微机原理讲义(第15章_总线技术)综述

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,*,第15章 总线技术,湖南中医药大学 王志辉,本章教学重点,PCI的特点和层次化结构,总线的分类和性能指标,基本概念,总线（BUS），是指在计算机系统中的各部件之间、设备与设备之间传递信息的一组公用的信号线。微型计算机系统中的各种操作，如CPU与存储器之间是数据传递、CPU内部的寄存器操作、CPU的中断操作等，无不通过总线进行信息的交换。,15.1 总线的分类和性能指标,计算机系统中，任何总线均包括数据总线、地址总线和控制总线的三总线结构。按PC机系统的,不同层次结构,划分，总线可分为内部总线、系统总线和外部接口总线。,1内部总线,片内总线是,在集成电路芯片内部,，用来,连接各功能单元的,信息通路。例如CPU芯片中的内部总线，它是ALU寄存器和控制器之间的信息通路。,2局部总线,局部总线是,部件（插件板）内各芯片之间互连的总线,，又称芯片级总线。它是中央处理器模块或一个很小系统所用的总线。例如CPU及其支持芯片与其局部资源之间的通道。,3系统总线,系统总线又称内总线，它是指微型计算机箱内的,底板总线,，用来连接,构成微型机,的各插件板。可以是用来扩展某块CPU板的局部资源，或是总线上所有CPU板扩展共享资源之间的通信通道。,4外部总线,外部总线又称通信总线，它是,微机系统与系统之间,、,微机系统与外部设备,或,微机系统和仪器仪表之间,的通信通道。这种总线的数据传输方式可以是,并行或串行,。例如，串行通信的RS-232C总线、用于硬磁盘接口的IDE、SCSI；用于并行打印机的Centronic总线等。,总线分类,7,按,所处位置,(数据传送范围),内部总线,局部总线,（片间总线、元件级总线）,系统总线,（插板级总线）,外部总线,（通信总线）,非通用总线（与具体芯片有关）,通用标准总线,地址总线,控制总线,按,总线功能,数据总线,并行总线,串行总线,按,数据格式,按,时序关系,(握手方式),同步,异步,半同步,同步,异步,8,微机的典型多级总线结构,存储总线,高速IO总线,低速IO总线,9,10,微机系统中的内总线（插板级总线）,11,微机系统中的外总线（通信总线）,常用的系统总线,系统总线是系统板与外围设备之间的信息通道。在微机中系统总线的种类很多，有PC总线、ISA总线、MCA微通道总线、EISA总线、VESA局域总线、PCI总线、ASUS多媒体总线和APG总线，目前采用最多的是,PCI总线，最为流行的是AGP总线,。,总线标准,总线标准的概念与特性,总线标准,：指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。,ISA总线,PCI总线,PCI-Express总线,IEEE1394总线,USB总线,串行总线,2 总线的性能指标,总线的性能指标,总线频率,：总线的工作频率，以MHz表示。它是总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。,总线宽度,：是指,数据总线,的位数，用bit（位）来表示。如8位、16位、32位、64位总线宽度。,总线的数据传输率,：是指在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传输数据字节量来表示。,总线的数据传输率=（总线宽度/8位）总线频率,单位是MB/s，总线频率以MHz为单位。如PCI总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为32位的情况下，其数据传输率为133MB/s。,PCI插槽是基于PCI局部总线(Pedpherd Component Interconnect，外围部件互联组合)的扩展插槽，其颜色一般为乳白色，位于主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。,PCI总线位宽为32位或64位,，,工作频率为33MHz,最大数据传输率为133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位),。,可插接显卡、声卡、网卡、内置Modem、内置ADSL Modem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、电视卡、视频采集卡以及其它种类繁多的,扩展卡,。,PCI插槽是主板的,主要扩展插槽,，通过插接不同的扩展卡可以获得目前电脑能实现的几乎所有功能，是名副其实的,“万用”扩展插槽,。,15.2 PCI的特点和层次化结构,PCI插槽实物照片,16,1 PCI概况,先后推出三代PCI总线：PCI、PCI-X、PCI Express,2 PCI特点,高传输率：,64,位传输，传输率达到,528Mps,高效率 ：,PCI,控制器中集成高速缓冲器，支持数据突发传输模式,即插即用功能：适配器中的存储器存放了配置信息,独立于,CPU,负载能力强且易扩展：通过“,PCI-PCI,桥”扩展,PCI,总线,兼容各类总线,微型机系统中多层次的局部总线,3 PCI层次化结构,CPU,总线：最快的总线，连接外部高速缓存,北桥：连接,CPU,总线、主存、,AGP,、基础,PCI,总线，内含,高速缓存控制器,、,存储器控制器,和,PCI,控制器,基础,PCI,总线：连接访问相对频繁、速度较快的部件,南桥：,PCI/ISA,扩展桥，内含,中断控制器,、,DMA,控制器,、,USB,接口,和,EIDE,接口,15.3 PCI总线信号,20,必备的PCI总线信号,地址和数据信号,AD31:0，双向三态,C/BE3:0，双向三态，低有效,PAR，奇偶校验信号，双向三态,接口控制信号,FRAME，帧周期信号，低电平有效,IRDY，主设备准备好信号，低电平有效,TRDY，从设备准备好信号，低电平有效,STOP，从设备要求主设备停止当前数据传输，低电平有效,IDSEL，初始化设备选择，输入,DEVSEL，设备选择信号，低电平有效,21,必备的PCI总线信号（续）,错误报告信号,PERR，报告数据奇偶检验错，低电平有效,SERR，系统出错信号，低电平有效,仲裁信号,REQ，总线占用请求信号，双向三态，低有效,GNT，总线占用允许信号，双向单台，低有效,系统信号,CLK：时钟，输入,RST，复位，输入,22,可选,的PCI总线信号,64位总线扩展信号,AD64:32，双向三态,C/BE7:4，双向三态，低电平有效,REQ64，64传输请求，低电平有效,ACK64，表示从设备将用64位传输，低电平有效,PAR64，奇偶双字节校验，双向三态，低电平有效,接口控制信号,LOCK，锁定信号，低电平有效,中断信号,INTA/INTB/INTC/INTD，中断信号，低电平有效，漏极开路,23,可选的PCI总线信号（续）,Cache支持信号,SBO，试探返回信号，低电平有效，输入或输出,SDONE，表示命中一个缓冲行，输入或输出。有效时，表明探测完成，无效时，表明探测结果仍未确定,边界扫描信号,TDI，数据输入,TDO，数据输出,TCK，时钟,TMS，模式选择,TRST，复位,24,15.4 PCI的命令类型,C/BE3:2,命令类型说明,0 0 0 0,中断应答（中断识别）,0 0 0 1,特殊周期,0 0 0 0,I/O,读（从I/O口地址中读数据）,0 0 1 1,I/O,写（向I/O口地址空间写数据）,0 1 0 0,保留,0 1 0 1,保留,0 1 1 0,存储器读（从内存空间映像中读数据）,0 1 1 1,存储器写（从内存空间映像中写数据）,1 0 0 0,保留,1 0 0 1,保留,1 0 1 0,配置读,1 0 1 1,配置写,1 1 0 0,存储器多行读,1 1 0 1,双地址周期,1 1 1 0,存储器读一行,1 1 1 1,存储器写并无效,25,15.515.7自学,ISA（,I,ndustry,S,tandard,A,rchitecture）,总线的特点,由8位PC总线扩展而成；用于PC/AT机中的总线是,16位；,386以上的32位微机系统中也大量采用ISA总线；又称为PCAT总线。,ISA总线接插槽为6236芯长短两个接插槽。,15.8 PCI兼容的局部总线,15.8.1局部总线ISA,二、总线信号,ISA总线分4大类：,数据传输总线,地址总线,控制总线,时钟、定时与电源,15.8.2 EISA（,E,xtended,I,ndustry,S,tandard,A,rchitecture,）总线的特点,一、特点：,ISA,总线的扩展；支持多个总线主控器；,增加突,发式传送（,Burst Transfer,）；,高性能的,32,位标准总线；可同时存在多个,master,；由,EISA,总线提供公平的循环优先总线仲裁。,15.9 外部总线,也称通信总线，用于计算机之间、计算机和一部分外设之间的通信。常用的通信方式有并行方式和串行方式。,IDE,和,EIDE,：,IDE,也称,ATA,，用于主机和硬盘子系统相连，,ATA66,传输率达到,66MB/s,SCSI,：用于工作站、服务器、高档微机,RS-232-C,USB,：,特点：,连接方便、容易扩展、即插即用、节省能量、适用不同外设的速度要求（最高达到,480Mb/s(USB 2.0),）,设备类型：,集线器和功能设备。本身含有多个寄存器，即,USB,设备的端口,15.9.1 外部总线IDE和EIDE,IDE接口,智能驱动电路IDE(Intelligent Drive Equipment)总线是1984年Compaq与WD公司联合推出的一种硬盘接口标准,也称ATA（PC/AT Attached）端口。,标准IDE接口只支持2个智能设备(如磁盘驱动器等)，每个硬盘驱动器设备最多支持1024个柱面、63个扇区、16个磁头，所以单个硬盘驱动器最大容量为512(字节/扇区)63102416528MB。,IDE接口只是ISA总线信号的一个子集，接口简单，操作时对系统软件透明，使用广泛。,大多数IDE接口和驱动器不支持DMA（直接存储器存取）方式数据传输，而采用PIO（编程输入输出）方式（因为硬盘驱动器内有多个扇区缓冲，这些指令可以一次取指令多次重复I/O操作）,与DMA传送相比，有较高的速度和较低的总线利用率。IDE端口使用硬件中断（14#）来传输硬盘驱动器数据。,EIDE,接口,为支持更大容量、更多设备和更高的传输速率，为与,SCSI,接口标准竞争，,1993,年,WD,公司推出了增强型,IDE,接口，即,EIDE(Enhanced IDE),接口，又称,ATA-2,接口。,EIDE,可支持,4,个设备，每个硬盘驱动器最多可支持,256,个磁头，故单个硬驱最大容量可达,528MB16256,8.4GB,。,EIDE,规范中还采纳了,ATAPI(AT Attached Packed Interface),新标准，使该接口支持,CD-ROM,驱动器。,EIDE,接口得到广泛应用，,Pentium,主板均内置了,EIDE,型接口。,15.9.3 RS-232C串行通信总线,EIA RS-232C串行通信总线实际上是一个串行总线接口标准，是美国电子工业联合会（DCE）开发的，广泛应用于计算机之间、计算机与终端或外设间的串行数据传送，它对串行接口中的连接器规格、引线信号名称、功能、信号电平等均作了统一规定，所以，也称它是一个串行通信协议。该标准目前广泛应用于微机串行通信中。,串行总线具有节省传输线和方便利用现存的通信信道(如电话线)的优点，所以它适用于长距离或远程数据通信。,1RS-232C串行通信的数据格式,RS-232C以串行方式传送数据格式如图10-4所示。串行数据的发送首先是1个起始位，起始位为0，数据位可以是58位，数据从最低有效位发送；在数据位后有奇偶校验位（可以选择奇校验、偶校验或无校验）；最后是停止位，停止位为1（可以是1位、1位半或2位）。所以，串行方式传送数据是7位ASC码的数据连续传送。以一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束，起始位为低电平，停止位为高电平，以此构成一帧信息。每帧信息之间允许有不定长度的空闲位，空闲位为1，是传号(MARK)。,2RS-232C串行通信的信息传输方式,RS-232C串行总线标准定义了串行传送的数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口信息。其信息传输方式根据数据传输方向的不同分为3种。, 单工。数据只能按一个固定的方向传输。仅适用远程通信，单工通信采用两线制。, 半双工。通信双方分时发送或接收，通信线路简单，但通信效率低，是一种经济实用的传输方式。半双工通信也采用两线制。, 全双工。通信双方可以同时发送和接收，通信效率及数据传输速度很高。全双工通信一般采用四线制。,10.2.5 USB接口,通用串行接口总线USB(Universal Serial Bus)是将串口、并口等不同接口统一起来，使其成为一种可共享、可扩充、使用方便的串行总线，并且不会损失带宽。,USB是串行接口，可即插即用，适用多媒体数据的传送模式。USB接口连接方便，可提供功率有限的电源。USB的传送速率最高可达12MB/s，且其价格便宜。它既可用于低速的外部设备，如键盘、鼠标等，也可用于中速装置，如打印机、数码相机、调制解调器、扫描仪等。,1USB通用串行总线, USB电缆。采用4芯电缆，外层有保护套。USB电缆有两根电源线(VBus和GND)；有两根信号线(D+和D-) 。, USB连接器。USB插头和插座都具有四个触点，并有屏蔽的外壳，以及规定的坚固性和易于插拔的特性。, USB的数据传输。,USB2.0标准，数据传输率提高到480MB/s，适用于高速外围设备(如闪存盘、移动式硬盘等)。,2USB的主要特点,USB总线主要有集线器和功能设备两种类型。, USB集线器(HUB)。是USB体系结构中的关键设备，可将单接入端口转换为多重接入端口。集线器有一个上行端口和多个下行端口，上行端口用于连接集线器和主机，下行端口用于连接其他集线器或功能设备。集线器可以发现下行端口上的设备插入和移出操作，并为下行设备分配电源。用USB连接的外设数目最多达127个，从主装置开始可以经由5层集线器进行菊花链连接，用户不必担心要连接的装置数目受限制。, USB功能设备。能够从USB总线接收或发送数据或控制信息，向系统提供特定功能的设备，称为功能设备。如USB鼠标、游戏操纵杆、USB显示器、USB扫描仪、USB打印机、USB网卡、USB音箱和USB视频相机等。低功耗的装置可从总线获得电源。,2USB的主要特点,USB总线主要有集线器和功能设备两种类型。, USB有,同步、中断、大批量,等三种数据传送模式。同步传送主要用于数码相机、扫描仪等中速的外部设备；中断传送供键盘、鼠标等低速装置使用；大批量传送则供打印机、调制解调器等不定期传送大量数据的中速装置使用。, USB利用,NRZ-1编码,方式使数据获得同步，其特点是容易实现同步，但由于没有时钟信号，所以数据的可维护性差。,一、USB的物理接口和电气特性,1994年开始，1996年公布USB1.0版本，现在是USB2.0,版。Windows 98等设置了USB接口的支持模块。,1、接口信号线,USB总线只有4根线，如图10.18（a）所示。其中D+、,D-为信号线，传送信号，是一对双绞线；V,BUS,和GND是,电源线，提供电源。,相应的USB接口插头也比较简单，只有4芯。在满速连,接时，如图10.18（b）所示。,2、电气特性,USB主机或根Hub对设备提供的电源电压是4.75V-5.25V，设备能吸入的最大电流为500mA。,USB设备的电源供给有两种方式：,自给方式和总线供给,方式。 USB Hub是前一种方式。,2、USB设备及描述器,1、 USB设备,USB设备分成,Hub设备,和,功能设备,两种。 Hub设备即集线,器，是USB即插即用技术中的核心部分，完成USB设备的添,加、插拔检测和电源管理等功能。,3、 USB传输类型,USB有4种基本的传输类型：,1、控制传输,控制传输是双向的，主要用于设备配置，也可作设备的其他特殊用途。,2、批传输,批（Bulk）传输可以是单向或双向。用于传送大批数,据。其典型应用是扫描仪的静态图片输入。,3、中断传输,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送。USB的中断是查询类型的。,4、实时传输,等时（Isochronous）（同步）传输可以是单向或双向，用于传送连续性、实时的数据。,