第3章 系統(tǒng)總線

第３章系統(tǒng)總線3.1總線的基本概念3.2總線的分類3.3總線特性及性能指標(biāo)3.4總線結(jié)構(gòu)3.5總線控制3.1總線的基本概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的五大部件之間互相連接有兩種方式：分散連接、總線連接。分散連接：各部件之間使用單獨(dú)的連線。總線連接：各部件連接到一組公共信息傳輸線上。算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)舉例1.面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)框圖

中央處理器

CPUI/O總線M總線3.1主存

I/O接口

I/O

設(shè)備1

I/O

設(shè)備2……I/O接口I/O接口

I/O

設(shè)備n單總線（系統(tǒng)總線）2.單總線結(jié)構(gòu)框圖

CPU

主存

I/O接口

I/O

設(shè)備1

I/O

設(shè)備2

I/O接口…

I/O

設(shè)備n

I/O接口…3.13.以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總線

主存

CPU

I/O接口

I/O

設(shè)備1…

I/O

設(shè)備n

I/O接口…存儲(chǔ)總線3.1一、為什么要用總線二、什么是總線三、總線上信息的傳送總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)串行并行3.2總線的分類1.片內(nèi)總線2.系統(tǒng)總線芯片內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線雙向與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)單向與存儲(chǔ)地址、I/O地址有關(guān)有出有入計(jì)算機(jī)各部件之間的信息傳輸線存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫總線允許、中斷確認(rèn)中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求3.通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式3.2用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動(dòng)通信等）之間的通信3.3總線特性及性能指標(biāo)CPU插板主存插板I/O插板一、總線物理實(shí)現(xiàn)BUS主板1.機(jī)械特性2.電氣特性3.功能特性4.時(shí)間特性二、總線特性尺寸、形狀、管腳數(shù)

及

排列順序傳輸方向和有效的電平范圍每根傳輸線的功能信號(hào)的時(shí)序關(guān)系3.3地址數(shù)據(jù)控制三、總線的性能指標(biāo)1.總線寬度2.標(biāo)準(zhǔn)傳輸率3.時(shí)鐘同步/異步4.總線復(fù)用5.信號(hào)線數(shù)6.總線控制方式7.其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps）同步、不同步地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和負(fù)載能力并發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)3.3ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)四、總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模塊3.3標(biāo)準(zhǔn)界面

ISA總線:(IndustryStandardArchitecture:工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標(biāo)準(zhǔn)，為16位體系結(jié)構(gòu)，只能支持16位的I/O設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸率大約是16MB/S。也稱為AT標(biāo)準(zhǔn)。開始時(shí)PC機(jī)面向個(gè)人及辦公室，定義了8位的ISA總線結(jié)構(gòu)，對(duì)外公開，成為標(biāo)準(zhǔn)（ISOISA標(biāo)準(zhǔn)）。第三方開發(fā)出許多ISA擴(kuò)充板卡，推動(dòng)了PC機(jī)的發(fā)展。1984年推出IBM-PC/AT系統(tǒng)，ISA從8位擴(kuò)充到16位，地址線從20條擴(kuò)充到24條。1988年，康柏、HP、NEC等9個(gè)廠商協(xié)同把ISA擴(kuò)展到32位，即EISA總線(ExtendedISA)。

EISA總線(ExtendedIndustryStandardArchitecture:擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）是EISA集團(tuán)為配合32位CPU而設(shè)計(jì)的總線擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。它吸收了IBM微通道總線的精華，并且兼容ISA總線?，F(xiàn)今已被淘汰。

ExtendedIndustryStandardArchitecture(EISA)Bus

擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)(EISA)總線EISA總線1989年由工業(yè)廠商聯(lián)盟設(shè)計(jì)，用于支持現(xiàn)有的ISA擴(kuò)充板，同時(shí)為以后的發(fā)展提供一個(gè)平臺(tái)。為支持1SA卡，它使用8MHz的時(shí)鐘速率，但總線提供的DMA(直接存儲(chǔ)器訪問)速度可達(dá)33Mbps。EISA總線的輸入/輸出(I/O)總線和微處理總線是分離的，因此I/O總線可保持低時(shí)鐘速率以支持ISA卡而微處理器總線則可以高速率運(yùn)行。EISA機(jī)器可以向多個(gè)用戶提供高速磁盤輸出。

EISA總線是全32位的，所以這種設(shè)計(jì)可處理比ISA總線更多的引腳。連結(jié)器是一個(gè)兩層槽設(shè)計(jì)，既能接受ISA卡，又能接受EISA卡。頂層與ISA卡相連，低層則與EISA卡相連。盡管EISA總線保持與ISA兼容的8MHz時(shí)鐘速率，但它們支持一種突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送方法，可以以三倍于ISA總線的速率傳送數(shù)據(jù)。大型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計(jì)大多選用EISA總線。

PCI是PeripheralComponentInterconnect(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))的縮寫，它是目前個(gè)人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺(tái)式機(jī)主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有5～6個(gè)PCI插槽，而小一點(diǎn)的MATX主板也都帶有2～3個(gè)PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。

PCI是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號(hào)緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能，它為顯卡，聲卡，網(wǎng)卡，MODEM等設(shè)備提供了連接接口，它的工作頻率為33MHz/66MHz。從1992年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCI總線已成為了計(jì)算機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線取代了早先的ISA總線。當(dāng)然與在PCI總線后面出現(xiàn)專門用于顯卡的AGP總線，與現(xiàn)在的PCIExpress總線相比，功能沒有那么強(qiáng)大，但是PCI能從1992用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點(diǎn)，比如即插即用(PlugandPlay)、中斷共享等。從數(shù)據(jù)寬度上看，PCI總線有32bit、64bit之分；從總線速度上分，有33MHz、66MHz兩種。目前流行的是32bit@33MHz，而64bit系統(tǒng)正在普及中。改良的PCI系統(tǒng)，PCI-X，最高可以達(dá)到64bit@133MHz，這樣就可以得到超過1GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的。這樣做的好處是，一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實(shí)現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由一個(gè)PCI設(shè)備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個(gè)PCI設(shè)備做目標(biāo)(從設(shè)備，Target或Slave)?？偩€上的所有時(shí)序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時(shí)刻只能供一對(duì)設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個(gè)仲裁機(jī)構(gòu)(Arbiter)，來決定在誰(shuí)有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。當(dāng)PCI總線進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)起者(Master)先置REQ#，當(dāng)?shù)玫街俨闷?Arbiter)的許可時(shí)(GNT#)，會(huì)將FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時(shí)C/BE#放置命令信號(hào)，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設(shè)備都需對(duì)此地址譯碼，被選中的設(shè)備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然后當(dāng)IRDY#與TRDY#都置低時(shí)，可以傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)Master數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，將FRAME#置高以標(biāo)明只剩最后一組數(shù)據(jù)要傳輸，并在傳完數(shù)據(jù)后放開IRDY#以釋放總線控制權(quán)。這里我們可以看出，PCI總線的傳輸是很高效的，發(fā)出一組地址后，理想狀態(tài)下可以連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)，峰值速率為132MB/s。實(shí)際上，目前流行的33M@32bit北橋芯片一般可以做到100MB/s的連續(xù)傳輸。

所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號(hào)等，并自動(dòng)尋找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。而不象舊的ISA板卡，需要進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)配置。實(shí)際的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)比說起來要復(fù)雜。在PCI板卡中，有一組寄存器，叫"配置空間"(ConfigurationSpace)，用來存放基地址與內(nèi)存地址，以及中斷等信息。以內(nèi)存地址為例。當(dāng)上電時(shí)，板卡從ROM里讀取固定的值放到寄存器中，對(duì)應(yīng)內(nèi)存的地方放置的是需要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)等信息。操作系統(tǒng)要跟據(jù)這個(gè)信息分配內(nèi)存，并在分配成功后把相應(yīng)的寄存器中填入內(nèi)存的起始地址。這樣就不必手工設(shè)置開關(guān)來分配內(nèi)存或基地址了。對(duì)于中斷的分配也與此類似。

ISA卡的一個(gè)重要局限在于中斷是獨(dú)占的，而我們知道計(jì)算機(jī)的中斷號(hào)只有16個(gè)，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時(shí)就會(huì)有問題了。

PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。

PCI總線是一種同步的獨(dú)立于處理器的32位或64位局部總線，最高工作頻率為33MHz，峰值速度在32位時(shí)為132MB/s，64位時(shí)為264MB/s，總線規(guī)范由PCISIG發(fā)布。ISA總線相比，PCI總線和有如下顯著的特點(diǎn)：①高速性

PCI局部總線以33MHz的時(shí)鐘頻率操作，采用32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)132MB/s，遠(yuǎn)超過以往各種總線。而早在1995年6月推出的PCI總線規(guī)范2.l已定義了64位、66MHz的PCI總線標(biāo)準(zhǔn)。因此PCI總線完全可為未來的計(jì)算機(jī)提供更高的數(shù)據(jù)傳送率。另外，PCI總線的主設(shè)備(Master)可與微機(jī)內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)，而不必經(jīng)過微機(jī)CPU中轉(zhuǎn)，也提高了數(shù)據(jù)傳送的效率。②即插即用性目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)中留給用戶使用的硬件資源越來越少，也越來越含糊不清。在使用ISA板卡時(shí)，有兩個(gè)問題需要解決：一是在同一臺(tái)微機(jī)上使用多個(gè)不同廠家、不同型號(hào)的板卡時(shí)，板卡之間可能會(huì)有硬件資源上的沖突；二是板卡所占用的硬件資源可能會(huì)與系統(tǒng)硬件資源(如聲卡、網(wǎng)卡等)相沖突。而PCI板卡的硬件資源則是由微機(jī)根據(jù)其各自的要求統(tǒng)一分配，決不會(huì)有任何的沖突問題。因此，作為PCI板卡的設(shè)計(jì)者，不必關(guān)心微機(jī)的哪些資源可用，哪些資源不可用，也不必關(guān)心板卡之間是否會(huì)有沖突。因此，即使不考慮PCI總線的高速性，單憑其即插即用性，就比ISA總線優(yōu)越了許多。③可靠性

PCI獨(dú)立于處理器的結(jié)構(gòu)，形成一種獨(dú)特的中間緩沖器設(shè)計(jì)方式，將中央處理器子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開。這樣用戶可以隨意增添外圍設(shè)備，以擴(kuò)充電腦系統(tǒng)而不必?fù)?dān)心在不同時(shí)鐘頻率下會(huì)導(dǎo)致性能的下降。與原先微機(jī)常用的ISA總線相比，PCI總線增加了奇偶校驗(yàn)錯(cuò)(PERR)、系統(tǒng)錯(cuò)(SERR)、從設(shè)備結(jié)束(STOP)等控制信號(hào)及超時(shí)處理等可靠性措施，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃源鬄樵黾印＂軓?fù)雜性

PCI總線強(qiáng)大的功能大大增加了硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的實(shí)現(xiàn)難度。硬件上要采用大容量、高速度的CPLD或FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)PCI總線復(fù)雜的功能。軟件上則要根據(jù)所用的操作系統(tǒng)，用軟件工具編制支持即插即用功能酶設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。⑤自動(dòng)配置

PCI總線規(guī)范規(guī)定PCI插卡可以自動(dòng)配置。PCI定義了3種地址空間：存儲(chǔ)器空間，輸入輸出空間和配置空間，每個(gè)PCI設(shè)備中都有256字節(jié)的配置空間用來存放自動(dòng)配置信息，當(dāng)PCI插卡插入系統(tǒng)，BIOS將根據(jù)讀到的有關(guān)該卡的信息，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際情況為插卡分配存儲(chǔ)地址、中斷和某些定時(shí)信息。⑥共享中斷

PCI總線是采用低電平有效方式，多個(gè)中斷可以共享一條中斷線，而ISA總線是邊沿觸發(fā)方式。⑦擴(kuò)展性好如果需要把許多設(shè)備連接到PCI總線上，而總線驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，可以采用多級(jí)PCI總線，這些總線上均可以并發(fā)工作，每個(gè)總線上均可掛接若干設(shè)備。因此PCI總線結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性是非常好的。由于PCI的設(shè)計(jì)是要輔助現(xiàn)有的擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，因此與ISA，EISA及MCA總線完全兼容。⑧多路復(fù)用在PCI總線中為了優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了地址線和數(shù)據(jù)線共用一組物理線路，即多路復(fù)用。PCI接插件尺寸小，又采用了多路復(fù)用技術(shù)，減少了元件和管腳個(gè)數(shù)，提高了效率。⑨嚴(yán)格規(guī)范

PCI總線對(duì)協(xié)議、時(shí)序、電氣性能、機(jī)械性能等指標(biāo)都有嚴(yán)格的規(guī)定，保證了PCI的可靠性和兼容性。由于PCI總線規(guī)范十分復(fù)雜，其接口的實(shí)現(xiàn)就有較高的技術(shù)難度。5V32位插槽5V64位插槽3.3V32位插槽3.3V64位插槽連接卡口a.4種PCI卡插槽A1外內(nèi)A49A52B1B49B52A62B621.273.8277.48b.5V32位PCI插槽2.PCI插卡ICICIC1.9160.9612.741.680外邊里邊

AGP總線是加速圖像接口（AcceleratedGraphicsPort）,是英特爾推出的一種3D標(biāo)準(zhǔn)圖像接口，它能夠提供四倍于PCI的效率。

AGP"圖形加速接口"數(shù)據(jù)位寬32位,有一速,二速,四速,8速之分.一速的帶寬是266MB/S.其中四速和8速接口可以兼容.

隨著多媒體計(jì)算機(jī)的普及，對(duì)三維技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣。處理三維數(shù)據(jù)不僅要求有驚人的數(shù)據(jù)量，而且要求有更寬廣的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。例如，對(duì)于640*480像素的分辨率而言，以每秒75次畫面更新率計(jì)算，要求全部的數(shù)據(jù)帶寬達(dá)370MBps；若分辨率提高到800*600像素時(shí)，總線帶寬高達(dá)580MBps。因此PCI總線成為傳輸瓶頸。為了解決此問題，intel于1996年7月推出了AGP，這是顯示卡專用的局部總線，基于PCI2.1版規(guī)范并進(jìn)行擴(kuò)充修改而成，它采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道方式。以66.7MHz的頻率直接于主存聯(lián)系，以主存作為幀緩沖器，實(shí)現(xiàn)了高速緩沖。最大數(shù)據(jù)傳輸率（數(shù)據(jù)帶寬為32位）為266MBps，是傳統(tǒng)PCI總線帶寬的2倍。AGP還定義了一種“雙激勵(lì)的傳輸技術(shù)”，能在一個(gè)時(shí)鐘的上，下沿雙向傳輸數(shù)據(jù)，這樣AGP實(shí)現(xiàn)了傳輸頻率66.7MHz*2,即133MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率可增為533MBps.后來又依次推出了AGP2X,AGP4X,AGP8X多個(gè)版本,數(shù)據(jù)傳輸速率可2.1GBpsAGP（AcceleratedGraphicsPort）即加速圖形端口。1、AGP總線的特點(diǎn)采用流水線技術(shù)進(jìn)行內(nèi)存讀/寫采用雙泵技術(shù)采用DIME技術(shù)采用邊帶尋址顯示RAM和系統(tǒng)RAM可以并行操作緩解了PCI總線上的數(shù)據(jù)擁擠。二級(jí)高速緩存處理器芯片組PCI設(shè)備系統(tǒng)主存圖形控制器顯存顯示器PCI設(shè)備PCIAGP圖形系統(tǒng)AGP連接方式2、AGP接口模式工作頻率數(shù)據(jù)傳輸率傳輸觸發(fā)方式×166MHz264MB/s上升沿×2133MHz532MB/s上升沿和下降沿×4266MHz1064MB/s上升沿和下降沿

AGP工作模式表3、AGP的工作模式

RS232接口是1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口，現(xiàn)在都把RS232接口叫做DB9。RS-232是現(xiàn)在主流的串行通信接口之一。

由于RS232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

（1）接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps；

（3）接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。

USB總線：為通用串行總線，USB接口位于PS/2接口和串并口之間，允許外設(shè)在開機(jī)狀態(tài)下熱插拔，最多可串接下來127個(gè)外設(shè)，傳輸速率可達(dá)480Mb/S，它可以向低壓設(shè)備提供5伏電源，同時(shí)可以減少PC機(jī)I/O接口數(shù)量。

通用串行總線USB（universalserialbus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一，USB的最高傳輸率可達(dá)480Mbps，而且USB還能支持多媒體通用串行總線（UniversalSerialBus）USB是一種新型的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)，采用通用連接器和自動(dòng)配置及熱插拔技術(shù)和相應(yīng)的軟件,實(shí)現(xiàn)資源共享和外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接。USB是以Intel公司為主,Compaq,IBM，DEC以及NEC等公司共同開發(fā)的,96年公布了USB1.0版本,目前是USB2.0。由于微軟在Windows98和Windows2000中內(nèi)置了USB接口模塊，加上USB設(shè)備日益增多，因此使USB成為目前流行的外設(shè)接口。使用USB,用戶不需要擴(kuò)展插卡,無須了解BIP開關(guān)設(shè)置、跳線、中斷IRQ設(shè)置、DMA通道及IO地址等細(xì)節(jié),無須開發(fā)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，有400多家大公司的支持,開發(fā)了USB電信產(chǎn)品、外設(shè)及軟件。(1)使用方便：可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，支持熱插拔。(2)速度加快：USB1.1最高傳輸率可達(dá)12Mbps，比串口快了整整100倍，比并口也快了十幾倍。USB2.0

的速度提高到480Mbps以上。(3)連接靈活：

連接方式既可以使用串行連接也可以使用中樞轉(zhuǎn)接頭(Hub)，把多個(gè)設(shè)備連接在一起USB；理論上可以連接127個(gè)USB設(shè)備。每個(gè)外設(shè)線纜長(zhǎng)度達(dá)5米。USB能智能識(shí)別USB鏈上外圍設(shè)備的接入或拆卸。(4)獨(dú)立供電：USB接口提供了內(nèi)置電源。USB電源能向低壓設(shè)備提供5V的電源。(5)支持多媒體：可支持異步以及等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，使電話可與PC集成，共享語(yǔ)音郵件，高保真音頻及其他特性。USB的主要特點(diǎn)（1）USB主機(jī)——USB總線——USB設(shè)備物理結(jié)構(gòu)是層迭式星形拓?fù)洌║SB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）主機(jī)設(shè)備根集線器設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備集線器集線器設(shè)備設(shè)備設(shè)備

2、USB總線拓?fù)洌?）USB設(shè)備

2、USB總線拓?fù)銾SB主控制器/根集線器

主控制器負(fù)責(zé)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行，并將數(shù)據(jù)傳給根集線器。根集線器控制USB端口的電源，激活和禁止端口，識(shí)別與端口相連的設(shè)備，設(shè)置和報(bào)告與每個(gè)端口相連的狀態(tài)事件。

USB集線器(USBHub)

完成USB設(shè)備的添加（擴(kuò)展）、刪除和電源管理等。

USB設(shè)備

HUB設(shè)備和功能設(shè)備（外設(shè)），外設(shè)含一定數(shù)量獨(dú)立的寄存器端口（端點(diǎn)）。外設(shè)有一個(gè)惟一的地址。通過這個(gè)地址和端點(diǎn)號(hào)，主機(jī)軟件可以和每個(gè)端點(diǎn)通信。數(shù)據(jù)的傳送是在主機(jī)軟件和USB設(shè)備的端點(diǎn)之間進(jìn)行的。3.USB的軟件

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

在USB外設(shè)中，通過I/O請(qǐng)求包將請(qǐng)求發(fā)送給USB設(shè)備。

USB驅(qū)動(dòng)程序

在設(shè)備設(shè)置時(shí)讀取描述器以獲取USB設(shè)備的特征，并根據(jù)這些特征，在請(qǐng)求發(fā)生時(shí)組織數(shù)據(jù)傳輸。USB驅(qū)動(dòng)程序可以是捆綁在操作系統(tǒng)中，也可以是以可裝載的驅(qū)動(dòng)程序形式加入到操作系統(tǒng)中。

USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序

完成對(duì)USB交換的調(diào)度，并通過根Hub或其他的Hub完成對(duì)交換的初始化。

ＵＳＢ接口插座１２３４１２３４電氣特性：USB總線通過一條四芯電纜傳送電源和數(shù)據(jù)，電纜以點(diǎn)到點(diǎn)方式在設(shè)備之間連接。機(jī)械特性：A系列USB連接器主機(jī)

B系列USB連接器USB設(shè)備4、USB機(jī)械電氣特性5、USB數(shù)據(jù)流類型和傳輸類型

◆

USB數(shù)據(jù)流類型有四種：控制信號(hào)流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。

◆

USB有4種基本的傳輸類型批傳輸：?jiǎn)?雙向，用于大批數(shù)據(jù)傳輸，要求準(zhǔn)確，出錯(cuò)重傳。時(shí)間性不強(qiáng)?？刂苽鬏敚弘p向，用于配置設(shè)備或特殊用途，發(fā)生錯(cuò)誤需重傳。每個(gè)設(shè)備必須要用端點(diǎn)0完成USB主機(jī)檢測(cè)時(shí)和主機(jī)交換信息的控制傳送。中斷傳輸：?jiǎn)蜗蛉胫鳈C(jī)，用于隨機(jī)少量傳送。采用查詢中斷方式，出錯(cuò)下一查詢周期重新傳。等時(shí)傳輸：?jiǎn)?雙向，用于連續(xù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)間性強(qiáng)，但出錯(cuò)無需重傳。傳輸速率固定。6、USB交換的包格式標(biāo)志包數(shù)據(jù)包握手包一次交換（事務(wù)處理）等時(shí)傳輸無握手包交換完畢，進(jìn)入幀結(jié)束間隔區(qū)發(fā)送方把D+和D-上的電壓降低到0.8V以下，并保持2個(gè)位的傳輸時(shí)間，然后維持1個(gè)位傳輸時(shí)間的J狀態(tài)表示包結(jié)束，之后進(jìn)入閑置狀態(tài)。每次交換均由主機(jī)發(fā)起，對(duì)中斷傳輸，亦由主機(jī)發(fā)送查詢包取得中斷信息。幀結(jié)束間隔區(qū)包的一般格式SYNCPID包特定信息CRC8位8位n位5位或16位SYNC：同步序列PID：包標(biāo)識(shí)別，發(fā)送從低位到高位所有數(shù)據(jù)發(fā)發(fā)送都時(shí)從低位開始向高位發(fā)送數(shù)據(jù)為10000000bPID0PID1LSbPID2PID3PID0#PID1#PID2#PID3#MSbPIDPID的反碼6、USB交換的包格式◆包的種類及格式：標(biāo)記包

(1)幀開始包（SOF）（一幀持續(xù)時(shí)間為1ms）SYNCPID

FRAMENUMBERCRC8位幀開始包格式8位11位5位編碼數(shù)據(jù)0000000110100101LSbMSb6、USB交換的包格式SYCNPIDADDRENDPCRC8位接受和發(fā)送包的格式8位7位4位5位

(2)接受包(3)發(fā)送包接受交換包括了全部4種傳輸類型接受交換:根Hub廣播接受包目標(biāo)設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)包根發(fā)握手包（等時(shí)傳輸無握手包）發(fā)送交換:根Hub廣播發(fā)送包根發(fā)數(shù)據(jù)包目標(biāo)設(shè)備發(fā)握手包（批傳輸才有握手包）發(fā)送交換包括了除等時(shí)傳輸外的其他3種傳輸類型6、USB交換的包格式數(shù)據(jù)包DATACRCSYNCPID8位USB1.1數(shù)據(jù)包格式8位0~1023位16位SYNCPIDDATACRC8位USB2.0數(shù)據(jù)包格式8位0~8192位16位(4)設(shè)置包控制傳輸開始由主機(jī)發(fā)設(shè)置包，后面可能由一個(gè)或多個(gè)IN或OUT交換，或只包含一個(gè)從端點(diǎn)傳到主機(jī)的狀態(tài)。6、USB交換的包格式SYCNPID8位握手包的格式8位握手包

特殊包數(shù)據(jù)接受方發(fā)向數(shù)據(jù)發(fā)送方只有SYNC和PID組成主機(jī)希望與低速設(shè)備進(jìn)行低速傳輸?shù)臅r(shí)候發(fā)此包PID域應(yīng)該高速（全速）發(fā)送。PID之后，在低速數(shù)據(jù)包傳輸之前要延遲4個(gè)高速字節(jié)時(shí)間低速設(shè)備只支持控制傳輸與中斷傳輸與低速設(shè)備交換數(shù)據(jù)只有8字節(jié)6、USB交換的包格式總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線總線時(shí)鐘帶寬ISA168MHz（獨(dú)立）33MBpsEISA328MHz（獨(dú)立）33MBpsVESA(VL-BUS)3232MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（獨(dú)立）64MHz（獨(dú)立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（獨(dú)立）133MHz（獨(dú)立）266MBps533MBpsRS-232串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口USB串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)3.3四、總線標(biāo)準(zhǔn)3.4總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線）

CPU

主存

I/O接口

I/O

設(shè)備1

I/O

設(shè)備2

I/O接口…

I/O

設(shè)備n

I/O接口…1.雙總線結(jié)構(gòu)具有特殊功能的處理器，由通道對(duì)I/O統(tǒng)一管理通道

I/O接口設(shè)備n

……

I/O接口設(shè)備0

CPU主存主存總線I/O總線二、多總線結(jié)構(gòu)3.42.三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線I/O總線CPU

主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口I/O接口I/O接口……3.43.三總線結(jié)構(gòu)的又一形式3.4局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存4.四總線結(jié)構(gòu)多媒體Modem主存擴(kuò)展總線接口局域網(wǎng)SCSICPU串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴(kuò)展總線圖形Cache/橋3.41.傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例3.4存儲(chǔ)器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器33MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形CPU……Modem2.VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)3.433MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線ISA、EISA多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形圖文傳真8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器CPU主存控制器存儲(chǔ)器局部總線控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……Modem3.PCI總線結(jié)構(gòu)3.4CPU多媒體PCI橋高速局域網(wǎng)高性能圖形圖文傳真PCI總線系統(tǒng)總線33MHz的32位數(shù)據(jù)通路8MHz的16位數(shù)據(jù)通路ISA、EISA標(biāo)準(zhǔn)總線控制器

SCSIⅡ

控制器存儲(chǔ)器Modem4.多層PCI總線結(jié)構(gòu)PCI總線2存儲(chǔ)器橋0橋4

PCI設(shè)備橋5總線橋橋3橋1設(shè)備橋2第一級(jí)橋第二級(jí)橋第三級(jí)橋PCI總線4PCI總線5PCI總線3PCI總線1PCI總線0存儲(chǔ)器總線

標(biāo)準(zhǔn)總線CPU3.43.5總線控制一、總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式集中式主設(shè)備(模塊)對(duì)總線有控制權(quán)從設(shè)備(模塊)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來的總線命令1.基本概念鏈?zhǔn)讲樵冇?jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請(qǐng)求方式2.鏈?zhǔn)讲樵兎绞娇偩€控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線地址線BS

－總線忙BR－總線請(qǐng)求BG－總線同意3.5I/O接口10BS

－總線忙BR－總線請(qǐng)求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址3.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式I/O接口13.5計(jì)數(shù)器設(shè)備地址1排隊(duì)器排隊(duì)器4.獨(dú)立請(qǐng)求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG－總線同意BR－總線請(qǐng)求3.5二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請(qǐng)，總線仲裁決定主模塊向從模塊給出地址和命令主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)主模塊撤消有關(guān)信息申請(qǐng)分配階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段解決通信雙方協(xié)調(diào)配合問題3.5由統(tǒng)一時(shí)標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送充分挖掘系統(tǒng)總線每個(gè)瞬間的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線通信的四種方式采用應(yīng)答方式

，沒有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合3.5

讀命令(1)同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址數(shù)據(jù)3.5數(shù)據(jù)(2)同步式數(shù)據(jù)輸出T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

寫命令3.5例3.1假設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為100MHz,總線的傳輸周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，總線的寬度為32位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？解：根據(jù)總線的