【教学课件】第11章总线与接口标准.ppt

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1、,第11章 总线与接口标准,教学目的和要求,通过本章的学习，使学生掌握微机总线和接口标准的基本概念，掌握主要总线及主要接口的性能指标和特点。熟悉RS-232C串行通信接口标准，为今后开发RS-232C串行通信奠定良好的基础。了解PCI总线和通用外设接口标准USB的基本知识,重点,总线与接口标准的基本概念 PCI总线等几种典型总线 RS-232C串行通信接口及通用外设接口标 准USB的基础知识,总线与接口标准,难点,PCI总线结构 USB的系统组成、传输类型、交换的包格式 其他总线的组成与原理,总线与接口标准,11.1 总线和接口标准的基本概念,总线的基本概念与分类,一、基本概念,总线 总线是指

2、一组进行互连和传输信息的信号线，这组信号线一般都包括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线。微型机系统所使用的芯片内部、电路插件板元器件之间、系统各插件板之间、系统与系统之间的连线，都由各自的总线把各部分组织起来，从而组成一个能彼此传输信息和对信息进行加工处理的整体,总线标准是指国际工业界正式公布或推荐的把各种不同的模块组成微机系统时必须遵守的规范。具体来讲，它是指芯片之间，插件板之间及微机系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议和规范,总线标准,总线标准一般包括硬件和软件两方面的内容。硬件方面主要有总线的信号线定义、时钟频率、系统结构、仲裁及配置、电气规范、机械规范等方面

3、的内容，软件方面主要有总线协议、驱动程序和管理程序等。总线标准为微型机系统中各模块的互连提供了一个统一的标准，为接口的软、硬件设计者和开发应用者提供了方便,（1）总线标准的最重要特点是公用性。具有相同总线的不同功能的模块都可以挂接到总线上，共享总线，扩充性能好（2）信号一般以并行方式传输，传输速率快（3）一般在微机主板上以多个扩展插槽形式提供（4）所定义的信号线种类齐全。一般都有分离的数据线、地址线和控制线,总线标准的一般特点,二、总线的分类(5类),片内总线 片内总线也称为CPU总线，它是位于微处理器内部的总线，是ALU及各种寄存器等功能单元之间的通路,元件级总线 元件级总线也称为片间总线。

4、该总线限制在一块电路板内，它是实现板内各元器件相互连接的信号线。片间总线通常包括地址线、数据线和控制线等，是各种总线中速度最快、效益最高、功能最直接的总线。一般指CPU引脚没有经过组合、驱动隔离，而被直接引用的信号线,二、总线的分类(5类)(续一）,通信总线 通信总线也叫外部总线，是微机系统之间或微机系统与通信设备之间进行通信的一组信号线。如串行通信采用的RS-232-C、RS-485总线，微机与智能仪器之间通信采用的IEEE488、VXI总线以及最近流行和正在迅速发展的用于微机与外部设备之间进行通信的USB通用串行总线等。这些通信总线的特点更符合接口标准的特点，因此，常称为接口标准,二、总线

5、的分类(5类)(续二）,系统总线 系统总线也叫板级总线或标准总线，它主要用于微机系统内部各插件板之间进行连接和传输信息，是微机系统最重要的一种总线，一般在主板上做成扩展插槽形式。如ISA总线构成了IBM PC/AT微机系统,二、总线的分类(5类)(续三）,局部总线 局部总线是介于CPU总线和系统总线之间的一级总线，是目前高档微机中常采用的一种重要总线。它的两侧分别由桥芯片连接，分别面向CPU总线和系统总线，但局部总线离CPU总线更近一些。采用局部总线的优点在于一些高速外设通过局部总线和CPU总线直接连接，而不必象早期的微机中那样将高速外设和慢速外设统统挂在较慢的系统总线上，从而可以显著提高数据

6、传输的速率和充分发挥CPU高速的优势,二、总线的分类(5类)(续四）,二、总线的分类(5类)(续五）,局部总线又可分专用局部总线、VL总线（486机中采用）、PCI总线3种。其中前两种已很少用或不用，目前微机系统中的局部总线主要是指PCI总线，它是一种先进的局部总线标准,11.1.2接口标准与接口标准的分类,一、基本概念,接口 所谓接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，不同的外设有不同的输入/输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，CRT显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等,接口标准是指外设接口的规范和定义，它涉及外设接口的信

7、号线定义、传输速率、传输方向、拓朴结构、电气和机械特性等方面,接口标准,（1）接口标准的最大特点是专用性，一般情况下是一种接口只连接一类设备，不能混用（2）一般在机箱外，以插头或插座形式提供（3）信号传输形式既有并行传输又有串行传输（4）定义信号线较少，且种类不多,接口标准的一般特点,“7”号和“9”号位置都是USB接口。它也是一种串行接口，目前最新的标准是2.0版，理论传输速率可达480MB/s。目前许多上设都采用这种设备接口，如Modem、打印机、扫描仪、数码相机等。它的优点就是数据传输速率高、支持即插即用、支持热拨插、无需专用电源、支持多设备无PC独立连接等“8”:IEEE 1394接口

8、，1.6GB/s的传输速率。即插即用、热拨插。使用费比较高，目前仍受到许多限制，只是在一些高档设备中应用普遍，如数码相机、高档扫描仪等“10”号位置是指双绞以太网线接口，也称之为“RJ-45接口”。这要主板集成了网卡才会提供的，它是用于网络连接的双绞网线与主板中集成的网卡进行连接,二、接口标准的分类,接口标准的分类方法也较多，根据所连设备的性质及功能，一般分为以下5种 图形显示接口标准传统串并行接口标准 外存设备接口标准 通用外设接口标准 测试仪器接口标准,图形显示接口标准 支持图形显示卡的接口标准。如高速显示的新型接口标准AGP 传统串并行接口标准 它是微机系统中进行串行和并行输入输出的端口

9、。如RS-232-C、RS-485、I2C、IEEE1284）等接口标准 外存设备接口标准 支持硬盘、光盘、CD-ROM和磁带等存储介质的接口标准，如IDE和SCSI接口标准,通用外设接口标准 支持多种新型外设的通用型接口标准。如USB、IEEE1394等，如前所述，它们常被叫做外设总线是因为这些接口标准已经具备了总线的一些特征，还具有一些网络特性 测试仪器接口标准 提供和一些测试仪器仪表相连接的接口标准。如IEEE-488和VXI接口标准,11.1.3总线的组成及性能指标,一、总线的组成 总线按信号类型或功能一般可分为以下五种,数据总线 数据总线一般为双向三态，用来传输数据，数据总线的宽度（

10、位数）反映了总线传输数据的速率,地址总线 地址总线一般为单向三态，用来传输地址信息，地址线的位数决定了微机系统的寻址范围,控制总线用来传输控制或状态信号。它根据使用条件不同，有的为单向，有的为双向传输，有的是三态，有的是非三态。控制总线代表了总线的控制能力,电源和地线 电源和地线是总线中不可缺少的，它决定了总线使用的电源种类，地线分布及用法,备用线 备用线主要是留作功能扩充和用户的特殊要求使用,控制总线,二、总线的性能指标,总线宽度 总线宽度是指一次可以同时传输数据的位数，单位为位(bit)总线频率 它是指总线在每秒钟内能传输数据的次数，单位为MHz。如ISA的总线频率为8MHz，而PCI总线

11、有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率,传输速率指总线在每秒钟内能传输的最多字节数，单位为MB/s。三者的关系是：传输速率=总线宽度/8总线频率 总线宽度越宽，总线频率越高，则总线传输速率越快 例【11-1】PCI总线频率为33.3MHz，总线宽度32位，则：传输速率=32b/833.3 MHz=133.2MB/s,传输速率,11.2 几种典型总线及接口标准,在微机系统中，通常由多种总线构成。如386主板板上常有ISA 总线和EISA总线，486主板上常有ISA 总线和VESA总线，Pentium主板上常有ISA 总线和PCI总线，P、P主板常有ISA 总线、PCI总线和AGP总线，而P

12、主板上常有用PCI总线和AGP总线，或称AGP接口标准等。微机系统的一种总线层次结构图如图111所示,微机系统的一种总线层次结构图,11.2.1 PC/XT总线和ISA总线,PC/XT总线是最早的PC机的系统总线，是IBM公司于1981年推出的基于准16位机PC/XT的总线，也称PC总线，PC/XT总线支持8位数据传输和20位地址寻址空间,一、ISA总线的主要特点,ISA总线是16位的总线，可以只用低8位数据线：当作8位数据线使用时，只用其前62个引脚，此时，它有8位数据线，20位地址线；当作16位数据线使用时，用到全部98个引脚，此时，它有16位数据线，24位地址线 ISA总线的最高工作频率

13、为8MHz，数据宽度为16位，由公式（11-1）计算可得 数据传输速率为16MB/s。地址线24条，可寻址16MB的内存空间,一、ISA总线的主要特点（续）,ISA总线共有15个外部中断输入端，其中保留3个没有用。另外还有7个DMA通道 ISA总线是开放式总线结构，具备了一定的多主控功能，即允许有多个主控模块分时共享总线,二、ISA总线信号及ISA插座,ISA总线98根线分成7类地址线数据线总线周期控制线总线控制线中断信号线DMA信号线电源线,ISA插座和信号分布图,SA0 SA19 和LA17 LA 23(O)SA0 SA19为地址总线0 19位，是可锁存的地址信号，LA17 LA23为地址

14、总线17 23位，是非锁存信号。地址信号用于寻址存储器和I/O设备。SA0 SA19加上LA17 LA23，允许寻址多达16MB存储空间 AEN 地址允许信号，输出。此信号用来在DMA期间禁止I/O端口的地址译码。AEN信号有效，表示DMA控制器正在控制系统总线，进行DMA传输。此时CPU放放弃了总线控制权，用AEN信号来禁止I/O端口的地址译码,1.地址线,BALE 地址锁存允许信号，输出。它由总线控制器8288提供，可用BALE信号的下降沿将系统总线上的地址信号SA0 SA19锁存 SBHE I/O线，数据总线高字节允许信号。SBHE有效，表示数据总线上传输的是高字节数据（SD8 SD15

15、）,2.数据线,SD0SD7和SD8 SD15，双向。SD0是最低有效位，SD15是最高有效位。CPU既可以按字节传输，也可按字传输,MEMR*存储器读信号(2)MEMW*存储器写信号 SMEMR*、SMEMW*存储器读写控制(用于A0A19寻址的1M内存空间的访问）(3)IOW*I/O写命令(4)IOR*I/O读命令(5)MEMCS16*、I/OCS16*，存储器和I/O 16位片选信号(6)OWS*，输入，零等待状态信号,3.控制线,I/O CHRDY，输入，I/O通道就绪信号,总线控制线MASTER*，输入，主控设备信号 IOCHCK*，I/O通道检验信号，输入 RESET DRV，系统

16、复位驱动信号，输出 CLK，总线系统时钟，输出。OSC，振荡器信号，输出，由晶振产生 REFRESH*，I/O线，刷新信号,中断信号线,IRQ3 IRQ 7、IRQ9IRQ12、IRQ14IRQ15，输入 上述中断请求线用于I/O设备向CPU发出中断请求信号。IRQ9优先级最高，其次是IRQ10 IRQ 12，IRQ14 IRQ 15，最低是IRQ3IRQ7。另外IRQ0 IRQ 2、IRQ8和IRQ13用于系统板上。当IRQ线上由低变高时，产生一个中断请求,DRQ0 DRQ3、DRQ5 DRQ7，输入 DACK0*DACK3*，DAK5*DAK7*，输出，DMA响应信号，用来响应DMA请求。

17、低电平有效 T/C，计数结束信号，输出。在任何一个DMA通道的终点计数计满时发出此脉冲,DMA信号线,共有4组：12V512V105V55V104个地(GND),电源信号线,三、ISA总线周期,ISA支持八种类型的总线周期 存储器读 存储器写 I/O端口读 I/O端口写,中断响应 DMA传输 刷新 仲裁周期,了解和掌握ISA总线周期的时序，特别是I/O端口读和I/O端口写总线周期，对于开发接口电路是非常重要的,11.2.2 PCI总线,PCI总线(Peripheral Component Interconnct Special Interest Group)，即外围部件互联专业组，简称PCIS

18、IG。是由Intel、IBM、Compaq、AST、HP、Apple、DEC等100多家公司于1991年共同推出的一种局部总线，广泛应用于当前高档微机、工作站及笔记本电脑中,PCI局部总线的结构示意图,PCI总线引线示意图,地址和 数据,AD31AD0C/BE#3BE#0,接口控制,FRAME#TRDY#IRTY#STOP#DEVSEL#IDSEL,REQ#GNT#,PERR#SERR#,CLK RST#,64位扩充,PAR64REQ64#ACK64#,INTA#INTB#INTC#INTD#,TD1TD0TCKTMSTRST#,出错,仲裁,系统,AD63AD32C/BE#7BE#4,LOCK

19、#,接口控制,中断,JTAG,PAR,PCI卡,一、PCI总线的特点,与ISA等总线相比，PCI总线具有如下的特点 传输速率高 允许多总线共存 PCI总线不依赖于某一具体的微处理器，它支持多种 微处理器和将来发展的微处理器 总线数据宽度32位或64位 支持64位寻址 5V和3.3V两种电源供电 自动识别与配置外设，方便用户使用,11.2.3 AGP总线,AGP加速图形端口于1996年8月提出的一种新型视频接口标准，它是专门为3D加速而设置的加速图形端口，允许3D图形数据越过PCI总线，把主存和显存直接连接起来，从而解决了PCI总线设计中对于超高速系统的瓶颈问题 AGP应该是一种接口标准，因为它

20、是一种点对点的连接端口，除图形控制器专用外，没有别的设备能够使用AGP，但是，我们习惯上也称其为AGP总线,一、AGP总线的结构,采用AGP总线的系统结构图,二、AGP总线的特点,设计AGP的目的是为了实现高性能的3D图像，提高显示的速度，因此采用了一些先进技术,双时钟技术 流水线技术进行读写内存 DIME(Direct Memory Excute)技术 当CPU访问系统RAM时，AGP显示卡同时可以访问AGP RAM，两种总线同时传输数据 多路信号分离技术 显示系统不占用PCI总线,三、AGP的工作模式,AGP支持3种工作模式：1，2和4模式。3种工作模式的图形性能是依次提高的。目前微机的B

21、IOS中基本上都是采用4模式,四、AGP与PCI的比较,11.3 RS-232C串行通信接口标准,RS-232C是数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，是在微机接口应用中常用的一种串行通信总线标准，全称为EIARS232C标准（Electoronic Industrial Associate Recommended Standard 232C）,11.3.1 RS-232C串行通信接口标准的信号线,RS232C标准的信号线共25根，其中只定义了22根。这22根信号线又分为主、辅两个信道，大多数微机串行通信系统中都只使用主信道的信号线。在通信中，即便是只使用主信道，也并非

22、主信道的所有信号都要连接，一般情况下只需使用其中的9根信号线。这就是为什么我们在微机的机箱上看到的串行通信接口（如COM1、COM2）只有9根的原因,串行通信接口标准的信号线,11.3.2 RS-232C串行通信接口标准的电气特性,RS-232C串行通信接口标准中，对于发送端，规定5V15V表示逻辑“1”（MARK信号），用5V15V表示逻辑“0”（SPACE信号），内阻为几百欧姆，可以带2500pF的电容负载。负载开路时电压不得超过25V。对于接收端，电压低于3表示逻辑“1”，高于3表示逻辑“0”,232C接口采用EIA电平高电平为3V15V逻辑“0”低电平为3V15V逻辑“1”实际常用12

23、V或15V,标准TTL电平高电平：2V5V低电平：0V0.8V,相互转换,11.3.3 RS-232C电平与TTL电平的转换,MAX232引脚图,MAX232的用法,1.在C1+和C1-两端、C2+和C2-两端、V+和地两端、V-和地两端分别接一个0.1f(105)电容2.可以将两路RS-232C电平转换成两路TTL电平。分别从R1IN和R2IN输入，对应从T1OUT和T2OUT输出。注意，输入和输出的逻辑值保持一致，如输入-5V，即逻辑1，输出也是逻辑1，TTL电平为高电平，即3.6V左右3.可以将两路TTL电平转换成两路RS-232C电平，分别从T1IN和T2IN输入，对应从R1OUT和R

24、2OUT输出。同样输入和输出的逻辑值保持一致,11.3.4 RS-232C的机械特性,RS-232C的机械特性规定：微机的RS-232C接口通向外部的连接器是一种标准的“D”型插针,11.4 通用串行总线USB,USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准,1996年2月公布了USB 1.0版本，传输速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。USB 2.0已于2000年4月27日由Compaq

25、、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，作为新一代USB标准，USB 2.0兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。USB 2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经USB连接到PC,11.4.1 USB的性能特点,传输速度快连接简单快捷通用连接器无须外接电源 扩充外设能力强,一、传输速度快,USB 1.0 提供了两种速度：USB低速1.5Mbps，低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USB全速12Mbps，USB全速的数据传输速度比RS-232C

26、串口的9600bps快1000多倍，它用于大范围的多媒体设备。而USB 2.0的数据传输速度可以高达480Mbps,二、连接简单快捷,USB连接简单快捷，可以进行热插拔。即设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源,三、通用连接器,USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为4针插头,四、无须外接电源,由USB总线提供电源到外部设备，USB能提供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的USB设备,如扫描仪等仍需自带电源；USB还采用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源

27、功耗,五、扩充外设能力强,USB采用星形层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机可以连接多达127个外设，用户不用担心要连接的设备数目会受到限制。两个外设间的距离可达5米，扩充方便,11.4.2 USB的物理接口和电气特性,一、接口信号线,二、电气特性,D+、D-线电气特性：无驱动：高速VD+2.7V,VD-0.8V,低速反之；有驱动：高速VD+2.0V,VD-2.0V,低速反之,收发器：对地电源电压为4.755.25V，设备吸入的最大电流值为500mA，D+、D-上不加电压USB设备：高速在D+上加3.03.6V电压,低速反之,三、USB设备及其描述器,USB设备 USB设备分成Hub设备

28、和功能设备两种 管道 管道是从逻辑概念上来描述信息传输的通道 端点 USB描述器（1）设置描述器（2）设备描述器（3）端点描述器（4）接口描述器,11.4.3 USB系统组成及拓扑结构,一、USB系统的组成,USB的软硬件,USB主控制器/根集线器 USB集线器(USB Hub)USB设备,USB设备驱动程序 USB驱动程序 USB主控制器驱动程序,二、USB系统拓扑结构,11.4.4 USB的传输类型,一、USB的数据流类型,USB支持控制信号流实时数据流块数据流中断数据流等4种数据类型,1.控制信号流:控制信号流的作用是当USB设备一旦加入系统时，USB系统软件与设备之间建立起控制信号流来

29、发送控制信号，这种数据不允许出错或丢失 2.实时数据流:实时数据流用于传输连续的固定速率的数据，它所需要的带宽与所传输数据的采样率有关。因为实时数据流要求有固定的速率和低延时，在USB系统中，专门对此操作进行了设计，尽量保证有较大的缓冲区，并确保有低的误码率,3.块数据流:通常用于发送大量数据 4.中断数据流:用于传输少量随机输入信号。它包括事件通知信号、输入字符或坐标等信息,二、USB的传输类型,与USB数据流类型对应，USB有4种基本的传输类型:,批传输中断传输等时传输控制传输,批传输,批传输可以是单向，也可以是双向。它用于传输大批数据，这种数据传输的时间性不强，但要确保数据的正确性。在包

30、的传输过程中，出现错误，则需重新传输。其典型的应用是扫描仪、打印机,中断传输是单向的，且仅输入到主机，它用于不固定的、少量的数据传输。当设备需要主机为其服务时，向主机发送此类信息以通知主机，像键盘、鼠标之类的输入设备采用这方式。USB的中断传输是Polling（查询）类型。主机要频繁地请求端点输入。USB设备在全速情况下，其端点Polling周期为1255ms；对于低速情况，Polling周期为10255ms。因此，最快的Polling频率是1KHz。在信息的传输过程中，如果出现错误，则需将在下一个Polling中重新传输,中断传输,等时传输也称同步传输，可以单向也可以双向，用于传输连续性、实

31、时的数据。这种方式的特点是要求传输速率固定，时间性强，忽略传输错误，即传输中出错也不重传。因为这样会影响传输速率。传输的最大数据包是1024B/ms。视频设备、数字声音设备和数字相机采用这种方式,等时传输,控制传输是双向的，它的传输有23个阶段：Setup阶段，Data阶段（可以没有）和Status阶段。在Setup阶段，主机命令给设备；在Data阶段，传输的是Setup阶段所设定的数据；Status阶段，设备返回握手信号给主机,控制传输,11.4.5 USB包的类型与格式,一、USB包的类型,USB总线的数据传输包含一个或多个交换（Transaction），而交换是由包（Packet）组成的

32、，因此包是组成USB交换的基本单位,其中包的分类编码由PID表示。8位PID中只有高4位用于包的分类编码，低4位作校验用，其含义如图11-12 PID域的格式所示,二、USB包的格式,1.标志包,(1)帧开始包(SOF),标志包由帧开始包和接受(或发送、设置)包组成。发送方：主机(每隔1ms一次),(2)接受包(IN),接受交换包括了全部4种传输类型。接受交换:根Hub广播接受包目标设备返回数据包根Hub发握手包（等时传输无握手包）,(3)发送包(OUT),发送交换:根Hub广播发送包根Hub发数据包目标设备发握手包（批传输才有握手包）,接受交换包括了除等时传输外的其他3种传输类型,(4)设置

33、包(SETUP),控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或多个IN或OUT交换，或只包含一个端点传到主机的状态,2、数据包,发送方：主机或设备,3.握手包,发送方：主机或设备，即数据接受方。,只由SYNC和PID组成主机希望与低速设备进行低速传输时发此包低速设备只支持控制传输与中断传输与低速设备交换数据只有8字节,发送方：主机,4.特殊包,11.4.6 USB的应用,更多的USB产品还在不断地问世。基于USB2.0 标准的USB硬盘、扫描仪和数码相机、数码摄像机等需大数据量传输的新产品也已投入使用，其数据传输速度已高达480Mb/s；还出现了USB转接设备，提供USB接口到其他接口的转换，这样，非USB接口的外设就能间接地使用接USB接口，如USB到PS/2、USB到PCI、USB到SCSI等；新的专用测量仪器也与PC机USB接口，如频谱测试仪通过专用USB电缆与PC机USB接口，实现PC机接收频谱测试仪测试的数据,对于笔记本电脑来讲，使用USB接口可使笔记本电脑的外设连接变得方便简单，机箱上提供多个USB接口，USB光驱、USB软驱等作为配件，使用时只需插上USB接口即可,极大地方便了用户使用。而且系统结构简单，可以使更高主频的微处理器用于笔记本电脑中,习题1111.2 11.3 11.4 11.8 11.9 11.10,