工信版（中职）计算机原理模块六教学课件

,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,*,YCF,（中职）计算机原理模块六教学课件,模块6 总线技术,任务1 总线的基本概念,6.1.1 总线的作用、性能与参数,6.1.2 总线的组成,6.1.3 总线标准,任务2 总线信号的传输方式与分类,6.2.1 信号传输方式,6.2.2 总线分类,6.2.3 总线的结构,下一页,模块6 总线技术,6.2.4总线操作,任务3 总线周期,6.3.1总线周期和总线操作术语,6.3.2单传送周期,6.3.3成组周期,6.3.4中断确认周期,6.3.5专用总线周期,下一页,上一页,模块6 总线技术,任务4 EISA总线系统,6.4.1 ISA总线,6.4.2 EISA总线,任务5 PCI局部总线,6.5.1 PCI总线扮演的角色,6.5.2 PCI局部总线的特性,6.5.3 即插即用,下一页,上一页,模块6 总线技术,6.5.4 PCI标准化,6.5.5 ACP总线,任务6 外部设备总线,6.6.1 USB总线,6.6.2 IEEE 1394总线,上一页,任务1总线的基本概念,总线是计算机各组成部件之间传送数据信息的公共通路。利用总线可实现CPU与主存、外设之间的数据传送与通信。本模块首先简要介绍总线的基本概念、总线的组成与标准、总线信号传送方式、总线分类，然后介绍总线的基本结构与功能;最后，给出微型计算机中的常见总线，例如，ISA ,PCI ,AGP ,RS -23X/485 , SCSI ,IDE以及USB等。,在微机系统中，总线分为片内总线、片级总线和系统总线。其中，片内总线用以连接CPU内部的各个部件，例如ALU、通用寄存器、内部Cache等。片级总线用以连接CPU、存储器及I/O接口等电路，构成所谓的主机板;系统总线用来连接外部设备。这里主要介绍系统总线的概念、类型、性能与连接使用方法。,下一页,返回,任务1总线的基本概念,6.1.1总线的作用、性能与参数,1.总线的作用,总线是连接计算机各组成部件的共用数据通路。连接在总线上的各个部件以分时的方式共享总线，实现数据传送。计算机工作的过程，实质上就是数据流通过总线在各个部件之间流动的过程。因此，总线也是计算机系统中的重要组成部分。,目前，在微机系统中有多种总线标准。各生产厂商按照标准设计和生产各种板卡组件，以便用户连接使用，构成完整的计算机。微型计算机的总线结构可参见图1-30,总线的作用主要表现在两个方面。一是连接计算机的各组成部件，构成不同规模的计算机系统;二是在各组成部件之间形成通路，实现各种数据信息的传送。,下一页,返回,上一页,任务1总线的基本概念,采用总线结构也有利于硬件系统的连接与扩展，有利于系列化产品的设计与生产。因此，如今的计算机无一例外地采用了总线结构。,2.总线的特性与参数,从使用的角度来看，总线的特性可概括为两个方面，即分时性与共享性。其中，共享性是指总线为挂接在其上的多个部件所共有;分时性是指同一总线可由多个部件分时使用。,但是在同一时刻，只能有一个部件发送数据，可有多个部件接收数据。总线的参数主要有带宽、位宽和时钟频率。,1)总线带宽,总线带宽即总线传送数据的速率，是指单位时间内传送的数据量，常用单位有MBps和Mbps，与总线的位宽及时钟频率有着密切的关系。前者是指每秒传送的二进制字节数，后者是指每秒钟传送的二进制位数。,下一页,返回,上一页,任务1总线的基本概念,2)总线位宽,总线的位宽是指总线能同时传送二进制数据的位数，它与总线中数据线的位数一致，即人们常说的8位、16位、32位和64位等，直接影响总线的带宽。,3)时钟频率,与计算机内部数据传送相同，总线数据也是在时钟脉冲的控制下进行传送的。因此，时钟频率也是总线的一个重要参数，直接影响总线的带宽。时钟频率越高，带宽也就越高。,6.1.2总线的组成,随着计算机的发展，系统总线已有多种，例如早期的ISA , EISA , VESA总线和现在用得比较多的有PCI , AGP等。另外，还有用于通信的RS-232C , SCSI , IDE及USB等。但是不管何种类型，都无一例外地包含3个部分，即数据总线、地址总线和控制总线。,下一页,返回,上一页,任务1总线的基本概念,1.数据总线,数据总线用来传送数据，其位数亦称为数据总线的宽度。它反映的是一次传送数据的位数，例如ISA总线的数据宽度为16位，PCI总线的数据宽度为32位。也就是说，ISA总线一次可以传送16位数据，PCI总线一次可以传送32位数据。,2.地址总线,地址总线用来传送存储器或外设端口地址。无论是存储器还是外部设备，所有数据都按地址存储。因此，在数据传送时，必须先传送地址。其中，地址线的位数亦称为地址宽度，它反映的是CPU的寻址范围。例如，ISA总线的地址宽度为20位，寻址范围为2,20,= 1MB;PCI总线的地址宽度为32位，寻址范围为2,32,= 4 GB。,下一页,返回,上一页,任务1总线的基本概念,3.控制总线,控制总线用于传送各种控制信号。在不同的总线结构中，控制总线往往有较大的差异。例如，种类不同，有效信号的定义可能不同，但是基本信号必不可少。例如，地址有效信号、读命令、写命令、中断请求/响应信号、总线请求/响应信号等。,除此之外，还有电源线和地线。为了适应不同设备的需要，电源线可能有多种，例如+5V, -5V, +12V, -12V、甚至,24 V等。地线也有多条，一方面满足接口电路板设计时对地线的需求，另一方面有利于提高信号传送时的抗干扰能力。,下一页,返回,上一页,任务1总线的基本概念,6.1.3总线标准,1.总线标准,总线标准是指国际上公认的有关总线的一些约定和互联标准。它规定了总线连接中所使用的信号、信号线的数目、名称、排列顺序、电平标准、时序信号以及插件的尺寸等。通过严格的电气与结构标准，各功能模板可以方便地互连。,在微机系统中，总线分为片内总线、片级总线和系统总线。目前，片内总线的标准尚未得到妥善的解决，主要原因是各厂商生产的LSI芯片没有标准规范。片级总线用于主机板或插件上各芯片之间的连接，一般与CPU的外部信号线一致。而系统总线是各插件板或外部设备与主机板的连接线路，目前已有多种标准。,下一页,返回,上一页,任务1总线的基本概念,总线标准定义的方式主要有两种，一是国际组织定义，例如美国IEEE(电气及电子工程师协会)推出的IEEE-488 ,EIA(电子工业协会)推出的RS-232C等。另一种是生产厂商独家或多家联合推出，然后得到社会的公认。目前，微机系统中所使用的总线，多属于后者。例如，IBM公司推出的ISA总线、Intel公司推出的PCI总线等。,2.标准化总线的意义,在微型计算机的系统结构中采用标准化的总线结构，无论是在微型计算机的设计、生产还是维护方面都表现出许多优点，概括起来有以下几个方面。,(1)有利于模块化结构的设计。在构成计算机系统时，每一种模块都有自己的功能与用途，可由不同的专业人士去设计、生产和调试。但是，只要采用标准化的总线接口，即可互连。因此，为计算机的设计、安装和调试提供了极大的方便。同时，也降低了单一厂商设计和生产的风险。,下一页,返回,上一页,任务1总线的基本概念,(2)采用标准化的总线结构，有利于多厂商联合生产。这样，一方面有利于兼容机、兼容插件的生产;另一方面提高了不同厂商产品的通用性与互换性。,(3)有利于系统的扩充与升级。在一般微机系统的主机板上都备有多个总线插槽，供用户升级或者扩充时使用。,(4)便于故障的诊断与维修。由于总线信号采用统一的标准，因此出现故障时容易检测和定位。对于无法修复的模块，也容易选用同功能、同标准的模块予以更换。为故障的诊断与维护提供了方便，同时还可降低成本。,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,6.2.1信号传偷方式,在微型计算机系统中，信号传送的方式主要有两种，即串行和并行。,1.串行传送,串行传送是指数据信号一位接着一位，在一条传输线上传送。串行传送时，一般低位在先，高位在后。1和。的确定，可用正逻辑表示，也可用负逻辑表示。所谓正逻辑表示是指高电平表示1，低电平表示。;负逻辑表示，正好相反。数据位的确定，由同步脉冲进行，可采用内同步或者外同步。,串行传送的主要优点是需要的传输线少，成本低廉，适合于远距离传送;但是，传送速率低。,下一页,返回,任务2总线信号的传输方式与分类,2.并行传送,并行传送是采用多条传输线，同时传送多位数据。因此，传输速率比串行高。但是，所需传输线路多，成本高，常用于近距离传送。数据线的宽度一般有8位、16位、32位、64位、128位等。,在并行传送时，若数据字长大于数据线的宽度时，常把多位数据分段传送。例如，先传送低字节，再传送高字节。因此，这种传送方式也称为分组传送。例如，8088 CPU内部采用16位数据的并行运算，而外部仅有8位数据线，因此16位的数据需分两次传送。因此有的书中，称之为并串行传送。,另外，按照数据的组织与定时方式，总线数据传送还可分为同步方式、异步方式和半同步方式。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,6.2.2总线分类,微型计算机从诞生以来就采用了总线结构。CPU通过总线读取指令，传送数据，或者与外部设备交换数据。从不同的角度出发，总线可有不同的分类方式。在此，按总线的使用范围与功能分为3种类型，即片内总线、片级总线、系统总线。,1.片内总线,片内总线位于集成电路芯片的内部，用来连接片内的各功能部件，例如ALU、寄存器、片内Cache、总线接口部件等，一般由芯片生产厂家设计，目前尚无统一的标准。,2.片级总线,片级总线是在主机板上连接各集成电路的总线，例如连接CPU、存储器、I/O接口电路等。因此，也称主机板局部总线。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,3.系统总线,系统总线是主机板与外设接口板连接的总线。主机板通过系统总线与接口板连接，再通过接口板与外部设备连接，从而构成微型计算机系统。为了获取不同的传输性能，或与不同的接口板连接，在一种微机主板上往往备有多种系统总线及其插槽。例如，ISA ,PCI以及AGP总线接口等。,另外，为了满足远距离数据传送，在系统总线中又有另一类总线。它通过电缆线与外部设备连接，例如与磁盘连接的IDE,SCSI,USB总线等，用于串行通信的RS-232/485以及IEEE 1394总线等。在有的书中，称其为通信总线。,6.2.3总线的结构,微机总线按照应用特点，其组成结构有如下几种形式。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,1.单总线结构,单总线结构是将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，允许I/O之间、I/O与主存之间直接交换信息。这种结构最明显的特点是当I/O与主存交换信息时，原则上不影响CPU的工作，CPU仍可继续处理不访问主存或I/O的操作，使得CPU工作效率有所提高。但因为只有一组总线，当某一时刻各部件都要占用时会出现争夺总线使用权的现象。,单总线结构多数为微型机或小型机所采用。计算机应用范围越大，其外部设备的种类和数量就越多，且它们对数据传输的量和传输速度的要求也就越来越高。若仍然采用单总线结构，当I/O设备量很大时，总线发出的控制信号从一端逐个顺序传递到第n个设备，其传播的延迟时间会严重地影响系统工作效率。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,在数据传输需求量和传输速度要求不太高的情况下，为克服总线瓶颈问题，可采用增加总线宽度和提高传输速率来解决。但当总线上的设备如高速视频显示器、网络传输接口等，其数据量很大且传输速度要求相当高时，单总线结构就无法满足系统的工作需要。因此，为了解决CPU、主存与I/ O设备之间传输速率的不匹配，实现CPU与其他设备相对同步的问题，需要采用双总线或多总线结构。,2.双总线结构,双总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成存储总线与I/O总线分开的结构。,双总线结构中，存储总线用来连接CPU和主存，输入/输出总线用来建立CPU和各I/O之间交换信息的通道。各种I/O设备通过I/O接口挂到I/O总线上。该结构在I/O设备与主存交换信息时仍然要占用CPU，因此，会影响CPU的工作效率。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放给通道，使其对I/O设备具有统一管理的功能，以完成外部设备与主存之间的数据传送，系统的吞吐能力可以相当大。这种结构大多用于大、中型计算机系统。,如果将速率不同的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同的通道上，那么计算机系统的利用率将会更高，由此发展成多总线结构。,3.多总线结构,如果微机系统中采用了DMA控制器可形成三总线结构，其中主存总线用于CPU与主存之间的信息传输;I/O总线供CPU与各类I/O设备之间的信息传递;DMA总线用于高速外设(如磁盘等)与主存之间直接交换信息。,三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。主存总线与DMA总线不能同时对主存进,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,行存取，I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才用到。,为进一步提高I/O的性能，使其更快地响应命令，又出现了四总线结构。在处理器与高速缓冲存储器(Cache)之间有一条局部总线，它将CPU与Cache或与更多的局部设备连接。Cache的控制机构不仅将Cache连到局部总线上，而且还直接连到系统总线上，这样Cache就可通过系统总线与主存传输信息。而且I/O与主存之间的传输也不必通过CPU，还有一条扩展总线将高速局域网、图形工作站、小型计算机接口(SCSI )、调制解调器(modem)及串行接口等都连接起来，且通过这些接口又可与各类I/O设备相连，因此，它可以支持相当多的I/O设备。,与此同时，扩展总线又通过扩展总线接口与系统总线相连，由此便可实现这两种总线之间的信息传递，可使系统的工作效率明显提高。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,6.2.4总线操作,1.总线的操作周期,Pentium微处理器系统中的各种操作，包括从CPU把数据写入存储器、从存储器把数据读到CPU、从CPU把数据写入输出端口、从输出端口把数据读到CPU,CPU中断操作、直接存储器存取操作、CPU内部寄存器操作等，本质上都是通过总线进行的信息交换，统称为总线操作。在同一时刻，总线上只能允许一对功能部件进行信息交换。当有多个功能部件都要使用总线进行信息传送时，只能采用分时方式，一个接一个地轮换交替使用总线，即将总线时间分成很多段，每段时间可以完成功能部件之间一次完整的信息交换，通常称为一个数据传送周期或一个总线操作周期。可见，为完成一个总线操作周期，一般要分成4个阶段。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,1)总线请求和仲裁(Bus Request and Arbitration)阶段,由需要使用总线的主控设备向总线仲裁机构提出使用总线的请求，经总线仲裁机构仲裁确定把下一个传送周期的总线使用权分配给哪一个请求源。,2)寻址(Addressing)阶段,取得总线使用权的主控设备，通过地址总线发出本次要访问的从属设备的存储器地址、I/O端口地址及有关命令，通过译码使参与本次传送操作的从属设备被选中，并启动。,3)数据传送(DataTransferina)阶段,主控设备和从属设备进行数据交换，数据由源功能部件发出，经数据总线传送到目的功能部件。在进行读传送操作时，源功能部件就是存储器或输入输出接口，而目的功能部件则是总线主控设备CPU。在进行写传送操作时，源功能部件就是总线主控设备，例如CPU，而目的功能部件则是存储器或输入输出接口。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,4)结束(Ending)阶段,主控设备、从属设备的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线，以便其他功能部件能继续使用。,2.总线的操作控制,为了确保上述4个阶段正确进行，必须施加总线操作控制。当然，对于只有一个主控设备的单处理器系统，实际上不存在总线请求、分配和撤除问题，总线始终归它所有，所以数据传送周期只需要寻址和数据传送两个阶段。但对于包含中断控制器、DMA控制器和多处理器的系统，就要有总线仲裁机构来受理申请和分配总线控制权。,总线上的主控设备、从属设备通常采用以下3种方式之一来实现对总线传送的控制。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,1)同步传送,同步传送时采用精确稳定的系统时钟，作为各功能部件动作的基准时间。功能部件间通过总线完成一次数据传送，即一个总线周期。时间是固定的，每次传送一旦开始，主、从设备都必须严格按时间规定完成相应的动作。,同步传送的特点是要求主控设备按严格的时间标准发出地址、产生命令，也要求从属设备按严格时间标准读出数据或完成写入动作。统一的时间标准就是系统时钟。主、从设备之间的配合虽然简单，但它对所有主、从设备都强求在同一时限完成操作，让人感觉系统的组成缺少一些灵活性。,2)异步传送,同步传送要求总线上的各主、从设备操作速度要严格匹配，为了能用不同速度的设备组成系统，可采用异步传送的办法来控制数据的传送。异步传送需设置一对信号交换( Handshaking)线，即请求和响应信号线。,下一页,返回,上一页,任务2总线信号的传输方式与分类,3)半同步传送,半同步传送是综合同步和异步传送的优点而设计出来的混合式传送。,半同步传送保留了同步传送的基本特点，即地址、命令和数据等信号的发出时间，都严格参照系统时钟的某个前沿时刻，而当对方接受判断它时，又都采用在系统时钟脉冲的后沿时刻来识别。也就是说，保证总线上的一切操作都被时钟“同步”了。,返回,上一页,任务3总线周期,6.3.1总线周期和总线操作术语,为具体地说明总线周期，下面以Pentium微处理器为例予以说明。在描述Pentium微处理器总线功能时，又时常用到数据传送周期、总线周期和总线操作周期等术语。,1.数据传送周期,所谓数据传送周期，其实是一个数据项的传送问题，数据项宽度可达8个字节，随着信号BRDY#被确认，数据项被送回Pentium微处理器或者接收来自Pentium微处理器的数据项。,2.总线周期,总线周期是从Pentium微处理器驱动地址和状态以及对地址选通信号ADS#给予确认时开始，结束于最后一个成组传送准备就绪信号BRDY#返回。一个总线周期可以有1次或4次数据传送操作。像成组传送周期，也称碎发传送周期(Burst Cycle)就是有4次数据传送的一种总线周期。,下一页,返回,任务3总线周期,3.总线操作周期,总线操作实际上是为实现某项特殊功能操作的一系列的总线周期，像锁定的读一修改一写操作，或者是一次中断确认过程等就是典型的总线操作。,Pentium微处理器约定所有的成组读操作都是可以进行高速缓冲操作的，而且所有的可高速缓冲操作的读周期又都是成组的。既没有不可高速缓冲操作的读操作，也没有非成组操作的高速缓冲读操作。,6.3.2单传送周期,Pentium微处理器支持多种不同类型的总线周期。其中最简单的一种总线周期就是单次传送的不可高速缓冲的64位传送周期。这类总线周期可以带有等待状态，也可以不带等待状态。非流水线的读操作和写操作周期都是等待状态周期。,下一页,返回,上一页,任务3总线周期,6.3.3成组周期,对于多个数据传送的总线周期来说(像可以进行高速缓冲的周期以及写回周期等)，Pentium微处理器采用的是一种成组数据传送方式。在成组传送这种操作方式下，Pentium微处理器在连续的几个时钟内既可以采集新的数据项，也可以驱动新的数据项。,1.成组读周期(Burst Read Cycle ),在启动任何一次读操作时，Pentium微处理器均为所需的数据项提供地址信号和字节允许信号。当该周期被转换成一次Cache行填充操作时，就把第一个数据项送回与Pentium微处理器发出的地址相对应的Cache单元内，而且对字节允许信号采取不予理睬的态度，但要求有效数据必须送回到全部64条数据线上。除此之外，成组序列中后续传送地址要由外部硬件计算出来。因为每次传送时，地址以及字节允许信号是不能重复驱动的。,下一页,返回,上一页,任务3总线周期,2.成组写周期(Burst Write Cycle),在写周期期间，若信号CACHE#引脚为活动状态(为低电平)，则表明该周期是一个成组写回周期，成组写回周期总是数据C ache内已修改C ache行的写回操作，写回周期又有多种情况，此处不再赘述。,6.3.4中断确认周期,Pentium微处理器产生的中断确认周期是为了响应由中断请求输入引脚INTR产生的可屏蔽中断请求。中断确认周期是周期类型引脚产生的一种独特的周期类型。,6.3.5专用总线周期,Pentium微处理器配备了6种专用总线周期，用来指示某些指令已被执行，或者说某些必要的执行条件已经成熟。,下一页,返回,上一页,任务3总线周期,在专用周期期间，数据总线是未被界定的，而地址线A,31,A,3,则被驱动成0，通过返回成组传送准备就绪信号BRDY#，外部硬件必须确认所有的专用总线周期。,专用总线周期也可能由于下列原因而停止运转。,(1)当Pentium微处理器试图调用双重故障处理程序时，又出现了另一个异常事故。,(2)检测到一个内部奇偶校验错。,返回,上一页,任务4 EISA总线系统,在介绍PCI之前，有必要对EISA系统给予简单的介绍，以便与下面的PCI知识相呼应。,6.4.1 ISA总线,这是一种在与工业标准体系结构兼容计算机上广泛使用的一种总线。ISA总线于1997年被IEEE定义为8位的标准总线。随着计算机技术的发展，经过多年的演变，ISA也从8位的标准总线变成了被广泛应用的16位的标准总线，以后又发展成了经扩展的犯位的标准总线EISA。就EISA系统而言，它所涉及的ISA总线实际上是EISA总线的一个子集。EISA总线现在虽然已经不再被人使用，但从中可以看出总线的演变和技术的发展。,下一页,返回,任务4 EISA总线系统,ISA总线是一种生命力很强的总线，从16位的微机系统时代就被广泛使用，直到在Pentium到Pentium 4系统中已经被广泛使用的PCI总线上还为它留有一席之地。这是因为ISA总线还是有些特点的，如下所述。,(1) ISA总线既支持8位的数据传输操作，也支持16位的数据传输操作。,(2)数据的传输率虽仅为8MB/S，在当时的技术条件下，已属较快。,(3)其I/O能力在当时还是比较强的，可以提供7级DMA通道、有8个设备的负载能力、15级硬件中断和1KB的I/O地址空间等。,(4)地址线、数据线使用比较方便。,(5)是一种可以允许有多个主控设备的总线。,下一页,返回,上一页,任务4 EISA总线系统,6.4.2 EISA总线,EISA ( Extended Industry Standard Architecture)总线即扩展的工业标准结构总线。它是在工业标准结构ISA总线的基础上发展而来的一种高性能32位结构的总线，是在1991年，由COMPAQ公司联合了9家计算机公司联合推出的一种新的系统总线标准。这种总线不仅具有微通道MCA的功能，而且与ISA结构完全兼容。第一代犯位微处理器80386对于把ISA总线扩展成32位总线表示了极大的兴趣。EISA总线所表现出的良好性能以及32位的结构能使80386,80486这类32位微处理器完全展示出整体系统的高性能。,下一页,返回,上一页,任务4 EISA总线系统,为使EISA总线能满足人们对既能与ISA总线兼容又能展示犯位高性能总线风采的要求，EISA设计人员规定下了EISA各项技术指标，使得这种开放性的工业标准既拥有兼容性又得以广泛使用。,EISA总线不仅在性能上较之于ISA总线得到了增强，且给用户带来了极大方便。EISA总线在对存储器进行存取操作以及在将数据传送给CPU时，执行的完全是32位操作。EISA总线可以让DMA以及总线主控设备在33 MB/S的传送速率下传送数据。EISA总线为插入卡的自动配置提供了技术保障体系，为此在EISA卡上就去掉了跨接线(跳线)和转换开关。EISA总线的各种中断都是可共享的，且可以进行程序设计。随着EISA总线中一种新总线仲裁机构的引入，为新一代的智能总线提供了技术上的支持。智能总线主控设备插入卡的使用，给PC在高等级应用领域带来了无限生机。,下一页,返回,上一页,任务4 EISA总线系统,由于EISA系统与ISA总线的8位和16位的扩展板以及软件百分之百地兼容，所以在EISA插件槽上可以插入多个ISA插件卡。在配置期间可以充分利用EISA的两用性，把EISA插槽当成ISA定义。EISA的接插件是ISA接插件的超集，但与ISA扩展卡以及软件保持着全兼容。由于EISA内拥有自动配置系统和配置了扩展板，在EISA系统中可同时使用EISA和ISA插入板。,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,像Pentium微处理器这样的高性能微处理器配备的应是高性能的高带宽的总线，以便能充分利用Pentium微处理器的全部资源。Intel公司提出来要用PCI局部总线技术特性作为与Pentium微处理器等高性能微处理器连接的技术标准。其实PCI局部总线标准是由Intel ,IBM等大公司联合制定的一种局部总线标准。PCI为Peripheral Component Interconnect的缩写，即外围部件相互连接。,PCI总线是高带宽、独立于微处理器的总线。它能够作为中间层或外围设备的总线。与其他的总线规范相比，PCI为例如图形显示适配器、网络接口控制器、磁盘控制器等高速I/O子系统提供了更好的展示其性能的平台。,下一页,返回,任务5 PCI局部总线,当前的标准允许使用多达64条数据线。从理论上讲，它的速率可达到264 MB/G或2.112 Gb/S。,然而，PCI的诱人之处不仅仅在于它的高速度，PCI是专门为满足现代微机系统的I/O要求而设计的较经济的总线。它只需要很少的芯片，而且它还支持把其他的总线连到PCI总线上。,Intel的初衷是为Pentium系统才开发的PCI总线，结果PCI被广泛地采用，越来越多地应用到个人计算机、工作站以及服务器系统中;而且得到了许多微处理器和外围设备生产商的支持。不同厂家的PCI产品是相互兼容的。,PCI广泛地支持基于微处理器的配置，包括单处理器和多处理器的系统。它提供了一组通用的功能，并采用了同步时序以及集中式仲裁机制。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,PCI总线支持33 MHz的时钟频率，其数据宽度为32位，可扩展至64位。其数据传送速率可高达132264 MBps。这就为计算机图形显示所需的大批量的数据传送和高性能的磁盘输入输出提供了硬件技术支持。PCI总线开放性好，具有广泛的兼容性，是一种低成本、高效益、能与ISA总线兼容的一种有前途的局部总线。在PCI局部总线内包括有如下几个重要特征:成组数据传送方式、触发级中断、总线主控方式、自动配置和高的总线带宽。,更主要的是，PCI总线在Pentium微处理器和其他总线之间架起了一座桥梁，它可以让任何一种基于ISA ,EISA或微通道的添加卡插到PCI总线上使用。下面会将PCI局部总线的特征一一列出。,图6-1,是现行主板上的PCI总线实物图片。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,6.5.1 PCI总线扮演的南色,PCI总线在最新的Pentiutn4系统中，扮演一个非常重要的不可或缺的角色。目前几乎在所有以Pentium微处理器为平台的微型计算机系统中均采用PCI总线。尽管在有些较新的系统中还在部分使用ISA总线，那也仅仅是作为早期8位和16位接口卡上的一个接口而已。PCI总线不仅具有即插即用的特性，且能够在64位数据总线上进行操作。,一个PCI总线接口配备有一系列的寄存器，而且在PCI接口上还有一个容量较小的存储器部件，其内保存着有关主板的信息。这一存储器可以为ISA总线或任何其他总线提供即插即用特性。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,在这一系列的寄存器中所保存的那些信息足可以使计算机能自动对PCI卡实施配置。也许正是由于即插即用的特性，而使PCI总线在最新的计算机系统中变得非常流行。,图6-2,给出了Pentium微处理器系统与PCI总线系统一起构成的一个微型计算机系统结构。从,图6-2,可以看出，Pentium微处理器的总线是单独的，是独立于PCI总线的。微处理器通过称为PCI桥的集成电路与PCI总线相连。这意味着只要系统设计了PCI控制器或PCI桥，就可以将任何微处理器接到PCI总线上。将来，也许所有的计算机系统都会使用同一种总线。现在，像苹果计算机也使用PCI总线。IBM和苹果公司也推出了使用 PCI总线的PowerPC微机。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,6.5.2 PCI局部总线的特性,PCI局部总线具有如下的特性。,(1)它拥有的最高操作时钟速度为33 MHz。,(2)它拥有32位和64位两种数据通道。,(3)它支持由Pentium微处理器通常采用的2-1-1-1形式的成组数据传送方式。,(4)它支持总线主控方式，准许多处理机系统中的任何一个微处理器都可以成为总线主控设备，对总线操作进行控制。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,(5)它还与ISA ,EISA、微通道等多种总线兼容。PCI总线在Pentium微处理器与其他总线间架起了一座桥梁，它也支持像ISA , EISA以及微通道等低速总线操作，如,图6-3,所示。“桥梁”内的缓冲器是为微处理器写入数据用的，所以准许微处理器先将数据写到缓冲器内，然后再去处理自己的事务。而低速的总线ISA , EISA、微通道等则是放下正在处理的任务再到“桥梁”缓冲器去取信息。,(6)也可以把PCI局部总线看作是一个独立的处理器，它可以与任何一种微处理器一起使用，并不局限于80x86。正是基于这种原因，许多大的计算机公司都宣布支持PCI总线。这样就确保了80x86系列机在更新换代时，也不会把PCI局部总线抛弃。,(7)它支持5 V和3. 3 V两种扩充插件卡。可以从5 V向3. 3 V进行平滑的系统转换。PCI总线上装有一个很小的断路键，使用户在插卡时不会导致在系统主板上有不同的电压电源。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,(8)它还提供了自动配置能力，用户可以安装一个新的添加卡，且不用设置DIP开关、跳线(跨接线)和选择中断。配置软件会自动选择未被使用的地址和中断，以解决可能出现的冲突问题。,(9)PCI总线的引脚，在信号的安排顺序上也是用心良苦，它在每两个信号之间都安排了一个地线，以减少信号间的相互干扰以及音频信号的散射问题。,(10)PCI总线实现了触发级的中断，这种中断可支持中断共享。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,(11)PCI总线能支持高达10个外围设备，而且其中的某些外围设备必须嵌入到系统主板上。当插入扩展槽内卡的数量最大时，PCI总线工作频率在33 MHz上下变化，这要取决于工作电压是5 V还是3. 3 V。当插入扩展槽内的卡的数量超过5个时，其操作时钟频率会低于33MHz。这样就极大地改善了小触点接插件的使用，使得PCI总线成为一种高时钟频率总线。,6.5.3即插即用,PCI局部总线配备有自动配置特性，同时其内也配备有一个ISA总线插件槽，但ISA总线并不支持自动配置方案。对广大用户和网络管理人员来说，缺少了自动配置方案，可以说是一大憾事。针对这一情况，Microsoft公司和Intel公司联手在ISA总线上配备了自动配置方案。这一配置方案就是通常所说的即插即用(Plug and Play)。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,由于EISA总线和微通道已经配备了即插即用这一特征，所以只有在ISA插件卡和BIOS也配备上了自动配置方案(即插即用)之后，PCI局部总线的自动配置方案才可能得以全面实现，即插即用在以下3个方面表现得十分抢眼。,(1)装备的即插即用特征既不是给主板上的BIOS，也不是给添加卡，而是装备给PCI局部总线的。,(2)若主板BIOS支持即插即用，而扩展卡不支持即插即用，则在这种情况下，安装软件会自动分配输入输出地址、中断请求IRQ,s,以及DMA通道等。,(3)若主板BIOS和扩展卡都支持即插即用，那么在这种情况下系统会自动配置部件，比如对输入输出地址的分配、中断请求IRQ以及DMA通道等进行自动配置，不需用户进行干预。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,6.5.4 PCI标准化,图6-4,展示了PCI总线的引脚信号线。仔细观察如,图6-4,所示的引脚信号线后可以发现，仅有很少几个PCI信号与80x86微处理器的信号相匹配。究其原因，是因为PCI总线是一种位于微处理器与外部总线之间的一种夹层总线。这就意味着PCI总线的控制器位于CPU和外部总线之间。也就是说，任何一种CPU都可以使用PCI总线。对总线连线进行标准化处理，可以使CPU总线免受各种约束。PCI总线已经成功解决了由于总线独立于微处理器而带来的一系列技术问题。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,值得注意的另一个问题是，PCI总线上的地址和数据的多路传送问题(因为地址传送和数据的传送使用的是同一批引脚)。在第一个时钟周期内提供地址信号，而在第二个时钟周期提供的则是数据信息。所以，PCI总线在非成组方式下，其总线周期为2个时钟周期时间，而对于成组传送方式来说，第一个时钟周期提供的是地址信息，而在后续的每一个时钟周期都能提供一个数据字(32位)。,另一个值得注意的问题是，PCI总线64位的扩展数据总线。PCI总线既可以进行32位数据传送，也可以进行64位的数据传送。,PCI总线在对地线的处理上也是煞费心机，它在每3个引脚之间就安排了一个接地点Vcc。这样处理有效地减少了杂音串拢问题，且能使总线在33 MHz的时钟频率下运行。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,6.5.5 AGP总线,1. AGP总线的特点,图形加速接口(Accelerated Graphics Port, AGP)总线是以66 MHz PCI Revision 2. 1规范为基础，由Intel公司开发的高速图形接口局部总线标准，主要目的是为了解决高速视频或高品质画面的显示。,AGP总线是对PCI总线的扩展和增强，但AGP接口只能为图形设备独占，不具有一般总线的共享特性。采用AGP接口允许显示数据直接取自系统主存储器，而无需先预取至视频存储器中，避免了经过PCI总线而造成的系统瓶颈，增加了3D图形数据的传输速度，而且系统主存可以与视频芯片共享。目前，由于3D计算变得越来越重要，因此，新型主板大多数都已经加入了对AGP的支持。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,AGP总线的主要特点如下。,(1)具有双重驱动技术，允许在一个总线周期内传输两次数据。,(2)在总线上可实现地址/数据多路复用，把犯位的数据总线给图形加速器使用。,(3)通过内存请求流水线技术对各种内存请求进行排队来减少延迟，一个典型的排队可处理12个以上的请求，大大加快了数据传输的速度。,(4)把图形接口绕行到AGP通道上，解决了PCI带宽问题，使PCI有更多的能力负责其他数据传输。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,1996年7月AGP 1. 0图形标准问世，推出AGP 1 X和AGP 2X两种模式，工作频率为66MHz，是PCI的2倍，而数据传输带宽分别达到266 Mb/s和533 Mb/s，分别约是PCI 133 Mb/s的2倍和4倍。但由于显示芯片的迅速发展，图形卡单位时间内所能处理的数据呈几何级数成倍增长，AGP 1. 0图形标准越来越难以满足技术的进步，由此AGP 2. 0便应运而生。,1998年5月，AGP 2. 0规范正式发布，工作频率依然是66 MHz，但工作电压降低到了1. 5 V，这就是目前主流AGP 4X模式，其数据传输带宽达到1.066 Gb/s，数据传输能力大大增强。在此以后，推出一个AGP 4X加强版AGP Pro，它与AGP 2. 0同时推出，这是为了满足显示设备功耗日益增大的现实而研发的图形接口标准，应用该技术的图形接口主要特点是比AGP 4X略长一些，其加长部分可容纳更多的电源引脚，使得这种接口可驱动功耗更大或处理能力更强大的AGP显卡。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,这种标准专为高端图形工作站设计，完全兼容AGP 4X规范，这使得AGP 4X的显卡也可插在这种插槽中正常使用。,2. AGP 8X简介,目前最新的AGP 8X图形接口标准由Intel公司2000年8月推出。AGP 8X作为新一代,AGP并行接口总线，在数据传输频宽上也是犯位，但总线频率达了533 MHz，数据传输带宽达到2. 1 Gb/s，是原来AGP 4X的2倍。它的出现正好适应了现今CPU和GPU(图形工作站)的飞速发展。,因为AGP 8X采取了一些新技术，所以它不能与前面版本的AGP接口板卡兼容，只能兼容到AGP 4X标准。这些新特性主要表现在其工作电压上，AGP 8X的标准工作电压只有0. 8 V，它只能向下兼容到1. 5 V标准，即在1. 5 V的电压下可正常运行，但在3. 3 V的电压下是无法工作的。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,在兼容性的另一方面是AGP 8X的显卡能用在老主板上。由AGP 8X标准可知，在原来主板支持1. 5 V电压的情况下，AGP 8X的显卡完全可以在这些老主板上正常运行，不过AGP8 X的高数据带宽就用不上了。,AGP 8X的主要特性体现在如下两个方面。,(1)减少操作延时。在PCI总线时代，大的数据在通过PCI接口时由于带宽不够而经常会出现处理延时现象。进入AGP时代后，由于处理数据量的急剧增长，这种现象也时有发生。但在AGP 8X标准中针对上述问题专门做了优化处理，加入了数据同步传输设计。加入这一功能后，在处理大的数据时就可边处理边预先读取，从而有效减少了数据塞车现象，使系统的性能得以全面地发挥，而不会在数据读取上浪费太多的资源。,下一页,返回,上一页,任务5 PCI局部总线,(2)支持多接口。AGP采用点对点接口设计，这也是主板上只有一个AGP插槽的原因。AGP 8X推出后，这种局面得以改变，因为AGP 8X中加入了一种新的设计输出端数桥接(fan-out bridge)技术，所以它使系统中安装多个AGP 8X设备成为可能。每个AGP 8X端口配置一个桥接模块，这些模块通过逻辑主PCI总线并且通过统一出口同芯片组中的控制模块通信，每个模块可通过次级PCI总线(AGP 8X总线)链接至少两个AGP 8X设备，不过两个AGP 8X设备之间无法进行点对点传输。,虽然前面介绍到PCI Express将最终取代AGP标准，但是从目前的应用情况来看，这还是一个较长的过程，且AGP的下一代标准AGP 16X已在研制过程中，并且已取得实验成功。目前几种PCI , AGP标准主要参数的比较如,表6-1,所示。,返回,上一页,任务6外部设备总线,6.6.1 USB总线,1.US日总线的特点,USB ( Universal Serial Bus，通用串行总线)是一种支持即插即用的新型串行接口。USB比标准串行接口快得多，其数据传输率可达412 Mbit/s。 USB除了具有较高的数据传输率外，还可以为外设提供支持。,USB总线具有如下特点。,(1)使用方便。使用USB接口可连接多个不同的设备，支持即插即用(Plug And Play ,PAP)，当插入USB设备的时候，计算机设备检测该外设并通过加载相关的驱动程序对该设备进行配置。,下一页,返回,任务6外部设备总线,支持热插拔，即在不关机的情况下可安全地插上和断开USB设备。热插拔能力体现了USB的安全、可靠和智能。在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可自动启动，无需用户干预。USB设备也不涉及IRQ冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其他设备争用PC有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。,(2)速度加快。快速性能是USB技术的突出特点之一。USB V2. 0规范提供高达480Mbit/s的数据传输速率，可适应各种不同类型的外设。,(3)连接灵活。USB接口支持多个不同设备的串行连接，一个USB接口理论上可连接127个USB设备。连接方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可使用集线器(HUB)把多个设备连接在一起，再同PC的USB口相接。在USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,(4)独立供电。USB直接连接的设备可通过USB电缆供电，USB传输线中的两条电源线可提供5V电源供USB设备使用。USB传输线能够提供100 mA的电流，而带电源的USBHUB使得每个接口可提供500 mA的电流。,(5)支持多媒体。USB提供了对电话的两路数据支持，可支持异步及实时数据传输，使电话可与PC集成，共享语音邮件及其他特性。USB还具有高保真音频，由于USB音频信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会，从而使音频系统具有更高的保真度。,2.数据传输类型,根据USB设备自身的使用特点和系统资源，为适应各种不同类型外设的要求，在USB规范中规定了4种不同的数据传输方式。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,(1)控制(control)传输方式。双向传输，传输的不是数据而是控制信号，主要被USB系统软件用来进行查询、配置和给USB设备发送通用命令。该方式用在主计算机和USB外设之间的端点(end point)间的传输，数据量较小且实效性要求不高。,(2)同步(isochronous)传输方式。提供确定的带宽和时间间隔。用来连接需要连续传输的外围设备，对数据的正确性要求不高，但对时间较为敏感。如对执行即时通话的网络电话，使用同步传输方式是很好的选择。,(3)中断(interrupt)传输方式。用于定时查询设备是否有中断数据要传输。典型应用在少量、分散、不可预测数据的传输方式中，键盘、操作杆和鼠标就属于这种类型。在USB V1. 0规范中中断方式传输是单向的，并且对于主机来说只有输入方式，但在USBV2. 0规范中，既有输入方式又有输出方式。,任务6外部设备总线,(4)批量(bulk)传输方式。应用在大量传输和接收数据上，没有带宽和时间间隔的要求，保证传输数据正确无误，但对数据的实效性要求不高。适合于传输非常慢和大量被延迟的数据，在传输中的优先级很低，打印机、数码相机和扫描仪就属于这种类型。,3. USB总线的拓扑结构,USB设备和USB主机通过USB总线相连。USB的物理连接是一个星形结构，HUB位于每个星形结构的中心，每一段都是主机和某个集成器，或某一功能设备之间的一个点到点的连接，也可以是一个集线器与另一个集线器或功能模块之间的点到点的连接。,USB总线的拓扑结构如,图6-5,所示。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,(1)USB主机。整个USB系统中只允许有一个主机。主机系统的USB接口称为USB主控制器。这里USB主控制器可以是硬件、固件或软件的联合体。而根集线器是集成在主机系统中的，它可以提供一个或更多的接入端口。,(2) USB设备。USB设备是USB协议的具体实现，主要包括集线器和功能部件。集线器提供用以访问USB总线的更多的接入点。功能部件向系统提供特定的功能，如ISDN连接设备、鼠标和显示器等。,4. USB系统的构成,USB规范将USB分为5个部分，即控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备及针对不同USB设备的驱动程序。各部分的主要功能如下。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,(1)控制器。控制器负责执行由控制器驱动程序发出的命令。,(2)控制器驱动程序。在控制器与USB设备之间建立通信信道。,(3) USB芯片驱动程序。其提供对USB的支持。,(4) USB设备。其包括与PC相连的USB HUB及设备。HUB带有连接其他外围设备的USB端口，设备是连接在计算机上用来完成特定功能并符合USB规范的具体设备，如鼠标和键盘等。,(5) USB设备驱动程序。其是用来驱动USB设备的程序。通常由操作系统或USB设备制造商提供。,5. USB总线的特性,(1)电气特性。USB总线通过一条四芯电缆传送电源和数据，电缆以点到点方式在设备之间连接。USB接口的4条连接线分别是V,BUS,GND,D,+,和D_。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,V,BUS,和GND用来向设备提供电源。在源端，V,BUS,通常为+5V。USB主机和USB设备中通常包含电源管理部件。,D+和D_是发送和接收数据的半双工差分信号线，时钟信号也被编码在这对数据线中传输。每个分组中都包含同步字段，以便接收端能够同步于比特时钟。,(2)机械特性。USB连接器分为A系列和B系列两种。A系列用于和主机连接，B系列用于和USB设备的连接。这两种连接器有不同的结构，不会造成误接。,USB作接器的排列如,表6-2,所示,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,6. USB总线协议,USB总线由主机控制器控制所有的数据传输，大多数传输包含3个USB分组。,(1)主机控制器首先发出一个“令牌分组”，指明传输的类型和方向、USB设备的地址及终点编号。USB设备对相应的地址字段进行译码，选中被寻址的设备。,(2)如果本次传输的源端能够提供数据，那么它将发出数据分组;否则，它将发出一个指示分组，指明它没有数据可以传输。,(3)一般情况下，目的端将回送一个握手分组指明本次传输是否成功。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,在主机和设备之间的数据传输关系被称为管道(pipe)，每个管道有一组相应的数据带宽、传输服务类型及设备特性等参数。每台USB设备可以有多个管道，各管道中的数据传输相互独立。USB包含流(stream)和消息(message)两种管道，前者是没有格式的，而后者按照USB定义的数据格式传输。,7. USB设备的接入和应用,(1)操作系统对USB的支持。支持USB的操作系统应满足3个要求。,一个设备连接到USB或从USB中撤除时能自动检测出来。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,与新连接的设备通信，可找到如何与它们通信的方法。,提供软件驱动与计算机的USB硬件以及访问USB外设的应用程序通信。,(2)主机对USB的支持。使用USB设备必须激活主机板BIOS中的USB功能。以Windows XP操作系统为例，在Windows XP下打开“设备管理器”(右击桌面“我的电脑”图标，在弹出的快捷菜单中选择“属性”命令，在弹出的“系统属性”对话框的“硬件”选项卡中单击“设备管理器”按钮)，在弹出的窗口中双击“通用串行总线控制器”，可看到主机系统中存在两类USB设备，一类是“USB Universal Host Controller，另一类是“USB Root Hub。,下一页,返回,上一页,任务6外部设备总线,(3) USB设备的热插拔。USB总