!微机原理讲义(第15章-总线技术)...ppt

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第15章总线技术湖南中医药高校王志辉 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、地址总线和限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寄存器和限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。它是中心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，或是总线上全部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限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，目前接受最多的是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，应当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：是指在确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位的状况下，其数据传输率为133MB/s。 PCI插槽是基于PCI局部总线(PedpherdComponentInterconnect，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ADSLModem、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全部功能，是名副其实的“万用”扩展插槽。15.2PCI的特点和层次化结构 PCI插槽实物照片16 1PCI概况先后推出三代PCI总线：PCI、PCI-X、PCIExpress2PCI特点高传输率：64位传输，传输率达到528Mps高效率：PCI限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负载实力强且易扩展：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3PCI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，内含高速缓存限制器、存储器限制器和PCI限制器基础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，内含中断限制器、DMA限制器、USB接口和EIDE接口 15.3PCI总线信号20 必备的PCI总线信号地址和数据信号AD[31:0]，双向三态C/BE[3:0]，双向三态，低有效PAR，奇偶校验信号，双向三态接口限制信号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，总线占用恳求信号，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AD[64:32]，双向三态C/BE[7:4]，双向三态，低电平有效REQ64，64传输恳求，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，低电平有效接口限制信号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，摸索返回信号，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 15.4PCI的叮嘱类型C/BE[3:2]命令类型说明0000中断应答（中断识别）0001特殊周期0000I/O读（从I/O口地址中读数据）0011I/O写（向I/O口地址空间写数据）0100保留0101保留0110存储器读（从内存空间映像中读数据）0111存储器写（从内存空间映像中写数据）1000保留1001保留1010配置读1011配置写1100存储器多行读1101双地址周期1110存储器读一行1111存储器写并无效25 15.5~15.7自学 ISA（IndustryStandardArchitecture）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接受ISA总线；又称为PC－AT总线。ISA总线接插槽为62＋36芯长短两个接插槽。15.8PCI兼容的局部总线局部总线ISA 二、总线信号ISA总线分4大类：数据传输总线地址总线限制总线时钟、定时与电源 EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）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（BurstTransfer）；高性能的32位标准总线；可同时存在多个master；由EISA总线供应公允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、计算机和一部特殊设之间的通信。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/sSCSI：用于工作站、服务器、高档微机RS-232-CUSB：特点：连接便利、简洁扩展、即插即用、节约能量、适用不同外设的速度要求（最高达到480Mb/s(USB2.0)）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EIDEIDE接口——智能驱动电路IDE(IntelligentDriveEquipment)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/ATAttached）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)×63×1024×16＝528MB。IDE接口只是ISA总线信号的一个子集，接口简洁，操作时对系统软件透亮，运用广泛。大多数IDE接口和驱动器不支持DMA（干脆存储器存取）方式数据传输，而接受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端口运用硬件中断（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公司推出了增加型IDE接口，即EIDE(EnhancedIDE)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528MB÷16×256＝8.4GB。EIDE规范中还接受了ATAPI(ATAttachedPackedInterface)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。 15.9.3RS-232C串行通信总线EIARS-232C串行通信总线事实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、信号电同等均作了统一规定，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。串行总线具有节约传输线和便利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。 1．RS-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5～8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）；最终是停止位，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ASCⅡ码的数据连续传送。以一个起始位表示字符的起先，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)。 2．RS-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。其信息传输方式依据数据传输方向的不同分为3种。①单工。数据只能按一个固定的方向传输。仅适用远程通信，单工通信接受两线制。②半双工。通信双方分时发送或接收，通信线路简洁，但通信效率低，是一种经济好用的传输方式。半双工通信也接受两线制。③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。全双工通信一般接受四线制。 10.2.5USB接口通用串行接口总线USB(UniversalSerialBus)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、运用便利的串行总线，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接口连接便利，可供应功率有限的电源。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。 1．USB通用串行总线①USB电缆。接受4芯电缆，外层有疼惜套。USB电缆有两根电源线(VBus和GND)；有两根信号线(D+和D-)。②USB连接器。USB插头和插座都具有四个触点，并有屏蔽的外壳，以及规定的坚实性和易于插拔的特性。③USB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)。 2．USB的主要特点USB总线主要有集线器和功能设备两种类型。①USB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。集线器可以发觉下行端口上的设备插入和移出操作，并为下行设备支配电源。用USB连接的外设数目最多达127个，从主装置起先可以经由5层集线器进行菊花链连接，用户不必担忧要连接的装置数目受限制。②USB功能设备。能够从USB总线接收或发送数据或限制信息，向系统供应特定功能的设备，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。 2．USB的主要特点USB总线主要有集线器和功能设备两种类型。④USB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、鼠标等低速装置运用；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运用。⑤USB利用NRZ-1编码方式使数据获得同步，其特点是简洁实现同步，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年起先，1996年公布USB1.0版本，现在是USB2.0版。Windows98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；VBUS和GND是电源线，供应电源。相应的USB接口插头也比较简洁，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对设备供应的电源电压是，设备能吸入的最大电流为500mA。USB设备的电源供应有两种方式：自给方式和总线供应方式。USBHub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、限制传输限制传输是双向的，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。