微機計算機系統(tǒng)總線

第五章微型計算機總線

微型計算機結(jié)構上的特點就是總線結(jié)構。CPU、存儲器、I/O接口和外部設備都是通過總線互相連接。采用總線結(jié)構，可以降低微型計算機的成本，是微型計算機可以迅速推廣和普遍使用的一個重要因素。本章主要內(nèi)容：5.1總線概述5.28088/8086最大模式下總線信號的形成5.3總線仲裁和握手技術5.4常用微機總線介紹（ISA、EISA、PCI等）本章要求掌握微機總線的一些基本概念理解總線仲裁和總線握手了解常見的微機總線規(guī)范5.1總線概述總線的一般概念總線是一組導線和相關的控制、驅(qū)動電路的集合?？偩€是計算機系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的通道。任一時刻，只能有一個部件/設備通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他部件只能處于接收狀態(tài)。5.1總線概述微型計算機系統(tǒng)中，總線可以說是無所不在?？偩€的層次包括：片內(nèi)總線；片總線；系統(tǒng)總線；外部總線（通信總線）。5.1總線概述5.1總線概述系統(tǒng)總線的主要性能指標：總線寬度：總線的數(shù)據(jù)線的數(shù)目。總線寬度越寬，同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越多，吞吐量就越大?，F(xiàn)在都是32位、64位?？偩€時鐘頻率：時鐘頻率的單位為MHz。有的書上以總線傳輸率作為指標，單位是Mbit/s，數(shù)值上和時鐘頻率相同?？偩€帶寬：是總線的所有數(shù)據(jù)線每秒可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，也就是最大傳輸率。單位為MB/s。這三個指標之間的關系是：

總線帶寬=總線寬度×總線時鐘頻率/8總線電源電壓5.1總線概述微型計算機系統(tǒng)總線的發(fā)展微型計算機系統(tǒng)總線的發(fā)展，基本上是圍繞著總線帶寬來進行的。PC總線最早的微型計算機標準總線是以8088為CPU的IMBPC/XT機所使用的總線，稱為“PC”總線。也稱為“PC/XT”總線。PC總線的數(shù)據(jù)線只有8條，是一種8位寬度的總線。5.1總線概述ISA總線（時鐘頻率為8MHZ）為了便于開發(fā)與PC機兼容的外部設備，IEEE委員會和Intel等公司，開始研究在PC總線基礎上的新的總線標準，到1987年IEEE正式制訂ISA（IndustryStandardArchitecture）總線標準。ISA總線采用8位和16位模式，它的最大數(shù)據(jù)傳輸率為8MB/s和16MB/s。ISA總線在Intel286和Intel386SX時代得到了普遍的使用。直到今天，一些外部設備的接口還是使用ISA標準。5.1總線概述EISA總線EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，擴展工業(yè)標準架構）是一種32位總線標準。EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA總線。EISA總線的工作頻率是8MHz，由于總線寬度增加到32位，它的總線帶寬提升到32MB/s。EISA總線在個人計算機中使用了很長的時間，2000年以后就很少使用了。5.1總線概述PCI總線1992年英特爾公司提出32位PCI總線的概念，并迅速獲得認可成為新的工業(yè)標準。PCI總線是一種連接外部設備的局部總線。顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、硬盤控制器等外部設備或者外部設備的接口直接連接到PCI總線，再和CPU連接。PCI總線的工作頻率是33MHz，總線帶寬達到133MB/s，在20世紀90年代是相當好的性能。5.1總線概述在PCI標準發(fā)布一年之后，Intel公司又發(fā)布了64位的PCI總線，它的總線帶寬達到了266MB/s。64位PCI主要使用于服務器和工作站，為它們提供高性能的總線傳輸。后來，用于服務器的PCI總線的工作頻率又提高到66MHz。5.1總線概述PCI-X總線

是九十年代末提出的總線標準。PCI-X總線仍然使用64位并行總線和共享架構，但將工作頻率提升到133MHz，由此獲得高達1.06GB/s的總帶寬。使用533MHz工作頻率的PCI-X533標準則更是達到4.2GB/s的高水平。5.1總線概述PCIExpress總線它是2001年以后提出的。它采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，而依靠高頻率來獲得高性能，因此PCIExpress也被人稱為“串行PCI”。由于串行傳輸信號干擾比較小，總線頻率提升比較容易。其次，PCIExpress采用全雙工運作模式，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)可以同時進行。第三，PCIExpress沒有沿用傳統(tǒng)的共享式結(jié)構，它采用點對點工作模式，可以避免多個設備爭搶帶寬的情形發(fā)生。由于工作頻率高達2.5GHz，單通道雙工的PCIExpress總線總帶寬可達到500MB/s。5.1總線概述單總線和多總線除了總線標準在不斷變化和發(fā)展，總線的體系結(jié)構也在變化：從單總線發(fā)展到多總線。5.1總線概述5.1總線概述雙總線結(jié)構：5.1總線概述多總線結(jié)構5.1總線概述總線結(jié)構的優(yōu)點

簡化結(jié)構，降低成本；統(tǒng)一標準，便于制造；擴充靈活，方便使用；總線結(jié)構的缺點部件傳輸?shù)姆謺r性；傳輸控制的復雜性；總線的競爭問題。5.28086最大模式總線信號的形成8088最大模式下的總線信號是PC總線的主要組成部分。PC總線是最簡單的總線標準。它也是ISA總線的主要組成部分。了解PC總線可以了解最基本的總線信號有哪些。5.28086最大模式總線信號的形成5.28086最大模式總線信號的形成PC總線地址線：20條，A0~A19，尋址空間是1MB。數(shù)據(jù)線：8條，D0~D7讀寫控制線：存儲器寫控制信號、存儲器讀控制信號、I/O寫控制信號、I/O讀控制信號、I/OCHRDY：通道就緒信號PC總線共有62條信號線，A、B兩面各有31條信號線。ALE：地址鎖存信號。中斷控制線：中斷請求信號：IRQ2~IRQ7；DMA控制線：DMA請求信號：DRQ1~DRQ3；

DMA應答信號:~

。AEN：地址允許信號，在進行DMA操作時，AEN為高電平，只有在AEN是低電平時，才可以進行一般的I/O操作；T/C：終止DMA計數(shù)，標識一個通道DMA操作的結(jié)束。其他控制線例如時鐘輸入、振蕩器輸出、復位驅(qū)動，電源和地等。5.3總線仲裁和握手技術總線主設備總線主設備是指可以發(fā)起和控制總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O備，如CPU和DMA控制器。總線從設備總線從設備不能直接發(fā)起和控制總線的數(shù)據(jù)傳輸。它們只能接受主設備的要求，在主設備的控制下，接收主設備傳送過來的數(shù)據(jù)，或者把數(shù)據(jù)傳送給主設備，如RAM模塊。5.3總線仲裁和握手技術總線仲裁

總線仲裁的目的是防止因為多個主設備同時傳輸數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的沖突。當總線上有多個總線主設備并且同時要求控制總線時，須決定將總線控制權交給哪一個主設備。也即裁決哪個主設備可以控制總線。取決于總線類型的不同，總線仲裁的方法可以有多種不同的方法?；镜奶幚矸椒?，是由總線仲裁器來裁決哪個主設備可以控制總線。有時候，總線仲裁也稱為總線判定。5.3總線仲裁和握手技術主設備在請求控制總線前，先測試BB信號如果BB顯示不忙，發(fā)出BR信號，請求占用總線仲裁器發(fā)出BG信號，表示同意使用總線的請求仲裁器將BB信號改為“忙”，標識總線已經(jīng)被占用。總線優(yōu)先級仲裁算法必須滿足的三個基本要求：每一時刻只能有一個設備作為總線主控器；先請求者先響應，且在一個總線操作周期之內(nèi)不被打斷；同一時刻有幾個設備發(fā)出請求時，按優(yōu)先級排序響應。5.3總線仲裁和握手技術總線上的主設備和從設備在工作速度上可以有較大的差別。如果主設備發(fā)送數(shù)據(jù)的速度快，從設備接收數(shù)據(jù)的速度慢，就會造成數(shù)據(jù)的丟失。因此，必須對于總線的數(shù)據(jù)傳輸進行控制。對于總線傳輸進行控制，就是這里所說的總線握手?？偩€握手的基本方式有同步方式、異步方式和半同步方式。5.3總線仲裁和握手技術1．同步方式采用同步傳輸控制方式的總線就是同步總線。同步方式的總線主、從設備在同一時鐘的控制下進行傳送，一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是固定的。主、從設備在同一時鐘的控制下進行傳送，一般要求總線的主、從設備的工作速度基本一致。當總線的主、從設備工作速度不一致的時候，系統(tǒng)時鐘的速率要按速度低的設備來調(diào)整。8088/8086CPU的基本時序就是采用同步傳輸控制方式；例如總線讀周期）。5.3總線仲裁和握手技術2.異步方式異步傳輸控制方式?jīng)]有統(tǒng)一的時鐘，總線主設備和從設備可以具有不同的工作速度。在主、從設備之間增加了一條請求線Req，一條應答線Ack。也就是采用請求~應答的握手方式，來進行傳輸控制。又可以分為非互鎖方式和互鎖方式非互鎖方式：首先是主設備發(fā)出Req信號，從設備收到后，發(fā)出Ack信號，表示應答，然后就開始數(shù)據(jù)傳輸?；ユi方式：主設備發(fā)出Req信號，從設備收到后，發(fā)出Ack信號，表示應答；主設備在收到應答Ack后，通過改變Req信號的值，向從設備表示收到應答信號Ack。從設備在收到主設備肯定收到Ack的消息后，停止Ack的發(fā)送。等到雙方互相確認都已經(jīng)準備好以后，才開始數(shù)據(jù)收發(fā)過程。5.3總線仲裁和握手技術3.半同步方式半同步方式是對于同步方式的適當修正。半同步方式仍然具有統(tǒng)一的時鐘，但是增加了一條WAIT信號線。半同步方式比同步方式增加了靈活性，對于主、從設備工作速度的不一致有一定的適應能力。8088/8086時序中的READY相當于WAIT信號。此時屬于半同步方式。ISA總線、PCI總線屬于半同步方式。5.4常用微機總線介紹目前在微型計算機中使用的系統(tǒng)總線有ISA總線和PCI總線。實際上，PCI總線本身就是局部總線。

ISA總線在現(xiàn)代的微機中已經(jīng)不是系統(tǒng)總線了，只是用來連接一些采用ISA總線標準的外部設備。PC系列機上采用的總線標準IBMPC/XTBUSISA

工業(yè)標準體系結(jié)構(IndustrialStandardArchitecture)EISA

擴展工業(yè)標準體系結(jié)構(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)VESA

視頻電氣標準協(xié)會(又稱VL-bus)(VideoElectronicsStandardsAssociation)PCI

外部設備互連(PeripheralComponentInterconnect)USB

通用串行總線(UniversalSerialBus)AGP

圖形加速端口(顯卡專用線)(AcceleratedGraphicsPort)PCIExpress5.4常用微機總線介紹ISA總線（局部總線）ISA總線是在PC總線的基礎上，由Intel公司、IEEE和EISA集團共同推出的一種總線標準。因為PC總線是8位數(shù)據(jù)總線。而當時，16位數(shù)據(jù)總線的IBMAT機已經(jīng)推出，必須有一種新的總線標準，以便可以制造和16位個人計算機的總線匹配的外部接口卡。這種總線標準是在1984年后就慢慢形成，1987年IEEE正式制訂了ISA總線標準。

ISA總線信號及其分布5.4常用微機總線介紹PCI總線（局部總線）PCI是PeripheralComponentInterconnect（外設部件互連）的縮寫。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團，其英文全稱為：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup，簡稱PCISIG。1992年6月推出了PCI1.0版，1995年6月又推出了支持64位數(shù)據(jù)通路、66MHz工作頻率的PCI2.1版5.4常用微機總線介紹PCI總線的系統(tǒng)結(jié)構示意圖PCI總線的信號線分布的示意圖

5.4常用微機總線介紹USB總線（局部總線）USB總線是UniversalSerialBus的簡稱，也稱為“通用串行總線”。USB總線是一種外部總線，或者說是一種通信總線。通過串行通信的方式連接計算機和外部設備。5.4常用微機總線介紹

USB總線只有4根線，如圖5-4-5所示。其中D+、D-為信號線，傳送信號，是一對雙絞線；VBUS和GND是電源線，提供電源。5.4常用微機總線介紹連接器：由插