第4章PC總線與接口標(biāo)準(zhǔn)

1、總線概述

2、系統(tǒng)總線

第4章PC總線與接口標(biāo)準(zhǔn)

本章教學(xué)內(nèi)容：

9.1總線基本知識

（微型計算機總線、總線分類及總線技術(shù)的發(fā)展）

9.2系統(tǒng)總線

（ISA、EISA、PCI、AGP總線）

9.3外總線

（RS-232總線）

§9.1總線概述

所謂總線，就是計算機各模塊之間互聯(lián)和傳送信息（指令、地址和數(shù)據(jù)）的一組信號線

。9.1.1微型計算機總線概述總線的兩個基本特性：分時和共享。共享：多個部件連接在同一組總線上，各部件之間相互交換的信息都可以通過這組總線傳送。分時：指某一時刻總線只能在一對部件之間傳送信息。1.微機總線的組成（1）數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線為雙向三態(tài)邏輯，用來傳輸數(shù)據(jù)。如PC/XT總線為8位數(shù)據(jù)線，ISA總線為16位數(shù)據(jù)線，PCI總線為32或64位數(shù)據(jù)線。

（2）地址總線：地址總線為單向三態(tài)邏輯，用來傳遞地址信息。地址總線的根數(shù)決定系統(tǒng)的尋址范圍。PC/XT總線有20位地址線，可直接尋址1MB地址空間，ISA總線有24位地址，可直接尋址16MB地址空間，EISA總線有32位地址線，可直接尋址4GB地址空間。（3）控制總線：控制總線有單向、雙向三態(tài)邏輯或非三態(tài)邏輯，用來傳送控制信息和狀態(tài)信息。（4）電源和地線：說明使用電源的規(guī)格。（5）備用線：主要作為系統(tǒng)功能擴充使用。2.總線的性能指標(biāo)計算機總線的主要職能是負(fù)責(zé)計算機各模塊間的信息傳輸。計算機總線技術(shù)包括：通路控制性能、使用方法、仲裁方法和傳輸方式等?？偩€的結(jié)構(gòu)不同，性能差別很大?？偩€的性能指標(biāo)有：（1）總線寬度（傳送寬度）：指一次總線操作中通過總線傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即數(shù)據(jù)總線的數(shù)量，總線寬度有8位、16位、32位、64位。（2）總線周期：一次總線操作中所用的時間。（3）總線帶寬（標(biāo)準(zhǔn)傳輸率）：在總線上每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)量，用MB/s表示。（4）總線工作的時鐘頻率：設(shè)總線的帶寬Dr，總線的時鐘周期用T=1/f，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示，則帶寬Dr=D/T=D×f若總線工作頻率33MHz，總線寬度32位，則最大傳輸率為：Dr=4B×33×106/s=132MB/s。

（5）多路復(fù)用技術(shù)：一條總線多種用途的技術(shù)，即某一時刻該線路上傳輸?shù)氖堑刂沸盘?，而另一時刻傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號或總線命令。（6）總線控制方式：有突發(fā)傳輸、并發(fā)工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數(shù)方式等項內(nèi)容。（7）其他指標(biāo)：還有總線的同步方式、信號線數(shù)、負(fù)載能力和電源電壓，能否擴展64位寬度等。9.1.2總線分類和總線標(biāo)準(zhǔn)按各類總線的結(jié)構(gòu)和連接對象及范圍的不同，可分為以下三類總線：（1）微處理器片內(nèi)總線（2）內(nèi)總線（3）外部總線（1）微處理器片內(nèi)總線主要用于芯片級的互連，是指在微處理器芯片內(nèi)部各單元之間傳輸信息的總線。如微處理器內(nèi)部的控制器、運算器、寄存器之間，以及系統(tǒng)主板上的CPU、存儲器、接口電路之間的連接，就是采用片內(nèi)總線來實現(xiàn)，有時也稱為局部總線。（2）內(nèi)總線也稱為板級總線或系統(tǒng)總線，實現(xiàn)微機系統(tǒng)與各種擴展插件板之間的相互連接，是微機系統(tǒng)所特有的總線，一般用于模板之間的連接，在微型計算機主板上的各種擴展插槽都屬于內(nèi)總線。例如STD總線、ISA總線、VESA總線、PCI總線等。（3）外部總線也稱為通信總線，微型計算機之間或微型計算機與外部設(shè)備之間進行通信的總線，主要用于設(shè)備級的互聯(lián)。例如：RS-232C總線、RS458總線、USB總線等。圖9-1所示為常見的微型計算機總線層次的典型結(jié)構(gòu)。圖9-1微型計算機總線層次結(jié)構(gòu)示意圖7.4動畫定義及演示文稿放映標(biāo)準(zhǔn)總線規(guī)定了電氣各種信號的標(biāo)準(zhǔn)電平，負(fù)載能力和定時關(guān)系，也在結(jié)構(gòu)上規(guī)定了插件的尺寸規(guī)格和引腳定義，各模塊可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)連接。目前總線標(biāo)準(zhǔn)有兩類：一類是IEEE（美國電氣及電子工程師協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)委員會定義與解釋的標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE-488總線和RS-232C串行接口標(biāo)準(zhǔn)等；另一類是因廣泛應(yīng)用而被大家接受與公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，如S-100總線、IBMPC/XT總線、ISA總線、EISA總線、PCI總線等。4．標(biāo)準(zhǔn)總線的特點7.4動畫定義及演示文稿放映XT、AT（即ISA）、EISA系統(tǒng)總線和PCI局部總線等。PC總線最早出現(xiàn)在IBM公司1981年推出的PC/XT計算機中，它是基于8位DB的8088處理器，也被稱為PC/XT總線。目前較為流行的PCI、AGP、IEEE1394、USB等總線技術(shù)外，又出現(xiàn)了EV6總線、PCI-X局部總線、NGIO總線等。9.1.3微型計算機總線技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢9.2系統(tǒng)總線9.2.1ISA總線ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線：IBM公司l984年為推出PC/XT而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，也叫AT總線，是對XT總線的擴展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。ISA總線在原XT總線62線的基礎(chǔ)上再充36線而成的98根信號線。長槽62個引腳被分為A、B兩面，引腳編號為Al～A31和B1～B31；短槽36個引腳被分為C、D兩面，引腳編號為C1～Cl8和Dl～D18。新增的36線與原有的62線之間用一凹槽隔開。ISA總線信號的前62根信號線按功能可分為時鐘與定位線、數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、電源與地線五大類；后36根信號線除不提供時鐘、定位功能外，其余四類都提供，是前面對應(yīng)類功能的擴充。9.2.2EISA總線在ISA總線的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)總線寬度從16位變?yōu)?2位，地址總線寬度從24位變?yōu)?2位，并具有高速同步傳送功能。EISA總線具有近200條信號線。EISA的信號線可分成4組：地址總線和數(shù)據(jù)總線組、數(shù)據(jù)傳送控制組、總線仲裁信號組及其他功能總線組。EISA總線的地址總線為32位，可支持高達4GB的物理地址空間。9.2.3PCI總線PCI總線：外部部件互聯(lián)總線。PCIV2.0版本支持32/64位數(shù)據(jù)總線，總線時鐘為25～33MHz。數(shù)據(jù)傳輸率達132～264MB/s。1995年推出的PCIV2.11版本支持64位數(shù)據(jù)總線，總線速度為66MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率達528MB/s。這個速度是最初的IBMPC總線的100倍，是最快的ISA總線的40倍，PCI總線的優(yōu)良性能使它成為當(dāng)前Pentium系列芯片的最佳選擇。1．PCI總線的特點（1）采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu)，目標(biāo)設(shè)備可用47引腳，總線主控設(shè)備可采用49引腳。（2）提供5V和3.3V，可在兩種環(huán)境中根據(jù)需要轉(zhuǎn)換。（3）允許32位與64位器件相互協(xié)作。（4）允許PCI局部總線擴展卡和元件進行自動配置，提供了即插即用的能力。（5）PCI總線獨立于處理器，工作頻率與CPU時鐘無關(guān)，可以支持多機系統(tǒng)。（6）高傳輸率?？蓴U充到64位（頻率為66MHz），傳輸率達132MB/s～528MB/s。（7）高效率。支持無限讀寫突發(fā)方式、支持并發(fā)工作。2．PCI總線信號的定義PCI總線規(guī)定了兩種PCI擴展卡及連接器：一種稱為長卡，另一種稱為短卡，長卡提供64位接口，插槽A、B兩邊共定義了188個引腳；短卡提供32位接口，插槽A、B兩邊共定義了124個引腳。電源、地、未定義引腳，其余信號按功能分類列于圖9-2中。3．PCI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PCI總線為主的層次化局部總線，包括CPU總線、PCI總線、ISA/EISA總線和AGP總線。PCI橋路是一個PCI總線控制器，一邊連接CPU總線，另一邊通過PCI總線連接CPU訪問相對頻繁、速度較快的主存儲器、高速圖形適配器等，使PCI總線上的設(shè)備與CPU并行、獨立地工作，互不影響。標(biāo)準(zhǔn)總線橋可擴展ISA/EISA總線。PCI橋的主要功能：（1）一個低延遲的訪問通路，從而使處理器能夠直接訪問通過它映射于存儲器空間或I/O空間的PCI設(shè)備。（2）能使PCI主設(shè)備直接訪問主存儲器的高速通路。（3）數(shù)據(jù)緩沖功能，可以使CPU與PCI總線上的設(shè)備并行工作而不必相互等待。（4）使PCI總線的操作與CPU總線分開，實現(xiàn)了PCI總線的全部驅(qū)動控制。9.2.4AGP總線Intel公司在1997年推出了高速圖形接口的局部總線標(biāo)準(zhǔn)AGP（AcceleratedGraphicsPort）總線。主要特點：1）具有雙重驅(qū)動技術(shù)，允許在一個總線周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)。2）在總線上可實現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)多路復(fù)用，把32位的數(shù)據(jù)總線給圖形加速器使用。3）一個典型的排隊可處理12個以上的請求，大大加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?）把圖形接口繞行到AGP通道上，解決了PCI帶寬問題，使PCI有更多的能力負(fù)責(zé)其他數(shù)據(jù)傳輸。1.概述AGP是為提高視頻帶寬而設(shè)計的總線規(guī)范。視頻信號的傳輸速率可以從PCI的l33Mb/s提高到266Mb/s（1X模式）、533Mb/s（2X模式）、1066Mb/s（4X模式）或2133Mb/s（8X模式）。AGP能夠在主內(nèi)存與顯示卡之間提供一條直接通道，使3D圖形數(shù)據(jù)不經(jīng)PCI總線，直接送入顯示子系統(tǒng)，由此突破了PCI總線形成的系統(tǒng)瓶頸、提高了微型計算機的3D圖形的處理能力，AGP是用于加速圖形顯示的一個專用總線接口。AGP僅在AGP控制芯片和AGP顯示卡之間提供了點到點的連接。AGP總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9-4所示。2.AGP的性能特點：（1）數(shù)據(jù)讀寫操作的流水線操作。（2）具有2X、4X、8X數(shù)據(jù)傳輸頻率。（3）直接內(nèi)存執(zhí)行DIME。（4）地址信號與數(shù)據(jù)信號分離。（5）并行操作。在CPU訪問系統(tǒng)RAM的同時允許AGP顯示卡訪問AGP內(nèi)存，顯示卡可以獨享AGP總線帶寬，從而進一步提高了系統(tǒng)性能。4.PCI和AGP的比較AGP總線采用地址和數(shù)據(jù)多路復(fù)用；AGP系統(tǒng)由于顯示卡通過AGP芯片組與主內(nèi)存相連，把占用了PCI總線大量帶寬的顯示卡移到AGP上是非常必要的。9.2.5新型總線PCIExpress1.I/0總線的瓶頸3D圖形加速卡、千兆位以太網(wǎng)卡、IEEE1394、移動對接設(shè)備及其他附件的發(fā)展，以及它們所需要的更大帶寬，PCI總線無法及時處理這些設(shè)備所發(fā)送的并發(fā)/多路數(shù)據(jù)流。如AGP接口，芯片組的HUBLink、V-Link等技術(shù)。Intel等開發(fā)的PCIExpress（原名3GIO，第3代I/O總線）就是一種新型的高速串行I/O互連接口，主要用于臺式機、服務(wù)器、通信和嵌入式系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)流量大的I/O用專門接口2.PCIExpress概述◆導(dǎo)線數(shù)量減少了將近75%，速度是PCI-X2.0的兩倍，而且易擴充?！舨捎命c對點技術(shù)◆在點對點架構(gòu)基礎(chǔ)上為高速接入設(shè)備提供了交換器控制單元，主要作用是對高速PCIExpress設(shè)備之間的點對點通信進行管理和控制。3．PCIExpress的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)◆5層PCIExpress類似OSI網(wǎng)絡(luò)模型?！鬚CIExpress兼容PCI尋址模型。PCIExpress的分層結(jié)構(gòu)模型如圖9-5。9.3外總線9.3.1RS-232C總線RS-232C總線是一種串行的外部總線，利用它進行計算機和終端的近距離串行通信。RS-232C總線引腳說明RS-232C總線規(guī)定有25個引腳，使用了21個引腳，圖9-6中給出了RS-232C的標(biāo)準(zhǔn)管腳圖，各信號線說明如下：2.電平轉(zhuǎn)換◆計算機接口芯片中大采用TTL或CMOS電平，◆RS-232C采用負(fù)邏輯，+3～+25V之間任意電壓表示邏輯“0”，-3～-25V之間的任意電壓表示邏輯“1”。在實際應(yīng)用中，電平常為12V或15V?！鬗Cl488、MCl489和運放電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MCl488轉(zhuǎn)換器輸入為TTL電平，輸出則與RS-232C電平兼容。其供電電壓為15V或12V，以便滿足RS-232C信號電平的規(guī)定。原理圖如圖9-7所示。MCl489的輸出為TTL電平，輸入與RS-232C兼容，只要求+5V供電，即使超過15V也可以接收。其原理圖如圖9-8所示。圖9-7MC1488原理圖圖9-8MC1489原理圖圖9-9為常用的幾種電平轉(zhuǎn)換電路。3.RS-232C總線的幾種用法RS-232C總線的接口信號可以用多種方法形成，特別是各微機芯片生產(chǎn)廠家提供了多種芯片，使實現(xiàn)該總線變得非常容易，如圖9-10所示。圖9-10幾種常用的RS-232C接口連線圖9.3.2IEEE-488總線IEEE-488總線是一種并行外部總線，可實現(xiàn)系統(tǒng)之間的通信，而不是模塊板之間的數(shù)據(jù)交換。使用24線組合插頭，采用負(fù)邏輯工作，最多可掛接14臺設(shè)備。IEEE-488總線各引腳信號可分為三類：數(shù)據(jù)線、聯(lián)絡(luò)信號線和控制信號線，各引腳的定義如表9-6所示。1.數(shù)據(jù)線D8～D1用于傳輸設(shè)備地址、數(shù)據(jù)及命令信息。2.聯(lián)絡(luò)信號線（握手信號線）DAV：發(fā)送器控制的數(shù)據(jù)有效信號線。NRFD：接收器控制端未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)信號。NDAC：接收器控制端未接收完數(shù)據(jù)信號。3.控制線ATN：由控制器產(chǎn)生，指數(shù)據(jù)線的信息種類。置0，數(shù)據(jù)線傳送的命令或地址信息；置1，數(shù)據(jù)線傳送的是數(shù)據(jù)信息。EOI：結(jié)束或識別信號。SRQ：服務(wù)請求信號。REN：遠程控制信號。PGND：機殼接地線。GND：信號接地線。無地址線、命令線9.3.3SCSI總線SCSI總線是小型計算機系統(tǒng)接口總線。使用范圍：磁盤、光盤、CD-ROM、磁帶、掃描儀、打印機等設(shè)備。SCSI總線的設(shè)備可分為兩大類：啟動設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備。啟動設(shè)備是發(fā)命令的設(shè)備。目標(biāo)設(shè)備是接收主機執(zhí)行命令的設(shè)備。SCSI總線上的設(shè)備可以是啟動設(shè)備，也可以是目標(biāo)設(shè)備。9.3.4USB總線1.USB總線的特點通用串行總線USB（UniversalSerialBus），是一種支持即插即用的新型串行接口。數(shù)據(jù)傳輸率可達4Mb/s～l2Mb/s，還可為外設(shè)提供支持。USB總線特點：（1）易于操作、連接，采用四線電纜。（2）支持熱插拔和即插即用PNP（PlugandPlay）。（3）傳輸線中的兩條電源線可以提供5V電源供USB設(shè)備使用，提供100mA的電流，而帶電源的USBHUB使得每個接口可以提供500mA的電流。（4）可適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)，USB在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。（5）可傳輸4種不同的數(shù)據(jù)類型。最多支持127個設(shè)備。由于計算機的USB接口有限，必須用USBHUB增加分支，最多可提供7個分支。2.數(shù)據(jù)傳輸類型（1）控制（Control）傳輸方式：雙向傳輸，傳輸?shù)目刂菩盘?，指被USB系統(tǒng)軟件用來進行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令。（2）同步（Isochronous）傳輸方式：提供確定的帶寬和時間間隔。（3）中斷（Interrupt）傳輸方式：用于定時查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸。（4）批量（Bulk）傳輸方式：應(yīng)用在大量傳輸和接收數(shù)據(jù)上，沒有帶寬和時間間隔的要求，保證傳輸數(shù)據(jù)正確無誤。在傳輸中的優(yōu)先級很低，打印機、數(shù)碼相機和掃描儀就屬于這種類型。3.USB總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB的物理連接是一個星型結(jié)構(gòu)，HUB（集線器）位于每個星形結(jié)構(gòu)的中心。（1）USB主機：USB系統(tǒng)中只有一個主機。主機系統(tǒng)的USB接口稱為USB主控制器?？梢允怯布?、固件或軟件的聯(lián)合體。而集線器是集成在主機系統(tǒng)中的，可以提供一個或多個的接入端口。（2）USB設(shè)備：USB設(shè)備是USB協(xié)議的具體實現(xiàn)，主要包括集線器和功能部件。①集線器：提供用以訪問USB總線的更多的接入點。②功能部件：向系統(tǒng)提供特定的功能，如ISDN連接設(shè)備、鼠標(biāo)、顯示器等。4.USB系統(tǒng)的構(gòu)成5個部分：控制器、控制器驅(qū)動程序、USB芯片驅(qū)動程序、USB設(shè)備、針對不同USB設(shè)備的驅(qū)動程序。各部分的主要功能：（1）控制器：負(fù)責(zé)執(zhí)行由控制器驅(qū)動程序發(fā)出的命令。（2）控制器驅(qū)動程序：控制器與USB設(shè)備間的通信信道。（3）USB芯片驅(qū)動程序：提供對USB的支持。（4）USB設(shè)備：包括與PC相連的USBHUB及設(shè)備。（5）USB設(shè)備驅(qū)動程序，是用來驅(qū)動USB設(shè)備的程序。操作系統(tǒng)或USB設(shè)備制造商提供。5.USB總線的電氣特性和機械特性（1）電氣特性USB總線通過一條四芯電纜傳送電源和數(shù)據(jù)，VBUS和GND用來向設(shè)備提供電源。D+和D-是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的半雙工差分信號線，時鐘信號也被編碼在這對數(shù)據(jù)線中傳輸。（2）機械特性USB連接器分為A系列和B系列兩種：A系列用于和主機連接。B系列用于和USB設(shè)備的連接。7.USB設(shè)備的接入和應(yīng)用（1）操作系統(tǒng)對USB的支持：①當(dāng)設(shè)備連接或從USB中撤除，能自動檢測出來。②與新連接的設(shè)備通信，可找到通信的方法。③提供軟件驅(qū)動與計算機的USB硬件以及訪問USB的外設(shè)的應(yīng)用程序通信。（2）主機對USB的支持：必須激活主機板BIOS中的USB功能。（3）USB設(shè)備的熱插拔當(dāng)接入一個USB設(shè)備后，操作系統(tǒng)會自動檢測到該硬件設(shè)備