《计算机总线技术》PPT课件.ppt
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1、2023/11/7,1,随着微处理器技术的飞速发展,总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、SATA、USB等总线。芯片内部的总线技术也在不断发展,AMBA、Core Connect、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。工业控制的CAN、PROFIBUS,FF等现场总线技术。总线的数据传输速度也不断提升,目前,AGP局部总线数据可达528MB/s,PCI-X可达1GB/s,系统总线传输速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。,2023/11/7,2
2、,PCI-E槽:PCI-Express,Intel提出,可全面取代现行的PCI和AGP,最终实现总线标准的统一。传输率目前最高可达到10GB/s以上,AGP槽:Accelerate Graphical Port,加速图形接口,实质为PCI 2.1,DIMM槽:Dual Inline Memory Module,双列直插内存模块,ISA 槽,南桥主要是负责IO 北桥用于CPU和内存、显卡、PCI交换数据,2023/11/7,3,计算机总线技术,总线的基本概念内部总线外部总线,2023/11/7,4,1 总线的基本概念,总线就是一组信号线的集合,它定义了各引线的信号、电气和机械特性,使计算机系统内
3、部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系,进行数据传递和通信。,规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性,总线的定义,总线的特点,2023/11/7,5,按照总线内部信息传输的性质,总线可分为,1.1 总线的分类,数据总线:DB 用于传送数据信息,地址总线:AB 是专门用来传送地址的,控制总线:CB 控制总线包括控制、时序和中断信号线,电源总线:PB 用于向系统提供电源,DB,AB,CB,PB,2023/11/7,6,按照总线在系统结构中的层次位置,总线可分
4、为,总线的分类(续),片内总线(On-Chip Bus)在集成电路的内部,用来连接各功能单元的信息通路,内部总线(Internal Bus)用于计算机内部模块(板)之间通信,外部总线(External Bus):又称通讯总线 用于计算机之间或计算机与设备之间通信,2023/11/7,7,根据总线的数据传输方式,总线可分为,并行总线:每个信号都有自己的信号线,串行总线:所有信号复用一对信号线,总线的分类(续),2023/11/7,8,计算机总线结构示意图,总线的分类(续),2023/11/7,9,在集成电路的内部,用来连接各功能单元的信息通路。,总线的分类(续),片内总线,受芯片面积及对外引脚数
5、的限制,片内总线大多采用单总线结构,这有利于芯片集成度和成品率的提高,而对于内部数据传送速度要求较高的,也可采用双总线或三总线结构。,ASIC技术的出现,用户也可以按照自己的要求,借助于适当的EDA工具,设计自己的芯片。,2023/11/7,10,内部总线是微机系统中最重要的总线,人们平常所说的微机总线就是指系统总线,如STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线等,总线的分类(续),内部总线:系统总线或板级总线,按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线 CB、和电源总线PB,2023/11/7,11,数据总线D:用于传递数据信息,总线宽度:数据信号线的根数。决定设备获得最大性能 影响
6、计算机系统性能,地址总线宽度:地址线的根数决定直接寻址能力避免IO地址与内存地址的重叠,地址总线A:用于传递地址信息,控制总线C:,包括控制、时序和中断信号线,用于传递各种控制信息,决定了总线的性能好坏,电源总线P:提供电源,2023/11/7,12,如:IEEE-488、RS-232C、RS-485等,外部总线,总线的分类(续),2023/11/7,13,1.2 总线主要性能指标,又称总线传输率,表示在总线上每秒传输字节的多少,单位是MB/S。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一般的,总线带宽(MB/S)=1/8总线宽度总线频率,总线频率,即总线工作时钟频率,单位为MHz,它是影响
7、总线传输速率的重要因素之一。,总线宽度,又称总线位宽,是总线可同时传输的数据位数,用bit(位)表示,如8位、16位、32位等。显然,总线的宽度越大,它在同一时刻就能够传输更多的数据。,总线带宽,2023/11/7,14,表明总线拥有多少信号线,是数据总线、地址总线、控制总线和电源总线的总和。信号线数与总线性能不成正比,但一般与复杂度成正比。,同步方式,可分为同步方式和异步方式。在同步方式下,总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的,并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模块之间的传输操作,只要总线上的设备都是高速的,就可达到很高的总线带宽。,总线复用,采用多路复用技术,可以减少总线
8、的数目。,信号线数,总线控制方式,包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。,2023/11/7,15,几种微型计算机总线性能参数,2023/11/7,16,1.3 总线的模板化结构,模板化结构按功能划分计算机的各个部件,并按总线标准设计成由总线连接的模板结构:CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等,模板化结构的优点增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性为系统的维修提供了方便,2023/11/7,17,总线控制,1.4 总线控制与总线传输,将控制逻辑集中在一处(如在CPU中)。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式,常见的
9、集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。,将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。如CAN总线,分布式,集中式,2023/11/7,18,总线传输,总线上的数据在主模块的控制下进行传送。一般的,总线在完成一次传输周期时,可分为四个阶段:,由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请,经总线仲裁机构决定在下一传输周期是否能获得总线使用权;,取得了使用权的主模块,通过总线发出本次打算访问的从模块(或从设备)的存储地址或设备地址及有关命令,启动参与本次传输的从模块;,主模块和从模块进行数据交换,数据由源模块发出经数据总线流入目的模块;,主模块的有关信息均从系
10、统总线上撤除,让出总线使用权。,申请分配阶段,寻址阶段,数据传输阶段,结束阶段,2023/11/7,19,2 内部总线,STD总线 PC系列总线,本节主要内容,2023/11/7,20,STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线,后发展成可用于寻址16M空间的16位总线美国PRO-LOG公司1978年推出,后被重新定名为IEEE961,2.1 STD总线,STD总线的特点:,56根并行总线,采用小模板结构,尺寸为165114mm,模块化的总体设计布局,开放式的系统结构,兼容式总线结构,拥有丰富的I/O功能,广泛适用于工业控制,小模板结构,模板尺寸小,可减少冲击和震动的影响,2023/1
11、1/7,21,56根并行总线都有明确的定义,按功能可分为五大类(1)逻辑电源线6根(引线16)(2)数据总线8根(引线714)(3)地址总线16根(引线1530)(4)控制总线22根(引线3152)(5)辅助电源线4根(引线5356),STD总线的信号分配,2023/11/7,22,总线低位地址A0A12直接连接到各存储器芯片,STD总线与存储器连接方法,高位地址A13A15用来选片(可选64K基本存储器,通过扩展,可增至128K),2023/11/7,23,地址码的低位字节连接到总线译码器,形成6根选板信号和2根选口信号,选通I/O端口工作,STD总线与I/O的连接方法,(可选128个口,扩
12、展后可增至256个口),2023/11/7,24,ISA:Industry Standard Architecture,2.2 PC系列总线,MCA:Micro Channel Architecture,EISA:Extension ISA,PCI:Peripheral Components Interconnect,IBM PC总线的简称,因IBM及其兼容机的广泛普及成为全世界用户承认的一种事实上的标准,PCI-E:PCI Express,2023/11/7,25,问世较早,是8位、16位数据传输总线的工业标准最高传输速率8Mbps寻址空间为16MB将CPU看作唯一的主模块,其余外设均为从模
13、块,包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器98根总线分成5类:地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线,ISA总线,2023/11/7,26,IBM在推出386时提出数据、地址总线宽度32位,支持4GB的寻址能力数据传输速率33Mbps在电气及物理上与ISA不兼容IBM没有公布标准,MCA总线(Micro Channel Architecture),2023/11/7,27,89年,为冲破IBM公司对MCA标准的垄断,以Compaq公司为首的9家兼容机制造商联合推出32位数据总线,支持32位地址通路总线主控技术,扩展卡上具有总线主控处理器与ISA兼容,支持多个主模块可以自动根据需要进行32、16
14、、8位数据间的转换支持多总线主控模块扩展卡的安装十分容易,可根据配置文件自动配置系统和扩展板,EISA总线,2023/11/7,28,PCI(Peripheral Component Interconnect,设备部件互连总线)是一种高性能局部总线,它是92年由Intel公司带头制定的设备总线标准支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式具有即插即用功能(PnP,Plug and Play)最高传送数据132Mbps兼容性强、成本低,PCI局部总线,2023/11/7,29,PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统嵌入自动配置软件,在加电时自动配置PCI扩展卡,
15、为用户提供了简便的使用方法。,PCI局部总线已形成工业标准。它的高性能总线体系结构满足了不同系统的需求,低成本的PCI总线构成的计算机系统达到了较高的性能/价格比水平。因此,PCI总线被应用于多种平台和体系结构中。,PCI总线的组件、扩展板接口与处理器无关,在多处理器系统结构中,数据能够高效地在多个处理器之间传输。与处理器无关的特性,使PCI总线具有很好的I/O性能,最大限度地使用各类CPU/RAM的局部总线操作系统、各类高档图形设备和各类高速外部设备,如SCSI、HDTV、3D等。,2023/11/7,30,PCI总线结构,2023/11/7,31,PCI Express和PCI不同的是实现
16、了传输方式从并行到串行的转变。PCI Express是采用点对点的串行连接方式,这个和以前的并行通道大为不同,允许和每个设备建立独立的数据传输通道。不用再向整个系统请求带宽,这样也就轻松地到达了高带宽要求。,PCI-E(PCI Express)总线,2023/11/7,32,PCI-E总线结构,2023/11/7,33,串行的点对点互连差分信号传送采用交换开关互连多台设备PCI Express 事务与包PCI Express的事务分成两类:非转发事务,即请求者发送请求包给完成者,完成者返回完成包给请求者,如存储器读事务;转发事务,即只有请求者给完成者发送请求包,而完成者不用返回完成包给请求者,
17、如存储器写事务具有更高的数据传输率,PCI-E总线主要特点,2023/11/7,34,PCI Express设备采用层次结构,采用层次结构的优势分散关注松散耦合逻辑复用标准定义,2023/11/7,35,错误处理具有优先级的传送两种中断方式一种是类似PCI-X的MSI协议,PCI Express设备启动一个写存储器包,向根复合体发送一个中断向量,根复合体再中断CPU。另一种是使用中断消息事务向根复合体传送传统PCI总线上的INT x信号的跳变情况,这种中断方式只对具有传统功能的端点设备和PCI Express-PCI桥的系统有用。支持热插拔(即带电插拔,允许用户在不关闭系统,不切断电源的情况下
18、取出设备),2023/11/7,36,3 外部总线,外部总线又称为通信总线,用于计算机之间,计算机与远程终端,计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。该类总线不是计算机系统已有的总线,而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线.,2023/11/7,37,IEEE-488总线RS-232-C总线 RS-422和RS-485总线 通用串行总线(USB),本节主要内容,2023/11/7,38,IEEE-488总线是一种并行外部总线,专门用于计算机与测量仪器、输入输出设备,以及这些仪器设备之间的并行通信。IEEE-488是1970年由美国惠普公司开发的并
19、行通讯总线,总线上连接的设备有三种,工作方式也有三种:,3.1 IEEE-488总线,控者(“控制”方式):每时只能有一个,听者(“受话”方式):同时可有多个,讲者(“送话”方式):每时只能有一个,2023/11/7,39,IEEE-488总线的连接示意图,2023/11/7,40,接口管理总线接口清除线IFC、服务请求线SQR、注意线ATN、结束或识别线EQI、远程允许REN,IEEE-488总线的信号分配,IEEE-488共定义了24根线(其中8根地线),数据总线D1-D8,数据传送控制线数据有效线DAV、未准备好接受数据线NRFD、未接受好数据线NDAC,2023/11/7,41,数据传
20、输率不得超过每秒1M字节总线上的设备数不得多于15个电缆总长度不超过20m,两设备间不超过2m采用负逻辑,使用IEEE-488的约定,2023/11/7,42,采用异步方式,利用三条控制线进行握手联络,实现三线握手的数据传输,IEEE-488总线数据传送时序,2023/11/7,43,RS-232-C总线是一种串行外部总线,专门用于数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)和数据通信设备DCE(Data Communication Equipment)之间的串行通信。,3.2 RS-232-C总线,是1969年由美国电子工业协会(EIA)从CCITT远程通信标准中导出
21、的一个标准。,2023/11/7,44,RS-232-C总线的接口连接器采用DB-25插头和插座,其中阳性插头(DB-25-P)与DTE相连,阴性插座(DB-25-S)与DCE相连。,RS-232-C总线的机械特性,RS-232-C 25个引脚只定义了22个。,通常使用的RS-232-C接口信号只有9根引脚,其插头插座在RS-232-C的机械特性中都有规定。,最基本的三根线是发送数据线2、接收数据线3和信号地线7,2023/11/7,45,MODEM控制和状态引脚分为两组 一组为DTR和RTS,负责从计算机通过RS-232C接口送给MODEM 另一组为DSR、CTS、DCD和RI,负责从MOD
22、EM通过RS-232C接口送给计算机的状态信息,常用的9根引脚分为两类:,另一类是用于调制解调器(MODEM)的控制和反 映其状态的引脚。,基本数据传送引脚包括:TXD、RXD和GND,一类是基本的数据传送引脚,2023/11/7,46,RS-232C总线的电气特性,电气连接方式:TTL电平:+5V为逻辑“1”,0V为逻辑“0”;EIA电平:-3-15V为逻辑“1”,+3+15V为逻辑“0”,主要特点:非平衡的连接方式采用点对点通信公用地线,2023/11/7,47,最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于15m。,电气参数,引线信号状态 RS-232C标准引线状态
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