計算機控制技術(shù)——總線及其標(biāo)準(zhǔn)

1精選課件ppt總線概述

2精選課件ppt一套計算機系統(tǒng)除中央處理器件外，還有存儲器、系統(tǒng)總線、接口電路、外部設(shè)備等多個部分。各類外部設(shè)備和存儲器，都通過各種接口電路連接到計算機系統(tǒng)的總線上，用戶可根據(jù)不同應(yīng)用，選擇不同類型的外部設(shè)備，設(shè)置相應(yīng)的接口電路，把它掛接到系統(tǒng)總線上，構(gòu)成不同用途、不同規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

3精選課件ppt1.常規(guī)外圍設(shè)備，如鍵盤、CRT顯示器、打印機、磁盤機等。2.被控設(shè)備和檢測儀表、顯示裝置、操作臺等。外設(shè)通過輸入/輸出(I／O)接口和輸入/輸出(I／O)通道與CPU的總線相連。

一個實際的微型計算機控制系統(tǒng)的硬件，除主機外，通常還包括兩類外設(shè)。

為什么外圍設(shè)備不能像存儲器那樣直接掛到主機CPU的總線上呢？4精選課件ppt因此，I／O接口和I／O通道是計算機控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分。這是由存儲器和外圍設(shè)備各自不同的性質(zhì)、特點決定的。1)由于存儲器功能單一(保存信息)、品種有限(ROM、RAM)、存取速度與CPU的工作速度基本匹配，因此，存儲器可以直接掛到CPU總線上，很方便。2)外圍設(shè)備種類繁多，有機械式的、機電式的或電子式的；有的作為輸入設(shè)備、有的作為輸出設(shè)備；有的既可作為輸入設(shè)備，又可作為輸出設(shè)備；工作速度不一，外圍設(shè)備的工作速度通常比CPU的速度低得多，且不同外圍設(shè)備的工作速度往往又差別很大；信息類型和傳送方式不同，有的使用數(shù)字量，有的使用模擬量，有的要求并行傳送信息，有的要求串行傳送信息。如此復(fù)雜的功能，僅靠CPU及其總線是無法承擔(dān)的，必須增加I／O接口電路和I／O通道才能完成。5精選課件ppt總線的概念

所謂總線就是在模塊和模塊之間或設(shè)備與設(shè)備之間的一組進行互連和傳輸信息的信號線，信息包括指令、數(shù)據(jù)和地址。總線可以把計算機或控制系統(tǒng)的模板或各種設(shè)備連成一個整體以便彼此間進行信息交換。

6精選課件ppt總線就是一組信號線的集合，用這個集合可以組成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信息通道，它定義了各引線的信號、電氣、機械特性，使計算機內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計算機之間建立信號聯(lián)系，進行信息傳送和通信。7精選課件ppt總線的定義：一組公用線的集合規(guī)定了各引線的信號、時序、電氣和機械特性;為計算機系統(tǒng)內(nèi)部各部件、各模塊之間或計算機各系統(tǒng)之間提供了標(biāo)準(zhǔn)的公共信息通路;符合某種總線的標(biāo)準(zhǔn)。8精選課件ppt總線技術(shù)通道控制功能、使用方法、仲裁方法和傳輸方式等總線的標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)不同，性能差異很大9精選課件ppt總線結(jié)構(gòu)連接示意圖總線1#總線接口2#3#4#5#6#總線與總線接口一起便稱為總線結(jié)構(gòu)10精選課件ppt總線結(jié)構(gòu)連接的優(yōu)點結(jié)構(gòu)由面向CPU變?yōu)槊嫦蚩偩€硬件、軟件模塊化設(shè)計與生產(chǎn)結(jié)構(gòu)清晰,便于靈活組態(tài)、擴充、改進與升級符合同一總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品兼容性強滿足用戶不同的需要,容易構(gòu)成各種用途的計算機應(yīng)用系統(tǒng)11精選課件ppt微型計算機廣泛采用總線技術(shù)，用以簡化硬件、軟件的系統(tǒng)設(shè)計。從硬件角度看，接口設(shè)計者只需按總線規(guī)范設(shè)計插件板，保證它們具有互換性與通用性，以便大批量生產(chǎn)，支持計算機系統(tǒng)的性能及系列產(chǎn)品的開發(fā)。從軟件角度看，接插件的硬件結(jié)構(gòu)帶來了軟件設(shè)計的模塊化。12精選課件ppt

用總線連接的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單清晰，便于擴充與更新。例如在規(guī)模上擴充時，只需往總線上多插幾塊同類型的插件；在功能擴充時，只需插入符合該總線標(biāo)準(zhǔn)的所需插件；在系統(tǒng)更新時，一般只需要更換新的插件或系統(tǒng)板。微型計算機的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，采用總線標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用的需要。因此，從用戶角度看，希望微型計算機生產(chǎn)廠家除了以機箱方式提供整機系統(tǒng)外，還能以其他方式，如插件方式向用戶提供“原型”產(chǎn)品，由用戶根據(jù)自己的要求構(gòu)成所需的微機系統(tǒng)。借助于總線標(biāo)準(zhǔn)，可以幫助用戶按其具體需要選擇和獲得適合自己需求的產(chǎn)品。13精選課件ppt采用總線的優(yōu)點概括1．簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．簡化了硬件與軟件的設(shè)計

3．便于系統(tǒng)的擴充與更新

4．便于組織生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品造價

5．可維護性好

14精選課件ppt總線類別

15精選課件ppt總線的類別

按其傳送數(shù)據(jù)的方式可分為串行總線和并行總線；按應(yīng)用的場合可分為芯片總線、板內(nèi)總線、機箱總線、設(shè)備互連總線、現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)總線等；按用途可分為計算機總線、外設(shè)總線和控制系統(tǒng)總線；按總線的作用域可分為全局總線和本地總線；按標(biāo)準(zhǔn)化程度可分為標(biāo)準(zhǔn)總線和非標(biāo)準(zhǔn)化（專用）總線等；按使用位置可為分內(nèi)部總線和外部總線。

16精選課件ppt內(nèi)部總線是計算機內(nèi)部功能模板之間進行通信的總線，它按功能又可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線四部分，每種型號的計算機都有自身的內(nèi)部總線。

17精選課件ppt數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用于CPU與其他部件之間傳送信息（數(shù)據(jù)和指令代碼）。具有三態(tài)（高阻、“1”和“0”三種狀態(tài)）控制功能，而且是雙向傳輸?shù)?，即CPU通過數(shù)據(jù)總線可以接收來自其它部件的信息，也可以通過數(shù)據(jù)總線向其它部件發(fā)送信息。如ISA總線數(shù)據(jù)線是16位，PCI總線是32位或64位。數(shù)據(jù)線的寬度表示了總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，反映了總線的性能。

18精選課件ppt地址總線地址總線用來傳送CPU要訪問的存儲單元或I/O接口地址信號。地址信號一般由CPU發(fā)往其他芯片，屬于單向總線，但也具有三態(tài)控制功能。地址總線的數(shù)據(jù)位數(shù)決定了該總線構(gòu)成的微機系統(tǒng)的尋址能力。例如，ISA總線有24位地址線，可尋址16MB，PCI總線有32位地址線，可尋址到4GB。地址總線的寬度視CPU所能直接訪問的存儲空間的容量而定。19精選課件ppt控制總線控制總線用于傳輸控制命令和狀態(tài)信息。根據(jù)不同的使用條件，控制總線有的為單向，有的為雙向；有的為三態(tài)，有的為非三態(tài)?？刂瓶偩€用于傳送控制信息、時序信息和狀態(tài)信息。比如，I/O讀寫信號、存儲器讀寫信號和中斷信號等等。控制總線是最能體現(xiàn)總線特色的信號線，它決定總線功能的強弱和適應(yīng)性。20精選課件ppt電源線與地線電源線與地線為掛在總線上的模塊或設(shè)備提供了電能以及電流通路。電源的區(qū)別在一定程度上也體現(xiàn)了總線標(biāo)準(zhǔn)的特色。例如，ISA采用+12V和+5V，PCI采用+5V和+3V。一般來說，越是先進的總線標(biāo)準(zhǔn)，采用的電壓越低。21精選課件ppt總線的分類2

在微型計算機系統(tǒng)中，按照總線的規(guī)模、用途及應(yīng)用場合，可將總線分為以下三類。

1.芯片總線芯片總線又稱為元件級總線。這是在構(gòu)成一塊CPU插件或用微處理機芯片組成一個很小系統(tǒng)時常用的總線，用于各芯片（如CPU芯片、儲器芯片、I/O接口芯片等）之間的信息傳送。按所傳送的信息類別不同，可將芯片總線分為傳送地址、傳送數(shù)據(jù)和傳送控制信息等三組總線，簡稱為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。22精選課件ppt2.內(nèi)部總線

內(nèi)總線又稱為系統(tǒng)總線。它是微型計算機系統(tǒng)內(nèi)連接各插件板的總線，用于插件與插件之間的信息傳送。數(shù)據(jù)總線D：用于傳遞數(shù)據(jù)信息；地址總線A：用于傳遞地址信息；控制總線C：包括控制、時序和中斷信號線，用于傳遞各種控制信息，決定了總線的性能好壞；電源總線P：向總線提供電源。23精選課件ppt……CPU總線母板RAMROMA/DD/A外部總線接口數(shù)據(jù)總線D地址總線A控制總線C電源總線P計算機內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)示意圖24精選課件ppt

3.外部總線

外總線又稱為通信總線。用于微型計算機系統(tǒng)與微型計算機系統(tǒng)之間或微型計算機系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的通信。內(nèi)總線與外總線除地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線外，還包括電源總線、地線和備用線(為用戶擴展功能用)。如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等。三類總線在微型計算機系統(tǒng)中的位置及相互關(guān)系如下圖所示。25精選課件ppt用三類總線構(gòu)成的微機系統(tǒng)CRT顯示器存儲器I/OCPU總線控制及緩沖片總線4通道串行/并行輸入/輸出部件內(nèi)總線外總線26精選課件ppt總線的模板化結(jié)構(gòu)模板化結(jié)構(gòu)按功能劃分計算機的各個部件，并按總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計成由總線連接的模板結(jié)構(gòu)：CPU主板、RAM/ROM存儲板、A-D、D-A、DI、DO等模板化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點增加計算機系統(tǒng)的通用性、靈活性、開放性、擴展性和可靠性為系統(tǒng)的維修提供了方便27精選課件ppt總線的通信協(xié)議通訊協(xié)議是實現(xiàn)總線裁決和信息傳送的手段，通常分為同步方式和異步方式。

28精選課件ppt同步方式通信(SynchronousTransfer)總線上的部件通過總線進行信息交換時用一個公共的時鐘信號進行同步，這種方式稱為同步通信。數(shù)據(jù)的傳輸在一個共同的時鐘信號控制下進行；優(yōu)點是模塊間的配合簡單一致，具有較高的傳輸頻率；缺點是對所有模塊都強求一致的同一時限,設(shè)計缺乏靈活性。29精選課件ppt

由于同步方式對任何兩個設(shè)備之間的通信都給予同樣的時間安排。同步通信適用于總線上各部件之間的距離以及各部件的數(shù)據(jù)出入速度比較接近的情況。就總線長度而言，必須按距離最長的兩個傳輸設(shè)備的傳輸延遲來設(shè)計公共時鐘，以滿足最長距離的要求；就部件速度來說，必須按速度最慢的部件來設(shè)計公共時鐘，以適應(yīng)最慢部件的需要。30精選課件ppt異步方式通信(AsynchronousTransfer)

如果總線上各部件之間的距離和設(shè)備的速度相差很大，勢必降低總線的效率，在這種情況下往往采用異步通信。異步通信允許總線上的各個部件有各自的時鐘。部件之間進行通訊時沒有公共的時間標(biāo)準(zhǔn)，而是在發(fā)送信息的同時發(fā)出該部件的時間標(biāo)志信號，用應(yīng)答方式來協(xié)調(diào)通信過程。利用數(shù)據(jù)發(fā)送部件和接收部件之間的“握手(Handshaking)”信號線來實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳送；可以實現(xiàn)不同速度的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。31精選課件ppt總線標(biāo)準(zhǔn)

32精選課件ppt總線標(biāo)準(zhǔn)

總線標(biāo)準(zhǔn)的含義

對于總線上的各個單元如芯片之間、擴展卡之間以及系統(tǒng)之間，如果要進行正確的連接與傳輸信息，就應(yīng)遵守一些協(xié)議與規(guī)范，這些協(xié)議與規(guī)定就被稱為總線標(biāo)準(zhǔn)。33精選課件ppt總線標(biāo)準(zhǔn)包括：各個信號線的功能定義、總線工作的時鐘頻率、總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、總線仲裁機構(gòu)與配置機構(gòu)、信號的邏輯電平、時序要求、電路驅(qū)動能力、抗干擾能力、機械規(guī)范（包括接插件的幾何形狀與尺寸）和實施總線協(xié)議的驅(qū)動與管理程序。34精選課件pptPC系列總線

總線是微機中各模塊之間傳送信息的通道，各模塊分時共享總線。為了方便微機系統(tǒng)的擴展及各廠家產(chǎn)品的互換或互連，國際上根據(jù)微機的發(fā)展制定了許多總線標(biāo)準(zhǔn)。如PC總線標(biāo)準(zhǔn)、ISA總線標(biāo)準(zhǔn)、EISA總線標(biāo)準(zhǔn)、PCI總線標(biāo)準(zhǔn)、USB總線標(biāo)準(zhǔn)等。35精選課件ppt

PC總線

PC總線是PC機和XT機中采用的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，適用于8位的數(shù)據(jù)傳送，最大通信速率為5MB/s。它有62根引腳，引腳如下圖所示?？刹迦敕螾C總線的各種擴展板，以擴展微機的功能。36精選課件ppt

PC總線引腳a)PC總線；b)ISA總線與PC總線兼容部分37精選課件pptISA總線

PC總線僅適用于8位數(shù)據(jù)的傳送，所以，從IBMPC/XT微機開始采用ISA總線，也稱為AT總線，以便進行16位數(shù)據(jù)傳送。ISA總線的數(shù)據(jù)傳送速率最快為8MB/s，地址總線寬度為24位，可以支持16MB的內(nèi)存。為了和PC總線兼容，在PC總線的基礎(chǔ)上，ISA總線延伸出一段插槽，如下圖所示。這一小段插槽上的引線主要是擴展的地址線和高8位數(shù)據(jù)線及增加的中斷申請線等。38精選課件ppt39精選課件pptPCI局部總線

PCI(外部設(shè)備互連)是高速外設(shè)與CPU間的橋梁。它在CPU與外設(shè)間插入了一個復(fù)雜的管理層，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，并提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的總線接口。該管理層提供信號的緩沖，使PCI能支持10種外設(shè)，并在高時鐘頻率下保持高性能。40精選課件pptPCI的主要特點①支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r候取得總線控制權(quán)以加速數(shù)據(jù)傳輸和對高度專門化任務(wù)的支持。②支持突發(fā)傳輸模式。在這種模式下，PCI能在極短時間內(nèi)發(fā)送大量數(shù)據(jù)，特別適合于高分辨率且多達數(shù)百萬種顏色的圖像快速顯示。③不受CPU速度和結(jié)構(gòu)的限制，Pentium、OverDrive等微處理器都可使用。④與ISA/EISA/MCA總線兼容。⑤預(yù)留擴展空間，支持64位數(shù)據(jù)和地址。⑥支持自動配置功能。無需手工調(diào)節(jié)跨接器、DIP開關(guān)或系統(tǒng)中斷。⑦設(shè)有特別的緩存，實現(xiàn)CPU與外設(shè)隔離，外設(shè)或CPU的單獨升級不會帶來兼容問題。⑧當(dāng)數(shù)據(jù)寬度為32位，時鐘頻率為33MHz時，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為132MB/s。41精選課件pptPCI總線信號分為地址線、數(shù)據(jù)線、接口控制線、仲裁線、系統(tǒng)線、中斷請求線、高速緩存支持、出錯報告等信號線，共188根。具體情況如右表所示。42精選課件ppt43精選課件pptPCI插槽ISA插槽44精選課件ppt45精選課件ppt

USB通用串行總線

USB（UniversalSerialBus）是由DEC、IBM、Intel、Microsoft以及NEC等七家高技術(shù)企業(yè)制定的串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)。由于目前微機系統(tǒng)的外設(shè)接口沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如鍵盤的插口是圓的，打印插口是長方形等，而利用USB則可把這些不同的接口統(tǒng)一起來。它使用一個4針的插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，可連接的外圍設(shè)備數(shù)目最多達127個，支持熱插入（