、,AT,（,ISA,）总线、,E,ISA,总线、,VESA,总线和,PCI,总线 。,(1)ISA(AT),总线标准 （,P.171),ISA,总线是,16,位总线,始于,286,机型。 之 后在,386 ,奔腾 机上都有,ISA,总线。,（实际上由,8,位发展到,16,位，甚至,32,位（,EISA,，后,来消失替代于,VESA,、,PCI,），当今的主板上都留,有插槽）,ISA,总线由,62,芯,+36,芯两个插槽组成,Industry standard architecture,工业标准结构,1.,总线标准,主要特性：,数据传输率最高为,8MB/S,24,根地址线，可寻址,16MB,存储空间,64KB,个可寻址的,I/O,端口（,16,根地址线）,一次可进行,16,位或,8,位数据存取,15,级中断控制,7,个,DMA,通道,可产生,I/O,等待状态,支持多个主控器（,XT,总线中只有,CPU,是唯一的主,控设备，而,ISA,总线可使,CPU,释放总线由其它主控、,器（如,DMAC,、,DRAM,刷新控制器等）占用总线）,GND,RESET DRV,B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9,B10,B11,B12,B13,B14,B15,B16,B17,B18,B19,B20,B21,B22,B23,B24,B25,B26,B27,B28,B29,B30,B31,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11,A12,A13,A14,A15,A16,A17,A18,A20,A19,A22,A21,A23,A24,A25,A26,A27,A28,A29,A30,A31,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10,D11,D12,D13,D14,D15,D16,D17,D18,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C18,+5V,IRQ9,-5V,DRQ2,-12V,0WS,+12V,GND,SMEMW,AT,总线插槽引脚分配,SMEMR,IOW,IOR,DACK3,DRQ3,DRQ1,DACK1,REFRESH,CLK,IRQ7,IRQ5,IRQ6,IRQ4,IRQ3,DACK2,T/C,BALE,+5V,OSC,I/O CH CK,GND,SD7,SD6,SD5,SD4,SD3,SD2,SD1,SD0,I/O CH RDY,AEN,SA19,SA18,SA17,SA16,SA15,SA14,SA13,SA12,SA11,SA10,SA9,SA8,SA7,SA6,SA5,SA4,SA3,SA2,SA1,SA0,MEM CS16,I/O CS16,IRQ10,IRQ11,IRQ12,IRQ15,IRQ14,DACK0,DRQ0,DACK5,DACK6,DACK7,MASTER,MEMR,MEMW,DRQ5,DRQ6,DRQ7,+5V,GND,SBHE,LA23,LA22,LA21,LA20,LA19,LA18,LA17,SD8,SD9,SD10,SD11,SD12,SD13,SD14,SD15,(1).,数据线,:SD15 SD8 , SD7 SD0,(2).,地址线,:SA19 SA0,(3).,控制线,:,AEN:,地址允许信号。,AEN=0,表明,CPU,控制系统,3,总线。,AEN=1,表明,DMAC,控制系统,3,总线。,应用,:,用,AEN=0,参与端口地址译码。,IOR: I/O,读命令。,IOR=0,把选中的端口寄存器内容,数据线。,应用,:,用,IOR=0,读取,I/O,端口。,IOW: I/O,写命令。,IOW=0,把数据线上信息,选中的端口寄存器。,应用,:,用,IOW=0,对端口进行写操作。,中断请求线。,IRQ3 7, IRQ9 12, IRQ14 15,DMA,请求,/,应答。,DRQ0 DRQ3 / DACK0 DACK3,DRQ5 DRQ7 / DACK5 DACK7,使用,ISA,总线接口的以太网卡,PCI,总线为高速的,I/O,子系统（图形显示适配器、网络接口控制器、磁盘控制器等）提供了更好的性能。,即插即用特性,Peripheral component interconnect,外围部件连接,(2) PCI,总线,PCI,是由,Intel,公司,1991,年推出的一种局部总线。从结构上看，,PCI,是在,CPU,和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个,桥接电路,实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持,10,种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，,MODEM,等设备提供了连接接口，它的工作频率为,33MHz/66MHz,。,32,位数据宽度运行，最大传输速度,133MB/S,；,64,位数据宽度运行，最大传输速度,528MB/S,主板上的,PCI,插槽,(3)AGP,（,Accelerate Graphics Port),图形加速接口,P.189,AGP,接口是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，,AGP,不能称为总线，它与,PCI,总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和,AGP,显示卡，但在习惯上我们依然称其为,AGP,总线。,最初传输速度,266MB/S,（,AGP1X,）,最高传输速度,2.1GB/S(AGP8X),主板上的,AGP,插槽,(4)USB,总线,(,通用串行总线,) P.181,USB1.1,传输速度最高,12MB/S,USB2.0,传输速度最高,480MB/S,USB,用一个,4,针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接,127,个外部设备，并且不会损失带宽。,USB,需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持,USB,功能的控制芯片组，,USB,支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘等，几乎所有的外部设备。,USB,接口,(5),并行,I/O,接口,(,硬盘接口,) P.180,IDE (Integrated Drive Electronics ) ATA,IDE,即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。,IDE,这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。,主板,IDE,接口,硬盘,IDE,接口,SCSI (Small Computer System Interface),SCSI,是同,IDE,（,ATA,）完全不同的接口，,IDE,接口是普通,PC,的标准接口，而,SCSI,并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。,SCSI,接口具有应用范围广、多任务、带宽大、,CPU,占用率低，以及,热插拔,等优点，但较高的价格使得它很难如,IDE,硬盘般普及，因此,SCSI,硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。,传输速度,40MB/S 320MB/S,支持硬盘转速达,15000RPM,硬盘,SCSI,接口,SATA,（,Serial ATA,）,使用,SATA,（,Serial ATA,）口的硬盘又叫串口硬盘，是现在,PC,机硬盘的方向。,Serial ATA,采用串行连接方式，嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持,热插拔,的优点。,相对于并行,ATA,来说，,Serial ATA,以连续串行的方式传送数据，一次只传送,1,位数据。,Serial ATA,仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。,Serial ATA 1.0,定义的数据传输率可达,150MB/s,，这比目前最新的并行,ATA,（即,ATA/133,）所能达到,133MB/s,的最高数据传输率还高，而在,Serial ATA 2.0,的数据传输率将达到,300MB/s,，最终,SATA,将实现,600MB/s,的最高数据传输率。,SATA,接口硬盘,主板上的,SATA,接口,2. 32,位微型计算机总线结构,(P.188),（,1,）结构发展过程,（,2,）目前的流行结构（南北桥结构）,南 北 桥 结 构,ISA,卡,ISA,卡,ISA,总线,CPU,（,Pentium,）,L2 Cache,一般为,512KB,DRAM,与,L2,控制器,局部总线到,PCI,桥（北桥）,主存,DRAM,8-256MB,PCI,卡,PCI,卡,PCI,到,ISA,桥电路（南桥）,PCI,总线,USB,接口,IDE,接口,CPU,总线,32,位（,Pentium,）微型计算机总线结构,32,位,（,Pentium,）微型计算机,总线结构,微处理器,（含两级,Cache,）,MCH(,北桥,),ICH(,南桥,),显示卡,内存,AGP,总线,内存总线,PCI,卡,PCI,卡,PCI,总线,USB,接口,32,位,CPU,总线,IDE,接口,AC97,Super I/O,固件中心,LAN,连接,南 北 桥 结 构,北桥芯片负责与,CPU,的联系并控制内存、,AGP,数据在北桥内部传输，提供对,CPU,的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型（,SDRAM,，,DDR SDRAM,以及,RDRAM,等）和最大容量、,AGP,插槽、,ECC,纠错等支持，整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。北桥芯片就是主板上离,CPU,最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而缩短传输距离。,875P,芯片组的北桥芯片：,82875P,主板上的北桥芯片,南桥芯片负责,I/O,总线之间的通信，如,PCI,总线、,USB,、,LAN,、,ATA,、,SATA,、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。近两年的芯片组,Intel945,系列芯片组都采用,ICH7,或者,ICH7R,南桥芯片。南桥芯片一般位于主板上离,CPU,插槽较远的下方，,PCI,插槽的附近，这种布局是考虑到它所连接的,I/O,总线较多，离处理器远一点有利于布线。,南 北 桥 结 构,主板上的南桥芯片,第,7,章 学习要点,1.,理解,32,位微处理器几个常用引脚,2.,了解总线的基本概念（包括分类、结构和性能）,3.,了解微机系统常用总线标准（,ISA,总线、,PCI,局部总线和,USB,外部总线等）,4.,了解,32,位微型计算机的总线结构,