微機(jī)原理第三版第6章

第6章微機(jī)總線技術(shù)

6.1總線概述

6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線

6.3外總線1一、總線概念

6.1總線概述

總線是在模塊與模塊之間或者設(shè)備與設(shè)備之間傳送信息的一組公用信號(hào)線?？偩€在微機(jī)系統(tǒng)中起著重要的作用，目前已將其作為一個(gè)獨(dú)立的功能部件來看待?？偩€上的模塊或設(shè)備采用分時(shí)方式，輪流交替使用總線，同一時(shí)刻只能有一個(gè)模塊向總線發(fā)送信息，允許多個(gè)模塊同時(shí)接收總線上的信息26.1總線概述

總線特點(diǎn)：現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)廣泛采用總線結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）大大減少連線數(shù)目（3）便于接口設(shè)計(jì)（4）便于系統(tǒng)的擴(kuò)充（5）便于設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)和故障的診斷、維修等缺點(diǎn)：部件或設(shè)備間信息傳輸率受總線帶寬的限制（帶寬已定，無法改變）；總線一旦出現(xiàn)故障，則依賴該總線的系統(tǒng)會(huì)陷于癱瘓。36.1總線概述

二、總線分類1、按傳送信息的內(nèi)容分類

，有地址、數(shù)據(jù)、控制總線2、按照總線的層次位置分類，有片內(nèi)總線、片總線、系統(tǒng)總線和外總線4種。片內(nèi)總線位于集成電路芯片（如CPU或I/O）內(nèi)部，用于片內(nèi)各功能單元之間的互連，如ALU與各寄存器之間的互連；片總線也稱為元件級(jí)總線或局部總線，用于單板計(jì)算機(jī)或一塊CPU插件板的電路板內(nèi)部芯片一級(jí)的連接；統(tǒng)總線用于微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各插件板與系統(tǒng)板之間的連接，是微機(jī)系統(tǒng)中最重要的一種總線，通常所說的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線指的就是這種總線；外總線（又稱為通信總線）用于系統(tǒng)之間的連接，如微機(jī)系統(tǒng)之間、微機(jī)系統(tǒng)與某種儀器或其它設(shè)備之間的連接。46.1總線概述

總線按位置分類56.1總線概述

三、總線標(biāo)準(zhǔn)和性能指標(biāo)

1、總線標(biāo)準(zhǔn)

總線標(biāo)準(zhǔn)一般包含4個(gè)內(nèi)容：物理特性：定義總線物理形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局，規(guī)定總線的形式及具體位置等機(jī)械特性：定義總線機(jī)械連接特性，其性能包括接插件的類型、形狀、尺寸、牢靠等級(jí)、數(shù)量和次序等。功能特性：定義總線各信號(hào)線功能電氣特性：定義信號(hào)的傳遞方向、工作電平、負(fù)載能力的最大額定值等。66.1總線概述

2、總線的性能指標(biāo)

總線帶寬又稱總線最大傳輸率，是指單位時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，可用字節(jié)數(shù)/秒（B/s）或比特?cái)?shù)/秒（b/s）表示總線位寬是指總線上能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，用bit（位）表示。常見的總線位寬有1位、8位、16位、32位、64位等

總線工作頻率是指用于控制總線操作周期的時(shí)鐘信號(hào)頻率，所以也叫總線時(shí)鐘頻率，通常以MHz為單位。總線帶寬與總線位寬、總線工作頻率的關(guān)系為：總線帶寬＝總線位寬×總線工作頻率

76.1總線概述

四、總線控制方式系統(tǒng)總線上的數(shù)據(jù)是在主模塊（主設(shè)備）的控制下進(jìn)行的，主模塊有控制總線的能力，總線完成一次數(shù)據(jù)傳輸分為4個(gè)階段：總線請(qǐng)求和仲裁階段：欲使用總線的主模塊提出申請(qǐng)，總線仲裁器確定把下一個(gè)傳輸周期的總線使用權(quán)分配給那個(gè)模塊。尋址階段：獲得總線使用權(quán)的主模塊發(fā)出存儲(chǔ)器地址或I/O端口地址，使從模塊啟動(dòng)傳輸階段：主模塊和從模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)束階段：主從模塊的有關(guān)信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線。86.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線在微機(jī)系統(tǒng)的各級(jí)總線中，系統(tǒng)總線（包括用于擴(kuò)展模塊的“局部總線”）是最重要的總線，它的性能與整個(gè)系統(tǒng)的性能有直接的關(guān)系目前PC系列微機(jī)常用的總線有ISA、PCI、AGP、USB、1394等。其中ISA為系統(tǒng)總線，PCI是局部總線（內(nèi)部總線），其他的是外部總線。在進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)，要仔細(xì)了解總線信號(hào)功能，總線時(shí)序、驅(qū)動(dòng)能力等。要求了解PC系列微機(jī)中各種總線的主要特點(diǎn)，應(yīng)用范圍。下面主要介紹ISA、PCI、AGP、USB、1394等總線96.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線一、ISA總線ISA（IndustryStandardArchitecture)總線也稱為AT總線,是IBM公司于1984年為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它同8位的PC/XT總線保持了兼容，是8/16位的系統(tǒng)總線，最大傳輸率僅為8MB/s，但允許多個(gè)CPU共享系統(tǒng)資源。由于ISA的兼容性好，所以其在上個(gè)世紀(jì)80年代是最廣泛采用的系統(tǒng)總線。106.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線1、ISA總線的主要性能和特點(diǎn)（1）ISA總線具有比XT總線更強(qiáng)的支持能力（2）ISA總線是一種多主控模塊總線，允許多個(gè)主控模塊共享系統(tǒng)資源（3）ISA總線可支持8種類型的總線周期

（4）ISA共包含98條引腳信號(hào)，它們是在原XT總線62線引腳的基礎(chǔ)上再擴(kuò)充36線而成的116.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線ISA總線插槽示意圖

126.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線

98條線分為5類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、時(shí)鐘線、電源線地址線:SA0--SA19和LA17--LA23，后者為非鎖存信號(hào)數(shù)據(jù)線:SD0--SD7、SD8--SD15控制線:AEN、BALE、IOR、IOW、SMEMR、SMEMW、MEMR、MEMW、MEMCS16、I/OCS16、SBHE、IRQ3--IRQ7、IRQ10--IRQ15、DRQ0--DRQ3、DRQ5--DRQ7、DACK0--DACK3、DACK5--DACK7、T/C、MASTER、RESETDRV、I/OCHCK、I/OCHRDY、OWS時(shí)鐘線CLK（ISA總線更名為：SYSCLK）電源、地線等（+5VDC何GND）136.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線2、主要控制信號(hào)?AEN：地址允許，輸出。AEN=1,DMAC控制總線。?BALE：地址鎖存允許，輸出。?IOR,IOW：I/O讀與寫。?SMEMR,SMEMW：系統(tǒng)存儲(chǔ)器讀/寫。（PC/XT）?MEMR，MEMW：對(duì)整個(gè)內(nèi)存空間內(nèi)任一地址的讀/寫。?MEMCS16,IOC/S16：16為內(nèi)存片選和16位I/O片選。?SBHE：系統(tǒng)總線高字節(jié)允許。?IRQ3~IRQ7,IRQ10~IRQ15：中斷請(qǐng)求信號(hào)。（主片與從片的8259A輸入）146.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線–DRQ0~DRQ3：DMA請(qǐng)求信號(hào)。

–DRQ5~DRQ7：第二片DMA請(qǐng)求信號(hào)。–DACK0~DACK3：DMA響應(yīng)信號(hào)。–DACK5~DACK7：第二片DMA響應(yīng)信號(hào)。–T/C：由DMAC送出，表明某一DMA通道傳送已經(jīng)結(jié)束。–MASTER：總線主控信號(hào)，輸入；表明該設(shè)備控制總線。

–RESETDRV：復(fù)位驅(qū)動(dòng)，輸出；表明上電復(fù)位。–I/OCHCK：I/O通道檢查，輸入；故障報(bào)告（用NMI）。–I/OCHRDY：I/O通道就緒，輸入；用于周期延長。

–OWS：零等待，輸入；通知CPU不需附加任何等待周期。15二、PCI總線6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線1、PCI總線概述

PCI是一種先進(jìn)的局部總線，已成為局部總線的新標(biāo)準(zhǔn)PCI總線（PeripheralComponentInterconnect）。該總線由PCI專門權(quán)益組織負(fù)責(zé)制定。它是一種不依賴微處理器的局部總線。

1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團(tuán)(外圍部件互連專業(yè)組織)，簡稱PCISIG。PCI-X總線傳輸率峰值為1066MB/s，采用分散處理方式，消除了等待狀態(tài)，是共享總線結(jié)構(gòu)式向交換式總線過渡的產(chǎn)物162、PCI總線的主要性能和特點(diǎn)（1）高吞吐量總線時(shí)鐘頻率33.3MHz/66.6MHz（2）支持線性突發(fā)傳輸

（3）支持多主控器

（4）減少存取延遲

（5）支持即插即用

（6）獨(dú)立于處理器

（7）數(shù)據(jù)完整

（8）適用于多種機(jī)型

（9）低成本、高可靠性

6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線173、PCI總線的連接方式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線18結(jié)構(gòu)說明：處理器總線（第一級(jí)總線）提供的高速數(shù)據(jù)通道一般給CPU、Cache和主存使用。PCI橋路（北橋），用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)PCI總線所需的全部控制。CPU總線和PCI總線之間的控制芯片習(xí)慣上稱為北橋芯片。南橋，PCI總線可以掛接其他標(biāo)準(zhǔn)總線的控制器電路。它將PCI總線轉(zhuǎn)換成其他標(biāo)準(zhǔn)總線，如ISA、EISA、MCA等。

PCI-PCI橋路，PCI總線的驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，可采用多級(jí)PCI總線擴(kuò)展PCI結(jié)構(gòu)6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線194．PCI總線引腳信號(hào)6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線206.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線引腳信號(hào)總數(shù)120條，包括電源、地、保留信號(hào)線等，分為兩類：必選引腳主設(shè)備49條，從設(shè)備47條（包括多路復(fù)用信號(hào)）可選引腳51條，用于64位擴(kuò)展、中斷請(qǐng)求、高速緩存支持等216.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線主要引腳信號(hào)地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)：AD0~AD31總線命令與字節(jié)選擇：C/BE0~BE3地址與數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)信號(hào)：PAR時(shí)鐘與復(fù)位信號(hào)：CLK，RST幀同步信號(hào)：FRAME，表示總線訪問的開始和持續(xù)，該信號(hào)失效表示傳輸?shù)氖亲詈笠粋€(gè)數(shù)據(jù)。主控設(shè)備準(zhǔn)備就緒：IRDY從設(shè)備準(zhǔn)備就緒：TRDY停止信號(hào)：STOP，從設(shè)備要求主設(shè)備停止當(dāng)前的傳輸周期。設(shè)備選擇信號(hào)：DEVSEL，由從設(shè)備發(fā)出表示該設(shè)備地址譯碼有效。22三、AGP總線

6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線1、AGP概述AGP（Accelerategraphicalport，加速圖形接口）是一種顯示卡專用的局部總線，由美國Intel公司于1996年提出。嚴(yán)格來說，AGP不能被稱為總線，但人們習(xí)慣上仍然稱之為“AGP總線”。是因?yàn)樗cPCI總線不同，它僅在AGP控制芯片和AGP顯示卡之間提供了點(diǎn)到點(diǎn)的連接，AGP是基于PCI2.1規(guī)范的，工作頻率是66MHz，其直接與主板的北橋芯片相連，且通過該接口讓顯示芯片與系統(tǒng)內(nèi)存直接相連，避免了窄帶寬的PCI總線形成的系統(tǒng)瓶頸，增加了3D圖形數(shù)據(jù)的傳輸速度；同時(shí)在顯存不足的情況下可調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)存，所以它擁有較快的傳輸速度236.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線2、AGP總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)243、AGP規(guī)范的技術(shù)要點(diǎn)和性能特點(diǎn)6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線技術(shù)要點(diǎn)：建立顯卡與系統(tǒng)之間的專用信息高速傳輸通道；采用DME（DirectMemoryExecution，系統(tǒng)內(nèi)存直接操作）技術(shù)性能特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)讀/寫操作的流水線操作（2）具有2×、4×、8×數(shù)據(jù)傳輸頻率（3）地址信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)分離（4）并行操作25四、新型總線PCIExpress6.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線1、PCIExpress概述PCIExpress（原名3GIO，第3代I/O總線）是由Intel等開發(fā)的一種新型高速串行I/O互連接口，它將全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實(shí)現(xiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。PCIExpress的主要優(yōu)勢是數(shù)據(jù)傳輸率高，目前PCIExpress3.0雙向16通道帶寬最高可達(dá)到32GB/s，而且還有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?。PCIExpress也有多種規(guī)格，從PCIExpress1X到PCIExpress16X，能滿足現(xiàn)在和將來一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的低速設(shè)備和高速設(shè)備的需求266.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線2、PCIExpress主要特點(diǎn)（1）采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，能夠?yàn)槊恳粋€(gè)設(shè)備分配獨(dú)享通道，徹底消除設(shè)備間由于共享資源帶來的總線競爭現(xiàn)象（2）每個(gè)引腳都可以實(shí)現(xiàn)高帶寬。（3）可變更的總線寬度。（4）低功耗，并具備電源管理功能。（5）設(shè)備可以熱插拔、熱交換。（6）采用QOS（Qualityofservice）連接方式和仲裁機(jī)制。（7）支持同步數(shù)據(jù)傳輸。（8）通過主機(jī)芯片進(jìn)行基于主機(jī)的傳輸，并通過開關(guān)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。（9）分包和分層協(xié)議架構(gòu)。276.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線（10）每個(gè)物理連接可以作為多個(gè)虛擬通道。（11）終端到終端和連接機(jī)數(shù)據(jù)校驗(yàn)。（12）PCI級(jí)的錯(cuò)誤處理機(jī)制，先進(jìn)的錯(cuò)誤報(bào)告功能。（13）使用小型接口節(jié)省空間。（14）在軟件級(jí)兼容PCI，而不是在板卡或接口級(jí)286.2PC系列微機(jī)中的系統(tǒng)總線3、PCIExpress的體系結(jié)構(gòu)

采用分層設(shè)計(jì)，就像網(wǎng)絡(luò)通信中的7層OSI結(jié)構(gòu)一樣，這樣有利于跨平臺(tái)的應(yīng)用296.3外總線一、RS-232C總線1、RS-232C總線概述RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為國際上通用的總線標(biāo)準(zhǔn)。其共有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般的通信僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線，最大通信距離為15m。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸率為每秒50波特到19200波特不等，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載。RS-232C的特點(diǎn)是信號(hào)線少，傳送率有多種，抗干擾能力強(qiáng)，傳送距離較遠(yuǎn)306.3外總線2、RS-232C的連接RS-232C廣泛用于數(shù)字終端設(shè)備如微機(jī)與MODEM之間的接口，以實(shí)現(xiàn)通過電廣泛用于數(shù)字終端設(shè)備如微機(jī)與MODEM之間的接口，實(shí)現(xiàn)通過電話線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)使用一個(gè)25針引腳，但絕大多數(shù)設(shè)備只使用其中9個(gè)信號(hào)，所以就有了9針引腳316.3外總線2、RS-232C的連接326.3外總線二、USB總線1、USB總線概述USB是計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備連接的最新一代標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)連接端口各有各自不同的接頭，而USB可以將所有支持USB規(guī)格的外圍設(shè)備直接串接起來，最多可串接127個(gè)外圍設(shè)備，同時(shí)具有即插即用的便利性，即計(jì)算機(jī)不必重新開機(jī)就可將外圍設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接或拆卸，目前Windows98及以上版本都已支持USB標(biāo)準(zhǔn)2、USB總線主要特點(diǎn)（1）易于使用（2）速度較快（3）可靠性高（4）低成本、低功耗336.3外總