微機原理與接口技術(shù) 第5章 總線

第五章總線本章主要內(nèi)容總線的概念1系統(tǒng)總線2外部總線312.1總線的概念采用總線結(jié)構(gòu)后，在微機系統(tǒng)設計、生產(chǎn)、使用和維護上有很多優(yōu)越性，概括起來有以下幾點：便于采用模塊化結(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，便于生產(chǎn)與之兼容的硬件板卡和軟件；模塊化結(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。

1.什么是總線總線是連接計算機各組成部件的公用數(shù)據(jù)通路。連接在總線上的各個部件以分時的方式共享總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。計算機工作的過程，實質(zhì)上就是數(shù)據(jù)流通過總線在各個部件之間流動的過程。因此，總線也是計算機系統(tǒng)中的重要組成部分。指令系統(tǒng)與尋址方式的重要性在微型計算機系統(tǒng)中，總線分片內(nèi)總線、片級總線和系統(tǒng)總線。片內(nèi)總線用以連接CPU內(nèi)部的各個部件，比如ALU、通用寄存器、內(nèi)部Cache等。片級總線用以連接CPU、存儲器及I/O接口等電路，構(gòu)成所謂的主機板。系統(tǒng)總線主要用來連接外部設備?？偩€分類按所處位置(數(shù)據(jù)傳送范圍)片上總線芯片總線（片間總線、元件級總線）系統(tǒng)內(nèi)總線（插板級總線）系統(tǒng)外總線（通信總線）非通用總線（與具體芯片有關(guān)）通用標準總線地址總線控制總線按總線功能數(shù)據(jù)總線并行總線串行總線按數(shù)據(jù)格式按時序關(guān)系(握手方式)同步異步半同步同步異步單總線多級總線按總線組織雙總線2023/1/166/84④外部總線、(系統(tǒng))外總線如并口、串口③系統(tǒng)總線、(系統(tǒng))內(nèi)總線如ISA、PCI②片(間)總線三總線形式①片內(nèi)總線單總線形式計算機系統(tǒng)的四層總線結(jié)構(gòu)運算器寄存器控制器CPU存儲芯片I/O芯片主板擴展接口板擴展接口板計算機系統(tǒng)其他計算機系統(tǒng)其他儀器系統(tǒng)2023/1/167/848內(nèi)總線（插板級總線）外總線(通信總線）2023/1/168/84思考：并行通信和串行通信比起來同時傳遞的數(shù)據(jù)量是串行數(shù)據(jù)的n倍，但是現(xiàn)在為什么在計算機接口中全部采用了串行接口替代并行接口呢？比如SATA接口取代了IDE接口，PCI-Express取代了PCI。在實際時鐘頻率比較低的情況下，并口因為可以同時傳輸若干比特，速率確實比串口快。

但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，時鐘頻率越來越高，并行導線之間的相互干擾越來越嚴重。并行接口因為有多條并行且緊密的導線，但時鐘頻率提高的一定程度時，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)已經(jīng)無法恢復。而串口因為導線少，線間干擾容易控制，反而可以通過不斷提高時鐘頻率來提高傳輸速率。而且串口的端子也會比較小。這就是為什么現(xiàn)在高速傳輸都采用串行方式的原因總線的性能指標總線時鐘頻率（Hz）總線寬度（bits）總線速率（次/s）＝總線時鐘頻率/總線周期數(shù)總線帶寬（bytes/s）＝總線速率×（總線寬度/8）數(shù)據(jù)線（數(shù)據(jù)通路寬度）地址線（尋址空間）傳送一次數(shù)據(jù)所需的時鐘周期數(shù)2023/1/1612/841.CPU的前端總線(FSB)頻率為400MHz或800MHz，總線周期數(shù)為1/4(即1個時鐘周期傳送4次數(shù)據(jù))，位寬64bit，則FSB帶寬為多少？400×(64/8)×4=1.28GB/s或800×(64/8)×4=2.56GB/s2.PCI總線頻率為33.3MHz，位寬32/64bit，總線周期數(shù)為1，則PCI總線帶寬為多少？33.3×(32/8)×1=133MB/s或33.3×(64/8)×1=266MB/s總線帶寬的計算2023/1/1613/84常見的幾種總線組織形式2023/1/16AMBA2.0總線結(jié)構(gòu)圖高性能ARM核高性能片上RAM高性能DMAC核高帶寬片外存儲器接口橋鍵盤UARTTimerPIOAHBorASBAPB2023/1/1615/84ARM處理器核寬帶片上RAMDMA控制器寬帶外部RAM接口橋UARTPIO定時器鍵盤控制器AHB或ASB總線APB總線典型的AMBA構(gòu)架2023/1/1616/842.總線的作用總線的作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是連接計算機的各組成部件，構(gòu)成不同規(guī)模的計算機系統(tǒng)；二是在各組成部件之間形成通路，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息的傳送。采用總線結(jié)構(gòu)也有利于硬件系統(tǒng)的連接與擴展，有利于系列化產(chǎn)品的設計與生產(chǎn)。因此，如今的計算機無一例外地采用了總線結(jié)構(gòu)。3.總線的特性從使用的角度來看，總線的特性可概括為兩個方面，即分時性和共享性。共享性是指總線為掛接在其上的多個部件所共有。分時性是指同一總線可由多個部件分時使用。但是在同一時刻，只能有一個部件發(fā)送數(shù)據(jù)，可有多個部件接收數(shù)據(jù)。4.總線標準總線標準是指芯片之間、插板之間以及系統(tǒng)之間通過總線進行連接和傳輸信息時，應遵守的一些協(xié)議與規(guī)范，包括硬件和軟件兩個方面。例如，總線工作的時鐘頻率、總線信號定義、電氣規(guī)范和實施總線協(xié)議的驅(qū)動與管理程序等?？偩€標準（技術(shù)規(guī)范）包括以下幾部分。①機械結(jié)構(gòu)規(guī)范：模塊尺寸、總線插頭、總線接插件及安裝尺寸均有統(tǒng)一規(guī)定。②功能規(guī)范：總線每條信號線（引腳的名稱）、功能及工作過程要有統(tǒng)一規(guī)定。③電氣規(guī)范：總線每條信號線的有效電平、動態(tài)轉(zhuǎn)換時間、負載能力等。5.總線的組成（1）數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用來傳送數(shù)據(jù)，其位數(shù)亦稱為總線的寬度。它反映的是一次傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。比如ISA總線的數(shù)據(jù)寬度為16位，PCI總線的數(shù)據(jù)寬度為32位。也就是說，ISA總線一次可以傳送16位數(shù)據(jù)，PCI總線一次可以傳送32位數(shù)據(jù)。5.總線的組成（續(xù)）（2）地址總線地址總線用來傳送存儲器或外設端口地址。無論是存儲器還是外部設備，所有數(shù)據(jù)按地址存儲。因此在數(shù)據(jù)傳送時，必須先傳送地址。其中地址線的位數(shù)亦稱為地址寬度，它反映的是CPU的尋址范圍。比如ISA總線的地址寬度為20位，尋址范圍為220=1MB；PCI總線的地址寬度為32位，尋址范圍為232=4GB。5.總線的組成（續(xù)）（3）控制總線

控制總線用于傳送各種控制信號。在不同的總線結(jié)構(gòu)中，控制總線往往有較大的差異。不同種類總線的有效信號的定義可能不同，但是基本信號必不可少。比如，地址有效信號、讀命令、寫命令、中斷請求/響應信號、總線請求/響應信號等。5.總線的組成（續(xù)）電源線和地線為了適應不同設備的需要，電源線可能有多種，比如+5V、5V、+12V、12V、甚至+24V等。地線也有多條，一方面滿足接口電路板設計時對地線的需求，另一方面有利于提高信號傳送時的抗干擾能力。12.2系統(tǒng)總線

12.2.1ISA總線ISA（IndustryStandardArchitecture，工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)）總線是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標準，為16位體系結(jié)構(gòu)，只能支持16位的I/O設備，數(shù)據(jù)傳輸速率大約是18MB/s，也稱為AT標準。ISA總線的主要性能指標I/O地址空間：0100H～03FFH；24位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB；8/16位數(shù)據(jù)線；62+36引腳；最大位寬：16位（bit）；最高時鐘:8MHz；最大穩(wěn)態(tài)傳輸速率：16MB/s；具有中斷功能；具有DMA通道功能；采用開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源。ISA總線的接口信號12.2.2EISA總線EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，擴展工業(yè)標準結(jié)構(gòu)）是EISA集團為配合32位CPU而設計的總線擴展標準，1989年由工業(yè)廠商聯(lián)盟設計，用于支持現(xiàn)有的ISA擴充板，同時為以后的發(fā)展提供一個平臺。為支持ISA卡，它使用8MHz的時鐘速率，但總線提供的DMA（直接存儲器訪問）速率達33MB/s。EISA總線的輸出/輸出（I/O）總線和微處理總線是分離的，因此I/O總線可保持低時鐘速率以支持1SA卡而微處理器總線則可以高速率運行。EISA機器可以向多個用戶提供高速磁盤輸出。12.2.3PCI總線1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團，其英文全稱為：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup（外圍部件互連專業(yè)組），簡稱PCISIG。1992年推出了一種新的總線——PCI（PeripheralComponentInterconnect，外設部件互連）總線。PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線，廣泛應用于現(xiàn)代微機系統(tǒng)。PCI總線的特點PCI有32位和64位兩種，32位PCI有120個引腳，64位PCI有184個引腳，目前常用的是32位PCI。32位PCI的數(shù)據(jù)傳輸速率為133MB/s，大大高于ISA。PCI總線有如下特點：（1）高速性（2）即插即用性（3）可靠性（4）復雜性PCI總線的特點（續(xù)）（5）自動配置（6）共享中斷（7）擴展性好（8）多路復用（9）嚴格規(guī)范2.PCI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.PCI總線的主要性能支持10臺外設?？偩€時鐘頻率：33.3MHz/66MHz。最大數(shù)據(jù)傳輸速率：133MB/s。與CPU及時鐘頻率無關(guān)?？偩€寬度：32位（5V）/64位（3.3V）。能自動識別外設。4.PCI總線的信號定義PCI總線引腳數(shù)為120條（包含電源、地、保留引腳等）。PCI信號可分為必備和可選兩大類。如果是主設備，必備信號為49條；如果是從設備，則必備信號是47條。可選的信號為51條，主要用于64位擴展、中斷請求和高速緩存支持等。利用這些信號線，可以處理數(shù)據(jù)、地址信息，實現(xiàn)接口控制、仲裁及系統(tǒng)功能。5.PCI總線的應用PCI總線的應用十分廣泛。幾乎每臺PC及工控機均有PCI總線，且均以PCI總線為主，其他總線為輔。目前，生產(chǎn)PCI接口芯片的半導體廠商較多，國內(nèi)流行的主要是Plx和AMCC公司的產(chǎn)品。Plx公司主要有plx9054，plx9050，plx9080等；AMCC公司主要是S5933和S5920。12.3外部總線12.3.1RS-232C串行總線EIA（ElectronicsIndustriesAssociation）RS（RecommendedStandard）-232C是使用廣泛的串行異步通信接口。實質(zhì)上是一種標準，它是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA于1962年公布，并于1969年修訂的串行接口標準，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上通用的標準串行接口。目前，RS-232C已成為數(shù)據(jù)終端設備DTE（如計算機）與數(shù)據(jù)通信設備DCE（如調(diào)制解調(diào)器）的標準接口。利用RS-233C接口不僅可以實現(xiàn)遠距離通信，也可以近距離連接兩臺通信設備。常用串行總線比較2023/1/1637/841.RS-232C的引腳定義表12-29針RS-232C連接器引腳9針連接器引腳號名

稱9針連接器引腳號名

稱1數(shù)據(jù)載波檢測

6數(shù)據(jù)裝置準備好

2接收數(shù)據(jù)RxD7請求發(fā)送

3發(fā)送數(shù)據(jù)TxD8清除發(fā)送

4數(shù)據(jù)終端準備好

9振鈴提示RI5信號地GND2.RS-232C的連接

3.RS-232C的電氣特征RS-232C接口標準采用EIA電平。它規(guī)定：高電平為+3～+15V，低電平為3～15V。實際應用中常采用12V或15V。RS-232C可承受25V的信號電壓。要注意RS-232C數(shù)據(jù)線TxD和RxD使用負邏輯，即高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯1。由于RS-232C的EIA電平與微機的邏輯電平（TTL電平或CMOS電平）不兼容，所以兩者間需要進行電平轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器件有MC1488（完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換）和MC1489（完成EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換）等芯片。目前已有更為方便的電平轉(zhuǎn)換芯片，例如MAX232、UN232等。MAX232的封裝和應用電路圖RS-422/423、485標準

與RS-232C兼容支持更高的傳輸速率支持更遠的傳送距離增加信號數(shù)量改善接口的電氣特性2023/1/1644/8412.3.2USB總線USB（UniversalSerialBus）總線的中文含義是通用串行總線，它是一種快速同步傳輸?shù)碾p向串行接口，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NorthenTelecom等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。1.USB接口的特點（1）速度快（2）支持熱拔插（3）可連接多個設備（4）提供內(nèi)置電源（1）USB引腳功能USB是一個標準的協(xié)議，USB總線結(jié)構(gòu)簡單，通常USB接口信號線僅由2條電源線、2條信號線組成。外觀分為A型和B型，其中又分為插頭和插座。通常連在計算機一側(cè)稱為USB插座，又叫母插，連設備一側(cè)稱為USB插頭，又叫公插。USB引腳信號引腳號名稱電纜顏色描述1VCC紅+5V2D白數(shù)據(jù)3D+綠數(shù)據(jù)+4GND黑地（2）USB硬件結(jié)構(gòu)一個USB系統(tǒng)包含3類硬件設備：USB主機（Host）USB設備（USBDevice）USB集線器（HUB）USB主機在一個USB系統(tǒng)中，當且僅當有一個USB主機時，USB主機能夠?qū)崿F(xiàn)管理USB系統(tǒng)；每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；發(fā)送配置請求對USB設備進行配置操作；對總線上的錯誤進行管理和恢復等功能。USB設備在一個USB系統(tǒng)中，USB設備和USB集線器的總數(shù)不能超過127個。USB設備接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)包的地址域來判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包：若地址不符，則簡單地丟棄該數(shù)據(jù)包；若地址相符，則通過響應USB主機的數(shù)據(jù)包與USB主機進行數(shù)據(jù)傳輸。USB集線器USB集線器用于設備擴展連接，所有USB設備都連接在USB集線器的端口上。一個USB主機總與一個USB根集線器（USBrootHUB）相連。USB集線器為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USB集線器可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過響應USB主機的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報給USB主機。一般來說，USB設備與USB集線器間的連