微機(jī)原理與應(yīng)用04 BUS

1、微機(jī)原理與應(yīng)用四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 課程資料目標(biāo)知識(shí)目標(biāo) 了解系統(tǒng)總線和外部通訊總線的類型和作用。專業(yè)能力目標(biāo) 能判斷總線級(jí)別；能分析總線傳輸水平；能識(shí)別各種總線。方法能力目標(biāo) 有自學(xué)能力、獲取新工藝、新技術(shù)的能力；利用網(wǎng)絡(luò)、各種資料獲取信息的能力；自我約束、身心健康與管理能力；制定工作計(jì)劃、評(píng)價(jià)工作結(jié)果的能力。社會(huì)能力目標(biāo) 交流、合作能力；決策和執(zhí)行能力；語言、文字表達(dá)能力；社會(huì)責(zé)任心和環(huán)境保護(hù)意識(shí)；尊紀(jì)守法、良好職業(yè)道德和敬業(yè)精神?？偩€和接口標(biāo)準(zhǔn)的基本概念 一、基本概念 總線（BUS） 總線是指一組進(jìn)行互連和傳輸信息的信號(hào)線。它是計(jì)算機(jī)上的公共信息通道?？偩€標(biāo)準(zhǔn) 總線標(biāo)準(zhǔn)是指國際

2、工業(yè)界正式公布或推薦的把各種不同的模塊組成微機(jī)系統(tǒng)時(shí)必須遵守的規(guī)范。Intel X58 芯片組架構(gòu)，是目前最先進(jìn)的微型機(jī)架構(gòu)模式總線的優(yōu)點(diǎn) 簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 便于生產(chǎn)與之兼容的硬件板卡和軟件； 便于擴(kuò)充和升級(jí)； 便于故障診斷和維修； 大規(guī)模生產(chǎn)降低了制造成本?？偩€的分類 1.按信號(hào)性質(zhì)數(shù)據(jù)總線（Data Bus，DB）用于在各個(gè)部件/設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)信息。地址總線（Address Bus，AB）用于在CPU（或DMA控制器）與存儲(chǔ)器、I/O接口之間傳輸?shù)刂沸畔??？刂瓶偩€（Control Bus，CB）用于在CPU（或DMA控制器）與存儲(chǔ)器、I/O接口之間傳輸控制和狀態(tài)信息?？偩€的分類2. 按系統(tǒng)

3、層次 芯片級(jí)總線 系統(tǒng)總線 外部總線外部總線總線體系結(jié)構(gòu) 總線連接系統(tǒng)內(nèi)各模塊，組織方法不同，總線結(jié)構(gòu)亦不同。 1.單總線結(jié)構(gòu) 2.雙總線結(jié)構(gòu) 3.多總線分級(jí)結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu) 從微機(jī)體系結(jié)構(gòu)來看，有兩種總線結(jié)構(gòu)，即單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)。在多總線結(jié)構(gòu)中，又以雙總線結(jié)構(gòu)為主。 1. 單總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu) 2. 雙總線結(jié)構(gòu) 雙總線結(jié)構(gòu)又分為面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)和面向存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)?？偩€結(jié)構(gòu)2. 雙總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)雙重總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)3. 多總線結(jié)構(gòu) 隨著對(duì)微機(jī)性能越來越高的要求，現(xiàn)代微機(jī)的體系結(jié)構(gòu)已不再采用單總線或雙總線的結(jié)構(gòu)，而是采用更復(fù)雜的多總線結(jié)構(gòu)?？偩€操作 總線操作周期一般要有四個(gè)階段。

4、總線請(qǐng)求和仲裁(Bus request & Arbitration)階段。 尋址(Addressing)階段。 數(shù)據(jù)傳送(Data Transfer)階段。 結(jié)束(Ending)階段?？偩€仲裁 總線仲裁即總線判決，目的是避免多個(gè)主控器同時(shí)占用總線，確保任何時(shí)候總線上最多只有一個(gè)模塊發(fā)送信息。當(dāng)多個(gè)主控模塊同時(shí)提出總線請(qǐng)求時(shí)，仲裁機(jī)構(gòu)以一定的優(yōu)先算法裁決哪個(gè)獲得總線使用權(quán)。沒有總線仲裁，總線沖突就不可避免，不可避免地引起傳輸線上信號(hào)電平的沖突，輕者引起通信故障，嚴(yán)重的造成低阻通路產(chǎn)生大電流而燒毀總線驅(qū)動(dòng)器芯片?？偩€傳輸方式 總線傳輸方式即總線通信方式，俗稱總線握手方式。 握手線的數(shù)目因方

5、式不同而異，握手線以信號(hào)電平的某種變化來標(biāo)明總線傳輸?shù)拈_始和結(jié)束，在主從模塊之間實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。 1.同步傳輸方式 2.異步傳輸方式 3.半同步傳輸方式總線的性能指標(biāo) 總線寬度 總線寬度是指一次可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位為位(bit) 總線頻率 它是指總線在每秒鐘內(nèi)能傳輸數(shù)據(jù)的次數(shù)，單位為MHz。如ISA的總線頻率為8MHz，而PCI總線有33.3MHz、66.6MHz兩種總線頻率總線的性能指標(biāo) FSB是指CPU與北橋芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸總線，又稱前端總線。 前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋捎跀?shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率，即數(shù)據(jù)帶寬=（總線頻率數(shù)據(jù)位寬）8

6、。前端總線FSB與QPI 以前的FSB結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的QPI結(jié)構(gòu)總線傳輸速率總線傳輸速率 傳輸速率指總線在每秒鐘內(nèi)能傳輸?shù)淖疃嘧止?jié)數(shù)，單位為MB/s。三者的關(guān)系是：傳輸速率=總線寬度/8總線頻率 總線寬度越寬，總線頻率越高，則總線傳輸速率越快 例：PCI總線頻率為33.3MHz，總線寬度32位，則：傳輸速率=32b/833.3 MHz =133.2MB/s總線傳輸速率尋址能力。 尋址能力主要指地址總線的位數(shù)及它所能直接尋址的存儲(chǔ)空間的大小，如地址總線為N位，則它可以直接尋址的存儲(chǔ)空間為2nByte?？偩€負(fù)載能力 總線負(fù)載能力是指總線上所能連接的設(shè)備數(shù)。幾種典型總線及接口標(biāo)準(zhǔn) I/O總線是用于擴(kuò)展插卡

7、與CPU通信的總線，主要有7種類型。它們每次能處理的數(shù)據(jù)位決定了它們的分類。 1. PC/XT總線（8位） 2. ISA總線（16位） 3. EISA總線（32位） 4. VL局域總線（32位） 5. PCI總線（32/64位） 6. AGP總線(32/64位) 7. PCI-E總線(32/64位)PC/XT總線和ISA總線 PC/XT總線采用Intel 8088處理器的體系結(jié)構(gòu)，為8位擴(kuò)展總線，工作頻率為4.77MHz。 PC/XT總線傳送一個(gè)數(shù)據(jù)（8位或1字節(jié)）需要2到8個(gè)時(shí)鐘周期，所以，理論上PC/XT總線的最大傳送速率為：4.77MHz1Byte2Cycles=2.39MB/Sec 因

8、為PC/XT總線用的是20位的地址總線，所以它最多只能尋址1MB的內(nèi)存。ISA總線 ISA(Industrial Standard Architecture)總線指IBM公司為適配PC/AT機(jī)而于1984年推出的16位系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它是當(dāng)初PC/XT機(jī)使用的PC總線的擴(kuò)展，PC總線共62線，其插卡/插座分A、B兩面，每面31線，其中數(shù)據(jù)線寬8位，地址線寬20位(可對(duì)1MB存儲(chǔ)空間尋址)。ISA總線（續(xù)）ISA總線主要特性數(shù)據(jù)傳輸率最高為8MB/S；24根地址線，可尋址16MB存儲(chǔ)空間；64K個(gè)可尋址的I/O端口(16根地址線)；一次可進(jìn)行16位或8位數(shù)據(jù)存取；8/16位的數(shù)據(jù)線；15級(jí)硬中斷控

9、制(對(duì)應(yīng)2片8259A級(jí)聯(lián))；8個(gè)DMA通道(相當(dāng)2片8237A-5級(jí)聯(lián))；產(chǎn)生I/O等待狀態(tài)；支持多個(gè)主控器(Multi Master)。ISA插座和信號(hào)分布圖EISA總線 EISA(Extended Industry Standard Architecture:擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）是由COMPAQ等兼容機(jī)廠商聯(lián)合于1988年9月推出的一種與IBM的MCA總線抗衡的增強(qiáng)型總線。EISA總線特點(diǎn)32位尋址能力和16位/32位數(shù)據(jù)傳送能力，存儲(chǔ)空間達(dá)到232=4GB。DMA的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)33MB/s。可通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主板和擴(kuò)充自動(dòng)配置功能?？晒芾矶鄠€(gè)總線主控器，并使用突發(fā)方式對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)器進(jìn)

10、行讀/寫訪問?？捎贸绦騺砜刂浦袛嗾?qǐng)求，采用邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)方式。EISA總線插槽既可插ISA插卡，采用同步數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，可支持常規(guī)的一次傳送，也可支持突發(fā)方式即高速分組傳送。486時(shí)代的主板VESA總線 VESA（video electronics standard association）總線是 1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESA local bus)總線。VESA總線 VESA局部總線（VESA Local Bus）也叫VL-總線（VL-BUS），是由VESA協(xié)會(huì)創(chuàng)建的，VESA總線主要目的是用于視頻插卡，以提高視頻性能。VESA總線 VESA局部

11、總線設(shè)計(jì)的兩個(gè)特點(diǎn)： 1.定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴(kuò)展槽擴(kuò)展到64 位，使用33MHz時(shí)鐘頻率，最大傳輸率為128MB/S到132MB/S，可與CPU同步工作； 2.它是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。PCI總線 PCI總線(Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)，即外圍部件互聯(lián)專業(yè)組， 簡稱PCISIG。PCI總線 PCI局部總線的主要性能及特點(diǎn)支持10臺(tái)外設(shè)；總線時(shí)鐘頻率33.3MHz/66MHz；最大數(shù)據(jù)傳輸速率在時(shí)鐘頻率為33MHz時(shí)為133MB

12、/s（32位）或266MB/s（64位）；時(shí)鐘同步式；與CPU及時(shí)鐘頻率無關(guān)；總線寬度32位（5V）/64位（3.3V）；能自動(dòng)識(shí)別外設(shè)（即插即用功能）；特別適合與Intel的CPU協(xié)同工作；具有與處理器和存儲(chǔ)器子系統(tǒng)完全并行操作的能力；具有隱含的中央仲裁系統(tǒng)；采用多路復(fù)用方式（地址線和數(shù)據(jù)線）減少了引腳；支持64位尋址能力；完全的多總線主控能力；提供地址和數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)；可以轉(zhuǎn)換5V和3.3V的信號(hào)環(huán)境。PCI局部總線的結(jié)構(gòu)示意圖PCI總線 PCI總線上的信息一般以33MHZ的速率傳輸，每次傳送32BIT，這樣每 秒 的 帶 寬 就 是 1 3 3 M B ， 計(jì) 算 公 式 為 ： 3 3

13、 . 3 3 M H z 4bytes(32bits)=133MB/sec。顯示卡插槽標(biāo)顯示卡插槽主要有AGP和PCI-Ex16插槽。PCI-E x16AGPAGP總線 AGP(Accelerated Graphics Port)英文直譯為圖形加速端口。 于1996年8月提出的一種新型視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，它是專門為3D加速而設(shè)置的加速圖形端口。 允許3D圖形數(shù)據(jù)越過PCI總線，把主存和顯存直接連接起來，從而解決了PCI總線設(shè)計(jì)中對(duì)于超高速系統(tǒng)的瓶頸問題。 AGP總線 設(shè)計(jì)AGP的目的是為了實(shí)現(xiàn)高性能的3D圖像，提高顯示的速度，因此采用了一些先進(jìn)技術(shù)。AGP總線AGP規(guī)范PCI-Express總線 P

14、CI-Express插槽其中PCI-E x16可以作為顯示卡插槽。 PCI-Express技術(shù)于2002年年底被審核批準(zhǔn)，而擁有PCI Express技術(shù)的主板也正式面世。PCI-E總線 PCI-E采用多通道傳輸機(jī)制，各通道之間各自獨(dú)立，多個(gè)通道組成一條總線系統(tǒng)。根據(jù)通道數(shù)的不同，分為PCI-E 1X、2X、4X、8X、16X甚至32X。PCI-E總線 PCI-E支持高階電源管理，支持熱插拔，支持?jǐn)?shù)據(jù)同步傳輸，為優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬優(yōu)化。PCI-E 第一代的PCI-Express1.0于2002年正式發(fā)布，它采用高速串行工作原理，接口傳輸速率達(dá)到2.5GHz。 PCI-Express2.0則在

15、1.0版本基礎(chǔ)上更進(jìn)了一步，將接口速率提升到了5GHz，傳輸性能也翻了一番。X1模式的擴(kuò)展口帶寬總和可達(dá)到1GB/s，X16圖形接口更可以達(dá)到16GB/s帶寬。 PCI-Express3.0標(biāo)準(zhǔn)的基本規(guī)范已經(jīng)完成，PCI Special Interest Group宣布了最終版PCIe3.0規(guī)范文本，該規(guī)范依然向下兼容PCIe2.0規(guī)格。3種規(guī)格的PCI-E規(guī)格參數(shù)HyperTransport總線 HyperTransport總線（簡稱HT總線）是AMD在1999年提出的一種總線技術(shù),HyperTransport為主板上的集成電路互連而設(shè)計(jì)的端到端總線技術(shù)，它可以在內(nèi)存控制器、磁盤控制器以及P

16、CI總線控制器之間提供更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。HyperTransport總線HyperTransport采用類似DDR的工作方式，在400MHz工作頻率下，相當(dāng)于800MHz的傳輸頻率。HyperTransport是在同一個(gè)總線中模擬出兩個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，因此理論上最大傳輸速率可以視為翻倍，具有4、8、16及32位頻寬的高速序列連接功能。HyperTransport總線2004年2月，HyperTransport 2.0規(guī)格，由于采用了Dual-data技術(shù)，使頻率成功提升到了1.0GHz、1.2GHz和1.4GHz，數(shù)據(jù)傳輸帶寬由每通道1.6Gb/sec提升到了2.0GB/s

17、ec、2.4Gb/sec和2.8GB/sec，最大帶寬由原來的12.8Gb/sec提升到了22.4GB/sec。2006年4月24日，HyperTransport 3.0標(biāo)準(zhǔn)有1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz和2.6GHz四種物理工作頻率，并可支持32bit通道總線，在最高級(jí)的2.6GHz頻率下，32位HyperTransport 3.0總線擁有20.8GB/sec的單向傳輸效能，若考慮雙向傳輸，總帶寬值將達(dá)到41.6GB/sec。QuickPathInterconnect總線 QuickPathInterconnect技術(shù)縮寫為QPI，譯為快速通道互聯(lián)。事實(shí)上它的官方名字叫做CSI，

18、CommonSystemInterface公共系統(tǒng)界面，用來實(shí)現(xiàn)芯片之間的直接互聯(lián)，而不是在通過FSB連接到北橋，主要針對(duì)AMD的HT總線推出的。 無論是速度、帶寬、每個(gè)針腳的帶寬、功耗等一切規(guī)格都要超越HT總線。QuickPathInterconnect總線 QPI是一種基于包傳輸?shù)拇惺礁咚冱c(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接協(xié)議，采用差分信號(hào)與專門的時(shí)鐘進(jìn)行傳輸。 在延遲方面，QPI與FSB幾乎相同，卻可以提升更高的訪問帶寬。一組QPI具有具有20條數(shù)據(jù)傳輸線，以及發(fā)送（TX）和接收方（RX）的時(shí)鐘信號(hào)。外部通信總線 外部總線是微機(jī)系統(tǒng)之間、微機(jī)與外部設(shè)備之間的連線，外部總線通過總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上。 外部

19、總線并非微機(jī)系統(tǒng)所特有； 有些是借用電子通信等行業(yè)的總線標(biāo)準(zhǔn)，如串行總線RS-232-C、并行總線IEEE-488等； 有些是專為微型計(jì)算機(jī)外設(shè)而開發(fā)的總線標(biāo)準(zhǔn)，如E-IDE、SCSI、USB、IEEE1394等。E-IDE總線 IDE(Intelligent Drive Equipment)總線是1984年Compaq與WD公司聯(lián)合推出的一種硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn)IDE接口只支持2個(gè)智能設(shè)備(如磁盤驅(qū)動(dòng)器等)。1993年WD公司推出了增強(qiáng)型IDE接口，硬盤所采用的接口標(biāo)準(zhǔn)是不一致的。目前用的最多的是E-IDE接口。E-IDE總線 E-IDE（Enhanced IDE）接口是在IDE基礎(chǔ)上出現(xiàn)的

20、且目前廣泛使用的一種接口標(biāo)準(zhǔn)，又稱為ATA-2，可支持四個(gè)E-IDE設(shè)備。IDE/E-IDE均采用40芯扁平電纜。E-IDE接口卡上（或主板上）有兩個(gè)40芯的插座，標(biāo)有Primary的E-IDE為主插座，標(biāo)有Secondary的E-IDE為輔插座。SerialATA SerialATA（即串行ATA），是英特爾公司發(fā)布接口類型，它以連續(xù)串行的方式傳送數(shù)據(jù)，SerialATA支持所有ATA和ATAPI裝置，包括CD、硬盤、DVD、磁帶機(jī)、高容量移動(dòng)存儲(chǔ)和刻錄機(jī)。SATA SATA1.0定義的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)150MB/s，這比目前并行ATA（即ATA/133）所能達(dá)到133MB/s的最高數(shù)據(jù)傳輸率

21、還高，而在SATA2.0的數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)到300MB/s，最終SATA將實(shí)現(xiàn)600MB/s的最高數(shù)據(jù)傳輸率。 2007年以后制定了SATA2.0、SATA2.5標(biāo)準(zhǔn)和SATA2.6標(biāo)準(zhǔn)。SATA 2009年推出了Serial ATA 3.0接口?？稍诖鎯?chǔ)單元、磁盤驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)和磁帶驅(qū)動(dòng)器、主機(jī)總線適配器(HBA)之間提供6Gbps速度的鏈路速度，并保證網(wǎng)絡(luò)性能水平。當(dāng)然，受系統(tǒng)各部件的影響，實(shí)際速度會(huì)低一些，SATA接口發(fā)送信息的速度約為600MB/sSCSI總線 SCSI支持多I/O任務(wù)并行操作，數(shù)據(jù)傳輸速度快(達(dá)80MB/S)，因此廣泛用于各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和工作站中，用來連接磁盤驅(qū)動(dòng)器、CD

22、-ROM光驅(qū)、磁帶、掃描儀、打印機(jī)等設(shè)備。通用串行總線USB USB（Universal Serial Bus）通用串行總線是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern Telecom等7家公司聯(lián)合開發(fā)的一種流行的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。USB總線 1996年2月發(fā)布USB 1.0版本，傳輸速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps兩種模式。 2000年4月發(fā)布USB 2.0版本，作為新一代USB標(biāo)準(zhǔn)，USB 2.0兼容所有USB 1.0外部設(shè)備及電纜線等，傳輸速率達(dá)480Mbps。 2008年11月發(fā)布USB3.0（ Super

23、 Speed USB）版本，USB3.0的傳輸率高達(dá)5Gbps。USB的性能特點(diǎn) 傳輸速度快 連接簡單快捷 通用連接器 無須外接電源 擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng)IEEE394接口 IEEE1394火線接口標(biāo)準(zhǔn)初訂于1986年，由IEEE1394專業(yè)委員會(huì)主持制訂的，1992年Apple公司的提案被采納為IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。(蘋果公司稱之為FireWire)IEEE394接口 IEEE1394的工作模式 IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種總線數(shù)據(jù)傳輸模式，即Backplane模式和Cable模式。其中Backplane模式支持12.5，25，50Mbit/s的傳輸速率，Cable模式支持100，200，400Mbit/s的傳輸速率。IEEE394接口 IEEE-1394具有以下特點(diǎn)： 廉價(jià) 占用空間小 速度快 開放式標(biāo)準(zhǔn) 支持熱插拔 可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)傳輸速率 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈