微机原理与接口技术(徐惠民)第5章.ppt

微机原理与接口技术,第五章 微型计算机总线,微型计算机结构上的特点就是总线结构。CPU、存储器、I/O接口和外部设备都是通过总线互相连接。采用总线结构，可以降低微型计算机的成本，是微型计算机可以迅速推广和普遍使用的一个重要因素。本章主要内容：5.1 总线概述 5.2 8088/8086最大模式下总线信号的形成 5.3 总线仲裁和握手技术 5.4 常用微机总线介绍（ISA、EISA、PCI等）,5.1 总线概述,微型计算机系统中，总线可以说是无所不在。总线的层次包括：片内总线；片总线；系统总线；外部总线（通信总线）。,5.1 总线概述,5.1 总线概述,系统总线的主要性能指标：总线宽度：总线的数据线的数目。总线宽度越宽，同时传输的数据就越多，吞吐量就越大。现在都是32位、64位。总线时钟频率：时钟频率的单位为MHz。有的书上以总线传输率作为指标，单位是Mbit/s，数值上和时钟频率相同。总线带宽：是总线的所有数据线每秒可以传输的数据量，也就是最大传输率。单位为MB/s。这三个指标之间的关系是：总线带宽=总线宽度总线时钟频率/8总线电源电压,5.1 总线概述,微型计算机系统总线的发展 微型计算机系统总线的发展，基本上是围绕着总线带宽来进行的。PC总线最早的微型计算机标准总线是以8088为CPU的IMBPC/XT机所使用的总线，称为“PC”总线。也称为“PC/XT”总线。PC总线的数据线只有8条，是一种8位宽度的总线。,5.1 总线概述,ISA总线为了便于开发与PC机兼容的外部设备，IEEE委员会和Intel等公司，开始研究在PC总线基础上的新的总线标准，到1987年IEEE正式制订ISA（Industry Standard Architecture）总线标准。ISA总线采用8位和16位模式，它的最大数据传输率为8MB/s和16MB/s。ISA总线在Intel286和Intel386SX时代得到了普遍的使用。直到今天，一些外部设备的接口还是使用ISA标准。,5.1 总线概述,EISA总线EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准架构）是一种32位总线标准。EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA总线。EISA总线的工作频率是8MHz，由于总线宽度增加到32位，它的总线带宽提升到32MB/s。EISA总线在个人计算机中使用了很长的时间，2000年以后就很少使用了。,5.1 总线概述,PCI总线1992年英特尔公司提出32位PCI总线的概念，并迅速获得认可成为新的工业标准。PCI总线是一种连接外部设备的局部总线。显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等外部设备或者外部设备的接口直接连接到PCI总线，再和CPU连接。PCI总线的工作频率是33MHz，总线带宽达到133MB/s，在20世纪90年代是相当好的性能。,5.1 总线概述,在PCI标准发布一年之后，Intel公司又发布了64位的PCI总线，它的总线带宽达到了266MB/s。64位PCI主要使用于服务器和工作站，为它们提供高性能的总线传输。后来，用于服务器的PCI总线的工作频率又提高到66MHz。,5.1 总线概述,PCI-X总线 是九十年代末提出的总线标准。PCI-X总线仍然使用64位并行总线和共享架构，但将工作频率提升到133MHz，由此获得高达1.06GB/s的总带宽。使用533MHz工作频率的PCI-X 533标准则更是达到4.2GB/s的高水平。,5.1 总线概述,PCI Express 总线它是2001年以后提出的。它采用串行方式传输数据，而依靠高频率来获得高性能，因此PCI Express也被人称为“串行PCI”。由于串行传输信号干扰比较小，总线频率提升比较容易。其次，PCI Express采用全双工运作模式，发送数据和接收数据可以同时进行。第三，PCI Express没有沿用传统的共享式结构，它采用点对点工作模式，可以避免多个设备争抢带宽的情形发生。由于工作频率高达2.5GHz，单通道双工的PCI Express总线总带宽可达到500MB/s。,5.1 总线概述,单总线和多总线 除了总线标准在不断变化和发展，总线的体系结构也在变化：从单总线发展到多总线。,5.1 总线概述,5.1 总线概述,双总线结构：,5.1 总线概述,多总线结构,5.1 总线概述,总线结构的优缺点 简化结构，降低成本统一标准，便于制造扩充灵活，方便使用不允许同时有几个部件互相传输信息 总线传输看起来简单，其实是相当复杂的。需要妥善解决总线握手和总线仲裁问题。,5.2 8086最大模式总线信号的形成,8088最大模式下的总线信号是PC总线的主要组成部分。PC总线是最简单的总线标准。它也是ISA总线的主要组成部分。了解PC总线可以了解最基本的总线信号有哪些。,5.2 8086最大模式总线信号的形成,5.2 8086最大模式总线信号的形成,PC总线 地址线：20条，A0A19，寻址空间是1MB。数据线：8条，D0D7读写控制线：存储器写控制信号、存储器读控制信号、I/O写控制信号、I/O读控制信号、I/O CH RDY：通道就绪信号PC总线共有62条信号线，A、B两面各有31条信号线。ALE：地址锁存信号。中断控制线：IRQ2IRQ7：中断请求信号；DMA控制线：DRQ1DRQ3：DMA请求信号，DMA应答信号。AEN：地址允许信号，在进行DMA操作时，AEN为高电平，只有在AEN是低电平时，才可以进行一般的I/O操作；T/C：终止DMA计数，标识一个通道DMA操作的结束。其他控制线例如时钟输入、振荡器输出、复位驱动，电源和地，等。,5.3 总线仲裁和握手技术,总线主设备总线主设备是指可以发起和控制总线数据传输的设备。如DMA控制器。总线从设备总线从设备不能直接发起和控制总线的数据传输。它们只能接受主设备的要求，在主设备的控制下，接收主设备传送过来的数据，或者把数据传送给主设备。如RAM模块。,5.3 总线仲裁和握手技术,总线仲裁 需要进行总线仲裁的前提是总线上连接了多个总线主设备。总线仲裁就是在总线上有多个总线主设备并且同时要求控制总线时，决定将总线控制权交给哪一个主设备。也就是裁决哪个主设备可以控制总线。基本的处理方法，就是由总线仲裁器来判定哪个主设备可以控制总线。,5.3 总线仲裁和握手技术,主设备在请求控制总线前，先测试BB信号,如果BB显示不忙，发出BR信号，请求占用总线,仲裁器 发出BR信号，表示同意使用总线的请求,仲裁器 将BB信号改为“忙”，标识总线已经被占用。,5.3 总线仲裁和握手技术,总线上的主设备和从设备在工作速度上可以有较大的差别。如果主设备发送数据的速度快，从设备接收数据的速度慢，就会造成数据的丢失。因此，必须对于总线的数据传输进行控制。对于总线传输进行控制，就是这里所说的总线握手。总线握手的基本方式有同步方式、异步方式和半同步方式。,5.3 总线仲裁和握手技术,1同步方式采用同步传输控制方式的总线就是同步总线。同步方式的总线主、从设备在同一时钟的控制下进行传送，一次数据传输的时间是固定的。采用同步方式时，发送地址和数据的时间是固定的，总线主、从设备严格按照一定的时序进行数据的读写操作。PCI总线属于同步方式。,5.3 总线仲裁和握手技术,2.异步方式异步传输控制方式没有统一的时钟，总线主设备和从设备可以具有不同的工作速度。在主、从设备之间增加了一条请求线Req，一条应答线Ack。也就是采用请求应答的握手方式，来进行传输控制。,5.3 总线仲裁和握手技术,3.半同步方式半同步方式是对于同步方式的适当修正。半同步方式仍然具有统一的时钟，但是增加了一条WAIT信号线。主设备在正式接收数据前，先检测WAIT信号线，如果WAIT信号是高电平，则意味着需要等待，主设备将继续等待，继续在下一个时钟周期检测WAIT信号，一直到WAIT信号等于低电平，就是不需要继续等待时，才开始正式的数据传输。ISA总线属于半同步方式。,5.4 常用微机总线介绍,ISA总线ISA总线是在PC总线的基础上，由Intel 公司、IEEE和EISA集团共同推出的一种总线标准。因为PC总线是8位数据总线。而当时，16位数据总线的IBMAT机已经推出，必须有一种新的总线标准，以便可以制造和16位个人计算机的总线匹配的外部接口卡。这种总线标准是在1984年后就慢慢形成，1987年IEEE正式制订了ISA总线标准。,ISA总线信号及其分布,5.4 常用微机总线介绍,PCI总线PCI是Peripheral Component Interconnect（外设部件互连）的缩写。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group，简称PCISIG。1992年6月推出了PCI 1.0版，1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI 2.1版,5.4 常用微机总线介绍,PCI总线的系统结构示意图,PCI总线的信号线分布的示意图,5.4 常用微机总线介绍,USB总线USB总线是Universal Serial Bus的简称，也称为“通用串行总线”。USB总线是一种外部总线，或者说是一种通信总线。通过串行通信的方式连接计算机和外部设备。,5.4 常用微机总线介绍,USB总线只有4根线，如图5-4-5所示。其中D+、D-为信号线，传送信号，是一对双绞线；VBUS和GND是电源线，提供电源。,5.4 常用微机总线介绍,连接器：由插头和插座构成，为A系列B系列两种。A系列连接器：用于与主机连接。B系列连接器：用于与设备连接。,5.4 常用微机总线介绍,传输速度 可以支持高速传输是USB总线的突出特点之一。USB1.0规范提供高速12Mb/s和低速1.5Mb/s两种传输速率；而USB2.0规范支持的最高传输速率可以达到480Mb/s。,5.4 常用微机总线介绍,USB系统的拓扑结构一个USB系统包含三类硬件设备：USB主机(USB Host)、USB设备(USB Device)、USB集线器(USB Hub)。,