微机原理与接口技术第7章.ppt

第7章 输入/输出系统,PC系列微机系统采用开放式的多总线结构,地址总线经地址锁存、缓冲器（三态输出）,数据总线经总线收发器，控制总线经总线控制逻辑之后形成的总线，称为系统总线。（连接主存储器和一般的I/O接口）,I/O接口电路有一部分在主板上，另一部分通过总线插槽扩充。,7.1 32位微处理器的外部引脚（教材P.27),1.数据线及控制信号 数据线：D63D0共64位 奇偶校验信号：DP7DP0,每个字 节产生1个校验位 读校验错：PCHK,Pentium 处理器的外部引脚,2.地址线及控制信号,七 一,A31A3：高29位地址线,Pentium 处理器的外部引脚,3.系统控制信号,1.时钟输入CLK2.可屏蔽中断请求 INTR3.非屏蔽中断请求 NMI4.系统复位信号 RESET系统复位后，程序运行的地址为:FFFFFFF0H实模式 CS:F000H,IP:0FFF0H,Pentium 处理器的外部引脚,系统时钟,是微处理器内部与外部操作的同步时基信号，由时钟（CLK）输入信号来提供。,CLK,时钟周期：T状态：就是指时钟周期,T,Pentium 处理器的外部引脚,Pentium 处理器的外部引脚,4.总线周期定义信号(输出)“周期”是一段时间CPU通过总线与存储器、I/O交换一个数据所需要的时间称为总线周期,8086总线周期,Pentium 处理器的外部引脚,总线周期定义的操作,M/IO D/C W/R 操作 0 0 0 中断 0 0 1 中止/专用周期 0 1 0 I/O读 0 1 1 I/O写 1 0 0 微代码读 1 0 1 保留 1 1 0 存储器读 1 1 1 存储器写,Pentium 处理器的外部引脚,Pentium 处理器的外部引脚,LOCK：总线锁定信号LOCK=0，通知外围电路，不允许外部信号打断当前的总线周期。当一条指令有.LOCK前缀时，该引脚输出为0。,Pentium 处理器的外部引脚,以下为X86的基本总线周期时序图（以pentium为例),Pentium 处理器的外部引脚,CLK,ADS,BE0BE3,A2A31,M/IO、D/C,W/R,RDY,D0D31,有等待状态总线周期,T1,T2,TW,T1,T2,TW,T1,Pentium 处理器的外部引脚,6.总线仲裁信号(1)HOLD：总线保持请求（输入）(2)HLDA：总线保持响应（输出）,Pentium 处理器的外部引脚,7.2 总线与总线标准,1.总线分类按所传输信号的性质分为：地址总线、数据总线、控制总线,计算机系统按系统层次分有许多模块，这些模块位于系统的不同层次上，整个系统按模块化构建。按总线连接的对象和所处系统的层次来分：芯片级总线、系统总线、局部总线 和 外部总线,总 线 分 类,CPU与连接到系统板上的外设打交道须经过芯片级总线、局部总线、（系统总线）和外部总线这样三到四级总线。,芯片级总线：用于模块内芯片级的互连，是该芯片与外围支撑芯片的连接总线。如连接CPU及其周边的协处理器、总线控制器、总线收发器等的总线称为CPU总线，连接存储器及其支撑芯片的总线成为存储器总线。,总 线 分 类,系统总线：连接计算机内部各个模块的一条主干线，是连接芯片级总线、局部总线和外部总线的纽带。系统总线又称底版总线、主板总线、扩展总线，它把微机系统各插件板与主板连在一起。系统总线符合某一总线标准，具有通用性，是计算机系统模块化的基础。由于经过缓冲器驱动，负载能力较强,总 线 分 类,局部总线：系统总线连接局部总线、外部总线和外部设备 与所连接的CPU和外部设备相比，系统总线发展滞后、速度缓慢、带宽较窄，成为数据传输瓶颈。为了打破这一瓶颈，将一些高速外设从系统总线上卸下，通过控制和驱动电路直接挂到CPU局部总线上，使高速外设能按CPU速度运行。这种直接连接CPU和高速外围设备的传输通道就是局部总线。局部总线一端与CPU连接，另一端与高速外设和系统总线连接，好象在系统总线和CPU总线之间又插入一级,外部总线：又称设备总线，是连接计算机与外部设备的总线。外部总线经总线控制器挂接到系统总线上。,总 线 分 类,总线插槽是主板和 I/O 接口之间的连接 器,为了连接众 多类型的接口电路,主 板一般都配有几 种类型的总线。,PC系列机主板上的总线标准有：XT总线、AT（ISA）总线、EISA总线、VESA总线和PCI总线。,总 线 分 类,2.ISA(AT)总线（P.171),ISA总线是16位总线,始于286机型。之 后在386 奔腾 机上都有ISA总线。（实际上由8位发展到16位，甚至32位（EISA，后 来消失替代于VESA、PCI），当今的主板上都留 有插槽）ISA总线由62芯+36芯两个插槽组成,Industry standard architecture 工业标准结构,2.ISA(AT)总线（P.171),主要特性：数据传输率最高为8MB/S 24根地址线，可寻址16MB存储空间 64KB个可寻址的I/O端口（16根地址线）一次可进行16位或8位数据存取 15级中断控制 7个DMA通道 可产生I/O等待状态 支持多个主控器（XT总线中只有CPU是唯一的主 控设备，而ISA总线可使CPU释放总线由其它主控、器（如DMAC、DRAM刷新控制器等）占用总线）,ISA(AT)总 线,GND,RESET DRV,B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9,B10,B11,B12,B13,B14,B15,B16,B17,B18,B19,B20,B21,B22,B23,B24,B25,B26,B27,B28,B29,B30,B31,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11,A12,A13,A14,A15,A16,A17,A18,A20,A19,A22,A21,A23,A24,A25,A26,A27,A28,A29,A30,A31,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10,D11,D12,D13,D14,D15,D16,D17,D18,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C18,+5V,IRQ9,-5V,DRQ2,-12V,0WS,+12V,GND,SMEMW,AT总线插槽引脚分配,SMEMR,IOW,IOR,DACK3,DRQ3,DRQ1,DACK1,REFRESH,CLK,IRQ7,IRQ5,IRQ6,IRQ4,IRQ3,DACK2,T/C,BALE,+5V,OSC,I/O CH CK,GND,SD7,SD6,SD5,SD4,SD3,SD2,SD1,SD0,I/O CH RDY,AEN,SA19,SA18,SA17,SA16,SA15,SA14,SA13,SA12,SA11,SA10,SA9,SA8,SA7,SA6,SA5,SA4,SA3,SA2,SA1,SA0,MEM CS16,I/O CS16,IRQ10,IRQ11,IRQ12,IRQ15,IRQ14,DRQ0,MASTER,DRQ5,DRQ6,DRQ7,+5V,GND,SBHE,LA23,LA22,LA21,LA20,LA19,LA18,LA17,SD8,SD9,SD10,SD11,SD12,SD13,SD14,SD15,ISA(AT)总 线,(1).数据线:SD15 SD8,SD7 SD0,(2).地址线:SA19 SA0,(3).控制线:AEN:地址允许信号。AEN=0,表明CPU控制系统 3总线。AEN=1,表明DMAC控制系统3总线。应用:用AEN=0参与端口地址译码。,ISA(AT)总 线,IOW:I/O 写命令。IOW=0,把数据线上信息 选中的端口寄存器。应用:用IOW=0对端口进行写操作。,中断请求线。IRQ3 7,IRQ9 12,IRQ14 15,ISA(AT)总 线,使用ISA总线接口的以太网卡,ISA(AT)总 线,PCI总线为高速的I/O子系统（图形显示适配器、网络接口控制器、磁盘控制器等）提供了更好的性能。即插即用特性,Peripheral component interconnect 外围部件连接,(1)PCI总线,3.其他重要的总线,PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。32位数据宽度运行，最大传输速度 133MB/S；64位数据宽度运行，最大传输速度 528MB/S,PCI 总 线,主板上的 PCI插槽,PCI 总 线,(2)AGP（Accelerate Graphics Port)图形加速接口 P.189AGP接口是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，AGP不能称为总线，它与PCI总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，但在习惯上我们依然称其为AGP总线。最初传输速度 266MB/S（AGP1X）,最高传输速度 2.1GB/S(AGP8X),主板上的AGP插槽,AGP 图形加速接口,(3)USB总线(通用串行总线)P.181USB1.1 传输速度最高 12MB/SUSB2.0 传输速度最高 480MB/SUSB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，USB支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘等，几乎所有的外部设备。,USB接口,USB接口,(4)并行I/O接口(硬盘接口)P.180IDE(Integrated Drive Electronics)ATAIDE即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。,主板IDE接口,硬盘IDE接口,IDE 接 口,SCSI(Small Computer System Interface)SCSI是同IDE（ATA）完全不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如IDE硬盘般普及，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。传输速度 40MB/S 320MB/S支持硬盘转速 达 15000RPM,硬盘SCSI接口,SCSI 接 口,SATA（Serial ATA）使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势。Serial ATA采用串行连接方式，嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。,相对于并行ATA来说，Serial ATA以连续串行的方式传送数据，一次只传送1位数据。Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。Serial ATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，这比目前最新的并行ATA（即ATA/133）所能达到133MB/s的最高数据传输率还高，而在Serial ATA 2.0的数据传输率将达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率。,SATA 接口,SATA接口硬盘,主板上的 SATA接口,SATA 接口,4.32位微型计算机总线结构(P.188)（1）结构发展过程（2）目前的流行结构（南北桥结构）,南北桥结构,南北桥结构,北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP数据在北桥内部传输，提供对CPU的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型（SDRAM，DDR SDRAM以及RDRAM等）和最大容量、AGP插槽、ECC纠错等支持，整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。北桥芯片就是主板上离CPU最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而缩短传输距离。875P芯片组的北桥芯片：82875P,主板上的北桥芯片,南北桥结构,南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。近两年的芯片组Intel945系列芯片组都采用ICH7或者ICH7R南桥芯片。南桥芯片一般位于主板上离CPU插槽较远的下方，PCI插槽的附近，这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。,南北桥结构,主板上的南桥芯片,南北桥结构,