1、1,第5章 微機總線與標準,計算機基礎教學中心,2,主要內(nèi)容,掌握： 總線的基本概念和分類 總線的仲裁方法 總線的握手方法 PC機常用標準總線 通用串行總線（USB）,3,5.1 總線的基本概念,總線概念： 總線是一組導線和相關的控制、驅(qū)動電路的集合。 總線是計算機系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的通道。 任一時刻，只能有一個部件/設備通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他部件只能處于接收狀態(tài)。,5,總線的分類及特點,按傳送信息的類型劃分 數(shù)據(jù)總線（Data Bus，DB） 傳輸數(shù)據(jù)信息，雙向三態(tài) 其寬度決定了其數(shù)據(jù)傳輸能力 例如，ISA總線為16位，PCI總線為32/64位 地址總線（Address

2、Bus，AB） 傳輸?shù)刂沸畔?，單向三態(tài) 其寬度決定了微機系統(tǒng)的尋址能力 例如，ISA為24位，可尋址16MB；PCI為32/64位，可尋址4GB/224TB 控制總線（Control Bus，CB） 傳輸控制信號、時序信號和狀態(tài)信號 特點各異：三態(tài)、入/出/雙向等特性均不相同,6,8,總線的分類及特點（續(xù)）,按總線的層次結(jié)構(gòu) CPU總線/前端總線（FSB） 直接由CPU引腳引出的總線，例如，P4 CPU與GMCH（北橋）之間的總線 系統(tǒng)級總線 與模塊和總線擴展槽連接的總線，如PCI、ISA和EISA總線 外設級總線 主機與外設之間的總線，如USB和IEEE1394 其他 AGP，專用視頻接口，

3、專用于顯卡與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸 SCSI，標準的設備接口，可連接15臺外設 IDE/EIDE，外部存儲設備接口，每個接口可連接2臺設備,9,片內(nèi)和片外總線 基本信息總線、仲裁總線和數(shù)據(jù)握手總線,10,總線操作及控制,總線操作周期： 多個模塊使用同一總線，只能采用分時方式，即將總線時間分成很多段，每段時間可以完成模塊之間一次完整的信息交換，通常稱之為一個數(shù)據(jù)傳輸周期或一個總線操作周期。,11,完成一個總線操作周期，分4個階段： 總線請求和仲裁 尋址階段：主模塊向從模塊發(fā)出存儲或端口地址 傳數(shù)階段 結(jié)束階段：撤出，讓出,12,總線操作控制： 總線的仲裁 作用：合理控制和管理總線的請求源，防止總線沖

4、突。 總線的握手 作用：確保主從模塊間的正確尋址和可靠傳輸數(shù)據(jù)。,13,總線的主要性能指標,總線帶寬（B/S）：每秒可傳送的字節(jié)數(shù) 總線位寬（bit）： 一次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù) 工作頻率（MHz）：控制總線的時鐘頻MHz 總線帶寬=（總線位寬/8）工作頻率,例1：P4 CPU的前端總線FSB頻率為400MHz或800MHz，位寬為64bit。 FSB帶寬：40064/8=3.13GB/s 或 80064/8=6.25GB/s 例2：PCI總線的頻率為33.3MHz，位寬為32bit或64bit。 PCI帶寬：33.332/8=133MB/s 或 33.364/8=266MB/s,14,程序的執(zhí)行：

5、指令執(zhí)行過程。 指令周期：完成一條指令所需要的時間。不同指令 的指令周期不等長的。 總線周期：CPU完成一次讀/寫操作的時間， 是完成一步完整操作的最小時間單位。 時鐘周期： MPU處理動作的最小時間單位 （1個T狀態(tài)） 。 總線周期、指令周期、時鐘周期的關系？包含關系,總線周期、指令周期、時鐘周期的關系,15,5.2 總線的仲裁方法,多個設備都要使用總線時，決定由哪個設備使用總線的方法。 “菊花鏈”仲裁（串行） 并行仲裁 并串行仲裁 80 x86微機中采用的是并行仲裁,16,“菊花鏈”仲裁（串行）,17,邏輯上離總線仲裁器越近的部件擁有越高的總 線優(yōu)先級。圖中有三條控制線： BB：總線忙信號

6、，高電平表示總線正被占用。 BR：總線請求信號， BR有效表示至少有一個 部件正在申請使用總線。 BG；總線響應信號，高電平表示總線仲裁器響 應總線請求。,18,計數(shù)器定時查詢方式 這種方式不使用BG信號線，但需利用地址線。 若總線上有N個部件，則在總線控制部件內(nèi)設置 一個計數(shù)器，可以從0計數(shù)至N-1，每個值對應一個部件。不論哪個部件要使用總線，均通過BR 提出申請。控制部件通過地址總線定時送出計數(shù) 器的當前值。提出申請的部件檢查地址總線，若 發(fā)現(xiàn)其上的值與自身的編號相等，則取得總線使,19,用權，并通過BB有效通知控制部件。若控制部件 在一定時間內(nèi)未收到BB有效，則令計數(shù)器加1 （或減1），

7、發(fā)下一個地址。 若計數(shù)器從0開始計數(shù)，則優(yōu)先級順序與不見編 號順序一致。若每次計數(shù)從上次計數(shù)終止的值開 始計數(shù)，則從統(tǒng)計效果上看，各部件的優(yōu)先級基 本相等。,20,并行仲裁（獨立請求方式）,21,并串行仲裁（二唯判決方式）,22,帶Cache的并發(fā)總線體系結(jié)構(gòu),23,5.3總線的握手方法,數(shù)據(jù)傳送控制 仲裁控制 數(shù)據(jù)校驗與糾錯 隔離與驅(qū)動,24,5.3總線的握手方法,也是總線傳送控制方式 同步方式 收、發(fā)雙方嚴格地按統(tǒng)一的基準時鐘信號執(zhí)行相應的動作 不適合于在同一系統(tǒng)中既有高速部件又有低速部件的環(huán)境 PCI總線屬于同步方式總線 異步方式 傳輸過程無需統(tǒng)一時鐘的同步，用“請求”和“應答”信號來協(xié)

8、調(diào) 傳輸速度慢 半同步方式 總體上仍是同步方式(使用基準時鐘)，傳輸操作與時鐘同步 設置“等待”狀態(tài)線，在無法按時完成操作時，用此狀態(tài)線強制對方延長一個或多個時鐘周期 ISA總線即屬于半同步方式總線,25,同步方式的時序,地址,數(shù)據(jù),時鐘,總線周期,總線周期,時鐘周期,26,異步方式的時序,地址/數(shù)據(jù),(發(fā)送方)請求,(接收方)應答,27,半同步方式的時序,地址,數(shù)據(jù),時鐘,就緒,等待一個時鐘周期,28,5.4 PC機常用標準總線,常用系統(tǒng)總線標準 ISA（工業(yè)標準體系總線） Industry Standard Architecture PCI（外圍部件互連總線） Peripheral Com

9、ponent Interconnect 常用系統(tǒng)接口標準 AGP（加速圖形接口） Accelerated Graphics Port IDE（集成設備接口），又稱ATA接口 Integrated Device Electronics SCSI（小型計算機系統(tǒng)接口） Small Computer System Interface 外部總線 USB（通用串行總線） IEEE 1394（高性能串行總線）,29,一、ISA總線,1.主要特性 16位數(shù)據(jù)線（早期的為8位，已被淘汰） 24位地址線（可尋址16MB存儲器） 時鐘頻率8MHz 數(shù)據(jù)傳輸率16MB/s 提供11個中斷請求輸入 提供7個DMA通道

10、 用于80286PIII（個別P4微機也支持）,圖2.1 PC和PC/XT總線的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,圖2.2 80486 PC AT/ISA總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu),62線,36線,32,ISA總線插槽,共98個引線 主要引線信號： SA0SA19（鎖存的），LA17LA23（非鎖存的）（地址） SD0SD15（數(shù)據(jù)） SBHE（高字節(jié)允許） MEMR、MEMW IOR、IOW AEN（地址允許，1表示處于DMA控制周期） IRQ3IRQ7、IRQ9IRQ11、IRQ14、IRQ15 DRQ0DRQ3、DRQ5DRQ7 DACK0DACK3、DACK5DACK7 注：ISA總線的DMA操作和I/O操作使用

11、相同的地址線、數(shù)據(jù)線和I/O讀寫控制線（IOR和IOW），所以AEN應參加I/O地址譯碼。,33,簡單的ISA總線接口(輸入接口),D7-D0,D7-D0,A/D轉(zhuǎn)換器,模擬量輸入,START,READY,數(shù)字量輸出,IN,74LS244,1100 0000 0000 0000B 1100 0000 0010B,轉(zhuǎn)換結(jié)束,啟動轉(zhuǎn)換,D0,C000H 讀數(shù)據(jù) C001H 啟動轉(zhuǎn)換 C002H 讀轉(zhuǎn)換狀態(tài),A2 A1 A0,1,A13-A3,&,A15A14,AEN IOR,I S A 總線,34,簡單的ISA總線接口(輸出接口),驅(qū)動 電路,D7-D0,A2 A1 A0,1,A13-A3,&,A

12、15A14,AEN IOW,I S A 總線,發(fā)光 器件 組合,C000H 改變燈光圖案樣式,選通,35,EISA總線,EISA與32位的微處理器兼容。 EISA總線在信號定義與物理電氣連接上完全與ISA總線兼容。 具有32位的數(shù)據(jù)線，支持8位、16位或32位的數(shù)據(jù)存取，支持數(shù)據(jù)突發(fā)式傳輸。主要應用在32位微處理器組成的微型計算機系統(tǒng)中。,圖2.3 EISA總線微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,37,表2.1 XT、ISA、EISA總線引腳A、B面信號定義,38,表2.2 XT、ISA、EISA總線引腳C、D面信號定義,39,表2.3 XT、ISA、EISA總線引腳E、F、G、H面信號定義,返回本節(jié),40,PC

13、I總線的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖2.5 典型PCI局部總線的PCI/ISA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,返回本節(jié),41,PCI總線,獨立于微處理器； 支持即插即用功能； 通過PCI橋與CPU連接（北橋） 總線寬度：32/64位； 工作頻率：33.3MHz/66.6MHz 傳送速率： 32位PCI總線：133MB/s，266MB/s 64位PCI總線：266MB/s，533MB/s,PCI總線體系,42,PCI總線插槽,外形見P124，共62根引線（64位PCI有94根） 包括： 系統(tǒng)接口信號（時鐘、復位等） 地址與數(shù)據(jù)（復用）信號（AD0-AD31） 接口控制信號（主從設備控制信號等） 總線仲裁信號（總線請求、總線允許

14、） 錯誤報告信號（系統(tǒng)錯、奇偶錯） 中斷控制信號（中斷請求） 64位總線擴展信號（AD32-AD63、字節(jié)選擇等） 高速緩存支持信號,43,PCI總線,總線命令 I/O和存儲器讀寫控制信號都是通過命令碼給出 命令碼出現(xiàn)在C/BE3:0這4根線上 共有12種命令 中斷響應、存儲器讀/寫、IO讀/寫、配置讀/寫、等等 總線傳輸機制 存儲器讀寫采用突發(fā)傳輸（要求地址必須連續(xù)） 包括一個地址期和多個數(shù)據(jù)期 I/O讀寫不支持突發(fā)傳輸，每次僅讀寫一個數(shù)據(jù),44,PCI總線,PCI總線配置 目的：實現(xiàn)設備的自動配置、加載（PnP） 微機啟動時，配置軟件將掃描PCI總線 確定有哪些設備，設備配置要求是什么 每

15、個PCI設備都有一個配置存儲區(qū) 包括了64個32位配置寄存器 前16個寄存器（標題區(qū)）的格式由PCI標準化組織定義 后48個寄存器的格式由廠家自行定義 標題區(qū)的內(nèi)容包括： 設備識別信息（被OS用來自動定位驅(qū)動程序） 廠商/設備標識、版本、子系統(tǒng)廠商標識、子系統(tǒng)標識 設備分類代碼 設備控制信息 設備狀態(tài)信息 基址寄存器（用于映射設備使用的存儲區(qū)域或I/O地址區(qū)域）,45,PCI總線,PCI BIOS OS、應用程序、驅(qū)動程序不能直接訪問PCI配置寄存器，必須通過PCI BIOS訪問 提供了一組訪問PCI的函數(shù) 16位實模式下通過INT 1AH中斷來調(diào)用 AH=0B1H，AL=子功能號 子功能有1

16、3個，包括： PCI BIOS檢測、查找PCI設備、讀/寫配置信息、分配中斷等,46,PCI總線的特點,1高性能 2線性突發(fā)傳輸 3減少存取延遲 4采用總線主控和同步操作 5不受處理器限制,PCI總線的特點主要表現(xiàn)在以下幾個 方面：,47,6適用于各種機型 7兼容性強 8預留擴展空間 9成本低、效率高 10向前的擴展性,48,AGP總線的微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖2.6 AGP/PCI總線微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,49,AGP接口,不是系統(tǒng)總線 高速圖形接口，在視頻卡與內(nèi)存之間提供一條直接的通路（不再通過PCI傳輸，32位PCI的傳輸速率最高266MB/s）。 圖形、紋理、Z軸距離、Alpha變換等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為

17、370840MB/s 4種模式（注意：1X/2X與4X/8X不兼容，3.3V/1.5V） 1X（66MHz，266MB/s） 2X（133MHz，533MB/s ） 4X（266MHz，1066MB/s ） 8X（533MHz，2133MB/s ） 系統(tǒng)中只支持一個AGP擴展插槽（點對點）,50,AGP總線的特點,（1）采用雙重驅(qū)動技術 （2）采用帶邊信號傳送技術 （3）采用內(nèi)存請求流水線技術 （4）減少對PCI總線的傳輸壓力,51,圖2.7 PCI/AGP總線結(jié)構(gòu)的主板,52,PCI/AGP主板簡介,圖2.7為常見的PCIAGP主板外形圖。PCIAGP主板由CPU插座、內(nèi)存、控制邏輯芯片組、

18、軟驅(qū)及硬盤IDE接口插座、PCI/AGP擴展插槽、鍵盤鼠標接口插座、并行及串行接口插座、USB通用串行接口插座、聲音輸出輸入插座及電源電路等組成。 該類主板支持高達160MHz的CPU外頻并且采用多外頻免跳頻率微調(diào)技術，使外頻可調(diào)，方便用戶選擇不同CPU類型。,53,IDE接口（ATA）,主要用于硬盤/光驅(qū)/磁帶驅(qū)動器 現(xiàn)已發(fā)展為EIDE（增強的IDE）和串行ATA（SATA） 已集成到硬盤驅(qū)動器中，無需接口卡 主板提供2-4個接口 每接口可連接2個硬盤（主/從） 數(shù)據(jù)傳輸方式： PIO方式：PIO0PIO4（3.3MB/s16.6MB/s） 40針接口，扁平電纜 硬盤最大容量528MB DM

19、A方式：DMA0DMA2（11MB/s16.6MB/s） 40針接口 硬盤最大容量8.4GB UDMA方式：UDMA3UDMA6（33.3MB/s133MB/s） 80針接口，地線和信號線交叉排列 通過特殊的擴展BIOS，可支持200GB以上的硬盤,54,USB總線,USB概況 主機與外設的通用接口，可用于不同的設備 串行、打包傳送 2根數(shù)據(jù)線電源地線 兩個版本： 1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s） 設備連線最長5米 即插即用 必須要有USB主機存在，設備不能獨立工作,55,USB總線的優(yōu)點,易于使用 即插即用，可熱插拔； WindowsNT/2000/XP/2003下不需安裝驅(qū)

20、動程序 具級聯(lián)方式，并可智能識別鏈上外圍設備的插拔； 提供電源 5V，500mA 節(jié)省硬件資源 IRQ、I/O地址 易于連接 主板上提供26個USB接口，通過集線器最多可支持127個外設 4芯電纜（D、-D、+5V、GND）,56,USB總線的優(yōu)點,傳送速率可滿足大多數(shù)外設要求 1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0） 可靠性高 能進行錯誤校驗和控制，且由硬件實現(xiàn) 低成本 主板已集成USB接口 設備端的USB接口控制芯片很便宜 低功耗 不工作時能夠自動進入休眠狀態(tài)，并能自動恢復,57,USB接口工作原理,USB系統(tǒng)分為兩大部分：USB主機、USB設備 USB主機 由PC系統(tǒng)中的U

21、SB硬件和驅(qū)動程序組成； 整個微機中只能有一個USB主機； 其接口稱為USB控制器； USB硬件在微機中被集成在南橋中。 功能： 檢測USB設備的插拔操作 在主機與設備之間管理數(shù)據(jù)流 通信總是由主機發(fā)起，并由主機控制傳輸過程 多個設備傳輸時，采用分時復用（每個時間槽1ms） 錯誤檢查（CRC校驗） 為設備提供電源,58,USB接口工作原理,USB設備 分為集線器和功能設備 集線器：1個上連端口和若干個下連端口 自動探測設備的插拔并向USB主機報告 為下行設備分配電源 分離高速數(shù)據(jù)流和低速數(shù)據(jù)流 功能設備：可以從USB總線上收發(fā)數(shù)據(jù)的設備 包含自己的各種配置信息，以供USB主機查詢 不能主動發(fā)起通信 功能：監(jiān)視與自己的通信、對主機的請求進行響應、錯誤檢查、管理電源（沒有總線活動（3ms）時進入掛起狀態(tài)）,59,USB接口工作原理,USB通信模型,客戶,USB主機,USB接口,功能模塊,USB設備,USB接口,主機,設備,消息,數(shù)據(jù)包,位流,60,USB接口工作原理,USB主機的