1、總 線 技 術(shù),第 7 章,7. 1 總線的概念,711 概念 總線是一種數(shù)據(jù)通道，由系統(tǒng)中各部件所共享?；蛘哒f，是在部件與部件之間、設(shè)備與設(shè)備之間傳送信息的一組公用信號線。在主控設(shè)備（部件或設(shè)備）的控制之下，將發(fā)送設(shè)備（部件或設(shè)備）發(fā)出的信息準確地傳送給某個接收設(shè)備（部件或設(shè)備）的信號通路?？偩€的特點在于其公用性，即它可同時掛接多個部件或設(shè)備。如果是某兩個部件或設(shè)備之間專用的信號連線，就不能稱之為總線?？偩€是連接計算機硬件系統(tǒng)內(nèi)多種設(shè)備的通信線路。,總線概念中兩個常用的技術(shù)術(shù)語。 主控設(shè)備（Master） 也就是通常所說的總線主控設(shè)備，它是一個部件或設(shè)備，是控制總線操作的一個部件或設(shè)備?？偩€

2、主控設(shè)備一旦被確認就可以對總線進行控制，并能夠著手進行數(shù)據(jù)傳送。也就是說，如果一個部件或設(shè)備欲向另一個部件或設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，它就要獲得對總線的使用權(quán)，成為總線主控設(shè)備, 才可以通過總線將數(shù)據(jù)傳送給另一個設(shè)備。 從屬設(shè)備（Slave） 從屬設(shè)備能夠響應(yīng)在總線上對數(shù)據(jù)進行傳送的請求，但總線從屬設(shè)備自己不能啟動這種在總線上進行數(shù)據(jù)傳送的請求。也就是說，如果一個部件或設(shè)備欲接收從總線主控設(shè)備發(fā)過來的數(shù)據(jù)，首先必須獲得對總線的使用權(quán)，答應(yīng)總線主控設(shè)備，并發(fā)出可以收數(shù)據(jù)的響應(yīng)信號。然后等待總線主控設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)，并且在控制總線的控制之下接收從數(shù)據(jù)總線上傳送過來的數(shù)據(jù)。,7. 1. 2 總線標準的四個特性 物

3、理特性： 物理特性指的是總線物理連接的方式。包括總線的條數(shù)、總線的插頭、插座是什么形狀的、引腳是如何排列的等。 功能特性：功能特性描寫的是這一組總線中每一根線的功能是什么。從功能上看，總線分成三組：地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線。 電器特性：電器特性定義每一根線上信號的傳遞方向、有效電平范圍。 時間特性：時間特性定義了每根線在什么時間有效。,713 總線分類 在計算機系統(tǒng)內(nèi)擁有多種總線，它們在計算機系統(tǒng)內(nèi)的各個層次上，為各部件之間的通信提供通路。按在系統(tǒng)的不同層次、位置，總線可分為如下幾類。 1.片內(nèi)總線 片內(nèi)總線，是指在微處理器芯片內(nèi)部的總線,是用來連接芯片內(nèi)各功能部件的信息通路。 2. 局部

4、總線 局部總線是指在印刷電路板上連接各插件的公共通路。目前，PC系列機上比較流行的標準主板局部總線有ISA、EISA、VESA、PCI以及AGP等標準總線。 3. 系統(tǒng)總線（內(nèi)總線） 系統(tǒng)總線又稱為內(nèi)總線,這是指微機機箱內(nèi)的底板總線，用來連接構(gòu)成微機的各插件板。 4. 通信總線（外部總線） 通信總線又稱為外部總線,它用于微機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、微機系統(tǒng)與外部設(shè)備,如打印機、磁盤設(shè)備或微機系統(tǒng)和儀器儀表之間的通信通道。,總線構(gòu)成 雖然總線有多種，但任何總線均包括有: 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制線 控制信號應(yīng)有以下幾種類型 寫存儲器命令： 讀存儲器命令： 輸入/輸出寫命令： 輸入/輸出讀命令： 傳送響應(yīng)

5、： 總線請求： 總線允許： 中斷請求： 中斷響應(yīng)： 時鐘和復位：,714 總線操作 為完成一個總線操作周期，一般要分成四個階段： （1）總線請求和仲裁段 （2）尋址階段 （3）數(shù)據(jù)傳送階段 （4）結(jié)束階段,7. 2 總線周期 721 單傳送周期 最簡單的一種總線周期就是單次傳送的不可高速緩沖的64位傳送周期。 722 成組周期 在成組傳送這種操作方式下，Pentium 在連續(xù)的幾個時鐘內(nèi)既可以采集新的數(shù)據(jù)項也可以驅(qū)動新數(shù)據(jù)項。 1. 成組讀周期 2成組寫周期 723 中斷確認周期 中斷確認周期是為了響應(yīng)由中斷請求輸入管腳引線INTR產(chǎn)生的可屏蔽中斷請求。 724 專用總線周期,7. 3 EIS

6、A 局部總線,731 EISA 總線 1ISA總線： ISA總線最初是8位的標準總線，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過多年的演變，也從8位的標準總線變成了被廣泛應(yīng)用的16位的標準總線。以后又發(fā)展成了經(jīng)擴展的32位的標準總線EISA 2 EISA總線： EISA總線，即擴展的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線。是工業(yè)標準總線ISA的超集。它是在工業(yè)標準結(jié)構(gòu)ISA總線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種高性能32位結(jié)構(gòu)的總線。它不僅擁有ISA總線的全部特征，而且還隨著對ISA總線功能的擴充而增強了自身性能和能力。,74 VESA 局部總線,74. 1 高速圖形適配器 它是基于80486 微處理器的32位局部總線，這種總線支持16 66

7、MHZ的時鐘頻率，其數(shù)據(jù)總線的寬度為64位，地址總線為2位，數(shù)據(jù)傳送速率可高達267MB / s。 7. 4. 2 總線頻率和數(shù)據(jù)傳送速率 VESA總線頻率理論上可高達66MHz，足可以在經(jīng)典Pentium 總線操作頻率下運行。如果把總線控制器也成為系統(tǒng)主板上的一部分的話，VESA總線完全可以在66MHz總線頻率下操作。經(jīng)由主板上的VESA總線插槽，VESA總線操作頻率定位在50MHz似乎更加合理。VESA的基本的總線周期為兩個時鐘周期。但在進行讀操作時還需一個等待狀態(tài)。 VESA總線最快的數(shù)據(jù)傳送方式采用的是與80486一樣的成組傳送周期方式。,743 DMA和中斷 VESA總線支持三個局部

8、總線主控設(shè)備操作，以便進行高速的數(shù)據(jù)傳送操作，但不支持低速的DMA傳送操作。能提供的唯一的一個中斷輸入IRQ9，也被再次交付給標準插槽。 744 VESA 適配器 VESA最初的設(shè)計思想是把它設(shè)計成一種高速的視頻適配器。目前，由VESA生產(chǎn)廠家提供的VESA硬盤控制器，也從VESA總線高速的數(shù)據(jù)傳送速率中收益匪淺。當局域網(wǎng)LAN的數(shù)據(jù)傳送速率達到100MB / s時，這些卡將是VESA總線最佳選擇對象。 VESA適配器是附屬于Pentium 的附屬設(shè)備。也就是說，它只有依附于以80X86微處理器為基礎(chǔ)的計算機系統(tǒng)內(nèi)才可以起到應(yīng)有的作用。,7.5 PCI 局部總線,在Pentium 微處理器這樣

9、高性能的微處理器上，需要配備高性能的高總線帶寬的總線，以便能充分利用Pentium 微處理器的全部資源。PCI總線開放性好，具有廣泛的兼容性。是一種低成本、高效益、能與ISA總線兼容的一種有前途的局部總線。 PCI總線在Pentium 和其他總線之間架起了一座橋梁，它可以讓任何一種基于ISA、EISA或微通道(MCA)的添加卡插到PCI總線上。,751 PCI局部總線的特征 它擁有的最高操作時鐘速度為33MHZ。 它擁有32位和64位兩種數(shù)據(jù)通道。 支持由Pentium 采用的2111形式 的成組數(shù)據(jù)傳送方式。 它支持總線主控方式 與ISA、EISA、微通道等多種總線兼容。 也可以把PCI局部

10、總線看作是一個獨立的處理器 它支持5V和3.3V兩種擴充插件卡。 提供了自動配置能力。 精心安排PCI總線信號管腳順序 PCI總線實現(xiàn)了觸發(fā)級的中斷，這種中斷可支持中斷共享。 PCI總線能支持高達10個外圍設(shè)備。 PCI總線工作頻率在33MHZ上下變化，,752 即插即用（Plug and Play） 即插即用已進入如下三個范疇之中： 1 即插即用特征既不是裝備給系統(tǒng)板上的BIOS、也不是裝備給插件卡，而是裝備給PCI局部總線的。 2 若系統(tǒng)板BIOS裝配有即插即用這一特征，而插件卡沒有裝配上即插即用這一特征。安裝軟件會幫你分配輸入/輸出地址，中斷請求IRQS以及DMA通道等。 3 若系統(tǒng)板B

11、IOS和插件卡都裝配有即插即用這一特征。自動配置會對大小事都親自處理。象對輸入/輸出地址的分配，中斷請求IRQS以及DMA通道等事情均由自動配置處理，根本不需用戶進行干預(yù)。,753 PCI標準化 任何一種CPU都可以使用PCI總線。對總線的連線進行了標準化處理，可以使CPU總線免受各種約束。 在PCI總線上，對地址和數(shù)據(jù)的傳送采用的是多路傳送技術(shù)。在第一個時鐘周期內(nèi)傳送的是地址信號，而在第二個時鐘周期傳送的則是數(shù)據(jù)信息。 PCI總線是64位的擴展數(shù)據(jù)總線。PCI總線既可以進行32位數(shù)據(jù)傳送，也可以進行64位的數(shù)據(jù)傳送。,754 PCI性能 PCI局部總線既支持單存儲周期的傳送方式,也支持成組傳

12、送方式。在單存儲周期方式下，它要用2個時鐘時間對數(shù)據(jù)字進行讀寫操作。 由于PCI總線最大時鐘頻率為33MHZ，所以其時鐘周期為30ns。 (1) 由于在單存儲周期傳送方式下，每次傳送均要 用2個時鐘， (2) 在成組周期傳送方式下，在進行地址計算時， 忽略掉第一個時鐘的內(nèi)務(wù)開銷，它傳送32位的 數(shù)據(jù)則需1個時鐘周期約30ns時間，所以其總 線帶寬=(1/30 ns) 4B=133 MB/s。 通過計算PCI總線在單存儲周期的傳送方式下，以及 PCI總線在成組周期傳送方式下,755 PCI 總線橋 操作系統(tǒng)的多任務(wù)處理以及多媒體應(yīng)用程序要求：系統(tǒng)外部設(shè)備對信息的吞吐量要“一大二快” 。所謂一大是

13、指信息量要大，所謂二快是指其操作系統(tǒng)速度要快。PCI總線在這方面顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。 圖中展示出了基于PCI總線的一個微處理器系統(tǒng)。微處理器以及存儲器子系統(tǒng)與PCI總線以及擴展總線之間是各自獨立的、非耦合的關(guān)系。所有的PCI總線上部件(以及各種介質(zhì))都與PCI總線相連，然后再經(jīng)由PCI總線橋(PCI Bridge)依次與微處理器相連。就是這個PCI總線橋，將其他總線與PCI分隔開來。,756 PCI總線操作 PCI總線總是在主控設(shè)備和從屬設(shè)備(目標設(shè)備)之間交換信息，所謂主控設(shè)備是指對系統(tǒng)總線有控制權(quán)的設(shè)備，所謂從屬設(shè)備是指只是對訪問請求給以響應(yīng)的那種設(shè)備。 PCI總線存取操作通常是由兩個操作步

14、驟組的， 一個是地址操作步驟，另一個則是數(shù)據(jù)操作步驟。 PCI總線配備有一種功能非常強的成組方式 PCI總線成組傳送方式有兩大特點。 1.PCI總線橋擁有將單個微處理器訪問合并成一次成組傳送操作的能力，由此而避免了一種潛在的瓶頸現(xiàn)象。 2.PCI總線橋擁有在一次成組傳送操作過程中傳送的字節(jié)數(shù)不受限制能力。,757 總線命令 PCI總線被公認為比EISA總線控制器或者微通道MCA控制器更加智能化。它能引導微處理器通過恰當?shù)腜CI設(shè)備實施訪問操作。 PCI總線橋能發(fā)出16種不同的總線操作命令。這種信息是通過C/BE3#C/BE0#(命令/字節(jié)允許)信號線實施多路傳送操作的，而且是在每一個總線周期的

15、地址操作步驟期間傳送出去的。PCI總線橋的總線操作命令以及每條命令的簡要說明在表中列出。,758 DMA和中斷 在PCI總線概念里(同樣,在EISA和微通道內(nèi))，由于有了總線主控設(shè)備這一概念，就使得DMA和中斷這種操作方式成為過時的、多余的。 從另一個角度上說，總線主控設(shè)備會停止系統(tǒng)主板上總線的操作，而與適配器之間的通信則是通過總線插件槽實現(xiàn)的。由此可見，PCI總線能支持真正的多微處理器操作系統(tǒng)。 另外，PCI總線還提供了4個敏感級可共享的中斷INTA# INTD#，經(jīng)由系統(tǒng)的BIOS這些中斷可以當成標準AT IRQ使用。,759 PCI適配器 PCI總線也規(guī)定了三種不同種類的PCI板(一種是

16、3.3V，一種是5V的，另一種則是通用的)，和兩種不同的插槽（一種是3.3V，另一種是5V）。通用PCI板在兩種類型的插槽上都能工作。 每一個PCI卡都配備有一個其大小為256字節(jié)的配置存儲器。其中的前64個字節(jié)為一個標準標題內(nèi)容簡介，其內(nèi)配備有有關(guān)PCI卡類型、制造廠家、版本、卡的當前狀態(tài)、Cache行大小，總線延遲時間(PCI總線操作時間有多長)等信息。 余下的那192個字節(jié)信息則視不同卡而定。例如,把它們設(shè)置成寄存器的基地址，可使板內(nèi)RAM 、ROM、以及I/O端口，可再次映射到主存儲器以及I/O空間內(nèi)指定的專用地址范圍。 PCI適配器為即插即用提供貨真價實的支持。機器加電，系統(tǒng)就會對P

17、CI總線上所有設(shè)備的配置存儲器進行掃描，然后給每一個設(shè)備都分配一個惟一的基地址和中斷級。,7510 PCI總線信號 PCI總線上的每一信號不是與電源相鄰就是與地相鄰，采用這一措施的目的，就是最大限度減少噪音的干擾和信號的輻射。表7-4中列出了每一信號的稱謂以及其簡單的說明。,7. 6 USB 通用串行總線,761 USB 接口 USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）是近幾年推出的一種全新的外部設(shè)備接口。它是一種高速的通信接口，它的性能比目前系統(tǒng)所采用的標準串行接口和并行接口都要好。 隨著越來越多的使用USB接口的外部設(shè)備的出現(xiàn)，USB接口已成為PC機主板的標準配置。像

18、USB鼠標、USB鍵盤、USB打印機、USB硬盤、USB優(yōu)盤等，已經(jīng)成為當今PC機接口的主流。將來USB很有可能取代PC機的大部分標準和非標準接口。,762 USB特點 USB是一個通過4線連接的12Mbps(1.5MB/s)的接口。這種總線采用的是分層的、星形的拓撲結(jié)構(gòu)。它最多可支持多達127臺外圍設(shè)備，且全部在擴展集線器上，集線器可以置留在PC中任一個USB外圍設(shè)備中，也可以是一個獨立的集線器盒。 現(xiàn)將USB總線主要特點說明如下： 1支持即插即用 2現(xiàn)行軟件的支持 3低成本、低功耗： 4價格低廉,5支持多達127個外圍設(shè)備 6標準化的硬件 7支持多種類設(shè)備 8支持多種操作速度 9占用資源少

19、 10集中控制策略,7. 6. 3 USB硬件 1USB硬件結(jié)構(gòu) USB總線結(jié)構(gòu)采用的是級聯(lián)星形拓撲結(jié)構(gòu)。在USB系統(tǒng)中，只能用一個PC機作為系統(tǒng)的主機。 USB主控制器 / 根集線器是由USB主控制器芯片、USB集線器控制器芯片、USB端口連接件以及控制外圍電路組成。,PC機上的USB主機是由USB主控制器 / 根集線器，USB系統(tǒng)軟件和用戶軟件三部分組成。,2USB連接器 圖示出了USB連接器的視圖和連線引腳，由圖可以看出，USB連接器有4個連線引腳，,表中列出了每一連線引腳上的信號,操作 微機系統(tǒng)一經(jīng)加電，連接在USB總線上的所有外圍設(shè)備和集線器都被默認成地址0，位于下一級的端口都處于失

20、效狀態(tài)。之后，微機系統(tǒng)就開始對USB進行查詢，比如說當發(fā)現(xiàn)的第一個設(shè)備是打印機，就將地址1分配給打印機。 然后再向下一級查找第二個地址仍為0的設(shè)備或集線器。若這次找到的是一個集線器，就將地址2分配給它。然后再向下查找第三個地址仍為0的設(shè)備或集線器，如此重復，直到所有設(shè)備都被賦予了新地址，或已經(jīng)到了127個設(shè)備極限為止。,764 USB系統(tǒng)軟件 USB的系統(tǒng)軟件主要是由PC微機操作系統(tǒng)提供的一系列軟件和各種驅(qū)動程序組成，像USB的核心驅(qū)動程序、USB主控制器驅(qū)動程序等。 通常，是由支持USB的操作系統(tǒng)（像Windows）提供USB的核心驅(qū)動程序以及USB主控制器驅(qū)動程序，而USB設(shè)備的驅(qū)動程序則

21、是由該USB設(shè)備的廠商開發(fā)出來的。,765 USB協(xié)議 USB是一種協(xié)議總線，是以標記包為主的總線協(xié)議。USB數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括： （1）USB整體通信模型： （2）USB數(shù)據(jù)通信協(xié)議： （3）軟硬件結(jié)構(gòu)：包含USB主機、集線器以及設(shè)備構(gòu)成。USB主機與設(shè)備通信的流程、步驟、軟件、硬件的設(shè)計方法。,766 USB傳輸過程 通常，總是把一個傳輸（Transfer）分解成若干個“事務(wù)”，每種傳輸方式都是由多個事務(wù)實現(xiàn)。 1批量傳輸 2中斷傳輸 3同步傳輸 4控制傳輸 在控制傳輸過程中，主機和設(shè)備之間在進行數(shù)據(jù)信息交換，由三個操作步驟構(gòu)成。 初始設(shè)置步驟： 可選數(shù)據(jù)步驟： 狀態(tài)信息步驟：,767Win

22、dows 系統(tǒng)對USB的支持 USB接口是嚴格地遵守Intel的即插即用技術(shù)規(guī)范，其中也包括熱插 / 拔技術(shù)的采用，由于是由USB自動檢測連接到微機系統(tǒng)中的外圍設(shè)備，且是由軟件自動配置的，不需要用戶干預(yù) 在Windows 中為USB接口配備了驅(qū)動程序。USB也需要在BIOS中得到支持，配備有內(nèi)置USB端口的新系統(tǒng)就已經(jīng)包含了對USB的支持。USB外圍設(shè)備包括Modem、電話、鍵盤以及像鼠標等定點設(shè)備。現(xiàn)在所有主板上都內(nèi)置有對USB的支持。,77 FireWire 串行總線 （IEEE - 1394）,對I/O的要求也越來越高，有多家公司致力于開發(fā)高速的適用于SCSI及其他小系統(tǒng)的I/O接口，使

23、外圍設(shè)備與微機的連接更加方便和簡單。 APPLE公司推出了Fire Wire這種高性能、高速的串行總線。 771 特點 Fire Wire的速度非?？?、價格便宜而且容易實現(xiàn)。FireWire不僅在計算機系統(tǒng)而且在諸如數(shù)字式相機、VCD和電視機等電子產(chǎn)品方面都很受歡迎，F(xiàn)ire Wire被用來傳送日益豐富的數(shù)字化視頻圖像。 FireWire接口的特點之一是采用串行傳送而不是并行傳送。,FireWire 串行總線主要特點： 與USB總線一樣，支持即插即用。 采用點對點結(jié)構(gòu)，所有連到FireWire串行總線上的設(shè)備建立了一種對等網(wǎng)絡(luò) 采用級聯(lián)方式與各個設(shè)備相連接，在一個端口上最多可以連接 63個設(shè)備。 采用6線制，即FireWire總線的連接電纜有6條芯線， 一對雙絞線用來傳輸數(shù)據(jù)，一對雙絞線用來傳輸選通信號， 一對提供8V40V不等電壓的電源線。 由于采用的是基于內(nèi)存的地址編碼方式，64位的地址寬度，可以支持100 、200 、400 Mbps