原理與接口技術第7章參考PPT

1、第第7章章 微機總線應用技術微機總線應用技術學習目標學習目標本章主要介紹微機總線的基本概念、分類和特點。學習要求學習要求了解總線、總線標準、接口、接口標準的基本概念。了解幾種主要的擴展總線。根據(jù)總線的3個性能指標能夠計算總線帶寬。7.1微機總線技術概述微機總線技術概述1 1基本概念基本概念（1）微機總線：一組按一定規(guī)范進行互連并能安全、迅速和有效傳輸信息的信號線，這組信號線包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、電源線等幾種信號線類型。微機總線是微型計算機系統(tǒng)各部件聯(lián)系的紐帶。（2）總線標準：國際工業(yè)界正式公布或推薦的把各種不同的模塊組成計算機系統(tǒng)時必須遵守的規(guī)范。采用總線標準可以為計算機接口的軟、硬件設

2、計提供方便。（3）接口：接口是指cpu與其“外部世界”的連接電路以及為管理它們所提供的軟件，它是cpu與“外部世界”（如存儲器、i/o設備、控制設備、通信設備等）進行信息交換的中轉站。（4）接口標準：接口標準是指外設接口的規(guī)范和定義，它涉及外設接口的信號線定義、傳輸速率、傳輸方向、拓樸結構、電氣和機械特性等方面。2總線標準和接口標準的一般特點總線標準和接口標準的一般特點總線標準和接口標準具有不同的特點。（1）微機總線的一般特點：公用性是微機總線的最重要的特點，不同類型的功能模塊可以同時掛接到總線上，共享總線的資源。信號傳輸形式一般為并行傳輸方式?？偩€在微機主板上通常以多個擴展插槽形式提供使用。

3、對每個微機系統(tǒng)來說，一般都有獨立的數(shù)據(jù)線（date bus）、地址線（address bus）和控制線（control bus）。（2）接口標準的一般特點：專用性是接口標準不同于總線標準的重要特點。接口上的信號傳輸形式既有并行也有串行傳輸。接口一般被安置在機箱外，以插頭或插座形式提供使用。隨著計算機和接口技術的迅速發(fā)展，總線標準和接口標準的區(qū)別越來越小，例如將agp接口標準叫agp總線等。7.2總線分類總線分類1 1微機總線的分類微機總線的分類微機中的總線分類方法很多，常用的一種是依總線所處位置分類。（1）cpu總線：它是位于微處理器芯片內(nèi)部的總線，用于alu及各種寄存器等功能單元之間的相互連

4、接。（2）元件級總線：它是一臺單板計算機或一塊cpu插件板使用的板上總線，用于芯片一級的連接。它一般是cpu芯片引腳的延伸，當板上芯片較多時，一般都有鎖存和驅動電路。（3）系統(tǒng)總線：它主要用于微機系統(tǒng)內(nèi)部各插件板之間進行連接和傳輸信息，是微機系統(tǒng)最重要的一種總線。在主板上，它通常是指cpu的i/o接口單元與系統(tǒng)內(nèi)存、l2 cache和主板芯片組之間的數(shù)據(jù)、指令等傳輸通道。（4）局部總線：局部總線是介乎于cpu總線和系統(tǒng)總線之間的一級總線，是微機中常采用的一種重要總線。它的兩側都由橋接電路連接，分別面向cpu總線和系統(tǒng)總線。微機系統(tǒng)中的局部總線主要是指pci總線，它是一種先進的局部總線標準。（5

5、）通信總線（也叫外部總線）：是系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與通信設備之間進行通信的一組信號線。如廣泛用于微機與外部設備之間進行通信的usb和ieee1394接口等。2接口標準的分類接口標準的分類接口標準的分類方法也很多，若根據(jù)所連設備的性質及功能，大致有以下5種：（1）傳統(tǒng)串/并行接口標準：它是微機系統(tǒng)中進行串行和并行輸入輸出基本端口。（2）外部存儲設備接口標準：支持硬盤、光盤等存儲介質的接口標準如sata和scsi接口標準。（3）視頻顯示接口標準：如支持三維圖形數(shù)據(jù)高速顯示的接口標準agp。（4）測試儀器接口標準：提供和一些測試儀器儀表相連接的接口標準。如ieee488和vxi接口標準。（5）通用外設

6、接口標準：如usb、ieee1394等，可以支持多種新型外設的通用型接口標準。7.3幾種常用的擴展總線幾種常用的擴展總線主板上都有數(shù)條插槽供擴展i/o外設之用，總線就是通過插槽來連接cpu與外設插件的，通常也將這些連通插槽的總線稱為擴展總線（expansion bus）。在總線發(fā)展歷程中，主要有pc總線、isa/eisa總線、pci局部總線、pci-e等。圖7-1 早期微機系統(tǒng)的總線層次結構7.3幾種常用的擴展總線幾種常用的擴展總線7.3.1 pc7.3.1 pc總線總線pc總線最早出現(xiàn)在ibm公司1981年推出的pc/xt系統(tǒng)中，它基于8位結構的8088處理器，也被稱為pc/xt總線。pc總

7、線沿用了3年多時間，直到1984年，ibm推出基于intel超級16位80286處理器的pc/at，系統(tǒng)總線才被16位的pc/at總線所代替。7.3.2 isa/eisa7.3.2 isa/eisa總線總線isa總線（industry standard architecture，工業(yè)標準架構）是8/16位兼容的總線，也是早期網(wǎng)卡使用的總線接口，其最大數(shù)據(jù)傳輸率為8mbps和16mbps。isa總線一直貫穿286和386sx時代，但在32位386dx處理器出現(xiàn)之后，16位寬度的isa總線就遇到問題，總線數(shù)據(jù)傳輸慢得使處理器性能受到嚴重的制約。有鑒于此，康柏、惠普等9家廠商在1988年協(xié)同將isa

8、總線擴展到32位寬度，eisa（extended industry standard architecture，擴展工業(yè)標準架構）總線由此誕生。eisa總線的工作頻率仍然保持在8mhz水平，但受益于32位寬度，它的總線帶寬提升到32mbps。另外，eisa可以完全兼容之前的8/16位isa總線。eisa總線在計算機系統(tǒng)中與pci總線共存了相當長的時間，直到2000年后eisa才正式徹底退出。7.3.3 pci局部總線局部總線1 1pcipci局部總線產(chǎn)生的背景局部總線產(chǎn)生的背景intel公司在1991年推出了pci（peripheral component interconnect，外設部件互

9、連標準）局部總線。在1993年以后，由于從pentium到p、p直到p4微處理器的工作頻率不斷迅速提高，使pci局部總線的應用得以迅速推廣。在臺式機主板上，atx結構的主板一般帶有56個pci插槽，而小一點的matx主板也都帶有23個pci插槽。從結構上看，pci局部總線實質上就是在cpu總線和isa總線之間增加了一級總線?？蓪⒁恍└咚偻庠O，例如磁盤控制器、圖形卡等從isa總線上卸下來而通過pci局部總線直接掛到cpu總線上。7.3.3 pci局部總線局部總線2 2pcipci總線的特點總線的特點（1）傳輸速率高。pci能以133mb/s（32位）或266mb/s（64位）的速率傳送數(shù)據(jù)，遠比

10、isa總線的16mb/s快，緩解了i/o瓶頸。如高性能圖形、視頻圖像、網(wǎng)絡等應用程序，可以平滑地執(zhí)行。（2）真正的兼容性，允許多總線共存。（3）獨立于cpu。pci總線可與intel系列不同工作頻率的cpu協(xié)同工作，這些cpu包括intel 486sx到pentium、p、p、p4（包含celeron系列）及未來更高的版本。（4）自動識別與配置外設，極大地方便了用戶使用。在相當一段時間內(nèi)，pci局部總線接口曾作為許多適配器的首選接口，如網(wǎng)絡適配器、內(nèi)置modem卡、聲音適配器、視頻捕捉卡等。3 3pcipci總線的應用總線的應用1993年之后，intel推出64位pci總線，它的傳輸性能達到2

11、66mbps，針對服務器/工作站平臺設計的scsi卡、raid控制卡、千兆網(wǎng)卡等設備無一例外都采用64位pci接口。7.3.4 agp1996年，intel在pci基礎上研發(fā)出一種專門針對顯卡的agp接口（加速圖形接口，accelerated graphics port）。主要應用在三維動畫的加速上。1996年7月，agp 1.0標準問世，它的工作頻率達到66mhz，具有1x和2x兩種模式，數(shù)據(jù)傳輸帶寬分別達到了266mbps和533mbps。1998年5月，intel發(fā)布agp 2.0版規(guī)范，它的工作頻率仍然停留在66mhz，但工作電壓降低到1.5v，且通過增加的4x模式，將數(shù)據(jù)傳輸帶寬提升

12、到1.06gbps。與agp 2.0同時推出的，還有針對圖形工作站的agp pro接口，這種接口可驅動高功耗的專業(yè)顯卡。2000年8月，intel推出agp3.0規(guī)范，它的工作電壓進一步降低到0.8v，所增加的8x模式，可以提供2.1gbps的總線帶寬。7.3.5 pci-xpci-x接口是并連的pci總線的更新版本，它仍采用傳統(tǒng)的總線技術，但有更多數(shù)量的接線針腳。pci-x總線接口的網(wǎng)卡一般為32位總線寬度，也有64位數(shù)據(jù)總線寬度的。intel于2000年正式發(fā)布pci-x 1.0版標準。2002年7月，推出更快的pci-x 2.0規(guī)范，它包含pci-x 266及pci-x 533兩套標準，

13、分別針對不同的應用。pci-x 266標準可提供2.1gbps共享帶寬，pci-x 533標準則更是達到4.2gbps的高水平。此外，pci-x 2.0也保持良好的兼容性。pci-x接口采用64位寬度傳送數(shù)據(jù)，它的頻寬自動倍增兩倍，相應地，其擴充槽的長度也有所增加。7.3.6 pci express總線總線第3代i/o總線pci expres（簡稱pci-e）很好地解決了pci/agp總線在大量數(shù)據(jù)傳輸時遇到的瓶頸問題。pci-e在工作原理上與并行體系的pci不同，它采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，并依靠高頻率來獲得高性能，因此，pci-e也一度被稱為“串行pci”。由于串行傳輸不存在信號干擾，總線頻率

14、提升不受阻礙，所以pci-e總線很順利地就達到2.5ghz的超高工作頻率。其次，pci-e采用全雙工運作模式，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)可以同時進行。由于pci-e將 pci或agp的并行數(shù)據(jù)傳輸變?yōu)榇袛?shù)據(jù)傳輸，并且采用了點對點技術，因此，極大地加快了相關設備之間的數(shù)據(jù)傳送速度。pci-e規(guī)范采用了雙向數(shù)據(jù)傳送，類似于ddr內(nèi)存采用的技術，即在一個時鐘周期的上下沿都可以傳送數(shù)據(jù)，這樣極大的提高了顯示設備同內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換帶寬，可在較短時間內(nèi)傳送大量圖形數(shù)據(jù)，為顯示性能的飛躍打下基礎。全新的pci express總線包括多種速率的插槽，比如pci express x1、x2、x4、x8、x16、x32等

15、（1x的pci-e最短，然后依次增長）。pci-e幾種總線模式的速率與幾種總線模式的速率與pci express插槽樣式插槽樣式pci-express的帶寬優(yōu)勢的帶寬優(yōu)勢下圖匯總列舉了80年代以來各個階段的總線性能水平，從圖中可以清楚地看出：就總線性能水平來說，agp比isa/pci有一定優(yōu)勢，而pci-express比agp又有明顯優(yōu)勢，pci-express 1.0兩倍于agp 8x的帶寬。7.3.7 hyper transport總線總線hypertransport最初是由amd在1999年提出的一種總線技術。hypertransport采用類似ddr的工作方式，在400mhz工作頻率下

16、，相當于800mhz的傳輸頻率。此外，hypertransport是在同一個總線中模擬出兩個獨立數(shù)據(jù)鏈進行點對點數(shù)據(jù)雙向傳輸。 除了速度快之外，hypertransport還有一大特色，就是當數(shù)據(jù)位寬并非32位時，可以分批傳輸數(shù)據(jù)來達到與32位相同的效果。2004年2月，amd推出hypertransport 2.0，其主要變化是數(shù)據(jù)傳輸頻率提升到1ghz，32位總線的帶寬達到8gbps。2006年4月，amd又正式發(fā)布了hypertransport 3.0標準。有1.8ghz、2.0ghz、2.4ghz和2.6ghz 4種物理工作頻率，并可支持32位通道總線，在最高級的2.6ghz頻率下，3

17、2位hypertransport 3.0總線擁有20.8gb/秒的單向傳輸效能，若考慮雙向傳輸，總帶寬值將達到史無前例的41.6gb/秒?？傊?，從pc總線到isa、pci總線，再由pci進入pci express和hypertransport體系，計算機總線在這3次大變革中也完成了3次飛躍式的提升。預計在未來十年中，計算機都將運行在pci express和hypertransport這種近乎完美的總線架構基礎之上。 7.4 微機總線的組成及性能指標微機總線的組成及性能指標2 2微機總線的性能指標微機總線的性能指標總線的基本性能指標如下。（1）總線的工作頻率（或總線的時鐘頻率）：它是指用于協(xié)調(diào)總

18、線上的各種操作的時鐘頻率，也稱為總線的工作頻率，單位為mhz。它是影響總線傳輸速率的重要因素之一。如isa的總線頻率為8mhz，而pci總線有33.3mhz、66.6mhz兩種總線頻率。（2）總線的位寬：它是指總線能同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，通常是指總線中數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，單位為位（bit）。如isa總線寬度為16位，pci總線則為32或64位。（3）總線的帶寬，它是指總線上每秒可傳輸數(shù)據(jù)的最大字節(jié)數(shù)，也簡稱總線數(shù)據(jù)傳輸速率，以mb/s為單位。例如pci總線時鐘頻率若為33.3mhz，則其總線數(shù)據(jù)傳輸速率為33.332/8133.2mb/s。3個性能指標之間的關系是：總線帶寬=（總線位寬/8）總線工作頻率（mb/s）本章小結本章小結總線在計算機系統(tǒng)中有著非常重要的地位，它的性能直接關系到系統(tǒng)整體性能的提升。掌握總線技術，首先要弄清楚微機總線、總線標準、接口、接口標準等幾個基本概念的聯(lián)系與區(qū)別。微機總線一般是指一組按一定規(guī)范進行互連并能安全、迅速和有效傳輸信息的信號線，這組信號線包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、電源線等幾種信號線類型；總線標準