第七章總線技術(shù)

1、第七章第七章 總線技術(shù)（總線技術(shù)（4學(xué)時）學(xué)時） 第一節(jié)第一節(jié) PC系統(tǒng)總線（系統(tǒng)總線（2學(xué)時）學(xué)時） 知知 識識 概概 述述 第二節(jié)第二節(jié) PC外總線（外總線（2學(xué)時）學(xué)時）第第7章章 總線：是指能為多個功能部件互連和信息傳輸?shù)囊唤M公共信號線。 采用總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點：是因為采用總線結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新方便、可靠性高。 總線標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容主要包括：總線接插件的機(jī)械特性（型號、尺寸）、引線數(shù)目、信號定義和時序，數(shù)據(jù)傳輸率，總線通信協(xié)議（傳輸方式、聯(lián)絡(luò)信號），仲裁協(xié)議等的一系列規(guī)定和約定。 總線類型：根據(jù)總線上傳送的信息的類型不同，可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。 從總線在微型機(jī)

2、中所處的位置及功能可以分為片內(nèi)總線（位于微處理器或LSI/VLSI芯片內(nèi)部的總線）、片總線（元件級總線）、內(nèi)部線（系統(tǒng)總線）和外線（通信總線）等四類。第一節(jié)第一節(jié) PC系統(tǒng)總線（系統(tǒng)總線（2學(xué)時）學(xué)時） 7.1.1 ISA總線總線 一、一、8位位ISA總線總線 ISA總線是在PC/XT微型機(jī)8位總線擴(kuò)展槽的基礎(chǔ)上開發(fā)的，該62芯插槽用雙列插板連接，分A面（元件面）和B面（焊接面），每面31條腳，如圖7.1所示。 62條信號線分為5類：8位數(shù)據(jù)線、20位地址線、控制線、時鐘與復(fù)位線以及電源地線。7.1.1 1. 數(shù)據(jù)線 A2A9：8位數(shù)據(jù)線D0D7，雙向、三態(tài)。 2. 地址線 A12A31：20

3、位的地址線A19A0，輸出、三態(tài)。 3. 控制線 A1：I/O通道奇偶校驗信號I/O CH CK，輸入、低電平有效。該信號有效時表示系統(tǒng)板上存儲器或I/O通道上奇/偶校驗出錯。它有效時將產(chǎn)生一次不可屏蔽中斷（NMI中斷）。 A10：I/O通道就緒信號I/O CH RDY，輸入、低有效。一些慢速設(shè)備可以通過使此信號為低電平來使CPU或DMA控制器插入等待周期，從而延長總線周期。7.1.1 A11:地址允許信號AEN，輸出、高電平有效。由DMA控制器8237產(chǎn)生，此信號用來切斷CPU控制，而允許DMA傳送。 B8: 插件板選中信號CARD SLCTD，輸入、高平有效。由第8個I/O擴(kuò)展槽中的擴(kuò)展板

4、B8引腳提供，該信號有效，表示第8個I/O擴(kuò)展槽中的擴(kuò)展板被選中。 B11：存儲器寫命令SMEMW，輸出、三態(tài)、低電平有效。 B12: 存儲器讀命令SMEMR，輸出、三態(tài)、低電平有效。 B13: I/O寫命令I(lǐng)OW，輸出、三態(tài)、低電平有效。 B14：I/O讀命令I(lǐng)OR，輸出線、三態(tài)、低電平有效。7.1.1 B19：動態(tài)內(nèi)存的刷新信號REFRESH，輸出、低電平有效。由DMA控制器產(chǎn)生，有效表示系統(tǒng)對存儲器刷新請求的響應(yīng)。在62條的PC總線中，實際上就是DACK0。 B4，B21B25：中斷申請信號IRQ2，IRQ3IRQ7，輸入、上沿有效。用來將I/O設(shè)備的中斷申請信號經(jīng)系統(tǒng)板上的中斷控制器8

5、259A送給CPU，其中IRQ2優(yōu)先級最高，IRQ7最低。 B16，B6，B18：DMA請求信號DRQ1DRQ3，輸 入線、高電平有效。這些信號是由外設(shè)接口發(fā)出的經(jīng)62 芯總線進(jìn)入DMA控制器8237。DRQ1優(yōu)先級最高，DRQ3最低。7.1.1 B15，B26，B17：DMA通道13響應(yīng)信號DACK1DACK3，輸出、低電平有效。它們是由DMA控制器8237送往I/O接口的，用來響應(yīng)外設(shè)的DMA請求。 B27：計數(shù)結(jié)束信號T/C，輸出、正脈沖。當(dāng)DMA控制器8237計數(shù)到0時，從T/C線上輸出一正脈沖，通知外設(shè)，DMA傳送結(jié)束。 B28：地址鎖存允許信號ALE，輸出、下降沿有效。該信號由總線

6、控制器8288產(chǎn)生，在其下降沿將CPU送出的地址A19A0鎖入地址鎖存器。7.1.1 4. 時鐘與復(fù)位線 B2：系統(tǒng)總清信號RESET DRV，輸出、高電平有效。該信號有效，使系統(tǒng)各部件復(fù)位。 B20：系統(tǒng)時鐘信號CLK，輸出。該信號由OSC信號經(jīng)8284時鐘發(fā)生器三分頻后得到，頻率為4.77MHz，時 鐘周期為210ns。 B30：晶體振蕩信號OSC，該信號的頻率為14.31818MHz，周期為70ns。 5. 電源與地線 B3，B29：+5V。 B5：-5V。 B7：-12V 。 B9：+12V。 B1，B10，B31：GND。7.1.1 二、16位ISA總線 為保證16位的ISA總線與P

7、C總線的兼容， ISA總線的插座結(jié)構(gòu)中在原PC總線62芯插座的基礎(chǔ)上又增加了一個36線插座，即同一軸線上的總線插槽分為62線和36線兩段，共98線，如圖7.2所示。 下面僅對ISA總線中擴(kuò)充的36線插槽引腳功能加以說明。 1. 數(shù)據(jù)線 C18C11：高8位的數(shù)據(jù)線D15D8，雙向、三態(tài)。 2地址線 C2C8：非鎖定地址總線LA23L17，與地址線A19A0配合，使允許的尋址空間達(dá)16MB。7.1.1 3. 控制及狀態(tài)線控制及狀態(tài)線 C1：總線高8位數(shù)據(jù)有效信號BHE，輸出、高電平有效。有效時將高位數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線緩沖器的D15D8。 C9，C10：存儲器讀MEMR、寫命令MEMW。這兩個信號對全

8、部存儲空間都有效，而SMEMR和SMEMW僅對1MB以下空間有效。 D1，D2：存儲器16位片選信號MEMCS16和I/O16位片選信號I/OCS16，輸入、低電平有效。 D6，D7，D5D3：中斷請求輸入信號IRQ15IRQ10，輸入、上沿有效。其中IRQ13留給數(shù)值協(xié)處理器用，不在總線上出現(xiàn)。7.1.1 D15,D13,D11,D9：DMA請求信號DRQ7DRQ5、DRQ0，輸入、高電平有效。 D14,D12,D10,D8：DMA請求的響應(yīng)信號DACK7DACK5、DACK0， 輸出、低電平有效。 D17：DMA主設(shè)備MASTER，輸入，低電平有效。外設(shè)卡的DRQ得到確認(rèn)（DACK有效）后

9、，才產(chǎn)生MASTER，從此該外設(shè)接口卡保持對總線的控制，直到MASTER無效。 4電源與地線電源與地線 D16：+5V。 D18：GND。7.1.2 EISA系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 EISA總線既保持了與PC總線和ISA總線的100%兼容，又能較好地滿足了32位微處理器的數(shù)據(jù)傳輸要求，支持多個總線主控部件、突發(fā)式傳送。7.1.3 VESA和和PCI局部總線局部總線 從結(jié)構(gòu)看，所謂局部總線是在ISA總線和CPU總線之間增加的一級總線。 一、一、VESA 局部總線局部總線 VESA總線是視頻電子協(xié)會同60余家公司聯(lián)合推出的一個全開放的局部總線標(biāo)準(zhǔn)VL總線。VL總線與CPU同步，數(shù)據(jù)寬度為32位，最高傳輸

10、率達(dá)132MB/s，它極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能。 VL總線主要是針對80386/80486的，因此與80486匹配最佳，它與CPU同步工作，但當(dāng)CPU工作頻率提高后，VL總線就不適應(yīng)了。7.1.3 二、二、PCI局部總線局部總線 PCI總線是以Intel公司為首的PCI集團(tuán)推出的一種局部總線標(biāo)準(zhǔn)，它定義32位數(shù)據(jù)寬度，可擴(kuò)充到64位，使用33MHz工作頻率，最大傳輸率達(dá)264MB/s（338=264），與CPU時鐘無關(guān)，支持并發(fā)工作，PCI總線主要是針對Pentium的開發(fā)和使用而設(shè)計的。 PCI局部總線除了上述的高速傳輸特性外，最突出的特點是實現(xiàn)了外部設(shè)備的自動配置功能，這也是PCI總線取代V

11、ESA總線的一個重要原因。 在一個采用了PCI總線的計算機(jī)系統(tǒng)中，允許多條總線同時存在。由此出現(xiàn)了多總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念。圖7.3是一個多總線系統(tǒng)總線的結(jié)構(gòu)框圖。第二節(jié)第二節(jié) PC外總線（外總線（2學(xué)時）學(xué)時） 外總線的種類也很多，常用的有三種：通用串行 總線（USB）、串行（RS-232C）及并行Centronics 總線。7.2.1 USB通用串行總線通用串行總線 1. 性能：對于全速操作，數(shù)據(jù)傳輸率速度為12Mb/s，而慢速操作則為1.5 Mb/s。對于全速接口，電纜長度被限制在最長5米，而對于慢速接口則限制在最長為3米。這些電纜可使用的功率為最大100mA電流，電壓為5V。如果電流值超過

12、100mA，則Windows將在該設(shè)備旁顯示一格黃色的驚嘆號。 2. 主要具有以下優(yōu)點： 可以熱插拔。 攜帶方便。 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。 可以連接多個設(shè)備。最高可連接至127個設(shè)備。7.2.1 一、一、USB連接器連接器 圖7.4給出了USB連接器的引線圖。每種連接器有4個引線，包含表7.1所示的信號。 二、二、USB數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 圖7.5是USB接收與發(fā)送電路的原理框圖。 USB串行數(shù)據(jù)采用常用傳輸編碼中反相非歸零（NRZI）編碼，圖7.6描繪了此種NRZI編碼數(shù)據(jù)的理想波形。這一編碼方法在傳送邏輯1時不改變信號的電平，但每當(dāng)信號有1變?yōu)?時，信號電平要反相。 7.2.1 三、信息包的結(jié)構(gòu)與種類三、信息包

13、的結(jié)構(gòu)與種類 USB總線的數(shù)據(jù)傳輸始終是通過信息“包”（Packet）來實現(xiàn)的。信息包是組成USB傳輸?shù)幕締挝?，信息包的結(jié)構(gòu)如圖7.7所示，它分成5個段，下面分段介紹它們的格式與功能。 1. 同步序列（同步序列（SYNC）段）段 該段跟在空閑信號之后，用作同步機(jī)制， SYNC實際上是一個其值為80H的字節(jié)。 2PID段段 該段是信息包的標(biāo)識碼，表明該包的類型屬性、傳輸方向等信息。PID的總長度由8位。 4位PID可描述16種不同的包，具體的分類情況如表7.2所示。7.2.1 3包特定信息段包特定信息段 該段是包中“真正”要傳輸?shù)男畔?，例如設(shè)備的地址、傳輸?shù)亩它c號、需要傳送的數(shù)據(jù)等。 4循環(huán)冗

14、余校驗循環(huán)冗余校驗CRC段段 該段的作用是檢驗傳輸中是否發(fā)生了錯誤，分成令牌CRC與數(shù)據(jù)CRC兩種，令牌包數(shù)量不大，僅用5位CRC校驗，生成多項式為： 數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量可能較大，為16位CRC校驗，生成多項式為：12X5XG(X)12X5X16XG(X)7.2.1 5. 包結(jié)束標(biāo)志包結(jié)束標(biāo)志EOP段段 該段是發(fā)送方發(fā)出的結(jié)束信息，此時將兩條差分?jǐn)?shù)據(jù)線D+與D-的電位同時拉低，并保持該低電壓狀態(tài)為2個位的傳輸時間，并且后接一個空閑位。 信息包是USB傳輸?shù)幕締卧?，它并不能實現(xiàn)一次獨立的傳輸事務(wù)，多個信息包的不同組合可以實現(xiàn)不同的傳輸事務(wù)。一般來說，USB總線上的傳輸事務(wù)遵循以下規(guī)則： 第一，US

15、B傳輸總是有PC主機(jī)發(fā)起的，且首先發(fā)出令牌包通知設(shè)備。 第二，并不是所有的包都由同步序列、PID、特定信息、CRC與結(jié)束這5個段組成。 第三，一般的USB傳輸事務(wù)通常需要3個信息包組成，它們是令牌包、數(shù)據(jù)包與握手包，如圖7.8所示。 第四，并不是所有的USB傳輸事務(wù)都有上述3個包組成，有些傳輸可能使用更多的包，有些傳輸則只用1個包或者2個包。一、電氣特性 其邏輯電平定義為負(fù)邏輯：邏輯“1”的電平低于-3V-15V，邏輯“0”的電平高于+3V+15V。 EIA RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換的電路如圖7.9所示。二、機(jī)械特性二、機(jī)械特性 RS-232C常用25線或9線D型

16、插件作為數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間通信電纜的連接器。DB-25及DB-9的外形如圖7.10所示。 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有25條連線，使用2l條信號線，各信號線說明如下：7.2.2 RS-232C總線總線7.2.2 1. 設(shè)備狀態(tài)信號線 DSR：數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好，輸入、高電平有效。有效時，表明MODEM或外設(shè)處于可以使用的狀態(tài)。 DTR：數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，輸出、高電平有效。有效時，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。 2. 發(fā)送控制信號線 RTS：請求發(fā)送，輸出、高電平有效。當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時，使該信號有效（高電平），向MODEM或外設(shè)請求發(fā)送。 CTS：允許發(fā)送，輸入、高電平有效。是對

17、請求發(fā)送信號RTS的響應(yīng)信號。當(dāng)MODEM或外設(shè)已準(zhǔn)備好接收終端傳來的數(shù)據(jù)，使CTS信號有效，通知終端開始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD發(fā)送數(shù)據(jù)。7.2.2 3. 接收控制信號線接收控制信號線 DCD: 載波檢出線，輸入、高電平有效。當(dāng)MODEM或外設(shè)正在接收由通信鏈路另一端的MODEM送來的載波信號時，使DCD信號有效。 RI：振鈴指示,輸入、高電平有效。當(dāng)MODEM收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效，通知終端，已被呼叫。 4. 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線 TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)，輸出。通過TXD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM或外設(shè)。 RXD：接收數(shù)據(jù)，輸入。通過RXD終端接收從MODEM或外

18、設(shè)發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。 5. 地線地線 SG，PG兩根地線，是數(shù)字地和保護(hù)地信號線。7.2.2 三、三、RS-232接口的幾種用法接口的幾種用法 遠(yuǎn)距離通信時，一般要加調(diào)制解調(diào)器MODEM，故使用的信號線較多。此時，若在通信雙方的MODEM之間采用一根專用電話線進(jìn)行通信，則只要使用1-8號信號線進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制，如圖7.11所示。 若在雙方MODEM之間采用普通電話交換線進(jìn)行通信，則還要增加RI和DTR兩根信號線進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，如圖7.12所示。 最簡單的情況下，只需要使用3根線（發(fā)送線、接收線、信號地線）便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信，如圖7.13所示。圖中2號線與3號線交叉連接是因為在直接方式時，把通信雙

19、方都當(dāng)作數(shù)據(jù)終端設(shè)備看待，雙方都可發(fā)也可收。7.2.3 Centronics總線總線 Centronics總線用于計算機(jī)與打印機(jī)或繪圖儀的連接。它是一種并行外總線，總線有36條信號線組成。Centronics標(biāo)準(zhǔn)常采用DB-36型36腳接插件作為與打印機(jī)的連接器。表7.3列出了Centronics標(biāo)準(zhǔn)中36個引線和信號之間的對應(yīng)關(guān)系。 目前經(jīng)常采用25線簡化的Centronics總線。例如PC系列機(jī)的并行接口采用25線的Centronics總線標(biāo)準(zhǔn)。Centronics總線信號定義列于表7.4。7.2.3 Centronics規(guī)定了36條線，只使用了17條線，各引線的說明如下： ：數(shù)據(jù)選通信號

20、，輸出，負(fù)脈沖有效。由主機(jī)送往打印機(jī)的選通信號，當(dāng)這個信號有效時，打印機(jī)接收主機(jī)送來的8位并行數(shù)據(jù)。 DATA0DATA7：數(shù)據(jù)信號，輸出。有主機(jī)送向打印機(jī)的8位并行數(shù)據(jù)。 ：應(yīng)答信號，輸入、負(fù)脈沖有效。打印機(jī)接收數(shù)據(jù)后，向主機(jī)發(fā)出的回答信號。 BUSY：忙信號，輸入、高電平有效。當(dāng)這個信號為低電平時，表示現(xiàn)在打印機(jī)處于空閑狀態(tài)，主機(jī)可以向打印機(jī)傳送數(shù)據(jù)。如果該線為高電平，則表示打印機(jī)現(xiàn)在不能接受數(shù)據(jù)。STBACK7.2.3 PAPER：紙盡信號，輸入、高電平有效。有效時表示打印機(jī)缺紙。 ：選中信號，輸入、低電平有效。是由打印機(jī)送給主機(jī)的信號，當(dāng)這個信號有效時，說明打印機(jī)現(xiàn)處于與主機(jī)聯(lián)機(jī)的狀態(tài)

21、。 ：自動換行信號，輸出、低電平有效。有效時打印機(jī)自動走紙一行。 ：出錯信號，輸入、低電平有效。當(dāng)打印機(jī)出現(xiàn)錯誤或故障時，打印機(jī)發(fā)出一個出錯信號給主機(jī)，要求停止送數(shù)據(jù)。 ：初始化信號，輸出、低電平有效。有效時，打印機(jī)的控制器被復(fù)位成初始化狀態(tài)。 ：選擇輸入信號，輸出、低電平有效。有效時才能將數(shù)據(jù)送到打印機(jī)中。這實際上是允許打印機(jī)工作的控制信號。 (本章結(jié)束)SLCTAUTOFEEDERRORINITIN SELECT圖7.1ISA總線引腳圖圖圖7.2 ISA總線中擴(kuò)充的總線中擴(kuò)充的36線線圖7.3 多總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖7.4A型，型，B型型USB連接器連接器表表7.1 USB引線說明引線說明線號

22、線號纜線顏色纜線顏色意義意義1紅Vcc（+5V）2白D-3綠D+4黑GND表表7.1 USB引線說明引線說明圖7.5 USB接口電路的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收原理框圖圖圖7.6 USB使用的使用的NRZI編碼編碼 圖圖7.7 信息包的結(jié)構(gòu)信息包的結(jié)構(gòu)同步序列PID包特定信息CRC結(jié)束包圖圖7.7 信息包的結(jié)構(gòu)信息包的結(jié)構(gòu)表表7.2 信息包的類型信息包的類型類型類型PID名稱名稱PID7PID0特定信息特定信息CRC描述描述Token（令牌包）SOF1010010111位幀編號5位幀開始包，幀開始標(biāo)志與幀編號，用于1ms時間片的同步OUT111000017位地址+4位端點號5位輸出包，主控制器到設(shè)備的傳輸

23、，通知設(shè)備接收數(shù)據(jù)IN011010017位地址+4位端點號5位輸入包，設(shè)備到主控制器的傳輸，要求設(shè)備發(fā)送收數(shù)據(jù)SETUP001011017位地址+4位端點號5位設(shè)置包，主控器到設(shè)備的傳輸，實現(xiàn)初始化設(shè)置Data（數(shù)據(jù)包）DATA01100001101023字節(jié)16位有偶校驗的數(shù)據(jù)包DATA10100101101023字節(jié)16位有奇校驗的數(shù)據(jù)包Handshake（握手包）ACK11010010無無確認(rèn)包，接收器確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)正確NACK01011010無無非確認(rèn)包，接收數(shù)據(jù)出錯或設(shè)備不能返回確認(rèn)信息，要求重發(fā)STALL00011110無無停止包，設(shè)備暫停而無法完成傳輸，要求主控干預(yù)使之恢復(fù)正常Special（特殊包）PRE00111100無無前導(dǎo)包，主控器希望以低速