計算機接口技術(shù) 第9講

1、計算機接口技術(shù)第九講 計算機基本接口原理計算機系統(tǒng)總線介紹計算機系統(tǒng)總線目的目的l熟悉計算機系統(tǒng)總線內(nèi)容內(nèi)容l總線分類和構(gòu)成l各種標準總線介紹為什么要有總線?Unibus總線總線 1970年美國年美國 DEC公司在公司在其其PDP11/20小型計算機上小型計算機上采用采用 。總線結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)設計、生產(chǎn)、使用和維護總線結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)設計、生產(chǎn)、使用和維護上都顯示出其優(yōu)越性。上都顯示出其優(yōu)越性。采用總線結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點采用總線結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點： 便于采用模塊結(jié)構(gòu)設計方法，簡化了系統(tǒng)設計；便于采用模塊結(jié)構(gòu)設計方法，簡化了系統(tǒng)設計； 標準總線可以得到多個廠商的廣泛支持，便于標準總線可以得到多個廠商的廣泛

2、支持，便于生產(chǎn)與之兼容的硬件板卡和軟件；生產(chǎn)與之兼容的硬件板卡和軟件； 模塊結(jié)構(gòu)方式便于系統(tǒng)的擴充和升級；模塊結(jié)構(gòu)方式便于系統(tǒng)的擴充和升級； 便于故障診斷和維修，同時也降低了成本。便于故障診斷和維修，同時也降低了成本。總線的基本概念 認識l總線定義1）總線是計算機兩個或兩個以上的模塊(部件或子系統(tǒng))之間相互連接與通信的公共通路。2）總線不僅僅是一組傳輸線，它還包括一套管理信息傳輸?shù)囊?guī)則(協(xié)議)。3）在計算機系統(tǒng)中，總線可以看成一個具有獨立功能的組成部件。4）數(shù)據(jù)線和地址線：這一類信號線決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾群椭苯訉ぶ返姆秶?）控制、時序和中斷信號線：這一類信號線決定了總線功能的強弱以及適應性的

3、好壞。6）電源線和地線：這一類線決定了電源的種類及地線的分布和用法。7）備用線：這一類線是廠家和用戶作為性能擴充或作為特殊要求使用的信號線。總線的分類微型計算機的總線按功能和規(guī)范可分為三大類型： 片總線（Chip Bus，C-Bus）又稱元件級總線，是把各種不同的芯片連接在一起構(gòu)成特定功能模塊(如CPU模塊)的信息傳輸通路。 內(nèi)總線(Internal Bus, I-Bus)又稱系統(tǒng)總線或板級總線，是微機系統(tǒng)中各插件(模塊)之間的信息傳輸通路。例如CPU模塊和存儲器模塊或I/O接口模塊之間的傳輸通路。 外總線(External Bus, E-Bus)又稱通信總線，是微機系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與其他系

4、統(tǒng)(儀器、儀表、控制裝置等)之間信息傳輸?shù)耐?，如EIA RS-232C、IEEE-488等?？偩€的分類三類總線在微機系統(tǒng)中的地位和關(guān)系總線的構(gòu)成計算機系統(tǒng)總線是開放的，一般的總線信號包括：數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線“三總線”。數(shù)據(jù)總線：它傳送的是數(shù)據(jù)信息，可雙向傳送，它的“線數(shù)”即總線寬度取決于系統(tǒng)采用的CPU的字長指標，系統(tǒng)總線的寬度是指其數(shù)據(jù)線的位數(shù)。地址總線：它傳送的是內(nèi)存(或I/O接口)的地址信息，單向傳送,它的線數(shù)與系統(tǒng)采用的CPU的地址線寬度一致，它決定了CPU直接尋址的內(nèi)存容量?？刂瓶偩€：它傳送的是CPU和其它控制芯片發(fā)出的各種控制信號，如：讀/寫信號W/R、指令/代碼傳送D

5、/C、存儲器或IO口訪問M/IO和系統(tǒng)復位Reset等總線的構(gòu)成總線主要性能指標總線頻率：總線工作時鐘頻率，單位總線頻率：總線工作時鐘頻率，單位 為為MHz；總線位寬：總線數(shù)據(jù)線的根數(shù)，有總線位寬：總線數(shù)據(jù)線的根數(shù)，有8，16，32，64位之分；位之分；總線帶寬：即總線傳輸率，單位為總線帶寬：即總線傳輸率，單位為MB/S。三者關(guān)系為:總線帶寬總線帶寬= 總線位寬總線位寬總線頻率總線頻率 Mb/S總線帶寬總線帶寬=1/8 總線位寬總線位寬總線頻率總線頻率MB/S總線的構(gòu)成系統(tǒng)中的各個接口和外設均需通過這“數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線” (即三總線)互相連接，實現(xiàn)了全系統(tǒng)的互連。IBM PC是開放

6、的系統(tǒng)。在主板上，系統(tǒng)I/O總線還連接到一些特定的擴展槽(Slot)，以便于計算機用戶通過該擴展槽擴展外部的接口、外設等，通過擴展槽使接口、外設與PC系統(tǒng)CPU和內(nèi)存互連。這些插座被稱為系統(tǒng)I/O總線擴展插槽(System Input/Output Bus Expanded Slot)。計算機系統(tǒng)總線標準與規(guī)范 制定標準的出發(fā)點：使與該總線連接的各廠家的制定標準的出發(fā)點：使與該總線連接的各廠家的各種產(chǎn)品電路板都能正常使用，即在機械結(jié)構(gòu)，電各種產(chǎn)品電路板都能正常使用，即在機械結(jié)構(gòu)，電氣及邏輯等方面均達到統(tǒng)一。氣及邏輯等方面均達到統(tǒng)一。 制定標準的機構(gòu)：一些國際級，國家級或相關(guān)行制定標準的機構(gòu)：一

7、些國際級，國家級或相關(guān)行業(yè)協(xié)會及公認的著名企業(yè)聯(lián)合會業(yè)協(xié)會及公認的著名企業(yè)聯(lián)合會?？偩€標準與規(guī)范內(nèi)容機械結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)定模板尺寸、插頭、連機械結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)定模板尺寸、插頭、連接器的形狀、尺寸等規(guī)格位置；接器的形狀、尺寸等規(guī)格位置；功能結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)定每個引腳名稱、功能、功能結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)定每個引腳名稱、功能、時序及適用協(xié)議；時序及適用協(xié)議；電氣結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)定信號的邏輯電平、最電氣結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)定信號的邏輯電平、最大額定負載能力及電源電壓等。大額定負載能力及電源電壓等。計算機系統(tǒng)總線標準在計算機系統(tǒng)中常見的總線：ISA BUS (真正的系統(tǒng)級I/O總線, 包括XT總線和AT總線兩部分，Industria

8、l Standard Architecture)PC104 BUS (電氣標準兼容ISA BUS，機械標準不兼容)EISA BUS (已淘汰，Extended Industrial Standard Architecture)MCA BUS (已淘汰，Micro Channel Architecture)PCI BUS (局部總線，Peripheral Component Interconnect)PC104 Plus (電氣標準兼容PCI BUS，機械標準不兼容)AGP (專用總線, 非通用擴展總線，Accelerate Graphic Port)目前保留的總線：ISA BUS, PCI B

9、US, AGP,PC104 BUS,PC104 Plus等計算機系統(tǒng)總線標準ISA BUSATXTPCI BUSAGP計算機系統(tǒng)總線標準lISA BUSISA（industrial standard architecture）總線標準是IBM公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于奔騰機中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳，由XT和AT兩部分組成。lXT槽有62個引腳l8位數(shù)據(jù)總線寬度lAT槽有36個引腳l增加了高8位數(shù)據(jù)總線PC/XT總線總線 19

10、81年IBM推出8位,適用于以 8088為CPU的PC/XT PC機PC/AT總線總線 1984年IBM推出以80286為CPU 的16位PC機總線(未公布)ISA總線總線 同期,Intel、IEEE和EISA集團 聯(lián)合開發(fā)出與AT總線相近的ISA工 業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線 ISA總線主要性能：總線主要性能：lI/O空間0100H03FFH；l24位地址線，16MB尋址空間l8/16位數(shù)據(jù)線l62+36引腳l最大位寬16位l8MHz時鐘頻率l帶寬16MB/Sl具有中斷和DMA通道功能 IBM公司專為其PS/2系統(tǒng)開 發(fā)的32位微通道總線結(jié)構(gòu)。由于與老的PC機總線不完全兼容,并且執(zhí)行的是使用許可證制度，

11、因此未能得到有效推廣。MCAMCA總線總線( (淘汰淘汰) )計算機系統(tǒng)總線標準lEISA BUSEISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標準。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線.連結(jié)器是一個兩層槽設計，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。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。EISA的結(jié)構(gòu)用當時的工藝技術(shù)制做是比較復雜的，因而成本很高，通常用于服務器和工作站。EISA總線主要性能：總線主要性能： 開放結(jié)構(gòu)，與ISA總線兼容32位地址線，4GB尋址能力32位數(shù)據(jù)

12、線最大時鐘頻率8.3MHz帶寬33MB/S計算機系統(tǒng)總線標準lPCI BUSPCI（peripheral component interconnect）總線是當前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作， 傳輸速率可達132MB/s，可同時支持多組外圍設備。PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。lPC

13、I BUS 性能 總線時鐘頻率：33.3MHz/66MHz 帶寬： 時鐘頻率33.3MHz 位寬32位時為133MB/s， 位寬64位時為266MB/s 時鐘頻率66MHz 位寬32位時 為266MB/s， 位寬64位時為532MB/s總線寬度：32位（5V）/64位（3.3V）時鐘同步方式獨立于處理器與CPU及時鐘頻率無關(guān)計算機系統(tǒng)總線標準計算機系統(tǒng)總線標準計算機系統(tǒng)總線標準p3.3V PCI BUS由兩部分組成；中間有key，防插錯，有方向；分兩邊，每邊有62個引腳，共144引腳；地址總線和數(shù)據(jù)總線復用。防插錯的key計算機系統(tǒng)總線標準p采用PCI BUS的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPU總線和PCI

14、總線由橋接電路（習慣上稱為北橋芯片）相連。PCI總線和ISA/EISA總線之間也通過橋接電路（習慣上稱為南橋芯片）相連。計算機系統(tǒng)總線標準p 采用PCI BUS的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)總線標準lAGP在一般的PC機中，三維圖形卡與主存之間是通過PCI總線進行連接和通信的，其最大數(shù)據(jù)傳輸率僅132MB/S。加之PCI總線還接有其他設備(如硬盤控制器、網(wǎng)卡、聲卡等)，實際數(shù)據(jù)傳輸率遠低于132MB/S。而三維圖形加速卡在進行三維圖形處理時不僅有極高的數(shù)據(jù)處理量，而且要求具有很高的總線數(shù)據(jù)傳輸率。因此，這種通過PCI總線的連接和通信方式，實際上成了三維圖形加速卡進行高速圖形數(shù)據(jù)傳送和處理的一大瓶頸

15、。計算機系統(tǒng)總線標準lAGPAGP (Accelerated Graphics Port，高速圖形端口)是為解決計算機三維圖形顯示中“圖形紋理”數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題應運而生的?，F(xiàn)在許多PC機系統(tǒng)都增加了AGP功能。AGP是由Intel公司開發(fā)，并于1996年7月正式公布的一項新型視頻接口技術(shù)標準。它定義了一種高速的連通結(jié)構(gòu)，把三維圖形控制卡從PCI總線上分離出來，直接連在CPU/PCI控制芯片組”(北橋)上，形成專用的高速點對點通道高速圖形端口(AGP)。Pentium II處理器CPU/PCI橋芯片（440LX或440BX）存儲器AGP視頻控制卡AGP接口66MHzPCI總線（22MHz或66M

16、Hz）PCI卡PCI卡PCI/ISA橋芯片PCI卡PCI卡局部幀緩沖區(qū)ISA總線（8MHz）USB總線（12MB/S）Pentium II系統(tǒng)中的AGP計算機系統(tǒng)總線標準lAGP從嚴格的總線意義上講，AGP并不是一種總線標準，因為總線通常是多個設備共享的資源。而AGP僅為供AGP視頻控制卡專用的高速數(shù)據(jù)傳輸端口。AGP允許視頻卡能與系統(tǒng)RAM(主存)直接進行高速連接，即支持所謂DIME(Direct Memory Execute，直接存儲器執(zhí)行)方式，當顯存容量不夠時，將主存當作顯存來使用，把耗費顯存的三維操作全部放在主存中來完成。AGP可以工作于處理器的時鐘頻率下，若以66MHz的基本頻率(

17、實際為66.66MHz)運行，則稱為基本AGP模式(即AGP 1X)，每個時鐘周期完成一次數(shù)據(jù)傳輸。由于AGP的數(shù)據(jù)傳輸寬度為32位(4字節(jié))，所以在66MHz的時鐘頻率下能達到約266MB/S的數(shù)據(jù)傳輸能力。計算機系統(tǒng)總線標準lAGP此外，還定義了AGP 2X模式，每個時鐘周期完成兩次數(shù)據(jù)傳輸(寬度仍為32位)，速率達533MB/S；大多數(shù)AGP卡都工作在2X模式。AGP 2.0規(guī)范增加了4X模式的傳輸能力，每個時鐘周期完成四次數(shù)據(jù)傳輸，達1066MB/S(約1GB/S)的數(shù)據(jù)傳輸速率，是傳統(tǒng)PCI數(shù)據(jù)傳輸率的8倍?，F(xiàn)代PC主板均全面支持AGP2.0規(guī)范及AGP 4X模式。USB(Unive

18、rsal Serial Bus)通用串行總線通用串行總線計算機系統(tǒng)總線標準lUSBpUSB概述在傳統(tǒng)的PC機使用中，為了連接顯示器、鍵盤、鼠標及打印機等外圍設備，必須在主機箱背后接上一大堆信號線纜及連接器端口，給PC機的安裝、放置及使用帶來極大的不便。另外，為了安裝一個新的外設，除需要關(guān)掉機器電源外，還需安裝專門的設備驅(qū)動程序，否則，系統(tǒng)是不能正常工作的。這也給用戶帶來不少麻煩。計算機系統(tǒng)總線標準pUSB概述USB總線(Universal Serial Bus，通用串行總線)是PC機與多種外圍設備連接和通信的標準接口，它是一個所謂“萬能接口”，可以取代傳統(tǒng)PC機上連接外圍設備的所有端口(包括串

19、行端口和并行端口)，用戶幾乎可以將所有外設裝置包括鍵盤、顯示器、鼠標、調(diào)制解調(diào)器、打印機、掃描儀及各種數(shù)字音影設備，統(tǒng)一通過USB接口與主機相接。同時，它還可為某些設備(如數(shù)碼相機、掃描儀等)提供電源，使這些設備無須外接獨立電源即可工作。USB是1995年由稱為“USB實現(xiàn)者論壇”(USB InplementerForum)的組織聯(lián)合開發(fā)的新型計算機串行接口標準。有許多著名計算機公司，如Compaq、IBM、Intel、DEC及Microsoft等均是該聯(lián)合組織的重要成員。1996推出USB1.0版本：低速15MbPs、高速12MbPs20004推出USB2.0版本：低速15MbPs、全速12

20、MbPs、高速達480 MbPs基本思想基本思想：利用通用連接器熱插拔，即 插即用的簡單快速連接，資 源自動配置，資源共享.基本要求：基本要求：易 用 性：即插即用、熱插拔端口可擴充性：具有端口不斷擴充性， 可快速、動態(tài)連接和低 價格特點兼 容 性： 支持高速與低速數(shù)據(jù) 智能與一般外設 有源與無源設備一. USB的主要特點二. USB設備連接器協(xié)議三.接口信號線四. USB系統(tǒng)組成五. USB插拔接通關(guān)閉過程六. USB拓樸結(jié)構(gòu)七. USB數(shù)據(jù)流類型和傳輸類型1即插即用，可自動識別總線上的設備并為其配置軟件和硬件資源。2可以動態(tài)連接和重新配置外設，支持熱插拔功能。3總線上的設備的傳輸帶寬可以從

21、幾Kbps到幾百Mbps，速率最高可達480Mbpss。一一.USB的主要特點的主要特點4允許最多達127臺USB設備同時操作。5可向USB總線上設備供電，USB設備也可自備電源。6具有很高的容錯性能，協(xié)議中規(guī)定了出錯處理和差錯恢復機制。 此外USB總線還具有使用靈活、性價比高等特點。二二. USB設備連接器協(xié)議設備連接器協(xié)議連接器：由插頭和插座構(gòu)成，為A系列B系列兩種。A系列連接器：用于與主機連接B系列連接器：用于與設備連接USB圖標：插頭上提供凹凸型圖標，方便用戶使用。一般由廠商提供，電纜一端為A系列插頭，另一端為B系列插頭（與設備上系列B插座連接）。USB設備標準可分離電纜：設備標準可分

22、離電纜：高速設備用雙絞數(shù)據(jù)對，非雙絞電源對的屏蔽電纜，低速設備可用平行非屏蔽電纜。紅電源線，+5V（4.755.25V）黑地線綠D+高速設備端有有上拉電阻，Hub端有下拉電阻白D-低速設備端有有上拉電阻，Hub端有下拉電阻注： D+ 、D-為數(shù)據(jù)的半雙工差分信號線 下拉電阻保證Hub端口無設備連接時, 電壓接地為零吸入最大電流500mA三接口信號線（三接口信號線（4根）根）計算機系統(tǒng)總線標準四芯USB線纜及連接器情況如圖所示。 主機第一次從主機第一次從D+ 、D-檢測到設檢測到設備時備時,設備吸入電流設備吸入電流 100 mA D+ 、D-電壓電壓 V 2.5V，持續(xù)，持續(xù)2.5S，則設備連接

23、端口，則設備連接端口四四USB系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成1.硬件： USB主控器/根集線器 （USBHC/RH），于主機中。 USB集線器（USBH） USB設備： Hub設備 功能設備 接在Hub上的外設。計算機系統(tǒng)總線標準USB集線器(USB Hub)及其端口情況如圖所示。計算機系統(tǒng)總線標準pUSB的結(jié)構(gòu)主機與USB設備連接的拓撲結(jié)構(gòu)從整體上看是一種樹狀結(jié)構(gòu)，可利用集線器級聯(lián)的方式來延長連接距離，還可將幾個功能部件(例如一個鍵盤和一個軌跡球)組裝在一起構(gòu)成一個“復合型”設備，“復合型”設備通過其內(nèi)部的USB Hub與主機相連，主機中的USB Hub稱為“根Hub”。 USB設備驅(qū)動程序（客戶驅(qū)動軟件

24、）用于和某一特定的USB設備進行通信，常為操作系統(tǒng)一部分或由廠商提供 USBD USB系統(tǒng)驅(qū)動軟件 一般捆綁于操作系統(tǒng)，用于判斷決 策指揮層。 HCD（Host controller Driver）主控器驅(qū)動程序,完成對USB交換的調(diào)度，通過根Hub或其它Hub完成對交換的初始化。2.軟件軟件五五USBUSB插拔接通關(guān)閉過程插拔接通關(guān)閉過程接通過程須經(jīng)過5個狀態(tài)：連接狀態(tài)上電狀態(tài)默認狀態(tài)地址狀態(tài)配置狀態(tài)，設備即可使用。關(guān)閉過程比較簡單，主機測到USB設備插頭拔離Hub，設備進入無能狀態(tài)，即關(guān)閉端口。USB接設備于總線HubHub通知主機發(fā)生設備接入事件，設備處于連接狀態(tài)，Hub 與該設備相接端

25、口處于關(guān)閉狀態(tài)。主機檢測Hub確認設備接入事件和接入端口。主機使能（允許）該端口傳送一個RESET命令。Hub向端口送持續(xù)100mS RESET 信號，結(jié)束時端口被打開。 Hub提供 100 mA 電流給USB設備，USB設備進入上電狀態(tài)，響應默認地址。 USB訪問默認管道（端點0），主機讀設備描述符獲得有關(guān)信息（最大數(shù)據(jù)傳輸量）。 主機給USB設備分發(fā)一唯一地址， 設備進入地址狀態(tài)。 主機讀取設備配置信息。 主機分析讀取的配置信息向設備分發(fā)配置值。設備進入配置狀態(tài)。 設備各端點就緒開始工作，設備可使用。如第四步上電未獲總線訪問權(quán)進入掛起狀態(tài) USB設備插頭拔離HubHub通知主機發(fā)生設備移走事件設備進入無能狀態(tài)，關(guān)閉端口主機更新局部拓樸邏輯信息。七七.USB數(shù)據(jù)流類型和傳輸類型數(shù)據(jù)流類型和傳輸類型 USB數(shù)據(jù)流類型： 控制信號流 塊數(shù)據(jù)流 中斷數(shù)據(jù)流 實時數(shù)據(jù)流USB的基本傳輸類型：的基本傳輸類型： 控制傳輸 批傳輸 中斷（Interrupt）傳輸 等時傳輸USB總線傳輸類順序：總線傳輸類順序：傳輸幀時間：1mS，以SOF（幀起始包）開始，EOF（幀結(jié)束包）結(jié)束數(shù)據(jù)流傳輸中優(yōu)先