第4章總線技術

1、COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 1第第4章章 總線技術總線技術 總線是一組信號線的集合，是一種在各模塊間傳送信息的公共通路。在微型計算機系統(tǒng)中，利用總線實現(xiàn)芯片內部、印刷電路板各部件之間、機箱內各插件板之間、主機與外部設備之間或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接與通信?？偩€是構成微型計算機應用系統(tǒng)的重要技術，總線設計好壞會直接影響整個微機系統(tǒng)的性能、可靠性、可擴展性和可升級性。由于總線在系統(tǒng)中的重要地位，微機系統(tǒng)的設計和開發(fā)人員，先后推出許多種總線標準?？偩€標準一般以兩種方式推出：一種是某公司在開發(fā)自己的微機系統(tǒng)時所采用的一種總線，而其它兼容機廠商都按其公布的總線規(guī)范開發(fā)相配

2、套的產品并進入市場。這種總線被國際工業(yè)界廣泛支持，有的還被國際標準化組織加以承認并授予標準代號。另一種是由國際權威機構或多家大公司聯(lián)合制訂的總線標準。前一種先有產品后有標準。如IBM PC/AT機上使用的ISA總線。后者先有標準后有產品。隨著微機系統(tǒng)的更新?lián)Q代，有的總線仍在發(fā)展完善如STD SUB、MULTI BUS等。而有的就逐漸衰亡甚至被淘汰。本章將簡要介紹幾種流行的標準總線。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 24.1 總線的基本概念總線的基本概念 4.1.1 總線分類 總線按系統(tǒng)傳輸信息的不同可分為三類：數(shù)據總線、地址總線和控制總線。數(shù)據總線用來在各功能部

3、件之間傳輸數(shù)據信息，它是雙向的傳輸總線，其位數(shù)與機器字長、存儲字長有關，一般為8位、16位、32位、64位。數(shù)據總線的條數(shù)稱為數(shù)據總線的寬度。地址總線主要用來指出數(shù)據總線上源數(shù)據或目的數(shù)據在主存儲單元或I/O端口的地址。地址總線為單向傳輸，其寬度一般為16位、20位、24位、32位、64位?？刂瓶偩€是用來傳輸各種控制信號的傳輸線。通常一條控制信號線的信號傳輸是單方向的，當然也有雙向的。控制總線還可以起到監(jiān)視各部件狀態(tài)的作用，例如查詢某個設備是否處于“忙”或“閑”的狀態(tài)。常見的控制信號有：時鐘、復位、總線請求、總線允許、中斷請求、中斷確認、存儲器寫、存儲器讀、I/O寫、I/O讀、數(shù)據確認等。大多

4、數(shù)微機采用了分層次的多總線結構?？偩€按在系統(tǒng)的不同層次位置上分類，可分為片內總線、微處理器總線、系統(tǒng)總線、外部總線4類。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 31片內總線片內總線 片內總線是指一些大規(guī)模集成電路內部的總線，是用來連結各功能部件的信息通路。例如CPU芯片中的內部總線，它是ALU寄存器和控制器之間的信息通路。片內總線根據其功能又被分為地址總線、數(shù)據總線和控制總線。這種總線是由微處理機芯片生產廠家設計的。對系統(tǒng)的設計者和用戶來說關系不大。但是隨著微電子學的發(fā)展，出現(xiàn)了ASIC（專用集成電路）技術，用戶可以按自己的要求借助CAD技術，設計自己的專用芯片，在這

5、種情況下，用戶就必須掌握片內總線技術。 由于片內總線所連接的部件都在1個硅片上，追求高速度是它的主要目標，所以器件級的總線都采用并行總線。同樣為了提高速度，克服1組總線上同一時刻只能有2個部件通信所造成的限制，還采取了多總線的措施。使芯片中可以有1個以上的通信同時進行，實現(xiàn)片內幾個部件并行工作，大大地提高了芯片的工作速率。比如，Pentium CPU內11個大部件就可以同時操作，使它對指令的處理速度得到極大的提高。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 42微處理器總線微處理器總線 微處理器總線或稱處理器總線、主板局部總線、元件級總線，它是指在印刷電路板上連接各芯片的

6、公共通路。它可能是一臺單板計算機或是一塊CPU主板上用于芯片一級的連接總線。它是微型機系統(tǒng)的重要總線。它一般是CPU芯片引腳的延伸，與CPU的關系密切。但當板內芯片較多時，往往需增加鎖存、驅動等電路，以提高驅動能力。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 53系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線又稱為內總線、板級總線，它用于微型機系統(tǒng)各插件板之間的連接，是微型機系統(tǒng)最重要的一種總線。 一般談到微型機總線，指的就是這一種總線。有的系統(tǒng)總線是局部總線經過重新驅動和擴展而成，其性能與某種CPU有關。 但有不少系統(tǒng)總線并不依賴于某種型號的CPU，可為多種型號CPU及其配套芯片所使用，在

7、用各種插件板來組成或擴充微型機系統(tǒng)時，就要選用恰當?shù)南到y(tǒng)總線，并按總線的規(guī)定來制作這些插件板。 系統(tǒng)總線一般都做成多個插槽的形式，各插槽相同的引腳都連到一起，總線就連到這些引腳上。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 64外部總線外部總線 外部總線又稱為通信總線，它用于微機系統(tǒng)之間，微機系統(tǒng)與儀器或其他設備之間的通信通道。這種總線數(shù)據傳輸方式可以是并行（如打印機）或串行。數(shù)據傳輸速率比內總線低。不同的應用場合有不同的總線標準。 例如，串行通信的RS-232-C總線，用于硬磁盤接口的IDE、SCSI，用于連接儀器儀表的IEEE-488等總線。這種總線并非微機專有，一般

8、是利用工業(yè)領域已有的標準。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 74.1.2 總線標準的基本內容總線標準的基本內容 1物理特性物理特性指的是總線物理連接的方式。包括總線的插頭、插座的尺寸及形狀，總線的根數(shù)和引腳是如何排列的等。2功能特性功能特性是確定引腳名稱與功能，以及其相互作用的協(xié)議。從功能上看，總線分為：地址總線、數(shù)據總線、控制總線、備用線、電源和地線。地址總線的寬度指明了總線能夠直接訪問存儲器或外部設備的地址范圍。數(shù)據總線的寬度指明了訪問一次存儲器或外部設備最多能夠交換數(shù)據的位數(shù)?？刂瓶偩€一般包括CPU與外界聯(lián)系的各種控制命令，如讀/寫控制邏輯線、時鐘線和電源

9、線等；中斷機制；總線主控仲裁；應用邏輯，如握手聯(lián)絡線，復位、自啟動、休眠維護等。3電氣特性電氣特性規(guī)定每一根線上信號的傳輸速率的設定、驅動能力的限制、信號電平的規(guī)定、時序的安排以及信息格式的約定等等。一般規(guī)定送入CPU的信號叫輸入信號，從CPU送出的信號叫輸出信號。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 84.1.3 總線的操作過程總線的操作過程 為完成一次總線操作周期，一般要分成4個階段。1申請階段當系統(tǒng)總線上有多個主控模塊時，由需要使用總線的主控模塊向總線仲裁機構提出使用總線的申請。經總線仲裁機構判別確定，把下一個總線傳輸周期的總線控制權授給哪個申請者。2尋址階段

10、取得總線使用權的主控模塊通過總線發(fā)出本次訪問的從屬模塊的地址及有關命令，以啟動參與本次操作的從屬模塊。3傳數(shù)階段主控模塊和從屬模塊之間進行數(shù)據傳輸，數(shù)據由源模塊發(fā)出經數(shù)據總線流入目的模塊。在進行讀操作時，源模塊就是存儲器或輸入/輸出接口，而目的模塊則是總線主控模塊。在進行寫操作時，源模塊就是總線主控模塊，而目的模塊則是存儲器或輸入/輸出接口。4結束階段主從模塊的有關信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線，以便其它模塊能繼續(xù)使用。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 94.1.4 總線的數(shù)據傳輸方式總線的數(shù)據傳輸方式 主控模塊和從屬模塊之間的數(shù)據傳輸方式，可分為同步傳送、異

11、步傳送、半同步傳送三種，它們各有優(yōu)缺點。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 101同步傳送同步傳送 同步傳送時采用一個“系統(tǒng)時鐘”作為各模塊動作的基準時間。模塊間通過總線進行一次傳送所需的時間是固定的，其中每一步驟的起止時刻，也都有嚴格的規(guī)定，都以系統(tǒng)時鐘來統(tǒng)一步伐。很多微機系統(tǒng)的基本傳送方式都是同步式傳送。 同步傳送的主要優(yōu)點是簡單，數(shù)據傳送由單一信號控制。由于采用了公共時鐘，每個功能模塊什么時候發(fā)送或接收信息都由統(tǒng)一時鐘規(guī)定，因此，同步傳送具有較高的傳輸頻率。同步傳送適用于總線長度較短、各功能模塊存取時間比較接近的情況。這是因為同步方式對任何兩個功能模塊的通信

12、都給予同樣的時間安排。由于同步總線必須按最慢的模塊來設計公共時鐘，當各功能模塊存取時間相差很大時，會大大降低總線效率。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 112異步傳送異步傳送 同步傳送要求總線上的各主從模塊操作速度要嚴格匹配，對于具有不同存取時間的各種模塊，是不適宜采用同步傳送方式的。為了對高速模塊能具有高速操作，而對低速模塊能具有低速操作，從而對不同的模塊具有不同的操作時間，就可采用異步傳送方式。 異步式傳送方式采取“應答式”傳輸技術；用“請求“和“應答”信號線來協(xié)調傳送過程，而不依賴于公共時鐘信號。它可以根據模塊的速度自動調整響應的時間，任何類型的模塊都不需

13、要考慮速度問題，從而避免同步傳送方式的上述缺點。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 123半同步傳送半同步傳送 此種方式是前兩種方式的折中。從總體上看，它是個同步系統(tǒng)，它仍用系統(tǒng)時鐘來定時，利用某一脈沖的前沿或后沿判斷某一信號的狀態(tài)，或控制某一信號的產生或消失。使傳送操作與時鐘同步。 但是，它又不像同步傳送那樣傳送周期固定，對于慢速的從模塊，其傳送周期可延長時鐘脈沖周期的整數(shù)倍。其方法是增加一條“等待（WAIT）”或“準備就緒(REDAY)”信號線。WAIT信號線有效（或REDAY無效）時，反映選中的從模塊未準備好，系統(tǒng)就自動地將傳送周期延長一個時鐘周期（強制主模

14、塊等待），此狀態(tài)時鐘后每個時鐘均進行檢測，直至檢測到WAIT信號線無效，才不再延長傳送周期。這又像異步傳送那樣傳送周期視從模塊的速度而異。允許不同速度的模塊和諧地一起工作，但這個WAIT信號不是互鎖的，只是單方向的狀態(tài)傳遞，這又是不同之處。 現(xiàn)在采用半同步傳送方式的微機系統(tǒng)較多。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 134.2 IBM PC總線總線 IBM PC的I/O通道是系統(tǒng)總線的擴充，IBM PC/XT個人計算機上采用的微型計算機總線，亦稱XT總線。IBM對I/O通道上的信號名稱性質、方向時序、引腳排列都有明確的要求，以便廠家和用戶制作與之匹配的插件板，這一規(guī)

15、范亦被稱為IBM PC總線標準。 與擴展槽相連的62根線組成IBM PC/XT系統(tǒng)總線。62根總線中包括8位雙向數(shù)據總線、20位地址總線、6根中斷請求信號線、3組DMA通道控制線、存儲器和I/O讀寫控制線、存儲器刷新控制和時鐘信號線、通道檢驗線、四種電源線以及地線。這些引線均接在62插腳的插座上，雙列插腳分別為A1-A31（A面）和B1-B31（B面）。插座的引腳間距為100mil（密爾）。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 144.3 ISA總線總線 ISA（Industry Standard Architecture：工業(yè)標準總線）總線是PC機中最基本的總線，

16、是在8位的PC機總線的基礎上擴展而成的16位的總線體系結構，其數(shù)據寬度為16位，地址寬度為24位，工作頻率為8MHz，最大數(shù)據傳輸率為5MB/s。它適用于對速度需求不太高的板卡和外設，如串行口、并行口、聲音卡等。在PC機中，ISA總線插槽是由兩組插座組成，其中長的一組用于插8位的與ISA相兼容的板卡。ISA插槽通常為黑色。 ISA總線是在PC/XT總線基礎上增加了1個36線插座形成的。實際上，與PC/XT總線相比，ISA總線不僅增加了數(shù)據線寬度和尋址空間，還加強了中斷處理（新增了7個中斷級別）和DMA（新增了3個DMA）傳輸能力，并且具備了一定的多主功能。故ISA（AT）總線特別適合于控制外設

17、和進行數(shù)據通信的功能模塊。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 154.4 PCI總線總線 隨著微型計算機技術的廣泛應用和不斷發(fā)展，無論是辦公自動化還是工業(yè)應用，對微型計算機性能的要求都越來越高。在CPU從80286發(fā)展到386、486及目前的Pentium水平的情況下，其數(shù)據寬度及工作頻率也在不斷提高。 可是，傳統(tǒng)的ISA總線、EISA總線及VESA總線嚴重地限制了新型芯片水平的發(fā)揮和利用，這就促使微型計算機總線技術也要日趨完善，不斷推出新標準。而PCI局部總線既符合當今的技術要求，又能滿足未來的需要，是一種較好的局部總線標準。 PCI高性能、高效率、與現(xiàn)有標準強

18、大的兼容性和充裕的開發(fā)潛力，是其他總線所不及的，因而成為開發(fā)當今和未來微型計算機的重要基礎。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 164.4.1 PCI總線的特點總線的特點 1高性能 2猝發(fā)傳輸模式 3不受微處理器限制 4采用總線主控和同步操作 5. 減少存取延遲 6適用于各種機型 7兼容性強 8低成本、高效益 PCI的芯片采用超大規(guī)模集成電路，節(jié)省布線空間，為微機的小型化和多功能化提供了良好的條件。PCI部件采用地址/數(shù)據線復用，使PCI部件連接其他部件的引腳數(shù)減至50以下。PCI總線引腳線的每2個信號之間都安排了一個地線，以減少信號間的相互干擾以及音頻信號的散射

19、問題。PCI到ISA/EISA的轉換由芯片廠提供，減少了用戶的開發(fā)成本。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 17PCI總線主要性能指標總線主要性能指標 （1）PCI總線時鐘頻率為33.3MHz或66.6MHz（可達133MHz及更高）。 （2）總線數(shù)據寬度32位或64位。 （3）傳輸速率為133MB/s（32位）或266MB/s（64位）。 （4）支持64位尋址。 （5）適應于5V和3.3V兩種電源環(huán)境。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 184.4.2 PCI總線的系統(tǒng)結構總線的系統(tǒng)結構 PCI總線是一種位于微處理器總線與系統(tǒng)總線之

20、間的一種夾層總線。這就意味著PCI總線的控制器（或稱橋、橋接器）位于CPU和系統(tǒng)總線之間。也就是說，任何一種CPU都可以使用PCI總線。對總線連線進行標準化處理，可以使CPU總線免受各種約束。擴展總線橋(或稱標準總線橋)的設置是為了能在PCI總線上接出一條系統(tǒng)總線，如ISA、E1SA等總線，從而可繼續(xù)使用現(xiàn)有的I/O設備，以增加PCI總線的兼容性和選擇范圍。橋也叫橋連器，是一個總線轉換部件，其功能是連接兩條計算機總線，使總線間相互通訊。它可以把一條總線的地址空間映射到另一條總線的地址空間，可以使系統(tǒng)中每一臺總線主設備（Master）能看到同樣的一份地址表。在PCI規(guī)范中，提出了三種橋的設計：（

21、1）主橋，就是CPU至PCI的橋。（2）標準總線橋，即PCI至標準總線如ISA、EISA、微通道之間的橋。例如INTEL設計的SATUNG芯片組具有ISA標準總線橋路，而為奔騰設計的MERCURY芯片組可選擇ISA標準總線橋路，也可選擇EISA標準總線橋路。（3）PCI橋，在PCI與PCI之間的橋。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 19PCI總線示意圖總線示意圖 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 204.4.3 PCI總線信號總線信號 PCI標準規(guī)定了三種適配卡配置，分別對應不同的電源要求：為傳統(tǒng)5V系統(tǒng)規(guī)定的5V標準、為3.3V供

22、電的移動系統(tǒng)規(guī)定的3.3V標準以及為采用兩種電源工作的通用標準。 對于5V PCI標準連接器而言，如果PCI適配卡僅支持32位操作，則只用到管腳B1/Al到B62/A62，管腳B63/A63到B94/A94只用于64位PCI適配卡。 PCI局部總線的信號線共有100根，在一個PCI應用系統(tǒng)中，有主設備和從設備。從設備至少需要47根信號線，主設備則需要49根信號線。利用這些信號線可以處理數(shù)據、地址，實現(xiàn)接口控制、仲裁及系統(tǒng)功能。下面按功能分組說明5V PCI標準連接器的引腳意義。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 214.5 STD總線總線 STD總線（Standa

23、rd bus）是美國PROLOG公司于1978年宣布的一種工業(yè)標準微機總線，它是一種56線的小底板總線。實踐證明，STD總線是最可靠的工業(yè)標準總線。 1STD總線的特點 （1）高可靠性 （2）小板結構，開放式組態(tài) （3）兼容式的總線結構 （4）產品配套、功能齊全 STD總線產品擁有各種工業(yè)控制所需的功能模板。如鍵盤接口、高分辨率圖形板、光電隔離脈沖計數(shù)板、多路A/D轉換板、光隔開關量輸入輸出板、串行通訊板、調制解調器板等?？膳c現(xiàn)場的各種機動設備直接連接，如驅動步進電機、交直流電機等。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 222STD總線規(guī)范總線規(guī)范 STD總線連接器

24、和引出腳可裝在一塊母板上，該母板允許任何一種模板插在某一插槽上，構成不同的工業(yè)控制機。STD的母板用來溝通各模板的數(shù)據線、地址線等信息，母板會產生時間延遲和地線環(huán)路，也容易造成線間阻抗不匹配，增大并行信號的串擾噪聲。為此，STD總線設計了一種高性能母板，一般采用4層印刷板結構，將電源線和地線做在中間兩層，使原來信號線的特性阻抗降為60，接近總線驅動阻抗。 STD總線接口緩沖模塊靠近STD總線母板，I/O接口靠近用戶聯(lián)接器，功能模塊在中間。對于沒有用戶聯(lián)接器的模板，如CPU板、存儲器板等，I/O模塊這部分也用作功能模塊。 STD總線規(guī)范對模板的尺寸、總線連接器和插腳分配、信號定義和電氣標準等都做

25、了規(guī)定。下面介紹STD總線引腳的分配和電氣標準。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 23（1）總線引腳分配）總線引腳分配 STD總線一共有56根，可分為5個功能組： 邏輯電源線 6根，引腳16； 數(shù)據總線 8根，引腳714； 地址總線 16根，引腳1530； 控制總線 22根，引腳3152； 輔助電源線 4根，引腳5356。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 24（2）電氣規(guī)范）電氣規(guī)范 邏輯信號特性：STD總線被設計為同工業(yè)標準TTL或高速CMOS邏輯電平相兼容。TTL總線模板的VOH和VIH的最小值分別不能低于2.4V和2.0V，

26、VOL和VIL的最大值分別不能高于0.5V和0.8V。 CMOS總線模板的VOH和VIH的最小值分別不能低于3.76V和3.85V，VOL和VIL的最大值分別不能高于0.37V和0.9V。 總線驅動和負載特性：在模板上每個總線信號只能有一個負載，總線驅動必須滿足IOL=24mA（TTL總線模板）或IOL=6mA（CMOS模板）電流吸收器的要求。 最大額定電壓：為+Vcc=+0.5V。超過此值就會損壞板上的元件。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 254.6 主要外設總線介紹主要外設總線介紹 系統(tǒng)開發(fā)時，經常要與外部總線打交道，外部總線常常以專用的接插件形式提供給用

27、戶使用，有時也稱（總線）接口標準。本節(jié)對常用的USB總線、IDE總線、SCSI總線、IEEE 1394總線、ATA總線、AGP總線、IEEE-488總線、CAN總線、Centronic總線等進行簡要介紹。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 264.6.1 USB總線總線 USB（Universal Serial Bus）通用串行總線是外部設備通用的接口標準，由Compaq、HP、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和Philips七家公司聯(lián)合推出。USB總線是一種連接外圍設備的機外總線，最多可連接127個設備，為微機系統(tǒng)擴充和配置外部設備提供了方便

28、。 USB 1.0標準發(fā)布于1996年，但直到1998年USB 1.1標準的頒布和支持USB功能的Windows 98的推出，USB才真正得到廣泛應用。USB 1.0和USB 1.1標準的最大數(shù)據傳輸速率是12Mb/s，2000年公布了USB 2.0標準，將最大數(shù)據傳輸速率提高了40倍，達到480Mb/s。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 271USB的主要性能特點的主要性能特點 （1）即插即用。即插即用（Plug and Play）是一種系統(tǒng)的設置方式。通常，指設備可以帶電插拔，自動設置。連接外設不必關閉主機電源，USB可自動識別USB上的外圍設備，具有自動配

29、置和重新配置外設的能力。 （2）接口方便。USB最多可連接127個設備。每個USB系統(tǒng)中有一個主機，采用“級聯(lián)”方式，USB總線可連接多個外部設備。每個USB設備用一個USB插頭連接到上一個USB設備的USB插座上，而其本身又提供一或多個USB插座供下一個或多個USB設備連接使用。USB電纜長度可達5m，線纜數(shù)目為4條（紅、黑、綠、白）。 （3）傳輸速度快。USB支持三種速度模式：低速1.5Mb/s，全速12Mb/s，高速480Mb/s。低速適合交互設備：如鍵盤、鼠標、攝像頭、游戲設備、虛擬現(xiàn)實。全速適合音頻設備：如電話、聲頻、麥克風。高速適合影像設備：如視頻、存儲器、圖像等設備。多個USB設

30、備可能分享同一速度的信道，所以，設備越多，傳輸率越低。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 282USB的物理接口的物理接口 USB總線的電纜有4根信號線：其中，D+（綠色）和D-（白色）是一對標準尺寸的雙絞信號線，Vbus（紅色）和GND（黑色）是一對標準尺寸的電源線。D+和D-每個時刻的信號狀態(tài)（電平）相互相反。USB總線采用半雙工傳輸方式。 USB設備的電源供給有兩種方式：總線供給方式和自給方式（設備自帶電源）。在總線供給方式中，每根USB電纜提供的電源功率是有限的，主機為直接連到它的USB設備提供電源，電壓為4.75V5.25V，最大電流值為500mA，并且

31、當USB設備第一次被主機檢測到時，設備吸入的電流值應小于100mA。完全依賴電纜供電的USB設備稱做總線供電設備，有后備電源的設備稱做自我供電設備。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 293USB系統(tǒng)組成及拓撲結構系統(tǒng)組成及拓撲結構 USB系統(tǒng)包括USB主機、USB設備和USB互連。 USB主機就是一個帶有USB主控制器的PC機。在任一個USB系統(tǒng)中只有一個主機，到主計算機系統(tǒng)的USB接口被稱做主控制器。主控制器可采用硬件、固件或軟件相結合的方式來實現(xiàn)。根Hub集成在主機系統(tǒng)內，向上與主總線（如PCI總線）相連，向下可提供一或多個連接點。 USB設備分為Hub（集

32、線器）設備和Function（功能）設備兩大類。Hub提供到USB的附加連接點，為其他USB設備提供擴展端口。功能設備就是一種插在USB Hub上的外設，是完成某種具體功能的硬件設備，如鍵盤、鼠標等。USB設備應具有標準的USB接口。 USB互連指的是USB設備與主機的連接和通信方式，它包括總線拓撲結構、內層關系、數(shù)據流模型和USB調度表。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 304總線協(xié)議總線協(xié)議 USB是一種查詢總線，由主控制器啟動所有的數(shù)據傳輸。USB上所連接的外設通過主機基于令牌的調度協(xié)議來共享USB帶寬。 大部分總線事務涉及3個包的傳輸。當主控制器發(fā)出一個

33、描述事務類型和方向、USB設備地址和端點號的USB包時，就開始發(fā)起一個事務，這個包被稱做“令牌包”，它指示總線上要執(zhí)行什么事務，尋址的USB設備及數(shù)據傳送方向。然后，事務源發(fā)送一個數(shù)據包，最后，目標一般還要用一個指示傳輸是否成功的握手包來響應。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 315USB接口工作原理接口工作原理 USB設備最大的特點就是即插即用。USB協(xié)議在主機啟動或是USB設備插入系統(tǒng)的時候都要對設備進行配置。所謂配置，就是按照USB協(xié)議，在USB主機與USB設備之間進行的一系列“問答”過程。 一個問答過程是通過主機與USB設備的端點0進行通訊來完成的。US

34、B設備在插入USB端點時，主機都通過默認地址0與設備的端點0進行通信。在這個過程中，主機發(fā)出一系列試圖得到描述符的標準請求，通過這些請求，主機得到所有感興趣的設備信息，從而知道了設備的情況以及該如何與設備通信。隨后主機通過發(fā)出Set Address請求為設備設置一個惟一的地址。這樣，配置過程就完成了，以后主機就通過為設備設定好的地址與設備通信，而不再使用默認地址0。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 324.6.2 IDE總線總線 IDE（Integrated Drive Electronics）即集成驅動電子裝置，是硬盤控制器的接口標準，使用40引腳線纜。而AT

35、A（AT Attachment，AT嵌入式）標準用于連接AT計算機上的硬盤驅動器和控制器。各種存儲外設的接口都叫做AT Attachment，IDE接口最早成為存儲外設標準，因此叫做ATA-1。IDE的40根信號線的定義基本上對應于AT總線（ISA總線的子集）的信號，可見，對于AT機而言，IDE和ATA完成同一事務，兩個術語經常互換使用。 IDE和ATA的細微的區(qū)別是，IDE強調接口設備已經將驅動器和控制器集成在一起，側重“集成性”。ATA強調設備接口很容易直接連接到AT總線上，側重“AT上的附加裝置”。 IDE是非官方術語，ATA是官方術語。IDE術語覆蓋面較寬，ATA術語覆蓋面相對較窄。

36、COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 334.6.3 SCSI總線總線 SCSI（Small Computer System Interface）是小型計算機系統(tǒng)接口，具有應用范圍廣、多任務、帶寬大、CPU占用率低，以及熱插拔等優(yōu)點，但較高的價格使得它很難像IDE硬盤一樣普及，因此SCSI硬盤主要應用于中、高端服務器和高檔工作站中。 SCSI是一個高速智能接口。早期SCSI接口在小型機上使用，后多用于工作站、服務器等中高檔設備，由于個人計算機性能、擴充需求均大增，使SCSI在普通PC的應用也越來越多。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 3

37、41SCSI的特點的特點 （1）SCSI可支持多個設備。SCSI-2最多可接7個SCSI設備，SCSI-3最多可接15個SCSI設備。也就是說，所有的設備只需占用一個IRQ，同時SCSI還支持不同類型的設備，如CD-ROM、DVD、數(shù)碼相機、打印機、硬盤、磁帶機、掃描儀等。（2）SCSI設備是對等關系。SCSI設備既可以是啟動設備（發(fā)出命令的設備），也可以是目標設備（接收命令的設備）。根據操作確定設備性質。（3）SCSI允許在對一個設備傳輸數(shù)據的同時，另一個設備對其進行數(shù)據查找。這就可以在多任務操作系統(tǒng)如Linux、WindowsNT中獲得更高的性能。（4）SCSI占用CPU極低，在多任務系統(tǒng)

38、中占有優(yōu)勢。由于SCSI卡本身帶有CPU，可處理一切SCSI設備的事務，在工作時主機CPU只要向SCSI卡發(fā)出工作指令，SCSI卡就會自己進行工作，工作結束后返回工作結果給CPU，在整個過程中，CPU均可以進行自身工作。（5）SCSI有2種數(shù)據傳輸方式：同步方式和異步方式。同步方式是默認方式。（6）SCSI設備具有智能化。SCSI卡自己可對CPU指令進行排隊，這樣就提高了工作效率。在多任務時硬盤會在當前磁頭位置，將鄰近的任務先完成，再逐一進行處理。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 352SCSI的類型的類型 SCSI有以下幾種類型：SCSI-1、SCSI-2（F

39、ast SCSI、Wide SCSI）、SCSI-3（Ultra SCSI、Ultra Wide SCSI、Ultra 2 SCSI、Wide Ultra 2 SCSI、Ultra 160 SCSI、Ultra 320 SCSI）。比較流行的版本是SCSI-2。 （1）SCSI-1。SCSI-1是最早的版本，現(xiàn)在基本被淘汰，異步傳輸?shù)念l率為3MB/S，同步傳輸?shù)念l率為5MB/s。 （2）SCSI-2。早期的SCSI-2，稱為Fast SCSI，通過提高同步傳輸?shù)念l率使數(shù)據傳輸速率從原有的5MB/s提高為10MB/s，支持8位并行數(shù)據傳輸，可連7個外設。 （3）SCSI-3。SCSI-3又稱為U

40、ltra SCSI，數(shù)據傳輸率達到20MB/s，若使用16位傳輸?shù)腤ide模式，數(shù)據傳輸率可提高至40MB/s。使用68針的接口，主要應用在硬盤上。SCSI-3的典型特點是將總線頻率大大提高，并降低信號的干擾，以此來增強其穩(wěn)定性。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 363SCSI接口信號接口信號 基本SCSI-2使用50芯線纜，其中定義了18個差分驅動信號線，其余的線為電源、地、保留。 而68芯線纜將數(shù)據線擴充到了16位。 18個信號線中，有8個數(shù)據線、1個奇偶校驗線、9個控制/狀態(tài)線。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 374.6.

41、4 IEEE 1394總線總線 IEEE 1394是一種高性能串行總線標準（IEEE 1394 high performance serial bus standard），具有很高的數(shù)據傳輸速率，十分適合視頻影像的傳輸。作為一種數(shù)據傳輸?shù)拈_放式技術標準，IEEE 1394被應用在眾多的領域，其應用大致可分為三部分，一是數(shù)字錄像機、攝錄一體機等家電產品，二是打印機、掃描儀等計算機外設，三是硬盤、CD-ROM等微機內部外設。 IEEE 1394接口技術由蘋果公司率先創(chuàng)立，蘋果公司稱之為Firewire，很多人習慣稱之為火線卡。IEEE協(xié)會在1995年正式把它接納為一個新的工業(yè)標準，編號為1394，

42、這就是IEEE 1394這個名字的由來。不同的公司根據注冊的商標，對IEEE 1394接口有不同的叫法，例如Sony稱之為i.Link，Texas Instruments稱之為Lynx等。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 381IEEE 1394特點特點 （1）數(shù)據速率高。IEEE 1394中規(guī)定速率為100Mbit/s到400Mbit/s。IEEE 1394b中更高的速度是800Mbit/s到3.2Gbit/s?，F(xiàn)在LSI（大規(guī)模集成電路）通?？赡苓_到的物理流速度是200Mbps，所以400Mbps就幾乎可以滿足所有的要求。（2）實時性好。接口設備對等，速度快

43、，保證了實時性。不分主、從設備，都是主導者和服務者。這樣可以不通過計算機而在兩臺攝像機之間直接傳遞數(shù)據，也可以讓多臺計算機共享一臺攝像機。IEEE 1394支持同步和異步兩種數(shù)據傳輸模式。（3）即插即用。無需設定ID（識別符）或終端負載，主節(jié)點可以動態(tài)確定。（4）熱插拔。系統(tǒng)在全速工作時，IEEE 1394設備也可以插入或拆除。（5）兼容性好。IEEE 1394總線可適應臺式個人機用戶的全部IO要求，并可以與SCSI并口、RS232標準串口、Centronics接口等接口兼容。（6）直接提供電源。采用6芯電纜，其中4根信號線和2根電源線，安裝簡單。設備之間線纜最長4.5米，從主機到終節(jié)點線纜可

44、達72米。電源范圍840V直流，最大耗電1.5A。（7）連接設備多。IEEE1394接口可以同時連接63個不同設備。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 392USB和和IEEE 1394的比較的比較 USB和IEEE 1394有許多相似之處，也有一些不同。在計算機領域，IEEE 1394與USB并列，作為計算機的總線和接口占有重要的地位。USB主要設計用于PC，面向低速PC外設，IEEE 1394則不僅用于計算機，還廣泛應用于家電產品，尤其是面向中高端的數(shù)碼應用。IEEE 1394有比USB更高的速度，在除鍵盤和鼠標外的各種連接中都有可能使用。IEEE 1394支

45、持對等傳送方式，這點與USB總線不同。在對等總線中，任何一個總線上的設備都可以主動地發(fā)出請求。而USB總線上的設備，則都是等待主機發(fā)送請求，然后做相應的動作。因而IEEE 1394設備更加智能化一些，當然也變得復雜一些，成本高一些。這個特性決定了IEEE 1394可以脫離桌面主機，對數(shù)字化家電而言尤為重要。IEEE 1394總線的拓樸結構與USB一樣，采用樹形結構。樹形結構就是所有連接在一起的設備不能形成一個環(huán)，否則就可能不能正常工作。不過IEEE 1394b提出了一個避免環(huán)狀結構的方法，在設備連接形成一個圓圈時，也能保證正常工作。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOG

46、Y 404.6.5 AGP總線總線 AGP（Accelerated Graphics Port）是加速圖形端口，是英特爾開發(fā)的局部圖形總線技術。 早期的顯示接口卡通過ISA總線或者PCI總線與主板連接，但是ISA、PCI顯卡均不能滿足3D圖形/視頻技術的發(fā)展要求。PCI顯卡處理3D圖形有兩個主要缺點，一是PCI總線最高數(shù)據傳輸速度僅為133MB/s，不能滿足處理3D圖形對數(shù)據傳輸率的要求。二是需要足夠多的顯存來進行圖像運算，這將導致顯示卡的成本很高。 AGP接口把顯示部分從PCI總線上拿掉，使其它設備可以得到更多的帶寬，并為顯示卡提供高達1066MB/s（AGP 4X）的數(shù)據傳輸速率。AGP以

47、系統(tǒng)內存為幀緩沖，可將紋理數(shù)據存儲在其中，從而減少了顯存的消耗，實現(xiàn)了高速存取，有效地解決了3D圖形處理的瓶頸問題。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 411AGP的主要特點的主要特點 （1）AGP是一種局部圖形總線。AGP把顯示芯片直接同芯片組的內存控制器電路相連，實現(xiàn)一種“點對點”的連接，一個系統(tǒng)只能有一個AGP，所以，AGP不會取代PCI總線。（2）可直接對系統(tǒng)主內存中的圖像數(shù)據進行操作。AGP技術有兩個核心內容，一是使用PC的主內存作為顯存的擴展延伸，增加了顯存的潛在容量。二是使用更高的總線頻率，比如66MHz、133Hz等，極大地提高了數(shù)據傳輸率。（3）

48、采用雙泵技術。AGP利用時鐘信號的兩個邊沿（即上升沿和下降沿）作數(shù)據傳輸，相當于使工作頻率提高了兩倍。（4）兩種工作方式：DMA和DIME。DMA方式不使用PC機的主內存作為顯存的擴展，只是利用AGP總線的高速傳輸特性進行數(shù)據傳送。DIME（Direct memory excute）方式將主內存的空閑部分映射為顯存的擴展（但是，并不能取代顯卡的顯存，而只是顯卡的顯存的一種擴展和補充），使之與顯卡的顯存在操作上成為一體。DIME是AGP的核心技術。（5）AGP標準分為AGP1.0（AGP 1X和AGP 2X）、AGP2.0（AGP 4X）、AGP3.0（AGP 8X）。 COMPUTER SCI

49、ENCE AND TECHNOLOGY 422AGP與與PCI的比較的比較 AGP實質上是PCI技術標準的擴充。這也是出于簡化開發(fā)設計的考慮，使其類似于PCI總線。AGP與PCI總線不同，其地址線和數(shù)據線分離（PCI是49根信號，而AGP是65根信號)。地址線和數(shù)據線分離，可實現(xiàn)“流水線”處理，提高實際數(shù)據傳輸速率，同時，由于沒有切換的“開銷”，也提高了隨機訪問主存時的性能。 PCI總線數(shù)據寬度一般為32位，以33MHz的速度運行，這樣，它能提供的最大帶寬就是33MHz32位8=133MB/s。盡管PCI 64/66規(guī)范提供了64位的數(shù)據寬度和66MHz的工作頻率，帶寬相應達到了533MB/s

50、，但它面向的是需要極高數(shù)據帶寬的I/O控制器，比如IEEE 1394或者千兆位的網卡。AGP同樣是32位的數(shù)據寬度，但它的工作頻率從66MHz開始，AGP 1X規(guī)范利用每個時鐘周期的下降沿傳輸數(shù)據，能提供266MB/s的帶寬，而AGP 2X同時利用時鐘周期的上升沿和下降沿傳輸數(shù)據，可以達到533MB/s的帶寬，AGP 8X更是利用單邊4次觸發(fā)技術把帶寬提高到了2133MB/s。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 434.6.6 IEEE 488總線總線 在工業(yè)生產、科學研究和實驗測量中，經常需要同時使用各種各樣的儀器進行測量并需要對其測量結果按照公式進行計算和處理

51、。因此，就需要把許多儀器結合在一起形成一個自動化測量計算系統(tǒng)。但各種儀器儀表的不兼容性給組成系統(tǒng)造成了困難。IEEE 488總線就是為了把原來互不兼容的設備連成測量計算系統(tǒng)的一種接口和總線標準。 IEEE 488總線是美國HP公司最先提出，到1975年形成標準。又稱HP HB，還稱GP-IB或IEC-IB。它們是國際標準的通用接口總線。它是一種異步雙向總線。專門用于連接系統(tǒng)而不是連接部件或模塊的。例如計算機與電壓表、信號發(fā)生器、程控電源等測量儀器以及各種儀表間的信息通訊。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 441IEEE 488的主要特點的主要特點 （1）8位數(shù)據寬度。 （2）采用位并行、字節(jié)串行、三線異步傳送技術，允許不同速度的裝置工作在同一系統(tǒng)內。 （3）連接的設備最多不超過15個，電纜最長不超過20米，若超過時，需附加硬件或調制解調裝置。 （4）信號最大傳送速度為1MB/s。 （5）有16條信號線，采用負邏輯的TTL電平，低電平+0.8V為“1”，高電平+2.0V為“0”。 （6）地址容量為聽地址31個，講地址31個，地址可擴展到961個。 COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 452IEEE