第第5章章微机总线与标准1n总线是计算机中各模块之间传送信息的通道或计总线是计算机中各模块之间传送信息的通道或计算机之间传送信息的公共通道。算机之间传送信息的公共通道。n总线总线是是一组导线和相关的控制、驱动电路一组导线和相关的控制、驱动电路的的集合。集合。n总线是计算机系统各部件之间传输总线是计算机系统各部件之间传输地址地址、数据数据和和控制信息控制信息的的通道。通道。n任一时刻，只能有一个部件任一时刻，只能有一个部件/ /设备通过总线发送设备通过总线发送数据，其他部件只能处于接收状态。数据，其他部件只能处于接收状态。5.1.15.1.1 总线的基本概念2n物理特性物理特性: 总线的物理连接方式总线的物理连接方式n功能特性功能特性: : 一组总线中每一根线的功能一组总线中每一根线的功能n电气特性电气特性: : 每一根线上信号的传递方向和有效电每一根线上信号的传递方向和有效电平范围平范围n时间特性时间特性: : 每根线在什么时间有效每根线在什么时间有效5.1.25.1.2 总线标准的4个特性35.1.3 总线的分类及特点n按传送信息的类型划分按传送信息的类型划分n数据总线（数据总线（Data Bus，DB）n传输数据信息，双向三态传输数据信息，双向三态n其宽度决定了其数据传输能力其宽度决定了其数据传输能力n例如，例如，ISA总线为总线为16位，位，PCI总线为总线为32/64位位n地址总线（地址总线（Address Bus，AB）n传输地址信息，单向三态传输地址信息，单向三态n其宽度决定了微机系统的寻址能力其宽度决定了微机系统的寻址能力n例如，例如，ISA为为24位，可寻址位，可寻址16MB；PCI为为32/64位，可位，可寻址寻址4GB/224TBn控制总线（控制总线（Control Bus，CB）n传输控制信号、时序信号和状态信号传输控制信号、时序信号和状态信号n特点各异：三态、入特点各异：三态、入/出出/双向等特性均不相同双向等特性均不相同 4总线的分类及特点（按总线的规模、按总线的规模、应用应用）n片内总线：元件级总线，微处理器内部总线片内总线：元件级总线，微处理器内部总线n主板局部总线：主板上连接各插件的公共通路主板局部总线：主板上连接各插件的公共通路nISA： Industry Standard ArchitecturenEISA: Extended Industry Standard ArchitecturenVESA: Video Electronics Standard ArchitecturenPCI: Perpheral Component InterconnectnAGP: Accelerated Graphics Portn系统总线：模块式微型计算机机箱内的底板总线系统总线：模块式微型计算机机箱内的底板总线nMULTI BUS I ，MULTI BUS IInSTD BUS nVEM BUSnFUTURE BUSn通信总线：通信总线： 外总线或设备总线外总线或设备总线55.5.2 2 总线的结构n微机系统各部件与总线的连接方式微机系统各部件与总线的连接方式 单总线结构单总线结构 双总线结构双总线结构 多总线结构多总线结构6单总线结构CPU M M I/O I/O I/On缺点：高速的存储器与低速的缺点：高速的存储器与低速的I/O接口竞争总线，影接口竞争总线，影响了存储器的读写速度响了存储器的读写速度7双总线结构n面向面向CPU的双总线结构的双总线结构CPU M I/O I/O I/On缺点：存储器与缺点：存储器与I/O设备的数据传输必须通过设备的数据传输必须通过CPU8双总线结构n面向存储器的双总线结构面向存储器的双总线结构CPU M I/O I/O I/O9多总线结构n系统中拥有两个以上的总线系统中拥有两个以上的总线105.3.15.3.1 总线的基本功能n数据传送控制数据传送控制n仲裁控制仲裁控制n数据校验与纠错数据校验与纠错n隔离与驱动隔离与驱动11一、总线传送控制n同步方式同步方式n收、发双方严格地按统一的基准时钟信号执行相应的动作n不适合于在同一系统中既有高速部件又有低速部件的环境nPCI总线属于同步方式总线n异步方式异步方式n传输过程无需统一时钟的同步，用“请求”和“应答”信号来协调n传输速度慢n半同步方式半同步方式n总体上仍是同步方式(使用基准时钟)，传输操作与时钟同步n设置“等待”状态线，在无法按时完成操作时，用此状态线强制对方延长一个或多个时钟周期nISA总线即属于半同步方式总线12同步方式的时序地址地址数据数据时钟时钟总线周期总线周期总线周期总线周期时钟周期时钟周期13异步方式的时序地址地址/数据数据(发送方发送方)请求请求(接收方接收方)应答应答14半同步方式的时序地址地址数据数据时钟时钟就绪就绪等待一个时钟周期等待一个时钟周期15n多个设备都要使用总线时，决定由哪个设备使多个设备都要使用总线时，决定由哪个设备使用总线的方法。用总线的方法。n80x86微机中采用的是独立请求方式微机中采用的是独立请求方式二、总线的仲裁控制链式查询方式链式查询方式计数器查询方式计数器查询方式独立请求方式独立请求方式16三、总线隔离与驱动n不操作时把功能部件与总线隔离不操作时把功能部件与总线隔离n同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上n提供驱动能力提供驱动能力n数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件n提供锁存能力提供锁存能力n 信息缓存和信息分离17总线电路中常用的芯片n三态总线驱动器三态总线驱动器n驱动、隔离n单向、双向n锁存器锁存器n信息缓存（有些同时具有总线驱动能力）n信息分离（如地址与数据的分离）18三态总线驱动器输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE19典型总线驱动器芯片n8286 / 74LS245 8双向总线驱动器双向总线驱动器n内部包含8个双向三态门828674LS245A0A1A2A3A4A5A6A7OEB0B1B2B3B4B5B6B7TnOE：输出允许。n T： 方向。 T=0，BA；T=1，AB20典型总线驱动器芯片n74LS244 8总线驱动器n内部包含8个单向三态门，分为两组分别控制74LS244E1E21A11A21A31A42A12A22A32A41Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41组输出组输出2组输出组输出1组输入组输入2组输入组输入21锁存器DCPQQCP D Q Q 0 0 1 1 1 0DCPQOEOCP D Q 0 0 1 1ISTB22典型锁存器芯片n8282 / 74LS373 具有三态正相输出的锁存器具有三态正相输出的锁存器n内部包含8个D触发器828274LS3738D锁存器锁存器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7STBDO0DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7OE235.3.5总线的主要性能指标n总线带宽（总线带宽（B/S）：）：每秒可传送的字节数每秒可传送的字节数n总线位宽（总线位宽（bit）：）： 一次传送的数据位数一次传送的数据位数n工作频率（工作频率（MHz）n挂接设备数量挂接设备数量n总线带宽总线带宽=（总线位宽（总线位宽/8）工作频率工作频率例1：P4 CPU的FSB频率为400MHz或800MHz，位宽为64bit。 FSB带宽：40064/8=3.2GB/s 或 80064/8=6.4GB/s例2：PCI总线的频率为33.3MHz，位宽为32bit或64bit。 PCI带宽：33.332/8=133MB/s 或 33.364/8=266MB/s245.45.4 常用局部总线n常用总线标准常用总线标准nISA（工业标准体系总线）nIndustry Standard ArchitecturenPCI（外围部件互连总线）nPeripheral Component Interconnectn常用接口标准常用接口标准nAGP（加速图形接口）nAccelerated Graphics PortnIDE（集成设备接口），又称ATA接口nIntegrated Device ElectronicsnSCSI（小型计算机系统接口）nSmall Computer System Interface n外部总线外部总线nUSB（通用串行总线）nIEEE 1394（高性能串行总线）25一、ISA总线n主要特性主要特性n16位数据线（早期的为8位，已被淘汰）n24位地址线（可寻址16MB存储器）n时钟频率8MHzn数据传输率16MB/sn提供11个中断请求输入n提供7个DMA通道n用于80286PIII（个别P4微机也支持）26ISA总线插槽n外形见外形见P121，共共98个引线个引线n主要引线信号：主要引线信号：nSA0SA19（锁存的），LA17LA23（非锁存的）（地址）nSD0SD15（数据）nSBHE（高字节允许）nMEMR、MEMWnIOR、IOW nAEN（地址允许，1表示处于DMA控制周期）nIRQ3IRQ7、IRQ9IRQ11、IRQ14、IRQ15 nDRQ0DRQ3、DRQ5DRQ7nDACK0DACK3、DACK5DACK7 注：注：ISA总线的总线的DMA操作和操作和I/O操作使用相同的地址线、数据线和操作使用相同的地址线、数据线和I/O读写控制线读写控制线（IOR和和IOW），），所以所以AEN应参加应参加I/O地址译码。地址译码。27简单的ISA总线接口(输入接口)D7-D0D7-D0A/D转换器转换器模拟量输入STARTREADY数字量输出INE1 E21Y2Y1A2A74LS244CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS1381100 0000 0000 0000B 1100 0000 0010B转换结束启动转换D0C000H 读数据读数据C001H 启动转换启动转换C002H 读转换状态读转换状态A2A1A01A13-A3&A15A14AENIORISA总总线线28简单的ISA总线接口(输出接口)驱动驱动电路电路D7-D0CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138A2A1A01A13-A3&A15A14AENIOWISA总总线线STBOE74LS373DI7DI0DO7 DO0发光发光器件器件组合组合C000H 改变灯光图案样式改变灯光图案样式选通选通29nPCI总总线线是是1991下下半半年年由由Intel公公司司首首先先提提出出的的，并并与与IBM、Compaq、AST、HP和和DEC等等100多多家家公公司司联联合合，于于1993年年推出的推出的PC局部总线标准局部总线标准PCI总线。总线。nPCI总总线线目目前前有有4个个主主要要的的标标准准规规格格，分分别别支支持持32位位与与64位位，其下又细分成其下又细分成3.3V和和5V两种信号。两种信号。nPCI的的 含含 意意 为为 周周 边边 器器 件件 互互 连连 （ Peripheral Component Interconnect）。PCI总总线线能能够够配配合合要要求求彼彼此此间间快快速速访访问问或或快快速速访访问问系系统统存存储储器器的的适适配配器器工工作作，也也能能让让处处理理器器以以接接近近自自身身总线全速的速度访问适配器。总线全速的速度访问适配器。二、PCI总线30PCI总线特点n独立于微处理器；独立于微处理器；n支持即插即用功能；支持即插即用功能；n通过通过PCI桥与桥与CPU连接（北桥）连接（北桥）n总线宽度：总线宽度：32/64位；位；n工作频率：工作频率：33.3MHz/66.6MHzn传送速率：传送速率：n32位PCI总线：133MB/s，266MB/sn64位PCI总线：266MB/s，533MB/s PCI总总线体系线体系31PCI总线插槽n外形见外形见P124，共共62根引线（根引线（64位位PCI有有94根）根）n包括：包括：n系统接口信号（时钟、复位等）n地址与数据（复用）信号（AD0-AD31）n接口控制信号（主从设备控制信号等）n总线仲裁信号（总线请求、总线允许）n错误报告信号（系统错、奇偶错）n中断控制信号（中断请求）n64位总线扩展信号（AD32-AD63、字节选择等）n高速缓存支持信号32nPCI、扩扩展展、处处理理器器和和存存储储器器总总线线间间的的基基本本关关系如图系如图5.11所示。所示。 n总线传输机制总线传输机制n存储器读写采用突发传输（要求地址必须连续）n包括一个地址期和多个数据期nI/O读写不支持突发传输，每次仅读写一个数据33图 PCI系统 34n（1）Host/PCI桥桥，常常称称为为北北桥桥（North Bridge），连连接主处理器总线到基础接主处理器总线到基础PCI总线。总线。n（2）PCI/ISA桥桥，常常称称为为南南桥桥（South Bridge），连连接接基基础础PCI总总线线到到ISA（或或EISA）总总线线，南南桥桥通通常常含含中中断断控控制制器器、IDE控控制制器器、USB主主控控制制器器和和DMA控控制制器器。北北桥桥和和南南桥桥构构成成芯芯片组。片组。n（3）在在基基础础PCI总总线线或或PCI插插卡卡上上，可可以以嵌嵌入入一一个个或或多多个个PCI-PCI桥。桥。n（4）一个芯片组可以支持多于一个北桥）一个芯片组可以支持多于一个北桥35三、AGP接口n不是系统总线不是系统总线n高速图形接口，在视频卡与内存之间提供一条直接的通路（不再通过高速图形接口，在视频卡与内存之间提供一条直接的通路（不再通过PCI传输，传输，32位位PCI的传输速率最高的传输速率最高266MB/s）。）。n图形、纹理、Z轴距离、Alpha变换等数据的数据量为370840MB/sn4种模式（注意：种模式（注意：1X/2X与与4X/8X不兼容，不兼容，3.3V/1.5V）n1X（66MHz，266MB/s）n2X（133MHz，533MB/s ）n4X（266MHz，1066MB/s ）n8X（533MHz，2133MB/s ）n系统中只支持一个系统中只支持一个AGP扩展插槽（点对点）扩展插槽（点对点）36四、USB总线(Universal Serial Bus)nUSB概况概况n主机与外设的通用接口，可用于不同的设备n串行、打包传送n2根数据线电源地线n两个版本：n1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s）n设备连线最长5米n即插即用n必须要有USB主机存在，设备不能独立工作37USB总线的优点n易于使用易于使用n即插即用，可热插拔；nWindowsNT/2000/XP/2003下不需安装驱动程序n具级联方式，并可智能识别链上外围设备的插拔；n易于连接n主板上提供26个USB接口，通过集线器最多可支持127个外设n4芯电缆（D、-D、+5V、GND） 38USB总线的优点n传送速率可满足大多数外设要求传送速率可满足大多数外设要求n1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0）n可靠性高可靠性高n能进行错误校验和控制，且由硬件实现n低成本低成本n主板已集成USB接口n设备端的USB接口控制芯片很便宜 n低功耗低功耗n不工作时能够自动进入休眠状态，并能自动恢复 39USB设备及拓扑结构nUSB设备设备 集线器集线器 扩展接口数量扩展接口数量 功能部件功能部件 即即USB设备设备 复合部件复合部件 40五、IEEE 1394总线n可用于数字化视频、音频，硬盘可用于数字化视频、音频，硬盘n结构类似于结构类似于USB，树形拓扑树形拓扑n串行、打包传送n6芯电缆：4根信号线电源地线n设备之间距离最大4.5米，总长度为50100米n设备可独立工作，无需微机的控制设备可独立工作，无需微机的控制n设备之间可直接连接，如数字摄像机连接到电视机n最大传输速率：最大传输速率：400MB/s（将来可达将来可达3.2GB/s）n100MB/s，200MB/s，400MB/sn支持异步和同步两种传输模式支持异步和同步两种传输模式n支持带电插拔和即插即用支持带电插拔和即插即用n可提供可提供8V40V/1.5A的电源的电源n一个接口上可连接一个接口上可连接63台设备台设备41六、IDE接口（ATA）n主要用于硬盘主要用于硬盘/光驱光驱/磁带驱动器磁带驱动器n现已发展为现已发展为EIDE（增强的增强的IDE）和串行和串行ATA（SATA）n已集成到硬盘驱动器中，无需接口卡已集成到硬盘驱动器中，无需接口卡n主板提供主板提供2-4个接口个接口n每接口可连接2个硬盘（主/从）n数据传输方式：数据传输方式：nPIO方式：PIO0PIO4（3.3MB/s16.6MB/s）n40针接口，扁平电缆n硬盘最大容量528MBnDMA方式：DMA0DMA2（11MB/s16.6MB/s）n40针接口n硬盘最大容量8.4GBnUDMA方式：UDMA3UDMA6（33.3MB/s133MB/s）n80针接口，地线和信号线交叉排列n通过特殊的扩展BIOS，可支持200GB以上的硬盘42n硬盘接口模式硬盘接口模式nIDE接口：可以接两个硬盘驱动器，使用标准的 IO端口指令来传送所有的命令、状态、数据。一般主板上集成了两个40针的双排针IDE接口插座，分别标注为IDE1和IDE2。nEIDE接口：较IDE接口有很大改进，目前最流行。可以支持4个硬盘，包括光盘驱动器，较高的数据传送速率。nSCSI接口：SCSI接口可同时连接7个外设；更高的数据传输速率；但成本较高。一般用于工作站、服务器等高档计算机。43六、SCSI接口44