計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)--微機(jī)總線與標(biāo)準(zhǔn)

1、1第第7章章微機(jī)總線與標(biāo)準(zhǔn)2主要內(nèi)容掌握：掌握：n總線的基本概念和分類；總線的基本概念和分類；n總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n總線的主要功能及原理；總線的主要功能及原理；n常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)；常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)；n通用串行總線（通用串行總線（USB）34.14.1 總線的基本概念n總線概念；總線概念；n總線分類及其特點總線分類及其特點4總線的一般概念n總線總線是是一組導(dǎo)線和相關(guān)的控制、驅(qū)動電路一組導(dǎo)線和相關(guān)的控制、驅(qū)動電路的的集合。集合。n總線是計算機(jī)系統(tǒng)各部件之間傳輸總線是計算機(jī)系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂返刂贰?shù)據(jù)數(shù)據(jù)和和控制信息控制信息的的通道。通道。n任一時刻，只能有一個部件任一時刻，只能有一個

2、部件/ /設(shè)備通過總線設(shè)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)。發(fā)送數(shù)據(jù)，其他部件只能處于接收狀態(tài)。5總線的分類及特點n按傳送信息的類型劃分按傳送信息的類型劃分n數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)總線（Data Bus，DB）n傳輸數(shù)據(jù)信息，雙向三態(tài)n其寬度決定了其數(shù)據(jù)傳輸能力n例如，ISA總線為16位，PCI總線為32/64位n地址總線（地址總線（Address Bus，AB）n傳輸?shù)刂沸畔?，單向三態(tài)n其寬度決定了微機(jī)系統(tǒng)的尋址能力n例如，ISA為24位，可尋址16MB；PCI為32/64位，可尋址4GB/224TBn控制總線（控制總線（Control Bus，CB）n傳輸控制信號、時序信號和狀態(tài)信號n特

3、點各異：三態(tài)、入/出/雙向等特性均不相同 6總線的分類及特點（續(xù)）n按總線的層次結(jié)構(gòu)按總線的層次結(jié)構(gòu)nCPU總線總線/前端總線（前端總線（FSB）n直接由直接由CPU引腳引出的總線，例如，引腳引出的總線，例如，P4 CPU與與GMCH（北橋）（北橋）之間的總線之間的總線n局部總線（只出現(xiàn)在局部總線（只出現(xiàn)在80386以后的微機(jī)系統(tǒng)中）以后的微機(jī)系統(tǒng)中）nCPU總線與系統(tǒng)總線之間的總線總線與系統(tǒng)總線之間的總線n它一側(cè)通過北橋與它一側(cè)通過北橋與CPU總線連接，另一側(cè)通過南橋與系統(tǒng)總總線連接，另一側(cè)通過南橋與系統(tǒng)總線連接，例如線連接，例如PCI總線總線n系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線n與總線擴(kuò)展槽連接的總線，如與

4、總線擴(kuò)展槽連接的總線，如ISA和和EISA總線總線n外部總線外部總線n主機(jī)與外設(shè)之間的總線，如主機(jī)與外設(shè)之間的總線，如USB和和IEEE1394n其他其他nAGP，專用視頻接口，專用于顯卡與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，專用視頻接口，專用于顯卡與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸nSCSI，標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接口，可連接，標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接口，可連接15臺外設(shè)臺外設(shè)nIDE/EIDE，外部存儲設(shè)備接口，每個接口可連接，外部存儲設(shè)備接口，每個接口可連接2臺設(shè)備臺設(shè)備74.24.2 總線的結(jié)構(gòu)n系統(tǒng)各部件與總線的連接方式系統(tǒng)各部件與總線的連接方式 單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu) 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) 多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)8單總線結(jié)構(gòu)CPU M M

5、 I/O I/O I/On缺點：高速的存儲器與低速的缺點：高速的存儲器與低速的I/O接口競爭總線，影接口競爭總線，影響了存儲器的讀寫速度響了存儲器的讀寫速度9雙總線結(jié)構(gòu)n面向面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)的雙總線結(jié)構(gòu)CPU M I/O I/O I/On缺點：存儲器與缺點：存儲器與I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸必須通過設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸必須通過CPU10雙總線結(jié)構(gòu)n面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu)面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu)CPU M I/O I/O I/O11多總線結(jié)構(gòu)n系統(tǒng)中擁有兩個以上的總線系統(tǒng)中擁有兩個以上的總線124.34.3 總線的基本功能n數(shù)據(jù)傳送控制數(shù)據(jù)傳送控制n仲裁控制仲裁控制n數(shù)據(jù)校驗與糾錯數(shù)據(jù)校驗與糾錯n隔離與

6、驅(qū)動隔離與驅(qū)動13一、總線傳送控制n同步方式同步方式n收、發(fā)雙方嚴(yán)格地按統(tǒng)一的基準(zhǔn)時鐘信號執(zhí)行相應(yīng)的動作n不適合于在同一系統(tǒng)中既有高速部件又有低速部件的環(huán)境nPCI總線屬于同步方式總線n異步方式異步方式n傳輸過程無需統(tǒng)一時鐘的同步，用“請求”和“應(yīng)答”信號來協(xié)調(diào)n傳輸速度慢n半同步方式半同步方式n總體上仍是同步方式(使用基準(zhǔn)時鐘)，傳輸操作與時鐘同步n設(shè)置“等待”狀態(tài)線，在無法按時完成操作時，用此狀態(tài)線強(qiáng)制對方延長一個或多個時鐘周期nISA總線即屬于半同步方式總線14同步方式的時序地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)時鐘時鐘總線周期總線周期總線周期總線周期時鐘周期時鐘周期15異步方式的時序地址地址/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(發(fā)送

7、方發(fā)送方)請求請求(接收方接收方)應(yīng)答應(yīng)答16二、總線的仲裁控制n多個設(shè)備都要使用總線時，決定由哪個設(shè)備使多個設(shè)備都要使用總線時，決定由哪個設(shè)備使用總線的方法。用總線的方法。n80 x86微機(jī)中采用的是獨立請求方式微機(jī)中采用的是獨立請求方式鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞姜毩⒄埱蠓绞姜毩⒄埱蠓绞?7三、總線隔離與驅(qū)動n不操作時把功能部件與總線隔離不操作時把功能部件與總線隔離n同一時刻只能有一個部件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上n提供驅(qū)動能力提供驅(qū)動能力n數(shù)據(jù)發(fā)送方必須提供足夠的電流以驅(qū)動多個部件n提供鎖存能力提供鎖存能力n 信息緩存和信息分離18總線電路中常用的芯片n三態(tài)總線驅(qū)動器三態(tài)總線驅(qū)動器n驅(qū)動、隔離n單向、

8、雙向n鎖存器鎖存器n信息緩存（有些同時具有總線驅(qū)動能力）n信息分離（如地址與數(shù)據(jù)的分離）19三態(tài)總線驅(qū)動器輸入輸入輸出輸出OE輸入輸入輸出輸出OE輸入輸入輸出輸出OE輸入輸入輸出輸出OE20典型總線驅(qū)動器芯片n8286 / 74LS245 8雙向總線驅(qū)動器雙向總線驅(qū)動器n內(nèi)部包含8個雙向三態(tài)門828674LS245A0A1A2A3A4A5A6A7OEB0B1B2B3B4B5B6B7TnOE：輸出允許。n T： 方向。 T=0，BA；T=1，AB21典型總線驅(qū)動器芯片n74LS244 8總線驅(qū)動器n內(nèi)部包含8個單向三態(tài)門，分為兩組分別控制74LS244E1E21A11A21A31A42A12A2

9、2A32A41Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41組輸出組輸出2組輸出組輸出1組輸入組輸入2組輸入組輸入22鎖存器DCPQQCP D Q Q 0 0 1 1 1 0DCPQOEOCP D Q 0 0 1 1ISTB23典型鎖存器芯片n8282 / 74LS373 具有三態(tài)正相輸出的鎖存器具有三態(tài)正相輸出的鎖存器n內(nèi)部包含8個D觸發(fā)器828274LS3738D鎖存器鎖存器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7STBDO0DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7OE24四、總線的主要性能指標(biāo)n總線帶寬（總線帶寬（B/S）：）：每秒可傳送的字節(jié)數(shù)每秒可傳送的字節(jié)數(shù)n總線位寬（

10、總線位寬（bit）：）： 一次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)一次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)n工作頻率（工作頻率（MHz）n總線帶寬總線帶寬=（總線位寬（總線位寬/8）工作頻率工作頻率例1：P4 CPU的FSB頻率為400MHz或800MHz，位寬為64bit。 FSB帶寬：40064/8=3.2GB/s 或 80064/8=6.4GB/s例2：PCI總線的頻率為33.3MHz，位寬為32bit或64bit。 PCI帶寬：33.332/8=133MB/s 或 33.364/8=266MB/s254.44.4 常用系統(tǒng)總線及外部總線n常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)nISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系總線）nIndustry Standa

11、rd ArchitecturenPCI（外圍部件互連總線）nPeripheral Component Interconnectn常用系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)常用系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)nAGP（加速圖形接口）nAccelerated Graphics PortnIDE（集成設(shè)備接口），又稱ATA接口nIntegrated Device ElectronicsnSCSI（小型計算機(jī)系統(tǒng)接口）nSmall Computer System Interface n外部總線外部總線nUSB（通用串行總線）nIEEE 1394（高性能串行總線）26一、ISA總線n主要特性主要特性n16位數(shù)據(jù)線（早期的為8位，已被淘汰）n24位地

12、址線（可尋址16MB存儲器）n時鐘頻率8MHzn數(shù)據(jù)傳輸率16MB/sn提供11個中斷請求輸入n提供7個DMA通道n用于80286PIII（個別P4微機(jī)也支持）27ISA總線插槽n外形見外形見P121，共，共98個引線個引線n主要引線信號：主要引線信號：nSA0SA19（鎖存的），LA17LA23（非鎖存的）（地址）nSD0SD15（數(shù)據(jù)）nSBHE（高字節(jié)允許）nMEMR、MEMWnIOR、IOW nAEN（地址允許，1表示處于DMA控制周期）nIRQ3IRQ7、IRQ9IRQ11、IRQ14、IRQ15 nDRQ0DRQ3、DRQ5DRQ7nDACK0DACK3、DACK5DACK7 注：

13、注：ISA總線的總線的DMA操作和操作和I/O操作使用相同的地址線、數(shù)據(jù)線和操作使用相同的地址線、數(shù)據(jù)線和I/O讀寫控制線讀寫控制線（IOR和和IOW），所以），所以AEN應(yīng)參加應(yīng)參加I/O地址譯碼。地址譯碼。28簡單的ISA總線接口(輸入接口)D7-D0D7-D0A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量輸入STARTREADY數(shù)字量輸出INE1 E21Y2Y1A2A74LS244CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS1381100 0000 0000 0000B 1100 0000 0010B轉(zhuǎn)換結(jié)束啟動轉(zhuǎn)換D0C000H 讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)C001H 啟動轉(zhuǎn)換啟動轉(zhuǎn)換C002H 讀轉(zhuǎn)換狀

14、讀轉(zhuǎn)換狀態(tài)態(tài)A2A1A01A13-A3&A15A14AENIORISA總總線線29簡單的ISA總線接口(輸出接口)驅(qū)動驅(qū)動電路電路D7-D0CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138A2A1A01A13-A3&A15A14AENIOWISA總總線線STBOE74LS373DI7DI0DO7 DO0厑儉厑儉器件器件組合組合選通選通30二、PCI總線n獨立于微處理器；獨立于微處理器；n支持即插即用功能；支持即插即用功能；n通過通過PCI橋與橋與CPU連接（北橋）連接（北橋）n總線寬度：總線寬度：32/64位；位；n工作頻率：工作頻率：33.3MHz/66.6MHzn傳送速

15、率：傳送速率：n32位PCI總線：133MB/s，266MB/sn64位PCI總線：266MB/s，533MB/s PCI總總線體系線體系31PCI總線插槽n外形見外形見P124，共，共62根引線（根引線（64位位PCI有有94根）根）n包括：包括：n系統(tǒng)接口信號（時鐘、復(fù)位等）n地址與數(shù)據(jù)（復(fù)用）信號（AD0-AD31）n接口控制信號（主從設(shè)備控制信號等）n總線仲裁信號（總線請求、總線允許）n錯誤報告信號（系統(tǒng)錯、奇偶錯）n中斷控制信號（中斷請求）n64位總線擴(kuò)展信號（AD32-AD63、字節(jié)選擇等）n高速緩存支持信號32PCI總線n總線命令總線命令nI/O和存儲器讀寫控制信號都是通過命令碼

16、給出n命令碼出現(xiàn)在C/BE3:0這4根線上n共有12種命令n中斷響應(yīng)、存儲器讀/寫、IO讀/寫、配置讀/寫、等等n總線傳輸機(jī)制總線傳輸機(jī)制n存儲器讀寫采用突發(fā)傳輸（要求地址必須連續(xù)）n包括一個地址期和多個數(shù)據(jù)期nI/O讀寫不支持突發(fā)傳輸，每次僅讀寫一個數(shù)據(jù)33PCI總線nPCI總線配置總線配置n目的：實現(xiàn)設(shè)備的自動配置、加載（PnP）n微機(jī)啟動時，配置軟件將掃描PCI總線n確定有哪些設(shè)備，設(shè)備配置要求是什么n每個PCI設(shè)備都有一個配置存儲區(qū)n包括了64個32位配置寄存器n前16個寄存器（標(biāo)題區(qū)）的格式由PCI標(biāo)準(zhǔn)化組織定義n后48個寄存器的格式由廠家自行定義n標(biāo)題區(qū)的內(nèi)容包括：n設(shè)備識別信息（

17、被OS用來自動定位驅(qū)動程序）n廠商/設(shè)備標(biāo)識、版本、子系統(tǒng)廠商標(biāo)識、子系統(tǒng)標(biāo)識n設(shè)備分類代碼n設(shè)備控制信息n設(shè)備狀態(tài)信息n基址寄存器（用于映射設(shè)備使用的存儲區(qū)域或I/O地址區(qū)域）34PCI總線nPCI BIOSnOS、應(yīng)用程序、驅(qū)動程序不能直接訪問PCI配置寄存器，必須通過PCI BIOS訪問n提供了一組訪問PCI的函數(shù)n16位實模式下通過INT 1AH中斷來調(diào)用nAH=0B1H，AL=子功能號n子功能有13個，包括：nPCI BIOS檢測、查找PCI設(shè)備、讀/寫配置信息、分配中斷等35三、AGP接口n不是系統(tǒng)總線不是系統(tǒng)總線n高速圖形接口，在視頻卡與內(nèi)存之間提供一條直接的通路（不再通過高速圖

18、形接口，在視頻卡與內(nèi)存之間提供一條直接的通路（不再通過PCI傳輸，傳輸，32位位PCI的傳輸速率最高的傳輸速率最高266MB/s）。）。n圖形、紋理、Z軸距離、Alpha變換等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為370840MB/sn4種模式（注意：種模式（注意：1X/2X與與4X/8X不兼容，不兼容，3.3V/1.5V）n1X（66MHz，266MB/s）n2X（133MHz，533MB/s ）n4X（266MHz，1066MB/s ）n8X（533MHz，2133MB/s ）n系統(tǒng)中只支持一個系統(tǒng)中只支持一個AGP擴(kuò)展插槽（點對點）擴(kuò)展插槽（點對點）36四、IDE接口（ATA）n主要用于硬盤主要用于硬盤/光驅(qū)光

19、驅(qū)/磁帶驅(qū)動器磁帶驅(qū)動器n現(xiàn)已發(fā)展為現(xiàn)已發(fā)展為EIDE（增強(qiáng)的（增強(qiáng)的IDE）和串行）和串行ATA（SATA）n已集成到硬盤驅(qū)動器中，無需接口卡已集成到硬盤驅(qū)動器中，無需接口卡n主板提供主板提供2-4個接口個接口n每接口可連接2個硬盤（主/從）n數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)據(jù)傳輸方式：nPIO方式：PIO0PIO4（3.3MB/s16.6MB/s）n40針接口，扁平電纜n硬盤最大容量528MBnDMA方式：DMA0DMA2（11MB/s16.6MB/s）n40針接口n硬盤最大容量8.4GBnUDMA方式：UDMA3UDMA6（33.3MB/s133MB/s）n80針接口，地線和信號線交叉排列n通過特殊的擴(kuò)

20、展BIOS，可支持200GB以上的硬盤37五、USB總線nUSB概況概況n主機(jī)與外設(shè)的通用接口，可用于不同的設(shè)備n串行、打包傳送n2根數(shù)據(jù)線電源地線n兩個版本：n1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s）n設(shè)備連線最長5米n即插即用n必須要有USB主機(jī)存在，設(shè)備不能獨立工作38USB總線的優(yōu)點n易于使用易于使用n即插即用，可熱插拔；nWindowsNT/2000/XP/2003下不需安裝驅(qū)動程序n具級聯(lián)方式，并可智能識別鏈上外圍設(shè)備的插拔；n提供電源n5V，500mAn節(jié)省硬件資源nIRQ、I/O地址n易于連接n主板上提供26個USB接口，通過集線器最多可支持127個外設(shè)n4芯電纜（D、

21、-D、+5V、GND） 39USB總線的優(yōu)點n傳送速率可滿足大多數(shù)外設(shè)要求傳送速率可滿足大多數(shù)外設(shè)要求n1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0）n可靠性高可靠性高n能進(jìn)行錯誤校驗和控制，且由硬件實現(xiàn)n低成本低成本n主板已集成USB接口n設(shè)備端的USB接口控制芯片很便宜 n低功耗低功耗n不工作時能夠自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能自動恢復(fù) 40USB設(shè)備及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)nUSB設(shè)備設(shè)備 集線器集線器 擴(kuò)展接口數(shù)量擴(kuò)展接口數(shù)量 功能部件功能部件 即即USB設(shè)備設(shè)備 復(fù)合部件復(fù)合部件 n拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)n星形（樹形）、級連 41USB接口工作原理nUSB系統(tǒng)分為兩大部分：系統(tǒng)分為兩大部分：USB主機(jī)、

22、主機(jī)、USB設(shè)備設(shè)備nUSB主機(jī)主機(jī)n由PC系統(tǒng)中的USB硬件和驅(qū)動程序組成；n整個微機(jī)中只能有一個USB主機(jī)；n其接口稱為USB控制器；nUSB硬件在微機(jī)中被集成在南橋中。n功能：n檢測USB設(shè)備的插拔操作n在主機(jī)與設(shè)備之間管理數(shù)據(jù)流n通信總是由主機(jī)發(fā)起，并由主機(jī)控制傳輸過程n多個設(shè)備傳輸時，采用分時復(fù)用（每個時間槽1ms）n錯誤檢查（CRC校驗）n為設(shè)備提供電源42USB接口工作原理nUSB設(shè)備設(shè)備n分為集線器和功能設(shè)備n集線器：1個上連端口和若干個下連端口n自動探測設(shè)備的插拔并向USB主機(jī)報告n為下行設(shè)備分配電源n分離高速數(shù)據(jù)流和低速數(shù)據(jù)流n功能設(shè)備：可以從USB總線上收發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備n包含自己的各種配置信息，以供USB主機(jī)查詢n不能主動發(fā)起通信n功能：監(jiān)視與自己的通信、對主機(jī)的請求進(jìn)行響應(yīng)、錯誤檢查、管理電源（沒有總線活動（3ms）時進(jìn)入掛起狀態(tài)）43USB接口工作原理nUSB通信模型通信模型客戶USB主機(jī)