微機總線及IO接口標準

第7章微機總線及I/O接口標準總線結構是微型計算機的重要特征之一。有了總線標準以后，微型計算機的組裝、維護和擴展才得以方便地進行，它使微型計算機系統(tǒng)能夠支持模塊化設計，具有開放性、通用性和靈活性等特點。

本章介紹總線、總線標準及接口標準的基本概念和微型計算機系統(tǒng)中常有的系統(tǒng)總線標準及接口等內容。

2023年2月1日第1頁主要內容:7.1概述7.2系統(tǒng)總線標準

7.3外部總線（接口）標準2023年2月1日第2頁7.1概述7.1.1總線和總線標準

1．總線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。2.總線標準總線標準，是指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。2023年2月1日第3頁7.1概述7.1.1總線和總線標準3．總線的分類從總線的性質和應用來看，可分為3大類。

系統(tǒng)總線。它是微型計算機系統(tǒng)內部各部件（插板）之間進行連接和傳輸信息的一組信號線。局部總線。局部總線是介于CPU總線和系統(tǒng)總線之間的一級總線。它有兩側，一側直接面向CPU總線，另一側面向系統(tǒng)總線，分別由橋接電路連接。通信總線。通信總線是系統(tǒng)之間或微型計算機系統(tǒng)與設備之間進行通信的一組信號線。

2023年2月1日第4頁7.1概述7.1.1總線和總線標準4．總線的組成數(shù)據(jù)總線。用于傳輸數(shù)據(jù)，采用雙向三態(tài)邏輯。地址總線。用于傳送地址信息，采用單向三態(tài)邏輯?？刂瓶偩€。用于傳送控制和狀態(tài)信號，根據(jù)不同的使用條件，控制總線有的為單向，有的為雙向，有的為三態(tài)，有的為非三態(tài)。電源線和地線。決定總線使用的電源種類及地線分布和用法。2023年2月1日第5頁7.1概述7.1.1總線和總線標準5．總線的性能參數(shù)總線時鐘頻率總線寬度總線傳輸速率同步方式多路復用負載能力信號線數(shù)控制線及電源線的總和?？偩€控制方式其他性能2023年2月1日第6頁7.1概述7.1.1總線和總線標準6．總線的優(yōu)點及發(fā)展趨勢使用標準總線具有以下優(yōu)點:簡化了軟、硬件的設計簡化了系統(tǒng)結構便于系統(tǒng)的擴充便于系統(tǒng)的更新2023年2月1日第7頁7.1概述7.1.1總線和總線標準6．總線的優(yōu)點及發(fā)展趨勢總線的主要發(fā)展趨勢如下:傳輸速率不斷提高。

降低功耗。功能結構不斷調整更新。2023年2月1日第8頁7.1概述7.1.2接口和接口標準1．接口外部設備與CPU交換數(shù)據(jù)的中間環(huán)節(jié)或稱為“界面”，這個中間環(huán)節(jié)就稱為接口電路或接口。2.接口標準接口標準是外設接口的規(guī)范，包括接口信號線定義、信號傳輸速率、傳輸方向、拓撲結構，以及電氣特性和機械特性等。

2023年2月1日第9頁7.1概述7.1.2接口和接口標準3．接口標準分類傳統(tǒng)的串行/并行接口標準。通用外設接口標準。外存儲設備接口標準。圖形顯示器接口標準。測試儀器接口標準。

2023年2月1日第10頁7.1概述7.1.3總線標準與接口標準的特點1．總線標準的特點公用性，同時掛接多種不同類型的功能模塊。在機箱內以總線擴展插槽形式提供使用。一般為并行傳輸。定義的信號線多，且齊全，包括分離的數(shù)據(jù)、地址和控制信號線及電源線。

2023年2月1日第11頁7.1概述7.1.3總線標準與接口標準的特點2．接口標準的特點專用性，一般是一個接口只接一類或一種設備。一般設在機箱外，以接口插頭（座）形式提供使用。有并行和串行兩種傳輸。定義的信號線少，且不齊全，一般是控制信號線、數(shù)據(jù)信號線、地址信號線共用。

2023年2月1日第12頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.1ISA總線ISA（IndustryStandardArchitecture）總線又稱AT總線，它具有16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到16MB/s，地址線24條，可尋訪16MB地址單元。1．地址線SA0～SA19和LA17～LA23。SA0～SA19是可鎖存的地址信號，LA17～LA23為非鎖存地址信號，由于沒有鎖存延時，因而給外設插板提供了一條快捷途徑。SA0～SA19加上LA17～LA23可實現(xiàn)16MB空間尋址（其中SA17～SA19和LA17～LA19是重復的）。

2023年2月1日第13頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.1ISA總線2．數(shù)據(jù)線SD0～SD7為低8位數(shù)據(jù)線，SD8～SD15為高8位數(shù)據(jù)線。

3.控制線AEN：地址允許信號，輸出線，高電平有效。BALE：允許地址鎖存，輸出線，這一信號由總線控制器8288提供，作為CPU地址的有效標志。：I/O讀命令，輸出線，低電平有效，用來把選中的I/O設備的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)總線上。：I/O寫命令，輸出線，低電平有效，用來把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入被選中的I/O端口。2023年2月1日第14頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.1ISA總線和：存儲器讀/寫命令，低電平有效，用于對A0～A19這20位地址尋址的1MB內存的讀/寫操作。和：低電平有效，存儲器讀/寫命令，用于對24位地址線全部存儲空間的讀/寫操作。和：它們是存儲器16位片選信號和I/O16位片選信號，分別指明當前數(shù)據(jù)傳送是16位存儲器周期和I/O周期。SBHE：總線高字節(jié)允許信號，該信號有效時，表示數(shù)據(jù)總線上傳送的是高位字節(jié)數(shù)據(jù)。2023年2月1日第15頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.1ISA總線IRQ3～IRQ7和IRQ10～IRQ15：用于作為來自外部設備的中斷請求輸入線，分別連到主片8259A和從片8259A中斷控制器的輸入端。DRQ0～DRQ3和DRQ5～DRQ7：來自外部設備的DMA請求輸入線，高電平有效，分別連到主片8237A和從片8237ADMA控制器輸入端?！汀篋MA應答信號，低電平有效。T/C：DMA終止/計數(shù)結束，輸出線。：輸入信號，低電平有效。RESET：系統(tǒng)復位信號，輸出線，高電平有效。

2023年2月1日第16頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.1ISA總線：I/O通道檢測，輸出線，低電平有效。I/OCHRDY：通道就緒，輸入線，高電平表示“就緒”。該信號線可供低速I/O設備或存儲器請求延長總線周期之用。：零等待狀態(tài)信號，輸入線。2023年2月1日第17頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.2PCI局部總線1．PCI總線的主要特點傳輸速率高。多總線共存。獨立于CPU。自動識別與配置外設，用戶使用方便。適應5V和3.3V電源環(huán)境，可進行兩種環(huán)境的轉換，擴大了它的適應范圍。2023年2月1日第18頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.2PCI局部總線2．PCI總線信號的定義必需信號線：主控設備49條，目標設備47條?？蛇x信號線：51條（主要用于64位擴展、中斷請求、高速緩存支持等）。2023年2月1日第19頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.3PCI-E局部總線1．PCI-E總線的主要特點使用了串行差分技術可擴展帶寬模式內建時鐘與8b/10b編碼2023年2月1日第20頁7.2系統(tǒng)總線標準7.2.3PCI-E局部總線2．PCI-E的信號線定義2023年2月1日第21頁針號B面A面名稱說明名稱說明1+12V+12V電壓PRSNT1#熱插拔存在檢測2+12V+12V電壓+12V+12V電壓3RSVD保留針腳+12V+12V電壓4GND地GND地5SMCLK系統(tǒng)管理總線時鐘JTAG2測試時鐘、JTAG接口輸出時鐘表7-3PCI-E×1模式的引腳定義7.3.1傳統(tǒng)的串行/并行接口標準1.串行接口標準（1）RS-232C機械規(guī)范和電氣規(guī)范機械規(guī)范規(guī)定：RS-232C接口通向外部的連接器（插針和插座）是一種標準的“D”型保護殼的25針插頭。

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標準25針“D”型插頭7.3外部總線（接口）標準RS-232C總線的電氣規(guī)范2023年2月1日第23頁帶3～7kΩ負載時驅動器的輸出電平邏輯1：-3～-15V不帶負載時驅動器的輸出電平-25～+25V驅動器斷開時的輸出阻抗>300Ω輸出短路電流<0.5A驅動器轉換速率<30V/μs接收器輸入阻抗在3～7kΩ之間接收器輸入電壓的允許范圍-25～+25V輸入開路時接收器的輸出邏輯1輸入經300Ω接地時接收器的輸出邏輯1+3V輸入接收器的輸出邏輯0-3V輸入接收器的輸出邏輯1最大負載電容2500pF邏輯0：3～15V7.3.1傳統(tǒng)的串行/并行接口標準1.串行接口標準(2)功能規(guī)范

2023年2月1日第24頁UART接口TTL輸入傳輸線接收器RS-232C出RS-232C接口RS-232C入傳輸線驅動器TTL輸出14891488圖7-3采用MC1488和MC1489電平轉換芯片時，RS-232C與UART的連接RS-232C的引腳功能分配2023年2月1日第25頁插腳號插腳功能插腳號插腳功能*1保護地（PG）14（輔信道）發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）*2發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）*15發(fā)送信號單元定時*3接收數(shù)據(jù)（RXD）16（輔信道）接收數(shù)據(jù)（RXD）*4請求發(fā)送（RTS）*17接收信號單元定時*5允許發(fā)送（CTS）*18未定義*6數(shù)據(jù)通信設備（DCE）準備好（DSR）19（輔信道）請求發(fā)送（RTS）*7信號地（SG）*20數(shù)據(jù)終端準備好（DTR）*8數(shù)據(jù)載波檢測（DCD）*21信號質量驗測9（保留供數(shù)據(jù)通信設備測試）*22振鈴指示（RI）10（保留供數(shù)據(jù)通信設備測試）*23數(shù)據(jù)信號速率選擇7未定義*24發(fā)送信號單元定時（DTE為源）12（輔信道）數(shù)據(jù)載體檢測（DCD）25未定義13（輔信道）清除發(fā)送（CTS）連接計算機與計算機的RS-232接口2023年2月1日第26頁計算機串行接口屏蔽地計算機串行接口RIDTRCDSGDSRCTSRTSRXDTXDRIDTRCDSGDSRCTSRTSRXDTXD2220786543212022786543217.3.1傳統(tǒng)的串行/并行接口標準2.并行接口標準IEEE1284(1)并行接口標準的提出(2)IEEE1284標準的基本內容并行接口的操作模式信號定義并行接口的連接器和連接線2023年2月1日第27頁7.3.2通用外設接口標準1.USB接口標準(1)USB接口標準的特點使用方便。速度快。連接靈活，易擴展。能夠采用總線供電。2023年2月1日第28頁7.3.2通用外設接口標準1.USB接口標準(2)USB的系統(tǒng)模型和拓撲結構2023年2月1日第29頁集線器USB主機RootHub設備設備設備設備設備設備設備集線器復合設備USB的物理拓撲7.3.2通用外設接口標準1.USB接口標準(3)USB的邏輯拓撲2023年2月1日第30頁邏輯設備邏輯設備邏輯設備邏輯設備邏輯設備USB主機USB的邏輯拓撲7.3.2通用外設接口標準1.USB接口標準(4)USB系統(tǒng)的接口信號和電氣特性2023年2月1日第31頁高/低速USB收發(fā)器（主機或集線器口）低速USB收發(fā)器（低速設備）高速USB收發(fā)器（主機端口或高速設備）USB數(shù)據(jù)線USB數(shù)據(jù)線+5VD+D+5VD+DD+D15k15k地+3.0～3.6V+3.0～3.6V1.5kD+D1.5k高/低速USB收發(fā)器（主機或集線器口）15k15k地USB集線器和設備的電阻連接1.USB接口標準(5)USB的供電方式USB設備有兩種供電方式，自給方式（設備自帶電源）和總線供給方式。USBHub采用自給方式。(6)USB數(shù)據(jù)流類型和數(shù)據(jù)傳輸方式USB數(shù)據(jù)流類型有4種：控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流和實時數(shù)據(jù)流。

2023年2月1日第32頁7.3.2通用外設接口標準2.高性能串行總線標準IEEE1394(1)IEEE1394的主要性能特點通用性強。傳輸速率高。實時性好。為被連設備提供電源。系統(tǒng)中的設備之間是平等關系。連接簡單，使用方便。2023年2月1日第33頁7.3.2通用外設接口標準2.高性能串行總線標準IEEE1394(2)IEEE1394的拓撲結構2023年2月1日第34頁掃描儀內存I/OIEEE1394橋接器CPU驅動器IEEE1394總線內部總線連接并行總線CPU打印機數(shù)字照相機驅動器CD-ROM線纜連接IEEE1394總線系統(tǒng)結構圖7.3.2通用外設接口標準2.高性能串行總線標準IEEE1394(3)IEEE1394數(shù)據(jù)傳輸方式IEEE1394支持異步和同步（等時）兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。(4)IEEE1394機械規(guī)范、電纜及連接IEEE1394由一個帶6針插頭的6芯電纜來實現(xiàn)設備間的互聯(lián)。

2023年2月1日第35頁7.3.2通用外設接口標準3.IEEE1394和USB的比較目前IEEE1394的傳輸速率為100～400Mb/s，因此它可連接高速設備，而USB1.1受到12Mb/s傳輸速度的限制，只能連接低速的鍵盤、麥克風、軟驅、電話等設備，USB2.0的傳輸速度達到了480Mb/s，也可以連接一些高速外設。在IEEE1394的拓撲結構中，不需要集線器（Hub）就可連接63臺設備，并且可以由橋（Bridge）再將一些功能獨立的子模塊連接起來。而在USB的拓撲結構中，一定要有USB主機的存在，作為總線主控。IEEE1394在其外部設備增減時，會自動重新配置，其中包括系統(tǒng)短暫的等待狀態(tài)；而USB則以Hub來判明其連接設備的增減，因此可以減少USB系統(tǒng)動態(tài)重設的狀況。

2023年2月1日第36頁7.3.2通用外設接口標準1.SCSI接口標準

2023年2月1日第37頁7.3.3外存儲設備接口標準特點：