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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,第15章 總線技術(shù),湖南中醫(yī)藥大學(xué) 王志輝,,本章教學(xué)重點,PCI的特點和層次化結(jié)構(gòu),總線的分類和性能指標(biāo),,基本概念,,總線（BUS），是指在計算機(jī)系統(tǒng)中的各部件之間、設(shè)備與設(shè)備之間傳遞信息的一組公用的信號線。微型計算機(jī)系統(tǒng)中的各種操作，如CPU與存儲器之間是數(shù)據(jù)傳遞、CPU內(nèi)部的寄存器操作、CPU的中斷操作等，無不通過總線進(jìn)行信息的交換。,,15.1 總線的分類和性能指標(biāo),,計算機(jī)系統(tǒng)中，任何總線均包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的三總線結(jié)構(gòu)。按PC機(jī)系統(tǒng)的,不同層次結(jié)構(gòu),劃分，總線
2、可分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部接口總線。,,1．內(nèi)部總線,片內(nèi)總線是,在集成電路芯片內(nèi)部,，用來,連接各功能單元的,信息通路。例如CPU芯片中的內(nèi)部總線，它是ALU寄存器和控制器之間的信息通路。,2．局部總線,局部總線是,部件（插件板）內(nèi)各芯片之間互連的總線,，又稱芯片級總線。它是中央處理器模塊或一個很小系統(tǒng)所用的總線。例如CPU及其支持芯片與其局部資源之間的通道。,,3．系統(tǒng)總線,系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線，它是指微型計算機(jī)箱內(nèi)的,底板總線,，用來連接,構(gòu)成微型機(jī),的各插件板?？梢允怯脕頂U(kuò)展某塊CPU板的局部資源，或是總線上所有CPU板擴(kuò)展共享資源之間的通信通道。,4．外部總線,外部總線又稱通信總線
3、，它是,微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間,、,微機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備,或,微機(jī)系統(tǒng)和儀器儀表之間,的通信通道。這種總線的數(shù)據(jù)傳輸方式可以是,并行或串行,。例如，串行通信的RS-232C總線、用于硬磁盤接口的IDE、SCSI；用于并行打印機(jī)的Centronic總線等。,,總線分類,,7,,,按,所處位置,,(數(shù)據(jù)傳送范圍),內(nèi)部總線,局部總線,（片間總線、元件級總線）,系統(tǒng)總線,（插板級總線）,外部總線,（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,時序關(guān)系,,(握手方式),同步,異步,半同步,同步,異步,,,,,,,,
4、8,微機(jī)的典型多級總線結(jié)構(gòu),存儲總線,高速IO總線,低速IO總線,,9,,10,微機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)總線（插板級總線）,,11,微機(jī)系統(tǒng)中的外總線（通信總線）,,常用的系統(tǒng)總線,,系統(tǒng)總線是系統(tǒng)板與外圍設(shè)備之間的信息通道。在微機(jī)中系統(tǒng)總線的種類很多，有PC總線、ISA總線、MCA微通道總線、EISA總線、VESA局域總線、PCI總線、ASUS多媒體總線和APG總線，目前采用最多的是,PCI總線，最為流行的是AGP總線,。,,總線標(biāo)準(zhǔn),,總線標(biāo)準(zhǔn)的概念與特性,,總線標(biāo)準(zhǔn),：指芯片之間、擴(kuò)展卡之間以及系統(tǒng)之間，通過總線進(jìn)行連接和傳輸信息時，應(yīng)該遵守的一些協(xié)議與規(guī)范。,,ISA總線,,PCI總線,,PCI
5、-Express總線,,IEEE1394總線,,USB總線,,串行總線,,2 總線的性能指標(biāo),,總線的性能指標(biāo),,總線頻率,：總線的工作頻率，以MHz表示。它是總線工作速度的一個重要參數(shù)，工作頻率越高，速度越快。,,總線寬度,：是指,數(shù)據(jù)總線,的位數(shù)，用bit（位）來表示。如8位、16位、32位、64位總線寬度。,,總線的數(shù)據(jù)傳輸率,：是指在一定的時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)總量，用每秒最大傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)量來表示。,總線的數(shù)據(jù)傳輸率=（總線寬度/8位）×總線頻率,單位是MB/s，總線頻率以MHz為單位。如PCI總線的總線頻率為33.3MHz，總線寬度為32位的情況下，其數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/s。,
6、,PCI插槽是基于PCI局部總線(Pedpherd Component Interconnect，外圍部件互聯(lián)組合)的擴(kuò)展插槽，其顏色一般為乳白色，位于主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。,,PCI總線位寬為32位或64位,，,工作頻率為33MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位),。,,可插接顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、內(nèi)置Modem、內(nèi)置ADSL Modem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、電視卡、視頻采集卡以及其它種類繁多的,擴(kuò)展卡,。,,PCI插槽是主板的,主要擴(kuò)展插槽,，通過插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實現(xiàn)的幾
7、乎所有功能，是名副其實的,“萬用”擴(kuò)展插槽,。,15.2 PCI的特點和層次化結(jié)構(gòu),,PCI插槽實物照片,,16,,1 PCI概況,先后推出三代PCI總線：PCI、PCI-X、PCI Express,2 PCI特點,高傳輸率：,64,位傳輸，傳輸率達(dá)到,528Mps,,高效率 ：,PCI,控制器中集成高速緩沖器，支持?jǐn)?shù)據(jù)突發(fā)傳輸模式,,即插即用功能：適配器中的存儲器存放了配置信息,,獨立于,CPU,,負(fù)載能力強(qiáng)且易擴(kuò)展：通過“,PCI-PCI,橋”擴(kuò)展,PCI,總線,,兼容各類總線,,,微型機(jī)系統(tǒng)中多層次的局部總線,3 PCI層次化結(jié)構(gòu),,,,,CPU,總線：最快的總線，連接外部高速緩
8、存,,北橋：連接,CPU,總線、主存、,AGP,、基礎(chǔ),PCI,總線，內(nèi)含,高速緩存控制器,、,存儲器控制器,和,PCI,控制器,,基礎(chǔ),PCI,總線：連接訪問相對頻繁、速度較快的部件,,南橋：,PCI/ISA,擴(kuò)展橋，內(nèi)含,中斷控制器,、,DMA,控制器,、,USB,接口,和,EIDE,接口,,,15.3 PCI總線信號,20,,必備的PCI總線信號,,地址和數(shù)據(jù)信號,,AD[31:0]，雙向三態(tài),,C/BE[3:0]，雙向三態(tài)，低有效,,PAR，奇偶校驗信號，雙向三態(tài),,接口控制信號,,FRAME，幀周期信號，低電平有效,,IRDY，主設(shè)備準(zhǔn)備好信號，低電平有效,,TRDY，從設(shè)備準(zhǔn)備好信
9、號，低電平有效,,STOP，從設(shè)備要求主設(shè)備停止當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸，低電平有效,,IDSEL，初始化設(shè)備選擇，輸入,,DEVSEL，設(shè)備選擇信號，低電平有效,21,,必備的PCI總線信號（續(xù)）,,錯誤報告信號,,PERR，報告數(shù)據(jù)奇偶檢驗錯，低電平有效,,SERR，系統(tǒng)出錯信號，低電平有效,,仲裁信號,,REQ，總線占用請求信號，雙向三態(tài)，低有效,,GNT，總線占用允許信號，雙向單臺，低有效,,系統(tǒng)信號,,CLK：時鐘，輸入,,RST，復(fù)位，輸入,22,,可選,的PCI總線信號,64位總線擴(kuò)展信號,,AD[64:32]，雙向三態(tài),,C/BE[7:4]，雙向三態(tài)，低電平有效,,REQ64，64傳輸請求
10、，低電平有效,,ACK64，表示從設(shè)備將用64位傳輸，低電平有效,,PAR64，奇偶雙字節(jié)校驗，雙向三態(tài)，低電平有效,,接口控制信號,,LOCK，鎖定信號，低電平有效,,中斷信號,,INTA/INTB/INTC/INTD，中斷信號，低電平有效，漏極開路,23,,可選的PCI總線信號（續(xù)）,,Cache支持信號,,SBO，試探返回信號，低電平有效，輸入或輸出,,SDONE，表示命中一個緩沖行，輸入或輸出。有效時，表明探測完成，無效時，表明探測結(jié)果仍未確定,,邊界掃描信號,,TDI，數(shù)據(jù)輸入,,TDO，數(shù)據(jù)輸出,,TCK，時鐘,,TMS，模式選擇,,TRST，復(fù)位,24,,15.4 PCI的命令類
11、型,C/BE[3:2],,命令類型說明,0 0 0 0,中斷應(yīng)答（中斷識別）,0 0 0 1,特殊周期,0 0 0 0,I/O,讀（從I/O口地址中讀數(shù)據(jù)）,0 0 1 1,I/O,寫（向I/O口地址空間寫數(shù)據(jù)）,0 1 0 0,保留,0 1 0 1,保留,0 1 1 0,存儲器讀（從內(nèi)存空間映像中讀數(shù)據(jù)）,0 1 1 1,存儲器寫（從內(nèi)存空間映像中寫數(shù)據(jù)）,1 0 0 0,保留,1 0 0 1,保留,1 0 1 0,配置讀,1 0 1 1,配置寫,1 1 0 0,存儲器多行讀,1 1 0 1,雙地址周期,1
12、 1 1 0,存儲器讀一行,1 1 1 1,存儲器寫并無效,25,,,15.5~15.7自學(xué),,,ISA（,I,ndustry,S,tandard,A,rchitecture）,總線的特點,,由8位PC總線擴(kuò)展而成；用于PC/AT機(jī)中的總線是,16位；,386以上的32位微機(jī)系統(tǒng)中也大量采用ISA總線；又稱為PC－AT總線。,,ISA總線接插槽為62＋36芯長短兩個接插槽。,15.8 PCI兼容的局部總線,,15.8.1局部總線ISA,,二、總線信號,,,ISA總線分4大類：,,數(shù)據(jù)傳輸總線,,地址總線,,控制總線,,時鐘、定時與電源,,,15.8.2 EISA（,E,xtend
13、ed,I,ndustry,S,tandard,,A,rchitecture,）總線的特點,,,一、特點：,,,,ISA,總線的擴(kuò)展；支持多個總線主控器；,,增加突,發(fā)式傳送（,Burst Transfer,）；,,高性能的,32,位標(biāo)準(zhǔn)總線；可同時存在多個,master,；由,EISA,總線提供公平的循環(huán)優(yōu)先總線仲裁。,,,15.9 外部總線,也稱通信總線，用于計算機(jī)之間、計算機(jī)和一部分外設(shè)之間的通信。常用的通信方式有并行方式和串行方式。,IDE,和,EIDE,：,IDE,也稱,ATA,，用于主機(jī)和硬盤子系統(tǒng)相連，,ATA66,傳輸率達(dá)到,66MB/s,,SCSI,：用于工作站、服務(wù)器、高檔
14、微機(jī),,RS-232-C,,USB,：,,特點：,連接方便、容易擴(kuò)展、即插即用、節(jié)省能量、適用不同外設(shè)的速度要求（最高達(dá)到,480Mb/s(USB 2.0),）,,設(shè)備類型：,集線器和功能設(shè)備。本身含有多個寄存器，即,USB,設(shè)備的端口,,15.9.1 外部總線IDE和EIDE,,IDE接口——,智能驅(qū)動電路IDE(Intelligent Drive Equipment)總線是1984年Compaq與WD公司聯(lián)合推出的一種硬盤接口標(biāo)準(zhǔn),也稱ATA（PC/AT Attached）端口。,,標(biāo)準(zhǔn)IDE接口只支持2個智能設(shè)備(如磁盤驅(qū)動器等)，每個硬盤驅(qū)動器設(shè)備最多支持1024個柱面、63個扇區(qū)、
15、16個磁頭，所以單個硬盤驅(qū)動器最大容量為512(字節(jié)/扇區(qū))×63×1024×16＝528MB。,,IDE接口只是ISA總線信號的一個子集，接口簡單，操作時對系統(tǒng)軟件透明，使用廣泛。,大多數(shù)IDE接口和驅(qū)動器不支持DMA（直接存儲器存?。┓绞綌?shù)據(jù)傳輸，而采用PIO（編程輸入輸出）方式（因為硬盤驅(qū)動器內(nèi)有多個扇區(qū)緩沖，這些指令可以一次取指令多次重復(fù)I/O操作）,,與DMA傳送相比，有較高的速度和較低的總線利用率。IDE端口使用硬件中斷（14#）來傳輸硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)。,,EIDE,接口,,為支持更大容量、更多設(shè)備和更高的傳輸速率，為與,SCSI,接口標(biāo)準(zhǔn)競爭，,1993,年,WD,公司推出了增強(qiáng)型
16、,IDE,接口，即,EIDE(Enhanced IDE),接口，又稱,ATA-2,接口。,,EIDE,可支持,4,個設(shè)備，每個硬盤驅(qū)動器最多可支持,256,個磁頭，故單個硬驅(qū)最大容量可達(dá),528MB÷16×256,＝,8.4GB,。,,EIDE,規(guī)范中還采納了,ATAPI(AT Attached Packed Interface),新標(biāo)準(zhǔn)，使該接口支持,CD-ROM,驅(qū)動器。,EIDE,接口得到廣泛應(yīng)用，,Pentium,主板均內(nèi)置了,EIDE,型接口。,,15.9.3 RS-232C串行通信總線,,EIA RS-232C串行通信總線實際上是一個串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，是美國電子工業(yè)聯(lián)合會（DCE
17、）開發(fā)的，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)之間、計算機(jī)與終端或外設(shè)間的串行數(shù)據(jù)傳送，它對串行接口中的連接器規(guī)格、引線信號名稱、功能、信號電平等均作了統(tǒng)一規(guī)定，所以，也稱它是一個串行通信協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)目前廣泛應(yīng)用于微機(jī)串行通信中。,,串行總線具有節(jié)省傳輸線和方便利用現(xiàn)存的通信信道(如電話線)的優(yōu)點，所以它適用于長距離或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。,,1．RS-232C串行通信的數(shù)據(jù)格式,RS-232C以串行方式傳送數(shù)據(jù)格式如圖10-4所示。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送首先是1個起始位，起始位為0，數(shù)據(jù)位可以是5～8位，數(shù)據(jù)從最低有效位發(fā)送；在數(shù)據(jù)位后有奇偶校驗位（可以選擇奇校驗、偶校驗或無校驗）；最后是停止位，停止位為1（可以是1位、1位半
18、或2位）。所以，串行方式傳送數(shù)據(jù)是7位ASCⅡ碼的數(shù)據(jù)連續(xù)傳送。以一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束，起始位為低電平，停止位為高電平，以此構(gòu)成一幀信息。每幀信息之間允許有不定長度的空閑位，空閑位為1，是傳號(MARK)。,,2．RS-232C串行通信的信息傳輸方式,RS-232C串行總線標(biāo)準(zhǔn)定義了串行傳送的數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口信息。其信息傳輸方式根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向的不同分為3種。,,① 單工。數(shù)據(jù)只能按一個固定的方向傳輸。僅適用遠(yuǎn)程通信，單工通信采用兩線制。,,② 半雙工。通信雙方分時發(fā)送或接收，通信線路簡單，但通信效率低，是一種經(jīng)濟(jì)實用的傳輸方
19、式。半雙工通信也采用兩線制。,,③ 全雙工。通信雙方可以同時發(fā)送和接收，通信效率及數(shù)據(jù)傳輸速度很高。全雙工通信一般采用四線制。,,10.2.5 USB接口,,通用串行接口總線USB(Universal Serial Bus)是將串口、并口等不同接口統(tǒng)一起來，使其成為一種可共享、可擴(kuò)充、使用方便的串行總線，并且不會損失帶寬。,,USB是串行接口，可即插即用，適用多媒體數(shù)據(jù)的傳送模式。USB接口連接方便，可提供功率有限的電源。USB的傳送速率最高可達(dá)12MB/s，且其價格便宜。它既可用于低速的外部設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)等，也可用于中速裝置，如打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀等。,,1．USB通用
20、串行總線,① USB電纜。采用4芯電纜，外層有保護(hù)套。USB電纜有兩根電源線(VBus和GND)；有兩根信號線(D+和D-) 。,,② USB連接器。USB插頭和插座都具有四個觸點，并有屏蔽的外殼，以及規(guī)定的堅固性和易于插拔的特性。,,③ USB的數(shù)據(jù)傳輸。,,USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率提高到480MB/s，適用于高速外圍設(shè)備(如閃存盤、移動式硬盤等)。,,2．USB的主要特點,USB總線主要有集線器和功能設(shè)備兩種類型。,,① USB集線器(HUB)。是USB體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵設(shè)備，可將單接入端口轉(zhuǎn)換為多重接入端口。集線器有一個上行端口和多個下行端口，上行端口用于連接集線器和主機(jī)，下行端口用于
21、連接其他集線器或功能設(shè)備。集線器可以發(fā)現(xiàn)下行端口上的設(shè)備插入和移出操作，并為下行設(shè)備分配電源。用USB連接的外設(shè)數(shù)目最多達(dá)127個，從主裝置開始可以經(jīng)由5層集線器進(jìn)行菊花鏈連接，用戶不必?fù)?dān)心要連接的裝置數(shù)目受限制。,,② USB功能設(shè)備。能夠從USB總線接收或發(fā)送數(shù)據(jù)或控制信息，向系統(tǒng)提供特定功能的設(shè)備，稱為功能設(shè)備。如USB鼠標(biāo)、游戲操縱桿、USB顯示器、USB掃描儀、USB打印機(jī)、USB網(wǎng)卡、USB音箱和USB視頻相機(jī)等。低功耗的裝置可從總線獲得電源。,,2．USB的主要特點,USB總線主要有集線器和功能設(shè)備兩種類型。,,④ USB有,同步、中斷、大批量,等三種數(shù)據(jù)傳送模式。同步傳送主要用
22、于數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等中速的外部設(shè)備；中斷傳送供鍵盤、鼠標(biāo)等低速裝置使用；大批量傳送則供打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速裝置使用。,,⑤ USB利用,NRZ-1編碼,方式使數(shù)據(jù)獲得同步，其特點是容易實現(xiàn)同步，但由于沒有時鐘信號，所以數(shù)據(jù)的可維護(hù)性差。,,一、USB的物理接口和電氣特性,,1994年開始，1996年公布USB1.0版本，現(xiàn)在是USB2.0,,版。Windows 98等設(shè)置了USB接口的支持模塊。,,1、接口信號線,,USB總線只有4根線，如圖10.18（a）所示。其中D+、,,D-為信號線，傳送信號，是一對雙絞線；V,BUS,和GND是,,電源線，提供電源。,,相應(yīng)的U
23、SB接口插頭也比較簡單，只有4芯。在滿速連,,接時，如圖10.18（b）所示。,,,,,2、電氣特性,,USB主機(jī)或根Hub對設(shè)備提供的電源電壓是4.75V-5.25V，設(shè)備能吸入的最大電流為500mA。,,USB設(shè)備的電源供給有兩種方式：,自給方式和總線供給,,方式。 USB Hub是前一種方式。,,,2、USB設(shè)備及描述器,,,1、 USB設(shè)備,,USB設(shè)備分成,Hub設(shè)備,和,功能設(shè)備,兩種。 Hub設(shè)備即集線,,器，是USB即插即用技術(shù)中的核心部分，完成USB設(shè)備的添,,加、插拔檢測和電源管理等功能。,,,3、 USB傳輸類型,,,USB有4種基本的傳輸類型：,,1、控制傳輸,,控制傳輸是雙向的，主要用于設(shè)備配置，也可作設(shè)備的其他特殊用途。,,2、批傳輸,,批（Bulk）傳輸可以是單向或雙向。用于傳送大批數(shù),,據(jù)。其典型應(yīng)用是掃描儀的靜態(tài)圖片輸入。,,,,3、中斷傳輸,,中斷傳輸是單向的，且僅輸入到主機(jī)，它用于不固定的少量的數(shù)據(jù)傳送。USB的中斷是查詢類型的。,,4、實時傳輸,,等時（Isochronous）（同步）傳輸可以是單向或雙向，用于傳送連續(xù)性、實時的數(shù)據(jù)。,,
微機(jī)原理講義(第15章_總線技術(shù))綜述
