原理與接口技術(shù)第7章參考PPT

1、第第7章章 微機(jī)總線(xiàn)應(yīng)用技術(shù)微機(jī)總線(xiàn)應(yīng)用技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)本章主要介紹微機(jī)總線(xiàn)的基本概念、分類(lèi)和特點(diǎn)。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求了解總線(xiàn)、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、接口、接口標(biāo)準(zhǔn)的基本概念。了解幾種主要的擴(kuò)展總線(xiàn)。根據(jù)總線(xiàn)的3個(gè)性能指標(biāo)能夠計(jì)算總線(xiàn)帶寬。7.1微機(jī)總線(xiàn)技術(shù)概述微機(jī)總線(xiàn)技術(shù)概述1 1基本概念基本概念（1）微機(jī)總線(xiàn)：一組按一定規(guī)范進(jìn)行互連并能安全、迅速和有效傳輸信息的信號(hào)線(xiàn)，這組信號(hào)線(xiàn)包括地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、控制線(xiàn)、電源線(xiàn)等幾種信號(hào)線(xiàn)類(lèi)型。微機(jī)總線(xiàn)是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件聯(lián)系的紐帶。（2）總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際工業(yè)界正式公布或推薦的把各種不同的模塊組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)必須遵守的規(guī)范。采用總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)可以為計(jì)算機(jī)接口的軟、硬件設(shè)

2、計(jì)提供方便。（3）接口：接口是指cpu與其“外部世界”的連接電路以及為管理它們所提供的軟件，它是cpu與“外部世界”（如存儲(chǔ)器、i/o設(shè)備、控制設(shè)備、通信設(shè)備等）進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。（4）接口標(biāo)準(zhǔn)：接口標(biāo)準(zhǔn)是指外設(shè)接口的規(guī)范和定義，它涉及外設(shè)接口的信號(hào)線(xiàn)定義、傳輸速率、傳輸方向、拓樸結(jié)構(gòu)、電氣和機(jī)械特性等方面。2總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)的一般特點(diǎn)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)的一般特點(diǎn)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)具有不同的特點(diǎn)。（1）微機(jī)總線(xiàn)的一般特點(diǎn)：公用性是微機(jī)總線(xiàn)的最重要的特點(diǎn)，不同類(lèi)型的功能模塊可以同時(shí)掛接到總線(xiàn)上，共享總線(xiàn)的資源。信號(hào)傳輸形式一般為并行傳輸方式?？偩€(xiàn)在微機(jī)主板上通常以多個(gè)擴(kuò)展插槽形式提供使用。

3、對(duì)每個(gè)微機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)線(xiàn)（date bus）、地址線(xiàn)（address bus）和控制線(xiàn)（control bus）。（2）接口標(biāo)準(zhǔn)的一般特點(diǎn)：專(zhuān)用性是接口標(biāo)準(zhǔn)不同于總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的重要特點(diǎn)。接口上的信號(hào)傳輸形式既有并行也有串行傳輸。接口一般被安置在機(jī)箱外，以插頭或插座形式提供使用。隨著計(jì)算機(jī)和接口技術(shù)的迅速發(fā)展，總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別越來(lái)越小，例如將agp接口標(biāo)準(zhǔn)叫agp總線(xiàn)等。7.2總線(xiàn)分類(lèi)總線(xiàn)分類(lèi)1 1微機(jī)總線(xiàn)的分類(lèi)微機(jī)總線(xiàn)的分類(lèi)微機(jī)中的總線(xiàn)分類(lèi)方法很多，常用的一種是依總線(xiàn)所處位置分類(lèi)。（1）cpu總線(xiàn)：它是位于微處理器芯片內(nèi)部的總線(xiàn)，用于alu及各種寄存器等功能單元之間的相互連

4、接。（2）元件級(jí)總線(xiàn)：它是一臺(tái)單板計(jì)算機(jī)或一塊cpu插件板使用的板上總線(xiàn)，用于芯片一級(jí)的連接。它一般是cpu芯片引腳的延伸，當(dāng)板上芯片較多時(shí)，一般都有鎖存和驅(qū)動(dòng)電路。（3）系統(tǒng)總線(xiàn)：它主要用于微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各插件板之間進(jìn)行連接和傳輸信息，是微機(jī)系統(tǒng)最重要的一種總線(xiàn)。在主板上，它通常是指cpu的i/o接口單元與系統(tǒng)內(nèi)存、l2 cache和主板芯片組之間的數(shù)據(jù)、指令等傳輸通道。（4）局部總線(xiàn)：局部總線(xiàn)是介乎于cpu總線(xiàn)和系統(tǒng)總線(xiàn)之間的一級(jí)總線(xiàn)，是微機(jī)中常采用的一種重要總線(xiàn)。它的兩側(cè)都由橋接電路連接，分別面向cpu總線(xiàn)和系統(tǒng)總線(xiàn)。微機(jī)系統(tǒng)中的局部總線(xiàn)主要是指pci總線(xiàn)，它是一種先進(jìn)的局部總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。（5

5、）通信總線(xiàn)（也叫外部總線(xiàn)）：是系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與通信設(shè)備之間進(jìn)行通信的一組信號(hào)線(xiàn)。如廣泛用于微機(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)行通信的usb和ieee1394接口等。2接口標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)接口標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)接口標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)方法也很多，若根據(jù)所連設(shè)備的性質(zhì)及功能，大致有以下5種：（1）傳統(tǒng)串/并行接口標(biāo)準(zhǔn)：它是微機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行串行和并行輸入輸出基本端口。（2）外部存儲(chǔ)設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)：支持硬盤(pán)、光盤(pán)等存儲(chǔ)介質(zhì)的接口標(biāo)準(zhǔn)如sata和scsi接口標(biāo)準(zhǔn)。（3）視頻顯示接口標(biāo)準(zhǔn)：如支持三維圖形數(shù)據(jù)高速顯示的接口標(biāo)準(zhǔn)agp。（4）測(cè)試儀器接口標(biāo)準(zhǔn)：提供和一些測(cè)試儀器儀表相連接的接口標(biāo)準(zhǔn)。如ieee488和vxi接口標(biāo)準(zhǔn)。（5）通用外設(shè)

6、接口標(biāo)準(zhǔn)：如usb、ieee1394等，可以支持多種新型外設(shè)的通用型接口標(biāo)準(zhǔn)。7.3幾種常用的擴(kuò)展總線(xiàn)幾種常用的擴(kuò)展總線(xiàn)主板上都有數(shù)條插槽供擴(kuò)展i/o外設(shè)之用，總線(xiàn)就是通過(guò)插槽來(lái)連接cpu與外設(shè)插件的，通常也將這些連通插槽的總線(xiàn)稱(chēng)為擴(kuò)展總線(xiàn)（expansion bus）。在總線(xiàn)發(fā)展歷程中，主要有pc總線(xiàn)、isa/eisa總線(xiàn)、pci局部總線(xiàn)、pci-e等。圖7-1 早期微機(jī)系統(tǒng)的總線(xiàn)層次結(jié)構(gòu)7.3幾種常用的擴(kuò)展總線(xiàn)幾種常用的擴(kuò)展總線(xiàn)7.3.1 pc7.3.1 pc總線(xiàn)總線(xiàn)pc總線(xiàn)最早出現(xiàn)在ibm公司1981年推出的pc/xt系統(tǒng)中，它基于8位結(jié)構(gòu)的8088處理器，也被稱(chēng)為pc/xt總線(xiàn)。pc總

7、線(xiàn)沿用了3年多時(shí)間，直到1984年，ibm推出基于intel超級(jí)16位80286處理器的pc/at，系統(tǒng)總線(xiàn)才被16位的pc/at總線(xiàn)所代替。7.3.2 isa/eisa7.3.2 isa/eisa總線(xiàn)總線(xiàn)isa總線(xiàn)（industry standard architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)）是8/16位兼容的總線(xiàn)，也是早期網(wǎng)卡使用的總線(xiàn)接口，其最大數(shù)據(jù)傳輸率為8mbps和16mbps。isa總線(xiàn)一直貫穿286和386sx時(shí)代，但在32位386dx處理器出現(xiàn)之后，16位寬度的isa總線(xiàn)就遇到問(wèn)題，總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸慢得使處理器性能受到嚴(yán)重的制約。有鑒于此，康柏、惠普等9家廠(chǎng)商在1988年協(xié)同將isa

8、總線(xiàn)擴(kuò)展到32位寬度，eisa（extended industry standard architecture，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)）總線(xiàn)由此誕生。eisa總線(xiàn)的工作頻率仍然保持在8mhz水平，但受益于32位寬度，它的總線(xiàn)帶寬提升到32mbps。另外，eisa可以完全兼容之前的8/16位isa總線(xiàn)。eisa總線(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與pci總線(xiàn)共存了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，直到2000年后eisa才正式徹底退出。7.3.3 pci局部總線(xiàn)局部總線(xiàn)1 1pcipci局部總線(xiàn)產(chǎn)生的背景局部總線(xiàn)產(chǎn)生的背景intel公司在1991年推出了pci（peripheral component interconnect，外設(shè)部件互

9、連標(biāo)準(zhǔn)）局部總線(xiàn)。在1993年以后，由于從pentium到p、p直到p4微處理器的工作頻率不斷迅速提高，使pci局部總線(xiàn)的應(yīng)用得以迅速推廣。在臺(tái)式機(jī)主板上，atx結(jié)構(gòu)的主板一般帶有56個(gè)pci插槽，而小一點(diǎn)的matx主板也都帶有23個(gè)pci插槽。從結(jié)構(gòu)上看，pci局部總線(xiàn)實(shí)質(zhì)上就是在cpu總線(xiàn)和isa總線(xiàn)之間增加了一級(jí)總線(xiàn)?？蓪⒁恍└咚偻庠O(shè)，例如磁盤(pán)控制器、圖形卡等從isa總線(xiàn)上卸下來(lái)而通過(guò)pci局部總線(xiàn)直接掛到cpu總線(xiàn)上。7.3.3 pci局部總線(xiàn)局部總線(xiàn)2 2pcipci總線(xiàn)的特點(diǎn)總線(xiàn)的特點(diǎn)（1）傳輸速率高。pci能以133mb/s（32位）或266mb/s（64位）的速率傳送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)比

10、isa總線(xiàn)的16mb/s快，緩解了i/o瓶頸。如高性能圖形、視頻圖像、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用程序，可以平滑地執(zhí)行。（2）真正的兼容性，允許多總線(xiàn)共存。（3）獨(dú)立于cpu。pci總線(xiàn)可與intel系列不同工作頻率的cpu協(xié)同工作，這些cpu包括intel 486sx到pentium、p、p、p4（包含celeron系列）及未來(lái)更高的版本。（4）自動(dòng)識(shí)別與配置外設(shè)，極大地方便了用戶(hù)使用。在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，pci局部總線(xiàn)接口曾作為許多適配器的首選接口，如網(wǎng)絡(luò)適配器、內(nèi)置modem卡、聲音適配器、視頻捕捉卡等。3 3pcipci總線(xiàn)的應(yīng)用總線(xiàn)的應(yīng)用1993年之后，intel推出64位pci總線(xiàn)，它的傳輸性能達(dá)到2

11、66mbps，針對(duì)服務(wù)器/工作站平臺(tái)設(shè)計(jì)的scsi卡、raid控制卡、千兆網(wǎng)卡等設(shè)備無(wú)一例外都采用64位pci接口。7.3.4 agp1996年，intel在pci基礎(chǔ)上研發(fā)出一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)顯卡的agp接口（加速圖形接口，accelerated graphics port）。主要應(yīng)用在三維動(dòng)畫(huà)的加速上。1996年7月，agp 1.0標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世，它的工作頻率達(dá)到66mhz，具有1x和2x兩種模式，數(shù)據(jù)傳輸帶寬分別達(dá)到了266mbps和533mbps。1998年5月，intel發(fā)布agp 2.0版規(guī)范，它的工作頻率仍然停留在66mhz，但工作電壓降低到1.5v，且通過(guò)增加的4x模式，將數(shù)據(jù)傳輸帶寬提升

12、到1.06gbps。與agp 2.0同時(shí)推出的，還有針對(duì)圖形工作站的agp pro接口，這種接口可驅(qū)動(dòng)高功耗的專(zhuān)業(yè)顯卡。2000年8月，intel推出agp3.0規(guī)范，它的工作電壓進(jìn)一步降低到0.8v，所增加的8x模式，可以提供2.1gbps的總線(xiàn)帶寬。7.3.5 pci-xpci-x接口是并連的pci總線(xiàn)的更新版本，它仍采用傳統(tǒng)的總線(xiàn)技術(shù)，但有更多數(shù)量的接線(xiàn)針腳。pci-x總線(xiàn)接口的網(wǎng)卡一般為32位總線(xiàn)寬度，也有64位數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度的。intel于2000年正式發(fā)布pci-x 1.0版標(biāo)準(zhǔn)。2002年7月，推出更快的pci-x 2.0規(guī)范，它包含pci-x 266及pci-x 533兩套標(biāo)準(zhǔn)，

13、分別針對(duì)不同的應(yīng)用。pci-x 266標(biāo)準(zhǔn)可提供2.1gbps共享帶寬，pci-x 533標(biāo)準(zhǔn)則更是達(dá)到4.2gbps的高水平。此外，pci-x 2.0也保持良好的兼容性。pci-x接口采用64位寬度傳送數(shù)據(jù)，它的頻寬自動(dòng)倍增兩倍，相應(yīng)地，其擴(kuò)充槽的長(zhǎng)度也有所增加。7.3.6 pci express總線(xiàn)總線(xiàn)第3代i/o總線(xiàn)pci expres（簡(jiǎn)稱(chēng)pci-e）很好地解決了pci/agp總線(xiàn)在大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遇到的瓶頸問(wèn)題。pci-e在工作原理上與并行體系的pci不同，它采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，并依靠高頻率來(lái)獲得高性能，因此，pci-e也一度被稱(chēng)為“串行pci”。由于串行傳輸不存在信號(hào)干擾，總線(xiàn)頻率

14、提升不受阻礙，所以pci-e總線(xiàn)很順利地就達(dá)到2.5ghz的超高工作頻率。其次，pci-e采用全雙工運(yùn)作模式，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行。由于pci-e將 pci或agp的并行數(shù)據(jù)傳輸變?yōu)榇袛?shù)據(jù)傳輸，并且采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，因此，極大地加快了相關(guān)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送速度。pci-e規(guī)范采用了雙向數(shù)據(jù)傳送，類(lèi)似于ddr內(nèi)存采用的技術(shù)，即在一個(gè)時(shí)鐘周期的上下沿都可以傳送數(shù)據(jù)，這樣極大的提高了顯示設(shè)備同內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換帶寬，可在較短時(shí)間內(nèi)傳送大量圖形數(shù)據(jù)，為顯示性能的飛躍打下基礎(chǔ)。全新的pci express總線(xiàn)包括多種速率的插槽，比如pci express x1、x2、x4、x8、x16、x32等

15、（1x的pci-e最短，然后依次增長(zhǎng)）。pci-e幾種總線(xiàn)模式的速率與幾種總線(xiàn)模式的速率與pci express插槽樣式插槽樣式pci-express的帶寬優(yōu)勢(shì)的帶寬優(yōu)勢(shì)下圖匯總列舉了80年代以來(lái)各個(gè)階段的總線(xiàn)性能水平，從圖中可以清楚地看出：就總線(xiàn)性能水平來(lái)說(shuō)，agp比isa/pci有一定優(yōu)勢(shì)，而pci-express比agp又有明顯優(yōu)勢(shì)，pci-express 1.0兩倍于agp 8x的帶寬。7.3.7 hyper transport總線(xiàn)總線(xiàn)hypertransport最初是由amd在1999年提出的一種總線(xiàn)技術(shù)。hypertransport采用類(lèi)似ddr的工作方式，在400mhz工作頻率下

16、，相當(dāng)于800mhz的傳輸頻率。此外，hypertransport是在同一個(gè)總線(xiàn)中模擬出兩個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。 除了速度快之外，hypertransport還有一大特色，就是當(dāng)數(shù)據(jù)位寬并非32位時(shí)，可以分批傳輸數(shù)據(jù)來(lái)達(dá)到與32位相同的效果。2004年2月，amd推出hypertransport 2.0，其主要變化是數(shù)據(jù)傳輸頻率提升到1ghz，32位總線(xiàn)的帶寬達(dá)到8gbps。2006年4月，amd又正式發(fā)布了hypertransport 3.0標(biāo)準(zhǔn)。有1.8ghz、2.0ghz、2.4ghz和2.6ghz 4種物理工作頻率，并可支持32位通道總線(xiàn)，在最高級(jí)的2.6ghz頻率下，3

17、2位hypertransport 3.0總線(xiàn)擁有20.8gb/秒的單向傳輸效能，若考慮雙向傳輸，總帶寬值將達(dá)到史無(wú)前例的41.6gb/秒?？傊?，從pc總線(xiàn)到isa、pci總線(xiàn)，再由pci進(jìn)入pci express和hypertransport體系，計(jì)算機(jī)總線(xiàn)在這3次大變革中也完成了3次飛躍式的提升。預(yù)計(jì)在未來(lái)十年中，計(jì)算機(jī)都將運(yùn)行在pci express和hypertransport這種近乎完美的總線(xiàn)架構(gòu)基礎(chǔ)之上。 7.4 微機(jī)總線(xiàn)的組成及性能指標(biāo)微機(jī)總線(xiàn)的組成及性能指標(biāo)2 2微機(jī)總線(xiàn)的性能指標(biāo)微機(jī)總線(xiàn)的性能指標(biāo)總線(xiàn)的基本性能指標(biāo)如下。（1）總線(xiàn)的工作頻率（或總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率）：它是指用于協(xié)調(diào)總

18、線(xiàn)上的各種操作的時(shí)鐘頻率，也稱(chēng)為總線(xiàn)的工作頻率，單位為mhz。它是影響總線(xiàn)傳輸速率的重要因素之一。如isa的總線(xiàn)頻率為8mhz，而pci總線(xiàn)有33.3mhz、66.6mhz兩種總線(xiàn)頻率。（2）總線(xiàn)的位寬：它是指總線(xiàn)能同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，通常是指總線(xiàn)中數(shù)據(jù)總線(xiàn)的位數(shù)，單位為位（bit）。如isa總線(xiàn)寬度為16位，pci總線(xiàn)則為32或64位。（3）總線(xiàn)的帶寬，它是指總線(xiàn)上每秒可傳輸數(shù)據(jù)的最大字節(jié)數(shù)，也簡(jiǎn)稱(chēng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率，以mb/s為單位。例如pci總線(xiàn)時(shí)鐘頻率若為33.3mhz，則其總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率為33.332/8133.2mb/s。3個(gè)性能指標(biāo)之間的關(guān)系是：總線(xiàn)帶寬=（總線(xiàn)位寬/8）總線(xiàn)工作頻率（mb/s）本章小結(jié)本章小結(jié)總線(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有著非常重要的地位，它的性能直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能的提升。掌握總線(xiàn)技術(shù)，首先要弄清楚微機(jī)總線(xiàn)、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、接口、接口標(biāo)準(zhǔn)等幾個(gè)基本概念的聯(lián)系與區(qū)別。微機(jī)總線(xiàn)一般是指一組按一定規(guī)范進(jìn)行互連并能安全、迅速和有效傳輸信息的信號(hào)線(xiàn)，這組信號(hào)線(xiàn)包括地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、控制線(xiàn)、電源線(xiàn)等幾種信號(hào)線(xiàn)類(lèi)型；總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)