第5章 總線技術(shù)

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本章主要教學(xué)內(nèi)容總線基本概念；常用系統(tǒng)總線特點(diǎn)和功能；常用局部總線特點(diǎn)和功能;外部設(shè)備總線特點(diǎn)和功能第5章總線技術(shù)

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本章教學(xué)目的及要求

通過學(xué)習(xí):理解總線的基本概念熟悉微機(jī)總線的組成結(jié)構(gòu)掌握常用系統(tǒng)總線、局部總線、外部設(shè)備總線，側(cè)重其應(yīng)用第5章總線技術(shù)

3第5章5-1概述

5.1.1總線的概念總線是微機(jī)系統(tǒng)中多個部件之間公用的一組連線?？偩€由許多傳輸線組成。微機(jī)采用總線技術(shù)的目的是為了簡化硬軟件系統(tǒng)設(shè)計。微機(jī)總線一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線用于芯片一級的互連；系統(tǒng)總線用于插件板一級的互連；外部總線用于設(shè)備一級的互連。4第5章5.1.2總線的結(jié)構(gòu)1．單總線結(jié)構(gòu)(CPU，主存，I/O)2．雙總線結(jié)構(gòu)(存儲總線，I/O總線)3．多總線結(jié)構(gòu)(主存總線，I/O總線，DMA總線，Cache總線)

5第5章5.1.3總線的分類1．按相對于CPU芯片的位置分類(內(nèi)/外)2．按總線功能分類(AB,DB,CB)3．按總線的層次結(jié)構(gòu)分類

6圖5-1所示為常見微機(jī)總線層次典型結(jié)構(gòu)。圖5-1微型計算機(jī)總線層次結(jié)構(gòu)示意圖7第5章5.1.4總線性能及標(biāo)準(zhǔn)1．總線的特性(機(jī)械，電氣，功能，時間)2．總線標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)定總線特性及接口）3．總線的性能指標(biāo)（寬度，傳輸率，總線頻率，同步/異步，總線復(fù)用，總線控制方式(如仲裁方式)，負(fù)載能力等）

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5.1.5總線傳輸和控制1．總線傳輸?shù)?個階段（1）總線請求和仲裁階段（2）尋址階段（3）數(shù)據(jù)傳送階段（4）結(jié)束階段2．總線傳輸控制方式（1）同步傳輸方式（2）異步傳輸方式(時間不定，需要起始和結(jié)束指示)

第5章9第5章5.2系統(tǒng)總線

5.2.1概述系統(tǒng)總線是微機(jī)主板上微處理器和外部設(shè)備之間進(jìn)行通信時所采用的數(shù)據(jù)通道，可支持各種端口、處理器、RAM和其他部件。微機(jī)系統(tǒng)總線從性能上可分為低端總線和高端總線。（1）低端總線：支持8位、16位微處理器，主要功能是進(jìn)行I/O處理。（2）高端總線：支持32位、64位微處理器，提高了數(shù)據(jù)傳輸率和處理能力,具備良好兼容性、支持高速緩存Cache、支持多微處理器以及可自動配置等特點(diǎn)。10第5章

5-2-2ISA總線

ISA總線是早期比較有代表性的總線。

IBM公司推出PC/XT和PC/AT個人計算機(jī)后，IEEE在1987年定義了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（ISA），將PC/XT總線定義為8位ISA，將PC/AT總線定義為16位ISA。11第5章

ISA總線具有以下特點(diǎn)：支持8位、16位數(shù)據(jù)操作；可將PC/AT總線和PC/XT總線運(yùn)行速度提升至8MHz；提供1KB的I/O空間、15級硬件中斷、7級DMA通道、8個設(shè)備負(fù)載能力；總線中的地址、數(shù)據(jù)線采用非多路復(fù)用形式，使系統(tǒng)的擴(kuò)展設(shè)計更為簡便；12第5章

1.8位ISA總線也叫PC總線。支持8位數(shù)據(jù)傳輸和10位尋址空間，把CPU視為總線的惟一總控設(shè)備，其余外圍設(shè)備均為從屬設(shè)備。

8位ISA總線是一種開放式的結(jié)構(gòu)總線，在總線母板上有8個系統(tǒng)插槽，用于I/O設(shè)備和PC機(jī)的連接。由于該總線具有價格低、可靠性好、使用靈活等特點(diǎn)，并且對插板兼容性好。13第5章

8位ISA總線引腳信號總共有62條。通過一個31腳分為A、B兩面的連接插槽來實(shí)現(xiàn)，其中，A面為元件面，B面為焊接面。

8位ISA總線引腳信號具有20條地址線、8條數(shù)據(jù)線、若干控制信號線、電源、接地等接口信號線。14第5章2.16位ISA總線在62引腳總線基礎(chǔ)上增加一個36引腳插槽，形成前62引腳和后32引腳兩個插座，構(gòu)成16位ISA總線?？衫们?2引腳的插座插入與PC/XT總線兼容8位接口電路卡，也可利用整個插座插入16位接口電路卡。

16位ISA總線中新增加的36引腳插槽信號擴(kuò)展了8位數(shù)據(jù)線、7位地址線、存儲器和I/O設(shè)備的讀寫控制線、中斷和DMA控制線、電源和地線等。15第5章

3.ISA總線的體系結(jié)構(gòu)在利用ISA總線構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)內(nèi)存速度較快時，通常采用將內(nèi)存移出ISA總線并轉(zhuǎn)移到自己的專用總線——內(nèi)存總線上的體系結(jié)構(gòu)，如圖5-5所示。16圖5-5ISA體系結(jié)構(gòu)17第5章

5-3局部總線5-3-1PCI總線

1．PCI總線概述

PCI總線是目前最常用的系統(tǒng)總線。該總線專門為Pentium系列芯片設(shè)計。

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(dá)132～264MB/s。

PCIV2.1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(dá)528MB/s。18第5章

2．PCI總線的特點(diǎn)（1）數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用。（2）提供兩種工作信號環(huán)境，5V和3.3V。（3）允許32位與64位器件相互協(xié)作。（4）允許PCI局部總線擴(kuò)展卡和元件進(jìn)行自動配置，提供即插即用能力。（5）PCI總線獨(dú)立于處理器，工作頻率與CPU時鐘無關(guān)，可支持多機(jī)系統(tǒng)。（6）PCI總線具有良好兼容性，可支持ISA、MCA、SCSI、IDE等多種總線。19第5章3.PCI總線信號的定義

PCI總線規(guī)定了兩種PCI擴(kuò)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。

20第5章4.PCI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCI局部總線與Pentium機(jī)內(nèi)部總線組合構(gòu)成了多總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，典型的PCI系統(tǒng)如圖5-6所示。21圖5-6PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)25第5章

5-3-2AGP總線

1．AGP總線的特點(diǎn)（1）具有雙重驅(qū)動技術(shù)。（2）總線上可實(shí)現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)多路復(fù)用。（3）通過內(nèi)存請求流水線技術(shù)對各種內(nèi)存請求進(jìn)行排隊來減少延遲。（4）把圖形接口繞行到AGP通道上，解決了PCI帶寬問題。26第5章

2．AGP8X簡介

AGP8X圖形接口標(biāo)準(zhǔn)由Intel公司2000年8月推出。作為新一代AGP并行接口總線，在數(shù)據(jù)傳輸頻寬上也是32位，但總線頻率達(dá)了533MHz，數(shù)據(jù)傳輸帶寬達(dá)到2.1Gbit/s。AGP8X主要特性：（1）減少操作延時（2）支持多接口27第5章

5.4外部設(shè)備總線5-4-1USB總線1.USB總線的特點(diǎn)（1）使用方便（2）速度加快（3）連接靈活（4）獨(dú)立供電（5）支持多媒體28第5章

2.數(shù)據(jù)傳輸類型

USB規(guī)范中規(guī)定了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：（1）控制傳輸方式（2）同步傳輸方式（3）中斷傳輸方式（4）批量傳輸方式29第5章3.USB總線的拓樸結(jié)構(gòu)

USB設(shè)備和USB主機(jī)通過USB總線相連。USB的物理連接是一個星型結(jié)構(gòu)，集線器（HUB）位于每個星形結(jié)構(gòu)的中心，每一段都是主機(jī)和某個集成器，或某一功能設(shè)備之間的一個點(diǎn)到點(diǎn)的連接，也可以是一個集線器與另一個集線器或功能模塊之間的點(diǎn)到點(diǎn)的連接?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-7所示。30圖5-7USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)31第5章

4.USB系統(tǒng)的構(gòu)成USB規(guī)范將USB分為5個部分：（1）控制器（2）控制器驅(qū)動程序（3）USB芯片驅(qū)動程序（4）USB設(shè)備（5）USB設(shè)備驅(qū)動程序32第5章5．USB總線的特性（1）電氣特性（2）機(jī)械特性6．USB總線協(xié)議7．USB設(shè)備的接入和應(yīng)用端口號信號典型電纜顏色端口號信號典型電纜顏色1VBUS紅色4GND黑色2D－白色外皮屏蔽管線3D+綠色第一版USB1.0是在1996年出現(xiàn)的，速度只有1.5Mb/s；兩年后升級為USB1.1，速度也大大提升到12Mb/s，至今在部分舊設(shè)備上還能看到這種標(biāo)準(zhǔn)的接口；2000年4月，目前廣泛使用的USB2.0推出，速度達(dá)到了480Mb/s，是USB1.1的四十倍；如今八個半年頭過去了，USB2.0的速度早已經(jīng)無法滿足應(yīng)用需要，USB3.0也就應(yīng)運(yùn)而生，最大傳輸帶寬高達(dá)5.0Gb/s，也就是625MB/s，同時在使用A型的接口時向下兼容。34第5章

5-4-2IEEE1394總線

IEEE1394是一種新型的高速串行總線。應(yīng)用范圍主要是那些帶寬要求超過100Kbit/s的硬盤和視頻外設(shè)，它允許把計算機(jī)、計算機(jī)外部設(shè)備如硬盤、光驅(qū)、打印機(jī)、掃描儀以及各種家電非常簡單地連接在一起。35第5章

5-4-2IEEE1394總線1．IEEE1394的特點(diǎn)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2．IEEE1394的尋址3．IEEE1394協(xié)議36第5章5.5I2C總線

5.5.1I2C總線簡介I2C總線是由Philips公司推出的一種芯片間的串行通信總線，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中，大大改變了單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能。目前Philips及I2C總線器件，除帶有I2C總線的單片機(jī)、常用的通用外圍器件外，在家電產(chǎn)品、電信、電視、音像產(chǎn)品中已發(fā)展了成套I2C總線器件，使得I2C總線系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。

37第5章5.5I2C總線5.5.2I2C總線特性（1）二線傳輸。（2）系統(tǒng)中有多個主器件時，這些器件都可做總線的主控制器。（3）I2C總線傳輸時采用狀態(tài)碼的管理方法。（4）系統(tǒng)中所有外圍器件及模塊，采用器件地址和引腳地址的編址方法。（5）所有帶I2C接口的外圍器件都具有應(yīng)答功能（6）I2C總線電氣接口為開漏晶體管組成，開路輸出沒有連到電源的鉗位二極管，而連到I2C總線的每個器件上，其自身的電源可以獨(dú)立成線上各個結(jié)點(diǎn)，可在系統(tǒng)帶電情況下接入或撤出。38第5章5.5I2C總線5.5.3I2C總線原理1．?dāng)?shù)據(jù)傳輸方式2．I2C總線的尋址約定39本章小結(jié)微機(jī)總線可分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線是微機(jī)內(nèi)部芯片與處理器間的總線，常用于CPU、存儲器、I/O接口等芯片級互連。系統(tǒng)總線是微機(jī)各插