!微機(jī)原理講義(第15章-總線技術(shù))...ppt

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第15章總線技術(shù)湖南中醫(yī)藥高校王志輝 本章教學(xué)重點(diǎn)PCI的特點(diǎn)和層次化結(jié)構(gòu)總線的分類(lèi)和性能指標(biāo) 基本概念總線（BUS），是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各部件之間、設(shè)備與設(shè)備之間傳遞信息的一組公用的信號(hào)線。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種操作，如CPU與存儲(chǔ)器之間是數(shù)據(jù)傳遞、CPU內(nèi)部的寄存器操作、CPU的中斷操作等，無(wú)不通過(guò)總線進(jìn)行信息的交換。 15.1總線的分類(lèi)和性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，任何總線均包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和限制總線的三總線結(jié)構(gòu)。按PC機(jī)系統(tǒng)的不同層次結(jié)構(gòu)劃分，總線可分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部接口總線。 1．內(nèi)部總線片內(nèi)總線是在集成電路芯片內(nèi)部，用來(lái)連接各功能單元的信息通路。例如CPU芯片中的內(nèi)部總線，它是ALU寄存器和限制器之間的信息通路。2．局部總線局部總線是部件（插件板）內(nèi)各芯片之間互連的總線，又稱(chēng)芯片級(jí)總線。它是中心處理器模塊或一個(gè)很小系統(tǒng)所用的總線。例如CPU及其支持芯片與其局部資源之間的通道。 3．系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線又稱(chēng)內(nèi)總線，它是指微型計(jì)算機(jī)箱內(nèi)的底板總線，用來(lái)連接構(gòu)成微型機(jī)的各插件板?？梢允怯脕?lái)擴(kuò)展某塊CPU板的局部資源，或是總線上全部CPU板擴(kuò)展共享資源之間的通信通道。4．外部總線外部總線又稱(chēng)通信總線，它是微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、微機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備或微機(jī)系統(tǒng)和儀器儀表之間的通信通道。這種總線的數(shù)據(jù)傳輸方式可以是并行或串行。例如，串行通信的RS-232C總線、用于硬磁盤(pán)接口的IDE、SCSI；用于并行打印機(jī)的Centronic總線等。 總線分類(lèi)7按所處位置(數(shù)據(jù)傳送范圍)內(nèi)部總線局部總線（片間總線、元件級(jí)總線）系統(tǒng)總線（插板級(jí)總線）外部總線（通信總線）非通用總線（與具體芯片有關(guān)）通用標(biāo)準(zhǔn)總線地址總線限制總線按總線功能數(shù)據(jù)總線并行總線串行總線按數(shù)據(jù)格式按時(shí)序關(guān)系(握手方式)同步異步半同步同步異步 8微機(jī)的典型多級(jí)總線結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)總線高速I(mǎi)O總線低速I(mǎi)O總線 9 10微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)總線（插板級(jí)總線） 11微機(jī)系統(tǒng)中的外總線（通信總線） 常用的系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線是系統(tǒng)板與外圍設(shè)備之間的信息通道。在微機(jī)中系統(tǒng)總線的種類(lèi)很多，有PC總線、ISA總線、MCA微通道總線、EISA總線、VESA局域總線、PCI總線、ASUS多媒體總線和APG總線，目前接受最多的是PCI總線，最為流行的是AGP總線。 總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)的概念與特性總線標(biāo)準(zhǔn)：指芯片之間、擴(kuò)展卡之間以及系統(tǒng)之間，通過(guò)總線進(jìn)行連接和傳輸信息時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵守的一些協(xié)議與規(guī)范。ISA總線PCI總線PCI-Express總線IEEE1394總線USB總線串行總線 2總線的性能指標(biāo)總線的性能指標(biāo)總線頻率：總線的工作頻率，以MHz表示。它是總線工作速度的一個(gè)重要參數(shù)，工作頻率越高，速度越快。總線寬度：是指數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，用bit（位）來(lái)表示。如8位、16位、32位、64位總線寬度?？偩€的數(shù)據(jù)傳輸率：是指在確定的時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)總量，用每秒最大傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)量來(lái)表示。總線的數(shù)據(jù)傳輸率=（總線寬度/8位）×總線頻率單位是MB/s，總線頻率以MHz為單位。如PCI總線的總線頻率為33.3MHz，總線寬度為32位的狀況下，其數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/s。 PCI插槽是基于PCI局部總線(PedpherdComponentInterconnect，外圍部件互聯(lián)組合)的擴(kuò)展插槽，其顏色一般為乳白色，位于主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。PCI總線位寬為32位或64位，工作頻率為33MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)?？刹褰语@卡、聲卡、網(wǎng)卡、內(nèi)置Modem、內(nèi)置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、電視卡、視頻采集卡以及其它種類(lèi)繁多的擴(kuò)展卡。PCI插槽是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過(guò)插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎全部功能，是名副其實(shí)的“萬(wàn)用”擴(kuò)展插槽。15.2PCI的特點(diǎn)和層次化結(jié)構(gòu) PCI插槽實(shí)物照片16 1PCI概況先后推出三代PCI總線：PCI、PCI-X、PCIExpress2PCI特點(diǎn)高傳輸率：64位傳輸，傳輸率達(dá)到528Mps高效率：PCI限制器中集成高速緩沖器，支持?jǐn)?shù)據(jù)突發(fā)傳輸模式即插即用功能：適配器中的存儲(chǔ)器存放了配置信息獨(dú)立于CPU負(fù)載實(shí)力強(qiáng)且易擴(kuò)展：通過(guò)“PCI-PCI橋”擴(kuò)展PCI總線兼容各類(lèi)總線 微型機(jī)系統(tǒng)中多層次的局部總線3PCI層次化結(jié)構(gòu) CPU總線：最快的總線，連接外部高速緩存北橋：連接CPU總線、主存、AGP、基礎(chǔ)PCI總線，內(nèi)含高速緩存限制器、存儲(chǔ)器限制器和PCI限制器基礎(chǔ)PCI總線：連接訪問(wèn)相對(duì)頻繁、速度較快的部件南橋：PCI/ISA擴(kuò)展橋，內(nèi)含中斷限制器、DMA限制器、USB接口和EIDE接口 15.3PCI總線信號(hào)20 必備的PCI總線信號(hào)地址和數(shù)據(jù)信號(hào)AD[31:0]，雙向三態(tài)C/BE[3:0]，雙向三態(tài)，低有效PAR，奇偶校驗(yàn)信號(hào)，雙向三態(tài)接口限制信號(hào)FRAME，幀周期信號(hào)，低電平有效IRDY，主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，低電平有效TRDY，從設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，低電平有效STOP，從設(shè)備要求主設(shè)備停止當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸，低電平有效IDSEL，初始化設(shè)備選擇，輸入DEVSEL，設(shè)備選擇信號(hào)，低電平有效21 必備的PCI總線信號(hào)（續(xù)）錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)PERR，報(bào)告數(shù)據(jù)奇偶檢驗(yàn)錯(cuò)，低電平有效SERR，系統(tǒng)出錯(cuò)信號(hào)，低電平有效仲裁信號(hào)REQ，總線占用懇求信號(hào)，雙向三態(tài)，低有效GNT，總線占用允許信號(hào)，雙向單臺(tái)，低有效系統(tǒng)信號(hào)CLK：時(shí)鐘，輸入RST，復(fù)位，輸入22 可選的PCI總線信號(hào)64位總線擴(kuò)展信號(hào)AD[64:32]，雙向三態(tài)C/BE[7:4]，雙向三態(tài)，低電平有效REQ64，64傳輸懇求，低電平有效ACK64，表示從設(shè)備將用64位傳輸，低電平有效PAR64，奇偶雙字節(jié)校驗(yàn)，雙向三態(tài)，低電平有效接口限制信號(hào)LOCK，鎖定信號(hào)，低電平有效中斷信號(hào)INTA/INTB/INTC/INTD，中斷信號(hào)，低電平有效，漏極開(kāi)路23 可選的PCI總線信號(hào)（續(xù)）Cache支持信號(hào)SBO，摸索返回信號(hào)，低電平有效，輸入或輸出SDONE，表示命中一個(gè)緩沖行，輸入或輸出。有效時(shí)，表明探測(cè)完成，無(wú)效時(shí)，表明探測(cè)結(jié)果仍未確定邊界掃描信號(hào)TDI，數(shù)據(jù)輸入TDO，數(shù)據(jù)輸出TCK，時(shí)鐘TMS，模式選擇TRST，復(fù)位24 15.4PCI的叮囑類(lèi)型C/BE[3:2]命令類(lèi)型說(shuō)明0000中斷應(yīng)答（中斷識(shí)別）0001特殊周期0000I/O讀（從I/O口地址中讀數(shù)據(jù)）0011I/O寫(xiě)（向I/O口地址空間寫(xiě)數(shù)據(jù)）0100保留0101保留0110存儲(chǔ)器讀（從內(nèi)存空間映像中讀數(shù)據(jù)）0111存儲(chǔ)器寫(xiě)（從內(nèi)存空間映像中寫(xiě)數(shù)據(jù)）1000保留1001保留1010配置讀1011配置寫(xiě)1100存儲(chǔ)器多行讀1101雙地址周期1110存儲(chǔ)器讀一行1111存儲(chǔ)器寫(xiě)并無(wú)效25 15.5~15.7自學(xué) ISA（IndustryStandardArchitecture）總線的特點(diǎn)由8位PC總線擴(kuò)展而成；用于PC/AT機(jī)中的總線是16位；386以上的32位微機(jī)系統(tǒng)中也大量接受ISA總線；又稱(chēng)為PC－AT總線。ISA總線接插槽為62＋36芯長(zhǎng)短兩個(gè)接插槽。15.8PCI兼容的局部總線局部總線ISA 二、總線信號(hào)ISA總線分4大類(lèi)：數(shù)據(jù)傳輸總線地址總線限制總線時(shí)鐘、定時(shí)與電源 EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）總線的特點(diǎn)一、特點(diǎn)：ISA總線的擴(kuò)展；支持多個(gè)總線主控器；增加突發(fā)式傳送（BurstTransfer）；高性能的32位標(biāo)準(zhǔn)總線；可同時(shí)存在多個(gè)master；由EISA總線供應(yīng)公允的循環(huán)優(yōu)先總線仲裁。 15.9外部總線也稱(chēng)通信總線，用于計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)和一部特殊設(shè)之間的通信。常用的通信方式有并行方式和串行方式。IDE和EIDE：IDE也稱(chēng)ATA，用于主機(jī)和硬盤(pán)子系統(tǒng)相連，ATA66傳輸率達(dá)到66MB/sSCSI：用于工作站、服務(wù)器、高檔微機(jī)RS-232-CUSB：特點(diǎn)：連接便利、簡(jiǎn)潔擴(kuò)展、即插即用、節(jié)約能量、適用不同外設(shè)的速度要求（最高達(dá)到480Mb/s(USB2.0)）設(shè)備類(lèi)型：集線器和功能設(shè)備。本身含有多個(gè)寄存器，即USB設(shè)備的端口 15.9.1外部總線IDE和EIDEIDE接口——智能驅(qū)動(dòng)電路IDE(IntelligentDriveEquipment)總線是1984年Compaq與WD公司聯(lián)合推出的一種硬盤(pán)接口標(biāo)準(zhǔn),也稱(chēng)ATA（PC/ATAttached）端口。標(biāo)準(zhǔn)IDE接口只支持2個(gè)智能設(shè)備(如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等)，每個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器設(shè)備最多支持1024個(gè)柱面、63個(gè)扇區(qū)、16個(gè)磁頭，所以單個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器最大容量為512(字節(jié)/扇區(qū))×63×1024×16＝528MB。IDE接口只是ISA總線信號(hào)的一個(gè)子集，接口簡(jiǎn)潔，操作時(shí)對(duì)系統(tǒng)軟件透亮，運(yùn)用廣泛。大多數(shù)IDE接口和驅(qū)動(dòng)器不支持DMA（干脆存儲(chǔ)器存?。┓绞綌?shù)據(jù)傳輸，而接受PIO（編程輸入輸出）方式（因?yàn)橛脖P(pán)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有多個(gè)扇區(qū)緩沖，這些指令可以一次取指令多次重復(fù)I/O操作）與DMA傳送相比，有較高的速度和較低的總線利用率。IDE端口運(yùn)用硬件中斷（14#）來(lái)傳輸硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)。 EIDE接口為支持更大容量、更多設(shè)備和更高的傳輸速率，為與SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)，1993年WD公司推出了增加型IDE接口，即EIDE(EnhancedIDE)接口，又稱(chēng)ATA-2接口。EIDE可支持4個(gè)設(shè)備，每個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器最多可支持256個(gè)磁頭，故單個(gè)硬驅(qū)最大容量可達(dá)528MB÷16×256＝8.4GB。EIDE規(guī)范中還接受了ATAPI(ATAttachedPackedInterface)新標(biāo)準(zhǔn)，使該接口支持CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。EIDE接口得到廣泛應(yīng)用，Pentium主板均內(nèi)置了EIDE型接口。 15.9.3RS-232C串行通信總線EIARS-232C串行通信總線事實(shí)上是一個(gè)串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，是美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)（DCE）開(kāi)發(fā)的，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與終端或外設(shè)間的串行數(shù)據(jù)傳送，它對(duì)串行接口中的連接器規(guī)格、引線信號(hào)名稱(chēng)、功能、信號(hào)電同等均作了統(tǒng)一規(guī)定，所以，也稱(chēng)它是一個(gè)串行通信協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)目前廣泛應(yīng)用于微機(jī)串行通信中。串行總線具有節(jié)約傳輸線和便利利用現(xiàn)存的通信信道(如電話線)的優(yōu)點(diǎn)，所以它適用于長(zhǎng)距離或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。 1．RS-232C串行通信的數(shù)據(jù)格式RS-232C以串行方式傳送數(shù)據(jù)格式如圖10-4所示。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送首先是1個(gè)起始位，起始位為0，數(shù)據(jù)位可以是5～8位，數(shù)據(jù)從最低有效位發(fā)送；在數(shù)據(jù)位后有奇偶校驗(yàn)位（可以選擇奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn)）；最終是停止位，停止位為1（可以是1位、1位半或2位）。所以，串行方式傳送數(shù)據(jù)是7位ASCⅡ碼的數(shù)據(jù)連續(xù)傳送。以一個(gè)起始位表示字符的起先，用停止位表示字符的結(jié)束，起始位為低電平，停止位為高電平，以此構(gòu)成一幀信息。每幀信息之間允許有不定長(zhǎng)度的空閑位，空閑位為1，是傳號(hào)(MARK)。 2．RS-232C串行通信的信息傳輸方式RS-232C串行總線標(biāo)準(zhǔn)定義了串行傳送的數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口信息。其信息傳輸方式依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向的不同分為3種。①單工。數(shù)據(jù)只能按一個(gè)固定的方向傳輸。僅適用遠(yuǎn)程通信，單工通信接受兩線制。②半雙工。通信雙方分時(shí)發(fā)送或接收，通信線路簡(jiǎn)潔，但通信效率低，是一種經(jīng)濟(jì)好用的傳輸方式。半雙工通信也接受兩線制。③全雙工。通信雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收，通信效率及數(shù)據(jù)傳輸速度很高。全雙工通信一般接受四線制。 10.2.5USB接口通用串行接口總線USB(UniversalSerialBus)是將串口、并口等不同接口統(tǒng)一起來(lái)，使其成為一種可共享、可擴(kuò)充、運(yùn)用便利的串行總線，并且不會(huì)損失帶寬。USB是串行接口，可即插即用，適用多媒體數(shù)據(jù)的傳送模式。USB接口連接便利，可供應(yīng)功率有限的電源。USB的傳送速率最高可達(dá)12MB/s，且其價(jià)格便宜。它既可用于低速的外部設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等，也可用于中速裝置，如打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀等。 1．USB通用串行總線①USB電纜。接受4芯電纜，外層有疼惜套。USB電纜有兩根電源線(VBus和GND)；有兩根信號(hào)線(D+和D-)。②USB連接器。USB插頭和插座都具有四個(gè)觸點(diǎn)，并有屏蔽的外殼，以及規(guī)定的堅(jiān)實(shí)性和易于插拔的特性。③USB的數(shù)據(jù)傳輸。USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率提高到480MB/s，適用于高速外圍設(shè)備(如閃存盤(pán)、移動(dòng)式硬盤(pán)等)。 2．USB的主要特點(diǎn)USB總線主要有集線器和功能設(shè)備兩種類(lèi)型。①USB集線器(HUB)。是USB體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵設(shè)備，可將單接入端口轉(zhuǎn)換為多重接入端口。集線器有一個(gè)上行端口和多個(gè)下行端口，上行端口用于連接集線器和主機(jī)，下行端口用于連接其他集線器或功能設(shè)備。集線器可以發(fā)覺(jué)下行端口上的設(shè)備插入和移出操作，并為下行設(shè)備支配電源。用USB連接的外設(shè)數(shù)目最多達(dá)127個(gè)，從主裝置起先可以經(jīng)由5層集線器進(jìn)行菊花鏈連接，用戶(hù)不必?fù)?dān)憂要連接的裝置數(shù)目受限制。②USB功能設(shè)備。能夠從USB總線接收或發(fā)送數(shù)據(jù)或限制信息，向系統(tǒng)供應(yīng)特定功能的設(shè)備，稱(chēng)為功能設(shè)備。如USB鼠標(biāo)、游戲操縱桿、USB顯示器、USB掃描儀、USB打印機(jī)、USB網(wǎng)卡、USB音箱和USB視頻相機(jī)等。低功耗的裝置可從總線獲得電源。 2．USB的主要特點(diǎn)USB總線主要有集線器和功能設(shè)備兩種類(lèi)型。④USB有同步、中斷、大批量等三種數(shù)據(jù)傳送模式。同步傳送主要用于數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等中速的外部設(shè)備；中斷傳送供鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等低速裝置運(yùn)用；大批量傳送則供打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速裝置運(yùn)用。⑤USB利用NRZ-1編碼方式使數(shù)據(jù)獲得同步，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)同步，但由于沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，所以數(shù)據(jù)的可維護(hù)性差。 一、USB的物理接口和電氣特性1994年起先，1996年公布USB1.0版本，現(xiàn)在是USB2.0版。Windows98等設(shè)置了USB接口的支持模塊。1、接口信號(hào)線USB總線只有4根線，如圖10.18（a）所示。其中D+、D-為信號(hào)線，傳送信號(hào)，是一對(duì)雙絞線；VBUS和GND是電源線，供應(yīng)電源。相應(yīng)的USB接口插頭也比較簡(jiǎn)潔，只有4芯。在滿(mǎn)速連接時(shí)，如圖10.18（b）所示。 2、電氣特性USB主機(jī)或根Hub對(duì)設(shè)備供應(yīng)的電源電壓是，設(shè)備能吸入的最大電流為500mA。USB設(shè)備的電源供應(yīng)有兩種方式：自給方式和總線供應(yīng)方式。USBHub是前一種方式。2、USB設(shè)備及描述器1、USB設(shè)備USB設(shè)備分成Hub設(shè)備和功能設(shè)備兩種。Hub設(shè)備即集線器，是USB即插即用技術(shù)中的核心部分，完成USB設(shè)備的添加、插拔檢測(cè)和電源管理等功能。 3、USB傳輸類(lèi)型USB有4種基本的傳輸類(lèi)型：1、限制傳輸限制傳輸是雙向的，主要用于設(shè)備配置，也可作設(shè)備的其他特殊用途。2、批傳輸批（Bulk）傳輸可以是單向或雙向。用于傳送大批數(shù)據(jù)。其典型應(yīng)用是掃描儀的靜態(tài)圖片輸入。 3、中斷傳輸中斷傳輸是單向的，且僅輸入到主機(jī)，它用于不固定的少量的數(shù)據(jù)傳送。USB的中斷是查詢(xún)類(lèi)型的。4、實(shí)時(shí)傳輸?shù)葧r(shí)（Isochronous）（同步）傳輸可以是單向或雙向，用于傳送連續(xù)性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。