微型计算机原理与接口技术（第二版）第10章总线技术

,微型计算机原理与接口技术,中国水利水电出版社,ISBN 978-7-5170-3719-4,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微型计算机原理与接口技术第二版,第,10,章,总线技术,10.1,总线技术概述,10.2 ISA,总线,10.3 PCI,总线,10.4,USB,总线,10.5 PCI Express,总线,习题与,思考,学习目标,10.1,总线技术概述,10.1.1 总线的根本概念,10.1.2 总线的标准,10.1.3 总线的主要参数,10.1.4 总线的分类,10.1.1 总线的根本概念,总线,：,计算机系统中的一组能为多个部件分时共享的公共信息传输通路,。,在微型计算机系统板上，微处理器、存储器部件、接口电路等各种部件之间有大量的信,息,传送需要,使,用总,线；,系统与系统之间、插件板与插件板之间、同一插件板,上各,个芯片之,间,、芯片内部,也,都需要通过总线传输信息,。,标准总线的使用，给微型计算机系统的开发及应用带来了极大的方便和好处：,1简化了软件和硬件的设计。,2简化了系统的结构。,3便于系统的扩充和更新。,10.1.2 总线的标准,1机械结构标准,2功能标准,规定插件板尺寸、总线插头、边沿连结器等的规格及位,置。,确定每个引脚的,定义、传输速率、时序、信息格式及功能,。,3电气标准,规定各信号的逻辑电平、动态转换时间、负载能力及最大额定值。,不同的总线在信号线数量、名称,、,功能上都有差异，大致分,为地,址总线,、,数据总线,、,控制总线,、,电,源和,地线,、,备用线,。,10.1.3,总线的主要参数,1,总线的带宽,2,总线的位宽,指一定时间内总线上可传送的数据量，即每秒钟传送的最大稳态数据传输率，以,MB/s,为单位。与总线的带宽密切相关的是总线的位宽和总线的工作时钟频率,。,指总线能同时传送的数据位数，即常说的32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越大那么总线每秒钟数据传输率越高，即总线的带宽越大。,3,总线的工作时钟频率,以MHz为单位，工作时钟频率越高那么总线工作速度越快，即总线带宽越大。,10.1.4,总线的分类,1,片内总,线,2,局部总,线,3,系统总,线,4,通信总线,是集成电路芯片内部用于连接各功能单元的信息通路。,又称片总线，是电路板上连接各芯片之间的公共通路。,又称内总线，用来连接微型计算机系统的各插件板。,又称外总线，用于系统之间的连接。,10.2 ISA,总线,10.2.1 ISA,总线的主要性能和,特点,10.2.2 ISA,总线信号定义,10.2.1 ISA,总线的主要性能和特点,8/16,位数据线，最大位宽,16,位,。,24,位地址线，可直接寻址,16MB。,I/O,地址空间为,0100H,03FFH。,最,大时钟频率为,8MHz。,最,大稳态传输率为,16MB/S。,具,有中断功能，硬件中断可达,11,级,。,具,有,DMA,通道功能，通道可达,7,个,。,开,放式总线结构，允许多个,CPU,共享系统资,源,。,10.2.2 ISA,总线信号定义,ISA总线在62引脚的PC总线根底上，扩展了36位，构成根本插槽和扩展插槽。根本插槽有62根信号线，兼容PC总线；扩展插槽有36根信号线，是ISA总线新增的信号。,在ISA插槽上既可以插接ISA总线标准的插件板，也可以插接PC总线标准的插件板。,A1,B1,基本插槽,A31,B31,C1,D1,C18,D18,扩展插槽,ISA,总,线插槽,示,意,图,10.2.2 ISA,总线信号定义,10.2.2 ISA,总线信号定义,A01,02,03,04,05,06,07,08,09,A10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,A20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,A31,B01,02,03,04,05,06,07,08,09,B10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,B20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,B31,GND,RESET DRV,+5V,IRQ2,-5V,DRQ2,-12V,Reserved,+12V,GND,MEMW,MEMR,IOW,IOR,DACK3,DRQ3,DACK1,DRQ1,DACK0,CLOCK,IRQ7,IRQ6,IRQ5,IRQ4,IRQ3,DACK2,T/C,ALE,+5V,OSC,GND,I/O CHCK,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,I/O CHRDY,AEN,A19,A18,A17,A16,A15,A14,A13,A12,A11,A10,A9,A8,A7,A6,A5,A4,A3,A2,A1,A0,C01,02,03,04,05,06,07,08,09,C10,11,12,13,14,15,16,17,C18,D01,02,03,04,05,06,07,08,09,D10,11,12,13,14,15,16,17,D18,MEMCS16,I/OCS16,IRQ10,IRQ11,IRQ12,IRQ13,IRQ14,DACK0,DRQ0,DACK5,DRQ5,DACK6,DRQ6,DACK7,DRQ7,+5V,MASTER,GND,SBHE,LA23,LA22,LA21,LA20,LA19,LA18,LA17,MEMR,MEMW,SD8,SD9,SD10,SD11,SD12,SD13,SD14,SD15,10.3 PCI,总线,10.3.1 PCI,总线的主要性能和,特点,10.3.2 PCI,总线的系统,结构,10.3.3 PCI,总线信号定义,10.3.1 PCI,总线的主要性能和特点,支,持,33MHz/66MHz,的时钟频率。,支,持,32,位和,64,位两种数据通,道。,数,据传输速率,高,。,大,大缓解数据,I/O,瓶颈，,使,CPU,的,高性能,得,以充分发,挥。,采,用多路复用技术，减少引脚数,。,支,持突发方式传,输,，,从而快,速传,输,批量,数据。,自,动识别外设，支持即插即用,。,独,立于处理器的类型和速度，支持多种处理,器,，,使,PCI,具有广泛的兼容性和扩展性。,完,全的多总线主控能力,。,采,用同步操,作,，,保证,CPU,与,其他总线主设备同时操,作。,PCI,总线与,CPU,隔离,，支,持的外设数,量多。,与,ISA,、,EISA,等多种总线兼容，保证各种快速、慢速设备共存于一个系统。,10.3.2 PCI,总线的系统结构,10.3.3 PCI,总线信号定义,PCI总线标准插槽有A、B两面，分为短槽和长槽。短槽提供32位接口，定义了124个引脚；长槽是在短槽的根底上又扩展了64个引脚，提供64位接口。,短槽,长槽,PCI,总线插槽,示意图,10.3.3 PCI,总线信号定义,10.4 USB,总线,10.4.1 USB,总线的主要性能和,特点,10.4.2 USB,系统的组成及原理,10.4.1 USB,总线的主要性能和特点,支,持热插拔,。,支,持即插即用,。,节,省系统资源,。整,个,USB,系统,只,用,1,个,端口,和,1,个,中,断。,速,度快,。,USB 2.0、3.0,、,3.1,的,最大传输速,率,分别达,到,480Mbps,、,5Gbps,、,10Gbps,。,接,口标准统一,。,连,接灵活,。,可,连接多个设,备,。,可用,USB,集线器以树形结构增加,USB,分,支,，,最,多可以连接,127,个,外部设备,，且不会损失,带宽,。,供,电灵活。,USB,采用,4,线电缆，其中两根专门为下游设备提供电源,。,勿,需专,门的交流电源。,具,有很高的容错性能,。,10.4.2 USB,系统的组成及原理,1,USB,系统组成,1USB硬件。包括USB主控制器、USB根集线器、USB集线器和USB设备。,2USB软件。包括USB主控制器驱动程序、USB驱动程序、USB设备驱动程序。,2,USB,的物理接口,V,BUS,D,-,D,+,GND,V,BUS,D,+,D,-,GND,10.4.2 USB,系统的组成及原理,3,USB,的拓扑结构,主机,USB,根集线器,USB,设备,1,USB,集线器,1,USB,集线器,2,USB,设备,2,USB,集线器,3,USB,集线器,4,USB,设备,3,USB,设备,4,USB,设备,5,10.4.2 USB,系统的组成及原理,4,USB,传输协议,USB提供了种根本传输方式：,1控制传输方式。用来配置和控制主机到USB设备的数据传输方式和类型。设备控制命令、设备状态查询及确认命令均采用这种传输方式。,2同步传输方式。用来连接需要连续传输数据且对数据的正确性要求不高，而对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、音箱、网络 等。,3中断传输方式。用于数据传输量小、无周期性、且需要实时处理的场合，如键盘、鼠标等输入设备。,4块传输方式。用于数据量大且要求正确无误的数据传输，如打印机、扫描仪等。,10.4.2 USB,系统的组成及原理,5,USB,系,统,设置,USB设备可随时安装或拆卸。集线器有一个状态指令器，可指明USB设备是否被安装或撤除，假设安装那么指明USB设备端口。,在USB设备安装后，主机通过设备控制通道来激活该端口并为其指定一个唯一的USB地址地址是动态分配的，每次可能不同，然后引发主机中关于该设备的软件，对设备进行初始化。之后，系统通过该USB地址对设备进行I/O操作。,当USB设备从集线器的端口撤除后，集线器关闭该端口，并向主机报告该设备已不存在。,10.4.2 USB,系统的组成及原理,6,USB,的,容错性能,USB在硬件和软件上提供了多种机制，极大地保证了数据传输的可靠性：,如使用差分驱动、接收和防护，以保证信号的完整性；,建立各自独立的传输通道，防止USB设备的相互影响；,使用CRC循环冗余校验码，以进行外设装卸的检测和系统资源的设置；,对丧失和损坏的数据包暂停传输，利用协议自我恢复。,10.5 PCI Express,总线,10.5.1 PCI Express,总线的主要,性能,和特点,10.5.2 PCI Express,总线的,层次结构,10.5.3 PCI Express,总线信号定义,10.5.1 PCI,Express,总线的主要性能和特点,1,采用串行差分驱动，点对点互,连,。,2,带宽高，传输速度快，效率,高,。,3,支持双向传输，具有多种带宽的链路，可灵活地扩,展,。,4,低电源消耗，使用小型连接，节约空间，减少串,扰,。,5,支持设备热拨插和热交,换,。,6,支持数据同步传,输,。,7,具有数据包和分层协议结,构,。,8,为优先传输数据进行,带宽,优,化,。,10.5.2 PCI Express,总线的层次结构,PCI Express,设备,A,设备核心与软件,PCI Express,核心,逻辑接口,事务层,数据链路层,物理层,发送,接收,TLP,DLLP,PLP,链路,发送,接收,PCI Express,设备,B,设备核心与软件,PCI Express,核心,逻辑接口,事务层,数据链路层,物理层,10.5.3 PCI Express,总线信号定义,PCI Express总线也有多种规格，从PCI Express1到PCI Express16都可以在系统板上的PCI Express插槽上表达。,PCI Express 1,PCI Express 4,PCI Express 8,PCI Express 16,PCI Express,总线插槽,示意图,10.5.3 PCI Express,总线信号定义,习题与思考,ISA总线是16位总线,PCI适配卡和USB设备皆即插即用,PCI总线和USB总线都是并行总线,PCI Express总线是一种串行总线,USB和PCI-E总线都支持设备热插拔,PCI-E8总线与PCI-E1总线带宽相同,在微机系统板上，PCI-E1插槽和PCI-E16插槽上都