微機(jī)原理與接口技術(shù)漆強(qiáng)版第5章總線_第1頁(yè)
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本章主要內(nèi)容總線的概念1系統(tǒng)總線2外部總線312.1總線的概念采用總線結(jié)構(gòu)后,在微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)上有很多優(yōu)越性,概括起來(lái)有以下幾點(diǎn):便于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì);標(biāo)準(zhǔn)總線可以得到多個(gè)廠商的廣泛支持,便于生產(chǎn)與之兼容的硬件板卡和軟件;模塊化結(jié)構(gòu)方式便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和升級(jí);便于故障診斷和維修,同時(shí)也降低了成本。

1.什么是總線總線是連接計(jì)算機(jī)各組成部件的公用數(shù)據(jù)通路。連接在總線上的各個(gè)部件以分時(shí)的方式共享總線,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。計(jì)算機(jī)工作的過(guò)程,實(shí)質(zhì)上就是數(shù)據(jù)流通過(guò)總線在各個(gè)部件之間流動(dòng)的過(guò)程。因此,總線也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分。指令系統(tǒng)與尋址方式的重要性在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,總線分片內(nèi)總線、片級(jí)總線和系統(tǒng)總線。片內(nèi)總線用以連接CPU內(nèi)部的各個(gè)部件,比如ALU、通用寄存器、內(nèi)部Cache等。片級(jí)總線用以連接CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口等電路,構(gòu)成所謂的主機(jī)板。系統(tǒng)總線主要用來(lái)連接外部設(shè)備。總線分類按所處位置(數(shù)據(jù)傳送范圍)片上總線芯片總線(片間總線、元件級(jí)總線)系統(tǒng)內(nèi)總線(插板級(jí)總線)系統(tǒng)外總線(通信總線)非通用總線(與具體芯片有關(guān))通用標(biāo)準(zhǔn)總線地址總線控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單總線多級(jí)總線按總線組織雙總線2025/1/166④外部總線、(系統(tǒng))外總線如并口、串口③系統(tǒng)總線、(系統(tǒng))內(nèi)總線如ISA、PCI②片(間)總線三總線形式①片內(nèi)總線單總線形式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的四層總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器寄存器控制器CPU存儲(chǔ)芯片I/O芯片主板擴(kuò)展接口板擴(kuò)展接口板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他儀器系統(tǒng)2025/1/167內(nèi)總線(插板級(jí)總線)外總線(通信總線)82025/1/168總線的性能指標(biāo)總線時(shí)鐘頻率(Hz)總線寬度(bits)總線速率(次/s)=總線時(shí)鐘頻率/總線周期數(shù)總線帶寬(bytes/s)=總線速率×(總線寬度/8)數(shù)據(jù)線(數(shù)據(jù)通路寬度)地址線(尋址空間)傳送一次數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘周期數(shù)2025/1/16101.CPU的前端總線(FSB)頻率為400MHz或800MHz,總線周期數(shù)為1/4(即1個(gè)時(shí)鐘周期傳送4次數(shù)據(jù)),位寬64bit,則FSB帶寬為多少?400×(64/8)×4=1.28GB/s或800×(64/8)×4=2.56GB/s2.PCI總線頻率為33.3MHz,位寬32/64bit,總線周期數(shù)為1,則PCI總線帶寬為多少?33.3×(32/8)×1=133MB/s或33.3×(64/8)×1=266MB/s總線帶寬的計(jì)算2025/1/1611常見(jiàn)的幾種總線組織形式2025/1/16AMBA2.0總線結(jié)構(gòu)圖高性能ARM核高性能片上RAM高性能DMAC核高帶寬片外存儲(chǔ)器接口橋鍵盤UARTTimerPIOAHBorASBAPB2025/1/1613ARM處理器核寬帶片上RAMDMA控制器寬帶外部RAM接口橋UARTPIO定時(shí)器鍵盤控制器AHB或ASB總線APB總線典型的AMBA構(gòu)架2025/1/16142.總線的作用總線的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是連接計(jì)算機(jī)的各組成部件,構(gòu)成不同規(guī)模的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);二是在各組成部件之間形成通路,實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息的傳送。采用總線結(jié)構(gòu)也有利于硬件系統(tǒng)的連接與擴(kuò)展,有利于系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。因此,如今的計(jì)算機(jī)無(wú)一例外地采用了總線結(jié)構(gòu)。3.總線的特性從使用的角度來(lái)看,總線的特性可概括為兩個(gè)方面,即分時(shí)性和共享性。共享性是指總線為掛接在其上的多個(gè)部件所共有。分時(shí)性是指同一總線可由多個(gè)部件分時(shí)使用。但是在同一時(shí)刻,只能有一個(gè)部件發(fā)送數(shù)據(jù),可有多個(gè)部件接收數(shù)據(jù)。4.總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)是指芯片之間、插板之間以及系統(tǒng)之間通過(guò)總線進(jìn)行連接和傳輸信息時(shí),應(yīng)遵守的一些協(xié)議與規(guī)范,包括硬件和軟件兩個(gè)方面。例如,總線工作的時(shí)鐘頻率、總線信號(hào)定義、電氣規(guī)范和實(shí)施總線協(xié)議的驅(qū)動(dòng)與管理程序等??偩€標(biāo)準(zhǔn)(技術(shù)規(guī)范)包括以下幾部分。①機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范:模塊尺寸、總線插頭、總線接插件及安裝尺寸均有統(tǒng)一規(guī)定。②功能規(guī)范:總線每條信號(hào)線(引腳的名稱)、功能及工作過(guò)程要有統(tǒng)一規(guī)定。③電氣規(guī)范:總線每條信號(hào)線的有效電平、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、負(fù)載能力等。5.總線的組成(1)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用來(lái)傳送數(shù)據(jù),其位數(shù)亦稱為總線的寬度。它反映的是一次傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。比如ISA總線的數(shù)據(jù)寬度為16位,PCI總線的數(shù)據(jù)寬度為32位。也就是說(shuō),ISA總線一次可以傳送16位數(shù)據(jù),PCI總線一次可以傳送32位數(shù)據(jù)。5.總線的組成(續(xù))(2)地址總線地址總線用來(lái)傳送存儲(chǔ)器或外設(shè)端口地址。無(wú)論是存儲(chǔ)器還是外部設(shè)備,所有數(shù)據(jù)按地址存儲(chǔ)。因此在數(shù)據(jù)傳送時(shí),必須先傳送地址。其中地址線的位數(shù)亦稱為地址寬度,它反映的是CPU的尋址范圍。比如ISA總線的地址寬度為20位,尋址范圍為220=1MB;PCI總線的地址寬度為32位,尋址范圍為232=4GB。5.總線的組成(續(xù))(3)控制總線控制總線用于傳送各種控制信號(hào)。在不同的總線結(jié)構(gòu)中,控制總線往往有較大的差異。不同種類總線的有效信號(hào)的定義可能不同,但是基本信號(hào)必不可少。比如,地址有效信號(hào)、讀命令、寫命令、中斷請(qǐng)求/響應(yīng)信號(hào)、總線請(qǐng)求/響應(yīng)信號(hào)等。5.總線的組成(續(xù))電源線和地線為了適應(yīng)不同設(shè)備的需要,電源線可能有多種,比如+5V、5V、+12V、12V、甚至+24V等。地線也有多條,一方面滿足接口電路板設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地線的需求,另一方面有利于提高信號(hào)傳送時(shí)的抗干擾能力。12.2系統(tǒng)總線12.2.1ISA總線ISA(IndustryStandardArchitecture,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))總線是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標(biāo)準(zhǔn),為16位體系結(jié)構(gòu),只能支持16位的I/O設(shè)備,數(shù)據(jù)傳輸速率大約是18MB/s,也稱為AT標(biāo)準(zhǔn)。ISA總線的主要性能指標(biāo)I/O地址空間:0100H~03FFH;24位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB;8/16位數(shù)據(jù)線;62+36引腳;最大位寬:16位(bit);最高時(shí)鐘最大穩(wěn)態(tài)傳輸速率:16MB/s;具有中斷功能;具有DMA通道功能;采用開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu),允許多個(gè)CPU共享系統(tǒng)資源。頻率:8MHz;ISA總線的接口信號(hào)12.2.2EISA總線EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture,擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))是EISA集團(tuán)為配合32位CPU而設(shè)計(jì)的總線擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn),1989年由工業(yè)廠商聯(lián)盟設(shè)計(jì),用于支持現(xiàn)有的ISA擴(kuò)充板,同時(shí)為以后的發(fā)展提供一個(gè)平臺(tái)。為支持ISA卡,它使用8MHz的時(shí)鐘速率,但總線提供的DMA(直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))速率達(dá)33MB/s。EISA總線的輸出/輸出(I/O)總線和微處理總線是分離的,因此I/O總線可保持低時(shí)鐘速率以支持1SA卡而微處理器總線則可以高速率運(yùn)行。EISA機(jī)器可以向多個(gè)用戶提供高速磁盤輸出。EISA總線是全32位的,所以這種設(shè)計(jì)可處理比ISA總線更多的引腳。連接器是一個(gè)兩層槽設(shè)計(jì),既能接受ISA卡,又能接受EISA卡。頂層與ISA卡相連,低層則與EISA卡相連。盡管EISA總線保持與ISA兼容的8MHz時(shí)鐘速率,但它們支持一種突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送方法,可以三倍于ISA總線的速率傳送數(shù)據(jù)。12.2.3PCI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),其英文全稱為:PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外圍部件互連專業(yè)組),簡(jiǎn)稱PCISIG。1992年推出了一種新的總線——PCI(PeripheralComponentInterconnect,外設(shè)部件互連)總線。PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)。PCI總線的特點(diǎn)PCI有32位和64位兩種,32位PCI有120個(gè)引腳,64位PCI有184個(gè)引腳,目前常用的是32位PCI。32位PCI的數(shù)據(jù)傳輸速率為133MB/s,大大高于ISA。PCI總線有如下特點(diǎn):(1)高速性(2)即插即用性(3)可靠性(4)復(fù)雜性PCI總線的特點(diǎn)(續(xù))(5)自動(dòng)配置(6)共享中斷(7)擴(kuò)展性好(8)多路復(fù)用(9)嚴(yán)格規(guī)范2.PCI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.PCI總線的主要性能支持10臺(tái)外設(shè)??偩€時(shí)鐘頻率:33.3MHz/66MHz。最大數(shù)據(jù)傳輸速率:133MB/s。與CPU及時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān)。總線寬度:32位(5V)/64位(3.3V)。能自動(dòng)識(shí)別外設(shè)。4.PCI總線的信號(hào)定義PCI總線引腳數(shù)為120條(包含電源、地、保留引腳等)。PCI信號(hào)可分為必備和可選兩大類。如果是主設(shè)備,必備信號(hào)為49條;如果是從設(shè)備,則必備信號(hào)是47條。可選的信號(hào)為51條,主要用于64位擴(kuò)展、中斷請(qǐng)求和高速緩存支持等。利用這些信號(hào)線,可以處理數(shù)據(jù)、地址信息,實(shí)現(xiàn)接口控制、仲裁及系統(tǒng)功能。5.PCI總線的應(yīng)用PCI總線的應(yīng)用十分廣泛。幾乎每臺(tái)PC及工控機(jī)均有PCI總線,且均以PCI總線為主,其他總線為輔。目前,生產(chǎn)PCI接口芯片的半導(dǎo)體廠商較多,國(guó)內(nèi)流行的主要是Plx和AMCC公司的產(chǎn)品。Plx公司主要有plx9054,plx9050,plx9080等;AMCC公司主要是S5933和S5920。12.3外部總線12.3.1RS-232C串行總線EIA(ElectronicsIndustriesAssociation)RS(RecommendedStandard)-232C是使用廣泛的串行異步通信接口。實(shí)質(zhì)上是一種標(biāo)準(zhǔn),它是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA于1962年公布,并于1969年修訂的串行接口標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)串行接口。目前,RS-232C已成為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(如計(jì)算機(jī))與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE(如調(diào)制解調(diào)器)的標(biāo)準(zhǔn)接口。利用RS-233C接口不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,也可以近距離連接兩臺(tái)通信設(shè)備。常用串行總線比較36/842025/1/161.RS-232C的引腳定義表12-29針RS-232C連接器引腳9針連接器引腳號(hào)名稱9針連接器引腳號(hào)名稱1數(shù)據(jù)載波檢測(cè)

6數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好2接收數(shù)據(jù)RxD7請(qǐng)求發(fā)送3發(fā)送數(shù)據(jù)TxD8清除發(fā)送4數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好9振鈴提示RI5信號(hào)地GND2.RS-232C的連接

3.RS-232C的電氣特征RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)采用EIA電平。它規(guī)定:高電平為+3~+15V,低電平為3~15V。實(shí)際應(yīng)用中常采用12V或15V。RS-232C可承受25V的信號(hào)電壓。要注意RS-232C數(shù)據(jù)線TxD和RxD使用負(fù)邏輯,即高電平表示邏輯0,低電平表示邏輯1,用符號(hào)MARK(傳號(hào))表示。聯(lián)絡(luò)信號(hào)線為正邏輯,高電平有效,為ON狀態(tài);低電平無(wú)效,為OFF狀態(tài)。由于RS-232C的EIA電平與微機(jī)的邏輯電平(TTL電平或CMOS電平)不兼容,所以兩者間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器件有MC1488(完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換)和MC1489(完成EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換)等芯片。目前已有更為方便的電平轉(zhuǎn)換芯片,例如MAX232、UN232等。MAX232的封裝和應(yīng)用電路圖RS-422/423、485標(biāo)準(zhǔn)與RS-232C兼容支持更高的傳輸速率支持更遠(yuǎn)的傳送距離增加信號(hào)數(shù)量改善接口的電氣特性2025/1/164312.3.2USB總線USB(UniversalSerialBus)總線的中文含義是通用串行總線,它是一種快速同步傳輸?shù)碾p向串行接口,是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NorthenTelecom等公司為簡(jiǎn)化PC與外設(shè)之間的互連而共同研究開(kāi)發(fā)的一種免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)化連接器,它支持各種PC與外設(shè)之間的連接,還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。1.USB接口的特點(diǎn)(1)速度快(2)支持熱拔插(3)可連接多個(gè)設(shè)備(4)提供內(nèi)置電源(1)USB引腳功能USB是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議,USB總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通常USB接口信號(hào)線僅由2條電源線、2條信號(hào)線組成。外觀分為A型和B型,其中又分為插頭和插座。通常連在計(jì)算機(jī)一側(cè)稱為USB插座,又叫母插,連設(shè)備一側(cè)稱為USB插頭,又叫公插。USB引腳信號(hào)引腳號(hào)名稱電纜顏色描述1VCC紅+5V2D白數(shù)據(jù)3D+綠數(shù)據(jù)+4GND黑地(2)USB硬件結(jié)構(gòu)一個(gè)USB系統(tǒng)包含3類硬件設(shè)備:USB主機(jī)(Host)USB設(shè)備(USBDevice)USB集線器(HUB)USB主機(jī)在一個(gè)USB系統(tǒng)中,當(dāng)且僅當(dāng)有一個(gè)USB主機(jī)時(shí),USB主機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)管理USB系統(tǒng);每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù);發(fā)送配置請(qǐng)求對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行配置操作;對(duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)等功能。USB設(shè)備在一個(gè)USB系統(tǒng)中,USB設(shè)備和USB集線器的總數(shù)不能超過(guò)127個(gè)。USB設(shè)備接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包,通過(guò)數(shù)據(jù)包的地址域來(lái)判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包:若地址不符,則簡(jiǎn)單地丟棄該數(shù)據(jù)包;若地址相符,則通過(guò)響應(yīng)USB主機(jī)的數(shù)據(jù)包與USB主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。USB集線器USB集線器用于設(shè)備擴(kuò)展連接,所有USB設(shè)備都連接在USB集線器的端口上。一個(gè)USB主機(jī)總與一個(gè)USB根集線器(USBrootHUB)相連。USB集線器為其每個(gè)端口提供100mA電流供設(shè)備使用。同時(shí),USB集線器可以通過(guò)端口的電氣變化診斷出設(shè)備的插拔操作,并通過(guò)響應(yīng)USB主機(jī)的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報(bào)給USB主機(jī)。一般來(lái)說(shuō),USB設(shè)備與USB集線器間的連線長(zhǎng)度不超過(guò)5m,USB系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)不能超過(guò)5級(jí)(包括USB根集線器)。USB工作原理USB總線最多可支持127個(gè)USB外設(shè)連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。USB的拓?fù)涫菢?shù)形結(jié)構(gòu),有1個(gè)USB根集線器(rootHUB),下面還可有若干集線器。一個(gè)集線器下面可接若干USB接口。USB線纜包括4條線:VCC、D+、D和GND。線纜最大長(zhǎng)度不超過(guò)5m。USB1.1的傳輸速率最高為12Mbps(低速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為1.5Mbps,高速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為12Mbps)。USB外設(shè)可以采用計(jì)算機(jī)里的電源(+5V,500mA),也可外接USB電源。USB工作原理(續(xù))在所有的USB信道之間動(dòng)態(tài)地分配帶寬。當(dāng)一臺(tái)USB外

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