第九章總線技術

1、1微型計算機原理與接口技術 Principles of Microcomputers and Interface Techniques 內(nèi)蒙古大學理工學院自動化系內(nèi)蒙古大學理工學院自動化系 29.1 總線的基本概念總線的基本概念9.2 ISA總線總線9.3 EISA總線總線9.4 PC/XT(AT、ISA、EISA)總線的特點總線的特點9.5 PCI總線總線9.6 PENTIUM4總線總線9.7 USB總線總線9.8 IEEE1394總線總線第九章 總線技術3主要內(nèi)容總線的基本概念ISA、EISA、PC/XT總線的特點 及主要指標PCI、PENTIUM4總線的特點及主要指標總線的特點及主要指標

2、USB、 IEEE1394總線的特點及主要指標總線的特點及主要指標USB總線的應用總線的應用4 重點內(nèi)容重點內(nèi)容總線基本概念，常用的系統(tǒng)總線和局部總線，總線基本概念，常用的系統(tǒng)總線和局部總線， 了解各類總線的特點和功能了解各類總線的特點和功能 掌握掌握系統(tǒng)總線、局部總線的應用系統(tǒng)總線、局部總線的應用 了解微機系統(tǒng)中采用的外部設備總線了解微機系統(tǒng)中采用的外部設備總線 59.1 總線的基本概念9.1.1 總線概述總線：總線： 計算機中多個部件之間公用的一組連線，是若干互連信號線的集合，由它構成系統(tǒng)插件間、插件的芯片間或系統(tǒng)間的標準信息通路。 在微型計算機系統(tǒng)中，總線是各個部件信息交換的公共通道，各

3、部件之間的聯(lián)系都是通過總線實現(xiàn)的，總線在計算機中起著重要的作用。微型計算機廣泛采用總線技術，以便簡化硬件、軟件的系統(tǒng)設計。6 隨著微型計算機的發(fā)展，總線技術也在不斷地發(fā)展與完善，并且已經(jīng)出現(xiàn)了一系列的標準化總線，這些標準化總線的廣泛使用，對微型計算機系統(tǒng)在各個領域的普及和應用起到了積極的推動作用。為了使微型計算機應用系統(tǒng)朝模塊化、標準化的方向發(fā)展，標準總線應具有以下特點：（1）可以簡化計算機軟件和硬件的設計；（2）可以簡化系統(tǒng)的結構；（3）易于系統(tǒng)的擴展；（4）便于系統(tǒng)的更新；（5）便于系統(tǒng)的調(diào)試和維修。 7 總線標準總線標準 指芯片之間、擴展卡之間以及系統(tǒng)之間，指芯片之間、擴展卡之間以及系統(tǒng)

4、之間，通過總線進行連接和傳輸信息時，應該遵守的通過總線進行連接和傳輸信息時，應該遵守的一些協(xié)議與規(guī)范。一些協(xié)議與規(guī)范。 接口標準接口標準 外設接口的規(guī)范，涉及接口信號線定義、信外設接口的規(guī)范，涉及接口信號線定義、信號傳輸速率、傳輸方向和拓撲結構，以及電氣號傳輸速率、傳輸方向和拓撲結構，以及電氣特性和機械特性等多個方面。特性和機械特性等多個方面。 89.1.2 總線的分類 1) 按總線功能或信號類型分類：按總線功能或信號類型分類： 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線：雙向三態(tài)，線寬表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)模弘p向三態(tài)，線寬表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑＤ芰Α?地址總線地址總線：單向三態(tài)，線寬決定系統(tǒng)的尋址：單向三態(tài)，線寬決定系統(tǒng)的尋址

5、 范圍。范圍。 控制總線控制總線：可是單向或雙向?？刂瓶偩€最能：可是單向或雙向?？刂瓶偩€最能體現(xiàn)總線特點，決定總線功能的強弱和適應體現(xiàn)總線特點，決定總線功能的強弱和適應性。性。92) 按總線的層次結構分類：按總線的層次結構分類： CPU總線總線：微機系統(tǒng)中速度最快的總線，在：微機系統(tǒng)中速度最快的總線，在CPU內(nèi)內(nèi)部連接內(nèi)部部件，在部連接內(nèi)部部件，在CPU周圍的小范圍內(nèi)也使用該周圍的小范圍內(nèi)也使用該總線，提供系統(tǒng)的控制和命令?？偩€，提供系統(tǒng)的控制和命令。 局部總線局部總線：在系統(tǒng)總線和：在系統(tǒng)總線和CPU總線之間的一級總線總線之間的一級總線，提供，提供CPU和主板器件之間以及和主板器件之間以及C

6、PU與高速外設之與高速外設之間的快速信息通道。間的快速信息通道。 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線：I/O總線，通過總線擴展卡連接外部設備總線，通過總線擴展卡連接外部設備的總線。速度慢，其功能已經(jīng)被局部總線替代。的總線。速度慢，其功能已經(jīng)被局部總線替代。 通信總線通信總線：外部總線，是微機與微機，微機與外設：外部總線，是微機與微機，微機與外設之間進行通信的總線。之間進行通信的總線。10總線的系統(tǒng)結構總線的系統(tǒng)結構總線連接方法廣泛用于微機系統(tǒng)的各個連接層次上大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)部（如微處理器的內(nèi)部總線）主機板中微處理器、存儲器及I/O接口電路之間，主機模板與各種接口模板之間微機系統(tǒng)之間以及微機系統(tǒng)與外部設備之間

7、CPUDRAMI/OI/O系統(tǒng)總線面向總線的系統(tǒng)結構11總線結構CPU存儲器I/O接口系統(tǒng)總線（a）單總線結構CPU主存儲器I/O處理器主存儲器連線I/O總線系統(tǒng)總線（b）多總線結構CPU主存儲器系統(tǒng)總線主存儲器連線（c）多總線結構I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口12微機總線層次結構芯片總線I/O接口接口ROM RAMCPU外總線外總線內(nèi)總線內(nèi)總線主機板主機板芯片總線芯片總線擴充存儲器擴充存儲器計算機計算機通信接口通信接口打印機打印機打印機接口打印機接口智能儀表智能儀表儀表接口儀表接口局域網(wǎng)絡局域網(wǎng)絡網(wǎng)絡接口網(wǎng)絡接口13內(nèi)總線（Internal Bus）微機系統(tǒng)中模板與模板間連接的總線

8、，是微機系統(tǒng)所特有的總線；用于模板級互連內(nèi)總線也被稱為板級總線或系統(tǒng)總線（System Bus）多數(shù)已實現(xiàn)標準化，例如STD總線、ISA總線等。微機主板的各種擴展插槽多屬于內(nèi)總線14微機總線層次結構芯片總線I/O接口接口ROM RAMCPU外總線外總線內(nèi)總線內(nèi)總線主機板主機板芯片總線芯片總線擴充存儲器擴充存儲器計算機計算機通信接口通信接口打印機打印機打印機接口打印機接口智能儀表智能儀表儀表接口儀表接口局域網(wǎng)絡局域網(wǎng)絡網(wǎng)絡接口網(wǎng)絡接口15外總線（External Bus）微機系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與其外設通信的總線，用于設備級互連外總線過去又稱為通信總線，主要指串行通信總線，例如RS-232現(xiàn)在，外

9、總線的意義常延伸為外設總線，主要用于連接各種外設外總線種類較多，常與特定設備有關，例如Centronics并行打印機總線、IEEE 488智能儀器儀表并行總線（又稱為GPIB總線） 16微機總線層次結構外總線I/O接口接口ROM RAMCPU外總線外總線內(nèi)總線內(nèi)總線主機板主機板芯片總線芯片總線擴充存儲器擴充存儲器計算機計算機通信接口通信接口打印機打印機打印機接口打印機接口智能儀表智能儀表儀表接口儀表接口局域網(wǎng)絡局域網(wǎng)絡網(wǎng)絡接口網(wǎng)絡接口179.1.3 總線性能參數(shù)1總線頻率：工作頻率用（總線頻率：工作頻率用（MHZ），是總線速），是總線速 率的一個重要參數(shù)。率的一個重要參數(shù)。2總線寬度：指數(shù)據(jù)總

10、線的位數(shù)。總線寬度：指數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。3總線的數(shù)據(jù)傳輸率總線的數(shù)據(jù)傳輸率 總線的數(shù)據(jù)傳輸率總線的數(shù)據(jù)傳輸率=(總線寬度總線寬度/8位位)總線頻率總線頻率 例：例：PCI總線的總線頻率為總線的總線頻率為33.3MHz，總線寬度為，總線寬度為64位的情況下，總線數(shù)據(jù)傳輸率為位的情況下，總線數(shù)據(jù)傳輸率為266MB/s 。 189.1.4 總線標準的特性1物理特性物理特性:2功能特性功能特性:3電器特性電器特性:4時間特性時間特性:總線物理連接方式總線物理連接方式(電纜式、蝕刻式），電纜式、蝕刻式），總線根數(shù)、插頭和插座形狀，引腳排列總線根數(shù)、插頭和插座形狀，引腳排列等。等。描述一組總線中每一根線的功

11、能。描述一組總線中每一根線的功能。定義每根線上信號的傳遞方向以及有效定義每根線上信號的傳遞方向以及有效電平范圍。一般定義送入電平范圍。一般定義送入CPU的信號為的信號為輸入信號，從輸入信號，從CPU中送出的信號是輸出中送出的信號是輸出信號。信號。低電平有效的信號用信號名上一低電平有效的信號用信號名上一橫線或信號名后帶橫線或信號名后帶#來表示。來表示。定義每一根線在什么時候有效，這和總定義每一根線在什么時候有效，這和總線操作的時序有關。線操作的時序有關。199.1.5 總線操作和總線傳送控制 一、總線操作一、總線操作1總線請求和仲裁總線請求和仲裁： 主模塊向總線仲裁機構提出使用總線請求，總線主模

12、塊向總線仲裁機構提出使用總線請求，總線 仲裁機構決定使用總線的主模塊。仲裁機構決定使用總線的主模塊。2尋址尋址： 擁有總線使用權的主模塊發(fā)出本次要訪問的從模擁有總線使用權的主模塊發(fā)出本次要訪問的從模 塊的地址及有關命令，該從模塊被選中并啟動。塊的地址及有關命令，該從模塊被選中并啟動。3數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送： 主模塊和從模塊間進行雙（單）向數(shù)據(jù)傳送。主模塊和從模塊間進行雙（單）向數(shù)據(jù)傳送。4結束結束： 主、從模塊均撤出總線。主、從模塊均撤出總線。20二、總線傳送控制二、總線傳送控制1同步方式同步方式 優(yōu)點：優(yōu)點：1）電路簡單）電路簡單 2）適合高速設備的數(shù)據(jù)傳輸）適合高速設備的數(shù)據(jù)傳輸缺點：高速設備

13、和低速設備間只能用低速設備的缺點：高速設備和低速設備間只能用低速設備的速度來傳輸數(shù)據(jù)速度來傳輸數(shù)據(jù)主主clk從從2半同步方式半同步方式 主主clk從從wait/readywait/ready信號信號是單向的，不是是單向的，不是互鎖的。互鎖的。21總線讀周期分成兩個子周期總線讀周期分成兩個子周期 尋址子周期尋址子周期 數(shù)據(jù)傳送子周期數(shù)據(jù)傳送子周期在兩子周期之間，退出總線，從設備準備數(shù)據(jù)。在兩子周期之間，退出總線，從設備準備數(shù)據(jù)。4分離方式分離方式clkaddressdata主主從從3異步方式異步方式 REQACK比同步方式慢比同步方式慢總線頻帶窄總線頻帶窄總線傳輸周期長總線傳輸周期長229.2

14、ISA總線總線 C18外內(nèi)A1B1A31B31C1D1D182.5410.16138.5圖圖 ISA總線插槽示意圖總線插槽示意圖 工業(yè)標準體系結構，在工業(yè)標準體系結構，在PC總線基礎上發(fā)展而來，總線基礎上發(fā)展而來，最高工作頻率為最高工作頻率為8MHz，24根地址線，根地址線，16位數(shù)據(jù)線，擁位數(shù)據(jù)線，擁有大量接口卡，歷經(jīng)有大量接口卡，歷經(jīng)286、386、486和和Pentium幾代微幾代微機。機。23ISA總線的信號總線的信號 24PC/XT總線技術的微型計算機結構 圖PC和PC/XT總線的微機系統(tǒng)結構示意圖 揚聲器 8 個 8 位 62 引腳擴展槽 擴展總線緩沖 CPU 8088(4.77M

15、Hz) 8087（可選） ROM BIOS DRAM 控制器 RAM 8237 DMA 控制器 DMA 頁面寄存器 8253 定時/計數(shù)器 8259 中斷控制器 8250 串行通信控制器 鍵盤與并行控制電路 25PC/AT ISA總線的微機系統(tǒng)結構 PC AT/ISA總線系統(tǒng)結構總線系統(tǒng)結構CPU 局部 總線SIMMS8 位總線后備電池8 個 8 位XT 插槽ISA 總線PC/AT 或 ISA 插槽6 個 16 位AT/ISA 擴展槽 主存 DRAM4768MB64K128KROM BIOSCPU80486PC AT/ISA 核心邏輯芯片組內(nèi)含：7 個 DMA 通道15 級中斷時間/計數(shù)器總線

16、緩沖器擴展總線控制器DRAM 與 L2Cache 控制器L2 Cache128K512K8042MPUKBD/Mous控制器實時時鐘/日歷CMOS RAM26PC機上的總線PCI總線總線ISA總線總線USB總線總線279.2.1 ISA總線（ Industry Standard Architecture）1、問題的提問：最早的PC總線是IBM公司于1981年推出的基于8位機PC/XT的總線，稱為PC總線。1984年IBM推出了16位PC機PC/AT，其總線稱為AT總線。然而，IBM從未公布過他們的AT總線規(guī)格。由Intel公司IEEE和EISA集團聯(lián)合開發(fā)了與IBM/AT原裝機總線意義接近的I

17、SA總線，即8/16位的“工業(yè)標準結構”總線。282 2、主要性能指標、主要性能指標（1）I/O地址空間0100H03FFH（2）24位地址線可直接尋址的內(nèi)存空間為16MB（3）8/16位數(shù)據(jù)線（4）引腳數(shù)：62+36=98線（5）最大任意16位（bit）（6）最高時鐘頻率8MHz（7）最大傳輸率16MB/s（8）中斷功能（9）DMA通道功能（10）開放式總線結構，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源。293 3、ISAISA總線結構總線結構8088/386CPU總線緩沖器DRAM存儲器8087/387FPU8/16 ISA BUS304 4、ISAISA擴展擴展I/OI/O插槽插槽8位ISA擴展I/O

18、插槽由62個引腳組成，用于8位的插卡。8/16位ISA擴展槽 8位62線插槽 附加高8位36線插槽ISA總線擴展槽引腳及定義6 2線1.地址線A0A9 20條2.數(shù)據(jù)線D0D9 8條 3.控 制線：21條4.狀態(tài)線： 2條 1.地址線：7線2.數(shù)據(jù)線：8線3.其他控制線、地、電源等36線附加槽319.3 EISA總線總線 一、EISA產(chǎn)生的背景1. ISA總線對286以下的PC機是方便的，但對于386DX以上的提及具有32位地址線和數(shù)據(jù)寬度的PC機來說，不能滿足要求。影響了32位微處理器的發(fā)揮。2. IBM推出了32位，采用MCA微通道總線技術，但由于IBM對MCA技術采用了嚴格的許可證制度，

19、使得其他廠商不能采用。同時，MCA與PC/AT總線也不兼容，所以除了在PS/2計算機中采用，任其之兼容機中沒有得到一定推廣。因此，MCA技術是失敗的。32EISA總線的微機系統(tǒng)結構 圖圖 EISA總線微機系統(tǒng)結構圖總線微機系統(tǒng)結構圖 CPU 局部總線SIMMS8 位 X 總線后備電池ISA 總線8 位 XT 插槽16 位 ISA 插槽EISA 總線32 位 EISA 插槽CPU (486/Pentium)EISA 核心邏輯芯片組內(nèi)含：7 個 DMA 通道15 級中斷時間/計數(shù)器EISA 總線擴展與控制器控制RAM 與 L2Cache 控制器L2 Cache一般為 512K主存 DRAM4768

20、MB64128K ROM BIOS8042MPU鍵盤/鼠標控制器實時時鐘/日歷CMOS RAM33二、為了與MCA總線技術抗衡，Compaq、HP、AST、Epson、NEC等9家公司聯(lián)合起來在ISA的基礎上于1988年推出了32位PC機擴展工業(yè)標準結構（Extended Industry Standard Architecture ）即 EISA總線。 總結： EISA在結構上與ISA有良好的兼容性，保護了廠商和用戶巨大的軟硬件投資。 同時又充分發(fā)揮和利用32位機的功能。 EISA的推出打破了IBM MAC結構對PC機發(fā)展 的壟斷。34三、EISA主要特點：結構與ISA卡完全兼容。開放式結構

21、，與ISA卡完全兼容。全兼容ISA總線，（ISA卡可插入EISA槽中）32位數(shù)據(jù)線D0-D3132位地址直接尋址范圍為4GB.最大時鐘頻率8.3MHz最大傳輸率33MHz359.4 PC/XT、PC/AT ISA、EISA總線的特點 1PC/XT總線 XT總線與總線與8088CPU兼容，具有兼容，具有8根數(shù)據(jù)根數(shù)據(jù)總線、總線、20根地址總線、主要應用在根地址總線、主要應用在X86體系結體系結構的微機系統(tǒng)中。構的微機系統(tǒng)中。2ISA總線 ISA與與80286兼容，具有兼容，具有16位數(shù)據(jù)線，支位數(shù)據(jù)線，支持持8位或位或16位的數(shù)據(jù)存??；具有位的數(shù)據(jù)存??；具有24位地址線，位地址線，可尋址可尋址1

22、6MB的存儲器空間，主要應用在的存儲器空間，主要應用在80286及以上的微處理器組成的微機系統(tǒng)中。及以上的微處理器組成的微機系統(tǒng)中。363EISA總線 EISA與與32位的微處理器兼容。位的微處理器兼容。 EISA總線總線在信號定義與物理電氣連接上完全與在信號定義與物理電氣連接上完全與ISA總線兼總線兼容。容。 具有具有32位的數(shù)據(jù)線，支持位的數(shù)據(jù)線，支持8位、位、16位或位或32位位的數(shù)據(jù)存取，支持數(shù)據(jù)突發(fā)式傳輸。主要應用的數(shù)據(jù)存取，支持數(shù)據(jù)突發(fā)式傳輸。主要應用在在32位微處理器組成的微型計算機系統(tǒng)中。位微處理器組成的微型計算機系統(tǒng)中。37PC/XT、ISA、EISA總線信號引腳的定義 圖圖

23、XTXT、ISAISA、EISAEISA總線擴展總線擴展槽示意圖槽示意圖 說明：代表 ISA、XT 總線引腳代表 EISA 總線引腳 D 1 G H 19 C B 1 EF 31 A38表表XTXT、ISAISA、EISAEISA總線引腳總線引腳A A、B B面信號定義面信號定義39表表XTXT、ISAISA、EISAEISA總線引腳總線引腳C C、D D面信號定義面信號定義40表表XTXT、ISAISA、EISAEISA總線引腳總線引腳E E、F F、G G、H H面信號定義面信號定義419.5 PCI總線結構連接方式結構1、 PCI總線是一種PCI是一種先進的局部總線，已成為局部總線新標準

24、。不依附于某個具體處理器的局部總線。2、從結構上，PCI是在CPU與原來的系統(tǒng)之間插入的一級總線，并由橋接電路實現(xiàn)管理，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳送。3、PCI總線支持總線主控技術,允許智能設備取得總線控制權,以加速數(shù)據(jù)傳送.42CPUPCI橋接電路DRAM存儲器CachePCI局部總線CPU總線PCI總線ISA/EISA橋接電路SCSI卡硬盤卡網(wǎng)卡南橋打印機磁帶機掃描儀ISA總線439.5.1 PCI主要性能及特點支持10臺外設總線時鐘33.3MHz/66M最大數(shù)據(jù)率133MB/S時鐘同步方式總線寬度32位（5V）/64位（3.3V）能自動識別外設支持64位尋址具有與處理器和存儲器子系統(tǒng)完全并列操作的能力。

25、44PCIPCI總線的特點總線的特點 1) 獨立于處理器獨立于處理器2) 傳輸效率高傳輸效率高3) 多總線共存多總線共存4) 支持突發(fā)傳輸支持突發(fā)傳輸 5) 支持總線主控方式支持總線主控方式6) 采用同步操作采用同步操作 7) 支持兩種電壓下的擴展卡支持兩種電壓下的擴展卡 8) 具有即插即用功能具有即插即用功能 9) 合理的管腳安排合理的管腳安排 10) 預留擴展空間預留擴展空間 45PCI插槽和PCI擴展卡 1. PCI插槽插槽 5V 32位插槽位插槽5V 64位插槽位插槽3.3V 32位插槽位插槽3.3V 64位插槽位插槽連接連接卡口卡口a. 4種種PCI卡插槽卡插槽A1外內(nèi)A49A52B

26、1B49B52A62B621.273.8277.48b. 5V32位位PCI插槽插槽462. PCI插卡插卡 ICICIC1.9160.9612.741.680外邊里邊47總線仲裁總線仲裁 PCI總線采用集中式的同步仲裁方法總線采用集中式的同步仲裁方法中央中央仲裁器仲裁器PCI主主設備設備APCI主主設備設備BREQ#REQ#GNT#GNT#48PCI總線的微機系統(tǒng)結構 典型典型PCI局部總線的局部總線的PCI/ISA系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)結構圖32/64 位 CPU 局部總線SIMMS2 至 3 個PCI 總線PCI 插槽可選擇的主板 PCI 芯片級適配器4 個 8 位 XT 插槽4 個 16 位

27、ISA 槽CPU （486/Pentium）L2 Cache一般為 512KDRAM 與 L2Cache 控制器局部總線到 PCI橋電路主存 DRAM4768MBLANSCSIIDEPCI 到ISA橋電路（南橋）64K128KROM BIOS8042MPU鍵盤/鼠標控制器實時時鐘CMOS RAM499.5.2 PCI總線的繼承者 PCI Express1. 主要關鍵技術主要關鍵技術：在兩個設備之間在兩個設備之間點對點點對點串行互聯(lián)串行互聯(lián)雙通道，高帶寬，傳輸速度快雙通道，高帶寬，傳輸速度快靈活擴展性靈活擴展性低電源消耗，并有電源管理功能低電源消耗，并有電源管理功能支持設備熱撥插和熱交換支持設備

28、熱撥插和熱交換在軟件層保持與在軟件層保持與PCI以及以及PCI-X總線兼容總線兼容使用小型連接，節(jié)約空間，減少串擾使用小型連接，節(jié)約空間，減少串擾采用類似于網(wǎng)絡通信中的采用類似于網(wǎng)絡通信中的OSI分層模式，具有數(shù)據(jù)包分層模式，具有數(shù)據(jù)包和層協(xié)議架構和層協(xié)議架構502. PCI-Express的拓撲結構的拓撲結構北橋集成北橋集成根組件根組件終終端端PCI ExpressPCI橋橋終終端端終終端端終終端端終終端端終終端端端端點點PCI插槽插槽交換器交換器存儲器存儲器519.5.3 AGP總線的微機系統(tǒng)結構圖圖AGP/PCI總線微機系統(tǒng)結構圖總線微機系統(tǒng)結構圖 100/133MHz 系統(tǒng)總線 MEC

29、C 存儲器接口 通道 A AGP/66 AGP/66 B 通道 B A IDE 接口 USB 接口 PCI 插槽 PCI/33 AC97 LPC I/F 北橋芯片 440 系列 或 8XX 系列 系統(tǒng)控制 邏輯 南橋芯片 82371 總線轉換 邏輯 或 82801 I/O 控制 邏輯 處理器 1 處理器 2 AGP 圖形 控制器 82806PCI64 控制器（P64H） 21154 BC AC97 Super I/O BIOS 或固件 控制器 52PCI、AGP總線接口槽引腳信號定義表PCI總線插槽引腳信號引線定義5354AGP總線的特點（1）采用雙重驅(qū)動技術（2）采用帶邊信號傳送技術（3）采

30、用內(nèi)存請求流水線技術（4）減少對PCI總線的傳輸壓力 55 AGP接口二級高速緩存二級高速緩存處理器處理器芯片組芯片組PCI設備設備系統(tǒng)主存系統(tǒng)主存圖形控制器圖形控制器顯存顯存顯示器顯示器PCI設備設備PCIAGP 圖形系統(tǒng)圖形系統(tǒng)AGP連接方式連接方式561、AGP的特點的特點采用流水線技術進行內(nèi)存讀采用流水線技術進行內(nèi)存讀/寫寫采用雙泵技術采用雙泵技術采用采用DIME技術技術采用邊帶尋址采用邊帶尋址顯示顯示RAM和系統(tǒng)和系統(tǒng)RAM可以并行操作可以并行操作緩解了緩解了PCI總線上的數(shù)據(jù)擁擠?？偩€上的數(shù)據(jù)擁擠。57模式模式工作頻率工作頻率數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率傳輸觸發(fā)方式傳輸觸發(fā)方式166 MH

31、z264 MB/s上升沿上升沿2133 MHz532 MB/s上升沿和下降沿上升沿和下降沿4266 MHz1064 MB/s上升沿和下降沿上升沿和下降沿 表表 AGP工作模式工作模式2、AGP的工作模式的工作模式583、AGP PRO 高檔高檔3D圖形加速卡中通常會有許多顯示內(nèi)存，所以圖形加速卡中通常會有許多顯示內(nèi)存，所以需要較大的電流設計，而需要較大的電流設計，而AGP Pro總線就是為提供額外總線就是為提供額外的供電插槽而設計。的供電插槽而設計。AGPPro總線插槽，在中央的部分總線插槽，在中央的部分，依舊是標準，依舊是標準AGP4X插槽設計，只不過在后端以及前端插槽設計，只不過在后端以及

32、前端，加上了，加上了12V/3V的電壓，提供一些繪圖專用顯示卡所需的電壓，提供一些繪圖專用顯示卡所需要的電壓。它要求鄰近要的電壓。它要求鄰近AGP插槽的插槽的1、2條條PCI插槽歸其插槽歸其使用，并且這兩條使用，并且這兩條PCI插槽至少能進行插槽至少能進行33MHz32位的位的操作，更理想的是提供操作，更理想的是提供66MHz64位的能力。位的能力。 599.5.4 PCI/AGP主板簡介下頁圖為常見的PCIAGP主板外形圖。PCIAGP主板由CPU插座、內(nèi)存、控制邏輯芯片組、軟驅(qū)及硬盤IDE接口插座、PCI/AGP擴展插槽、鍵盤鼠標接口插座、并行及串行接口插座、USB通用串行接口插座、聲音輸

33、出輸入插座及電源電路等組成。 該類主板支持高達160MHz的CPU外頻并且采用多外頻免跳頻率微調(diào)技術，使外頻可調(diào)，方便用戶選擇不同CPU類型。60 圖圖 PCI/AGPPCI/AGP總線結構的主板總線結構的主板619.6 Pentium 4系統(tǒng)結構簡介 Pentium 4支持400MHz的系統(tǒng)總線，圖為Pentium 4微處理器的微型計算機系統(tǒng)結構示意圖。i850芯片組支持400MHz的系統(tǒng)總線，支持AGP 4X，通過ICH2芯片（南橋芯片）的配合支持Ultra DMA/33/66/100的IDE傳輸規(guī)范。支持PCI及AGP總線，內(nèi)存支持達2GB存儲器容量。圖9-6-2為P4主板的外形圖。62

34、圖圖9-6-1 Pentium 4 微處理器微機系統(tǒng)結構微處理器微機系統(tǒng)結構400MHz 帶寬 3.2GB/s 系統(tǒng)總線 存儲器接口DMA 33/66/100 IDE 接口133MB/sPCI 總線CPU Pentium 4I82850 芯片（北橋芯片）Dual ChannelRDRAM帶寬 3.2GB/sAGP 4X1GB/sLAN ICH2 I82801BA（南橋芯片）USB6 Channel AudioCMOS RAM/BIOS63圖圖9-6-2 P4主板的外形圖主板的外形圖649.7.1 USB系統(tǒng)組成1. USB的硬件 USB主控制器主控制器/根集線器根集線器 主控制器負責將并行數(shù)據(jù)

35、轉換成串行，并將數(shù)據(jù)傳主控制器負責將并行數(shù)據(jù)轉換成串行，并將數(shù)據(jù)傳給根集線器。根集線器控制給根集線器。根集線器控制USB端口的電源，激活和禁端口的電源，激活和禁止端口，識別與端口相連的設備，設置和報告與每個端止端口，識別與端口相連的設備，設置和報告與每個端口相連的狀態(tài)事件?？谙噙B的狀態(tài)事件。USB集線器集線器(USB Hub) 完成完成USB設備的添加（擴展）、刪除和電源管理等。設備的添加（擴展）、刪除和電源管理等。 9.7 USB總線總線65 USB設備設備 HUB設備和功能設備（外設），外設含一定數(shù)量設備和功能設備（外設），外設含一定數(shù)量獨立的寄存器端口（端點）。外設有一個惟一的獨立的寄存

36、器端口（端點）。外設有一個惟一的地址。通過這個地址和端點號，主機軟件可以和地址。通過這個地址和端點號，主機軟件可以和每個端點通信。數(shù)據(jù)的傳送是在主機軟件和每個端點通信。數(shù)據(jù)的傳送是在主機軟件和USB設備的端點之間進行的。設備的端點之間進行的。2. USB的軟件的軟件 USB設備驅(qū)動程序設備驅(qū)動程序 在在USB外設中，通過外設中，通過I/O請求包將請求發(fā)送給請求包將請求發(fā)送給USB設備中的設備中的USB（從）控制器。（從）控制器。66 USB驅(qū)動程序驅(qū)動程序 在主機中，當設置在主機中，當設置USB設備時讀取描述器以獲取設備時讀取描述器以獲取USB設備的特征，并根據(jù)這些特征，在發(fā)生請求時設備的特征

37、，并根據(jù)這些特征，在發(fā)生請求時組織數(shù)據(jù)傳輸。組織數(shù)據(jù)傳輸。 USB驅(qū)動程序可以是捆綁在操作系驅(qū)動程序可以是捆綁在操作系統(tǒng)中，也可以是以可裝載的驅(qū)動程序形式加入到操統(tǒng)中，也可以是以可裝載的驅(qū)動程序形式加入到操作系統(tǒng)中。作系統(tǒng)中。 USB主控制器驅(qū)動程序主控制器驅(qū)動程序 完成對完成對USB事務交換的調(diào)度，并通過根事務交換的調(diào)度，并通過根Hub或其他或其他的的Hub完成對交換的初始化。完成對交換的初始化。 673. USB的拓撲結構的拓撲結構 PCI總線總線宿主機宿主機USB主控制器主控制器/根根Hub高速高速電話電話高速高速顯示器顯示器高速高速集線器集線器高速高速麥克風麥克風揚聲器揚聲器高速高速揚

38、聲器揚聲器高速高速鍵盤鍵盤高速高速低速低速麥克風麥克風麥克風麥克風低速低速高速高速=480Mb/s全速全速=12Mb/s低速低速=1.5Mb/s USB的層次拓撲圖的層次拓撲圖689.7.2 USB系統(tǒng)的接口信號和電氣特性 1.接口信號線接口信號線 高高/低速低速USB收發(fā)器收發(fā)器(主機主機或集線器端或集線器端口口)高速高速USB收收發(fā)器發(fā)器(主機端主機端口或高速設口或高速設備備)+5vdcD+D-地地15K15K+3.03.6vdc1.5KD+D-高高/低速低速USB收發(fā)器收發(fā)器(主機主機或集線器端或集線器端口口)低速低速USB收收發(fā)器發(fā)器(低速設低速設備備)+5vdcD+D-地地15K15

39、K+3.03.6vdc1.5KD+D-圖圖3.12 USB集成器和設備的電阻連接集成器和設備的電阻連接USB數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線USB數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線69USB常用信號電平（高速設備，低速設備電平相反）常用信號電平（高速設備，低速設備電平相反） 總線狀態(tài)總線狀態(tài)信信 號號 電電 平平發(fā)送端發(fā)送端接受器端接受器端差分差分“1”D+2.8V并且并且D-200mV并且并且D+2.0V差分差分“0”D-2.8V并且并且D+200mV并且并且D-2.0V單端點單端點0(SE0) D+和和D-0.3VD+和和D-2.7V并且并且D-0.8V70設備接入到端口上的過程設備接入到端口上的過程設備從端口上斷開過程設備從端口

40、上斷開過程D+和和D-的電壓全部下降到的電壓全部下降到0.8V并維并維持持2.5 s連接連接狀態(tài)狀態(tài)斷開斷開狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)包傳送結束過程數(shù)據(jù)包傳送結束過程保持信號線保持信號線2個位的傳輸時間的個位的傳輸時間的SE0狀狀態(tài)，之后保持態(tài)，之后保持1個位傳輸時間的個位傳輸時間的J狀態(tài)。狀態(tài)。傳送傳送狀態(tài)狀態(tài)閑置閑置狀態(tài)狀態(tài)D+或或D-的電壓上升的電壓上升到到2.5(2.7)V斷開斷開狀態(tài)狀態(tài)閑置閑置狀態(tài)狀態(tài)維持維持2.5 s以上以上連接連接狀態(tài)狀態(tài)信號線跳變到其信號線跳變到其反向邏輯電平反向邏輯電平數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)K狀態(tài)狀態(tài)閑置閑置狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)包傳送開始過程數(shù)據(jù)包傳送開始過程差分數(shù)據(jù)線按差分數(shù)據(jù)線按傳送數(shù)據(jù)變

41、換傳送數(shù)據(jù)變換傳送傳送狀態(tài)狀態(tài)71 2.電氣特性電氣特性 對地電源對地電源電壓為電壓為4.755.25V，設備吸入的最大，設備吸入的最大電流值為電流值為500mA 。第一次被主機檢測到時，設備吸。第一次被主機檢測到時，設備吸入的電流入的電流100mA 自給供電自給供電 總線供給總線供給72 3.NRZI編碼編碼 原始原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)空閑空閑填充填充數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)填充位填充位NRZI碼碼0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 10 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1位填充和位填充和NRZI編碼編碼0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 NRZI的編碼方法

42、不需獨立的時鐘信號和數(shù)據(jù)一起發(fā)的編碼方法不需獨立的時鐘信號和數(shù)據(jù)一起發(fā)送，送，電平跳變代表電平跳變代表“0”，沒有電平跳變代表沒有電平跳變代表“1”。在。在數(shù)據(jù)被編碼前，在數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)被編碼前，在數(shù)據(jù)流中每每6個連續(xù)的個連續(xù)的“1”后插入后插入1個個“0”，從而強迫，從而強迫NRZI碼發(fā)生變化，也順便讓收發(fā)雙發(fā)碼發(fā)生變化，也順便讓收發(fā)雙發(fā)對準一次時鐘，接收端必須去掉這個插入的對準一次時鐘，接收端必須去掉這個插入的“0”。 739.7.3 USB數(shù)據(jù)流類型和傳輸類型 USB數(shù)據(jù)流類型有四種：數(shù)據(jù)流類型有四種：控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流、實時數(shù)據(jù)流。中斷數(shù)據(jù)流、實時數(shù)據(jù)

43、流。 USB有有4種基本的傳輸類型種基本的傳輸類型 2批傳輸批傳輸：單：單/雙向，用于雙向，用于大批數(shù)據(jù)大批數(shù)據(jù)傳輸，要求準確，傳輸，要求準確，出錯重傳。時間性不強。出錯重傳。時間性不強。 1控制傳輸控制傳輸： 雙向，雙向，用于配置設備或特殊用途用于配置設備或特殊用途，發(fā)，發(fā) 生錯誤需重傳。生錯誤需重傳。 當當USB主機檢測時，設備必須要主機檢測時，設備必須要用端點用端點0完成和主機交換信息的控制傳送。完成和主機交換信息的控制傳送。 3中斷傳輸中斷傳輸 ：單向入主機，用于：單向入主機，用于隨機少量隨機少量傳送。采傳送。采用查詢中斷方式，出錯下一查詢周期重新傳。用查詢中斷方式，出錯下一查詢周期重

44、新傳。4等時傳輸?shù)葧r傳輸：單：單/雙向，用于雙向，用于連續(xù)實時連續(xù)實時的數(shù)據(jù)傳輸，的數(shù)據(jù)傳輸，時間性強，但出錯無需重傳。傳輸速率固定。時間性強，但出錯無需重傳。傳輸速率固定。749.7.4 USB交換的包格式標志包標志包數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包握手包握手包一次交換（事務處理）一次交換（事務處理） 等時傳輸無握手包等時傳輸無握手包交換完畢，進入幀結束間隔區(qū)交換完畢，進入幀結束間隔區(qū)發(fā)送方把發(fā)送方把D+和和D-上的電壓降低到上的電壓降低到0.8V以下，并保持以下，并保持2個位的傳輸時個位的傳輸時間，然后維持間，然后維持1個位傳輸時間的個位傳輸時間的J狀態(tài)表示包結束，狀態(tài)表示包結束，之后進入閑置狀態(tài)。之后進入閑

45、置狀態(tài)。每次交換均由主機發(fā)起，對中斷傳輸，亦由主機每次交換均由主機發(fā)起，對中斷傳輸，亦由主機發(fā)送查詢包取得中斷信息發(fā)送查詢包取得中斷信息。幀結束幀結束間隔區(qū)間隔區(qū)75表包的類型表包的類型(陰影部分是陰影部分是USB2.0規(guī)范規(guī)范)PID類型類型PID名稱名稱PID3:0描述描述標志包標志包OUT0001b具有具有PID、類型檢查、設備地址、端點、類型檢查、設備地址、端點號和號和CRC域的宿主到功能設備的發(fā)送域的宿主到功能設備的發(fā)送包包IN1001b功能設備到宿主的接收包，具有和發(fā)功能設備到宿主的接收包，具有和發(fā)送包一樣的域送包一樣的域SOF0101b幀開始包幀開始包SETUP1101b主機發(fā)給

46、設備的設置包，用于控制傳主機發(fā)給設備的設置包，用于控制傳輸?shù)脑O置。輸?shù)脑O置。數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包DATA00011b數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包0DATA11011b數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包1DATA20111b為幀中高速、高帶寬的等時交換的數(shù)為幀中高速、高帶寬的等時交換的數(shù)據(jù)包據(jù)包MDATA1111b為分離的高速和高帶寬等時交換中的為分離的高速和高帶寬等時交換中的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包76握手包握手包ACK0010b接收設備發(fā)的接受數(shù)據(jù)正確的應答包接收設備發(fā)的接受數(shù)據(jù)正確的應答包NAK1010b接收設備無法接受數(shù)據(jù)或沒有數(shù)據(jù)返接收設備無法接受數(shù)據(jù)或沒有數(shù)據(jù)返回個宿主回個宿主STALL1110b設備已經(jīng)被掛起，需要主機插手解決設備已經(jīng)被掛

47、起，需要主機插手解決故障故障NYET0110b接收器無應答接收器無應答特殊包特殊包PRE1100b(Token)預告包，預告下面將以低速方預告包，預告下面將以低速方式和低速設備通信式和低速設備通信ERR1100b(Handshake)分離交換錯誤的握手信號分離交換錯誤的握手信號SPLIT1000b高速分離交換標志高速分離交換標志PING0100b為批或控制端點傳輸而設置的高速流為批或控制端點傳輸而設置的高速流控制探測控制探測Reserved0000b保留保留77包的一般格式包的一般格式SYNCPID 包特定信息包特定信息CRC8位位8位位n位位5位或位或16位位SYNC：同步序列同步序列PID

48、：包標識別，發(fā)送從低位到高位包標識別，發(fā)送從低位到高位所有數(shù)據(jù)發(fā)發(fā)送都時從低位開始向高位發(fā)送所有數(shù)據(jù)發(fā)發(fā)送都時從低位開始向高位發(fā)送數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)為10000000bPID0 PID1LSbPID2 PID3 PID0#PID1#PID2# PID3#MSb低低4位放位放PID高高4位放位放PID的反碼的反碼781. 包的種類及格式包的種類及格式 (1) 幀開始包（幀開始包（SOF）（一幀持續(xù)時間為）（一幀持續(xù)時間為1ms）SYNCPID FRAME NUMBERCRC8位位 幀開始包格式幀開始包格式8位位11位位5位位編碼編碼數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1L

49、SbMSb79SYCNPIDADDRENDPCRC8位位 接受和發(fā)送包的格式接受和發(fā)送包的格式8位位7位位4位位5位位 (2) 接受包（接受包（IN） (3)發(fā)送包（發(fā)送包（OUT）接受交換包括了全部接受交換包括了全部4種傳輸類型種傳輸類型接受交換接受交換:根根Hub廣播接受包廣播接受包目標設備返回數(shù)據(jù)包目標設備返回數(shù)據(jù)包根根Hub發(fā)握發(fā)握手包。（手包。（等時傳輸無握手包等時傳輸無握手包）發(fā)送交換發(fā)送交換:根根Hub廣播發(fā)送包廣播發(fā)送包根根Hub發(fā)數(shù)據(jù)包發(fā)數(shù)據(jù)包目標設備發(fā)握目標設備發(fā)握手包（手包（批傳輸才有握手包批傳輸才有握手包）發(fā)送交換包括了除中斷傳輸外的其他發(fā)送交換包括了除中斷傳輸外的其他

50、3種傳輸類型種傳輸類型802數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包DATACRCSYNCPID8位位USB 1.1數(shù)據(jù)包格式數(shù)據(jù)包格式8位位01023位位16位位SYNCPIDDATACRC8位位USB 2.0數(shù)據(jù)包格式數(shù)據(jù)包格式8位位08192位位16位位(4)設置包（設置包（SETUP） 控制傳輸開始由主機發(fā)設置包，后面可能由一個或控制傳輸開始由主機發(fā)設置包，后面可能由一個或多個多個IN或或OUT交換，或只包含一個從端點傳到主機的交換，或只包含一個從端點傳到主機的狀態(tài)狀態(tài)81SYCNPID8位位 握手包的格式握手包的格式8位位3握手包握手包 4 特殊包特殊包數(shù)據(jù)接受方發(fā)向數(shù)據(jù)發(fā)送方數(shù)據(jù)接受方發(fā)向數(shù)據(jù)發(fā)送方只有只有S

51、YNC和和PID組成組成主機主機希望與低速設備進行低速傳輸?shù)臅r候發(fā)此包希望與低速設備進行低速傳輸?shù)臅r候發(fā)此包PID域應該高速（全速）發(fā)送。域應該高速（全速）發(fā)送。PID之后，在低速數(shù)據(jù)包傳輸之前要延遲之后，在低速數(shù)據(jù)包傳輸之前要延遲4個高速個高速字節(jié)時間字節(jié)時間低速設備只支持控制傳輸與中斷傳輸?shù)退僭O備只支持控制傳輸與中斷傳輸與低速設備交換數(shù)據(jù)只有與低速設備交換數(shù)據(jù)只有8字節(jié)字節(jié)829.7.5 USB設備狀態(tài)和總線枚舉 主主 機機HUB設設備備1.1 設備接入設備接入連接狀態(tài)連接狀態(tài)1.2 通知有設備接入通知有設備接入2 檢測檢測Hub,確認有接入確認有接入3 使能該端口，發(fā)使能該端口，發(fā)RES

52、ET命令命令4 發(fā)發(fā)RESET信號，供電信號，供電上電狀態(tài)上電狀態(tài)5.1 利用默認端點利用默認端點0讀設備描述器讀設備描述器6.2 分發(fā)地址分發(fā)地址地址狀態(tài)地址狀態(tài)7.2 讀配置信息讀配置信息7.1 按地址讀設備配置信息按地址讀設備配置信息8.2 寫配置信息寫配置信息配置狀態(tài)配置狀態(tài)8.1 按地址設設備配置信息按地址設設備配置信息6.1 給設備分發(fā)地址給設備分發(fā)地址5.2 讀設備描述器讀設備描述器地址默認狀態(tài)地址默認狀態(tài)839.7.6 USB2.0的補充 OTG技術 USB On-The-Go(OTG)是對是對USB 2.0規(guī)規(guī)范的有益的擴充。這類設備既可以作為范的有益的擴充。這類設備既可以作

53、為USB設備與設備與PC機相連，又可以作為機相連，又可以作為USB主機連接其它主機連接其它USB設備。因此，這類設設備。因此，這類設備可以拋棄備可以拋棄PC，直接進行設備與設備之，直接進行設備與設備之間的點對點間的點對點(pear to pear)通信。通信。 USB On-The-Go 在在USB 規(guī)范基礎上增加了以下幾點：規(guī)范基礎上增加了以下幾點：雙重功能。設備既可用作主機也可用作外設雙重功能。設備既可用作主機也可用作外設主機交流協(xié)議主機交流協(xié)議HNP 用于轉換用于轉換USB 主機和外設功能主機和外設功能對話請求協(xié)議對話請求協(xié)議除小和大功率之外增加了微功率選擇除小和大功率之外增加了微功率選

54、擇超小連接器超小連接器84USB On-The-Go 設備定義了一個新的稱之為設備定義了一個新的稱之為mini-AB 的的袖珍插孔，它能接入袖珍插孔，它能接入mini-A 和和mini-B 插頭。連接器的插頭。連接器的不同定義設備的不同定義設備的初始功能初始功能。VBUSD+D-GNDID1: Slave B設備設備0: Master A設備設備mini-B 插頭插頭mini-A 插頭插頭VCCVCC85 兩個兩個OTG RTR(主主/從雙角色從雙角色)設備相連，可以用設備相連，可以用主機交流協(xié)議主機交流協(xié)議(HNP)隨時切換主機角色。步驟如下：隨時切換主機角色。步驟如下：1. A設備發(fā)出設備

55、發(fā)出SET_FEATURE命令后，命令后，B設備可請求設備可請求總線控制權?？偩€控制權。2. A設備掛起總線，通知設備掛起總線，通知B設備可占用總線。設備可占用總線。3. B設備發(fā)送信號，斷開設備發(fā)送信號，斷開A設備連接。設備連接。4. A設備啟動設備啟動D+線本方的上拉電阻，將線本方的上拉電阻，將D+置高。此置高。此時時A設備成為外設，設備成為外設，B設備成為主機。設備成為主機。5. B設備完成對總線控制后，啟動設備完成對總線控制后，啟動D+線本方的上拉線本方的上拉電阻，放棄對總線的控制。電阻，放棄對總線的控制。6. 在以上電平變換的同時，通過軟件實現(xiàn)真正的對在以上電平變換的同時，通過軟件實現(xiàn)真正的對總線的控制權變化?？偩€的控制權變化。869.7.7 開發(fā)具有USB功能的設備的先期準備 1.分清開發(fā)的設備類型分清開發(fā)的設備類型嵌入式嵌入式USB主機主機USB Hub基于基于HID(人機接口設備人機接口設備)的的USB設備設備USB OTG設備設備2.選擇合適的控制芯片選擇合適的控制芯片內(nèi)嵌內(nèi)嵌USB模塊和嵌入式模塊和嵌入