微機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線

第五章微型計(jì)算機(jī)總線

微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)就是總線結(jié)構(gòu)。CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口和外部設(shè)備都是通過(guò)總線互相連接。采用總線結(jié)構(gòu)，可以降低微型計(jì)算機(jī)的成本，是微型計(jì)算機(jī)可以迅速推廣和普遍使用的一個(gè)重要因素。本章主要內(nèi)容：5.1總線概述5.28088/8086最大模式下總線信號(hào)的形成5.3總線仲裁和握手技術(shù)5.4常用微機(jī)總線介紹（ISA、EISA、PCI等）本章要求掌握微機(jī)總線的一些基本概念理解總線仲裁和總線握手了解常見的微機(jī)總線規(guī)范5.1總線概述總線的一般概念總線是一組導(dǎo)線和相關(guān)的控制、驅(qū)動(dòng)電路的集合?？偩€是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的通道。任一時(shí)刻，只能有一個(gè)部件/設(shè)備通過(guò)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他部件只能處于接收狀態(tài)。5.1總線概述微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，總線可以說(shuō)是無(wú)所不在?？偩€的層次包括：片內(nèi)總線；片總線；系統(tǒng)總線；外部總線（通信總線）。5.1總線概述5.1總線概述系統(tǒng)總線的主要性能指標(biāo)：總線寬度：總線的數(shù)據(jù)線的數(shù)目。總線寬度越寬，同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越多，吞吐量就越大?，F(xiàn)在都是32位、64位。總線時(shí)鐘頻率：時(shí)鐘頻率的單位為MHz。有的書上以總線傳輸率作為指標(biāo)，單位是Mbit/s，數(shù)值上和時(shí)鐘頻率相同?？偩€帶寬：是總線的所有數(shù)據(jù)線每秒可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，也就是最大傳輸率。單位為MB/s。這三個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系是：

總線帶寬=總線寬度×總線時(shí)鐘頻率/8總線電源電壓5.1總線概述微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線的發(fā)展，基本上是圍繞著總線帶寬來(lái)進(jìn)行的。PC總線最早的微型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線是以8088為CPU的IMBPC/XT機(jī)所使用的總線，稱為“PC”總線。也稱為“PC/XT”總線。PC總線的數(shù)據(jù)線只有8條，是一種8位寬度的總線。5.1總線概述ISA總線（時(shí)鐘頻率為8MHZ）為了便于開發(fā)與PC機(jī)兼容的外部設(shè)備，IEEE委員會(huì)和Intel等公司，開始研究在PC總線基礎(chǔ)上的新的總線標(biāo)準(zhǔn)，到1987年IEEE正式制訂ISA（IndustryStandardArchitecture）總線標(biāo)準(zhǔn)。ISA總線采用8位和16位模式，它的最大數(shù)據(jù)傳輸率為8MB/s和16MB/s。ISA總線在Intel286和Intel386SX時(shí)代得到了普遍的使用。直到今天，一些外部設(shè)備的接口還是使用ISA標(biāo)準(zhǔn)。5.1總線概述EISA總線EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)）是一種32位總線標(biāo)準(zhǔn)。EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA總線。EISA總線的工作頻率是8MHz，由于總線寬度增加到32位，它的總線帶寬提升到32MB/s。EISA總線在個(gè)人計(jì)算機(jī)中使用了很長(zhǎng)的時(shí)間，2000年以后就很少使用了。5.1總線概述PCI總線1992年英特爾公司提出32位PCI總線的概念，并迅速獲得認(rèn)可成為新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線是一種連接外部設(shè)備的局部總線。顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、硬盤控制器等外部設(shè)備或者外部設(shè)備的接口直接連接到PCI總線，再和CPU連接。PCI總線的工作頻率是33MHz，總線帶寬達(dá)到133MB/s，在20世紀(jì)90年代是相當(dāng)好的性能。5.1總線概述在PCI標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布一年之后，Intel公司又發(fā)布了64位的PCI總線，它的總線帶寬達(dá)到了266MB/s。64位PCI主要使用于服務(wù)器和工作站，為它們提供高性能的總線傳輸。后來(lái)，用于服務(wù)器的PCI總線的工作頻率又提高到66MHz。5.1總線概述PCI-X總線

是九十年代末提出的總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI-X總線仍然使用64位并行總線和共享架構(gòu)，但將工作頻率提升到133MHz，由此獲得高達(dá)1.06GB/s的總帶寬。使用533MHz工作頻率的PCI-X533標(biāo)準(zhǔn)則更是達(dá)到4.2GB/s的高水平。5.1總線概述PCIExpress總線它是2001年以后提出的。它采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，而依靠高頻率來(lái)獲得高性能，因此PCIExpress也被人稱為“串行PCI”。由于串行傳輸信號(hào)干擾比較小，總線頻率提升比較容易。其次，PCIExpress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。第三，PCIExpress沒(méi)有沿用傳統(tǒng)的共享式結(jié)構(gòu)，它采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)工作模式，可以避免多個(gè)設(shè)備爭(zhēng)搶帶寬的情形發(fā)生。由于工作頻率高達(dá)2.5GHz，單通道雙工的PCIExpress總線總帶寬可達(dá)到500MB/s。5.1總線概述單總線和多總線除了總線標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化和發(fā)展，總線的體系結(jié)構(gòu)也在變化：從單總線發(fā)展到多總線。5.1總線概述5.1總線概述雙總線結(jié)構(gòu)：5.1總線概述多總線結(jié)構(gòu)5.1總線概述總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本；統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于制造；擴(kuò)充靈活，方便使用；總線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)部件傳輸?shù)姆謺r(shí)性；傳輸控制的復(fù)雜性；總線的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。5.28086最大模式總線信號(hào)的形成8088最大模式下的總線信號(hào)是PC總線的主要組成部分。PC總線是最簡(jiǎn)單的總線標(biāo)準(zhǔn)。它也是ISA總線的主要組成部分。了解PC總線可以了解最基本的總線信號(hào)有哪些。5.28086最大模式總線信號(hào)的形成5.28086最大模式總線信號(hào)的形成PC總線地址線：20條，A0~A19，尋址空間是1MB。數(shù)據(jù)線：8條，D0~D7讀寫控制線：存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)、存儲(chǔ)器讀控制信號(hào)、I/O寫控制信號(hào)、I/O讀控制信號(hào)、I/OCHRDY：通道就緒信號(hào)PC總線共有62條信號(hào)線，A、B兩面各有31條信號(hào)線。ALE：地址鎖存信號(hào)。中斷控制線：中斷請(qǐng)求信號(hào)：IRQ2~IRQ7；DMA控制線：DMA請(qǐng)求信號(hào)：DRQ1~DRQ3；

DMA應(yīng)答信號(hào):~

。AEN：地址允許信號(hào)，在進(jìn)行DMA操作時(shí)，AEN為高電平，只有在AEN是低電平時(shí)，才可以進(jìn)行一般的I/O操作；T/C：終止DMA計(jì)數(shù)，標(biāo)識(shí)一個(gè)通道DMA操作的結(jié)束。其他控制線例如時(shí)鐘輸入、振蕩器輸出、復(fù)位驅(qū)動(dòng)，電源和地等。5.3總線仲裁和握手技術(shù)總線主設(shè)備總線主設(shè)備是指可以發(fā)起和控制總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，如CPU和DMA控制器。總線從設(shè)備總線從設(shè)備不能直接發(fā)起和控制總線的數(shù)據(jù)傳輸。它們只能接受主設(shè)備的要求，在主設(shè)備的控制下，接收主設(shè)備傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，或者把數(shù)據(jù)傳送給主設(shè)備，如RAM模塊。5.3總線仲裁和握手技術(shù)總線仲裁

總線仲裁的目的是防止因?yàn)槎鄠€(gè)主設(shè)備同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的沖突。當(dāng)總線上有多個(gè)總線主設(shè)備并且同時(shí)要求控制總線時(shí)，須決定將總線控制權(quán)交給哪一個(gè)主設(shè)備。也即裁決哪個(gè)主設(shè)備可以控制總線。取決于總線類型的不同，總線仲裁的方法可以有多種不同的方法。基本的處理方法，是由總線仲裁器來(lái)裁決哪個(gè)主設(shè)備可以控制總線。有時(shí)候，總線仲裁也稱為總線判定。5.3總線仲裁和握手技術(shù)主設(shè)備在請(qǐng)求控制總線前，先測(cè)試BB信號(hào)如果BB顯示不忙，發(fā)出BR信號(hào)，請(qǐng)求占用總線仲裁器發(fā)出BG信號(hào)，表示同意使用總線的請(qǐng)求仲裁器將BB信號(hào)改為“忙”，標(biāo)識(shí)總線已經(jīng)被占用?？偩€優(yōu)先級(jí)仲裁算法必須滿足的三個(gè)基本要求：每一時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備作為總線主控器；先請(qǐng)求者先響應(yīng)，且在一個(gè)總線操作周期之內(nèi)不被打斷；同一時(shí)刻有幾個(gè)設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，按優(yōu)先級(jí)排序響應(yīng)。5.3總線仲裁和握手技術(shù)總線上的主設(shè)備和從設(shè)備在工作速度上可以有較大的差別。如果主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的速度快，從設(shè)備接收數(shù)據(jù)的速度慢，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。因此，必須對(duì)于總線的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制。對(duì)于總線傳輸進(jìn)行控制，就是這里所說(shuō)的總線握手?？偩€握手的基本方式有同步方式、異步方式和半同步方式。5.3總線仲裁和握手技術(shù)1．同步方式采用同步傳輸控制方式的總線就是同步總線。同步方式的總線主、從設(shè)備在同一時(shí)鐘的控制下進(jìn)行傳送，一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間是固定的。主、從設(shè)備在同一時(shí)鐘的控制下進(jìn)行傳送，一般要求總線的主、從設(shè)備的工作速度基本一致。當(dāng)總線的主、從設(shè)備工作速度不一致的時(shí)候，系統(tǒng)時(shí)鐘的速率要按速度低的設(shè)備來(lái)調(diào)整。8088/8086CPU的基本時(shí)序就是采用同步傳輸控制方式；例如總線讀周期）。5.3總線仲裁和握手技術(shù)2.異步方式異步傳輸控制方式?jīng)]有統(tǒng)一的時(shí)鐘，總線主設(shè)備和從設(shè)備可以具有不同的工作速度。在主、從設(shè)備之間增加了一條請(qǐng)求線Req，一條應(yīng)答線Ack。也就是采用請(qǐng)求~應(yīng)答的握手方式，來(lái)進(jìn)行傳輸控制。又可以分為非互鎖方式和互鎖方式非互鎖方式：首先是主設(shè)備發(fā)出Req信號(hào)，從設(shè)備收到后，發(fā)出Ack信號(hào)，表示應(yīng)答，然后就開始數(shù)據(jù)傳輸?；ユi方式：主設(shè)備發(fā)出Req信號(hào)，從設(shè)備收到后，發(fā)出Ack信號(hào)，表示應(yīng)答；主設(shè)備在收到應(yīng)答Ack后，通過(guò)改變Req信號(hào)的值，向從設(shè)備表示收到應(yīng)答信號(hào)Ack。從設(shè)備在收到主設(shè)備肯定收到Ack的消息后，停止Ack的發(fā)送。等到雙方互相確認(rèn)都已經(jīng)準(zhǔn)備好以后，才開始數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程。5.3總線仲裁和握手技術(shù)3.半同步方式半同步方式是對(duì)于同步方式的適當(dāng)修正。半同步方式仍然具有統(tǒng)一的時(shí)鐘，但是增加了一條WAIT信號(hào)線。半同步方式比同步方式增加了靈活性，對(duì)于主、從設(shè)備工作速度的不一致有一定的適應(yīng)能力。8088/8086時(shí)序中的READY相當(dāng)于WAIT信號(hào)。此時(shí)屬于半同步方式。ISA總線、PCI總線屬于半同步方式。5.4常用微機(jī)總線介紹目前在微型計(jì)算機(jī)中使用的系統(tǒng)總線有ISA總線和PCI總線。實(shí)際上，PCI總線本身就是局部總線。

ISA總線在現(xiàn)代的微機(jī)中已經(jīng)不是系統(tǒng)總線了，只是用來(lái)連接一些采用ISA總線標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備。PC系列機(jī)上采用的總線標(biāo)準(zhǔn)IBMPC/XTBUSISA

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)(IndustrialStandardArchitecture)EISA

擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)VESA

視頻電氣標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(又稱VL-bus)(VideoElectronicsStandardsAssociation)PCI

外部設(shè)備互連(PeripheralComponentInterconnect)USB

通用串行總線(UniversalSerialBus)AGP

圖形加速端口(顯卡專用線)(AcceleratedGraphicsPort)PCIExpress5.4常用微機(jī)總線介紹ISA總線（局部總線）ISA總線是在PC總線的基礎(chǔ)上，由Intel公司、IEEE和EISA集團(tuán)共同推出的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镻C總線是8位數(shù)據(jù)總線。而當(dāng)時(shí)，16位數(shù)據(jù)總線的IBMAT機(jī)已經(jīng)推出，必須有一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，以便可以制造和16位個(gè)人計(jì)算機(jī)的總線匹配的外部接口卡。這種總線標(biāo)準(zhǔn)是在1984年后就慢慢形成，1987年IEEE正式制訂了ISA總線標(biāo)準(zhǔn)。

ISA總線信號(hào)及其分布5.4常用微機(jī)總線介紹PCI總線（局部總線）PCI是PeripheralComponentInterconnect（外設(shè)部件互連）的縮寫。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(tuán)，其英文全稱為：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup，簡(jiǎn)稱PCISIG。1992年6月推出了PCI1.0版，1995年6月又推出了支持64位數(shù)據(jù)通路、66MHz工作頻率的PCI2.1版5.4常用微機(jī)總線介紹PCI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖PCI總線的信號(hào)線分布的示意圖

5.4常用微機(jī)總線介紹USB總線（局部總線）USB總線是UniversalSerialBus的簡(jiǎn)稱，也稱為“通用串行總線”。USB總線是一種外部總線，或者說(shuō)是一種通信總線。通過(guò)串行通信的方式連接計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。5.4常用微機(jī)總線介紹

USB總線只有4根線，如圖5-4-5所示。其中D+、D-為信號(hào)線，傳送信號(hào)，是一對(duì)雙絞線；VBUS和GND是電源線，提供電源。5.4常用微機(jī)總線介紹連接器：由插