微機(jī)總線及IO接口標(biāo)準(zhǔn)

第7章微機(jī)總線及I/O接口標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)是微型計(jì)算機(jī)的重要特征之一。有了總線標(biāo)準(zhǔn)以后，微型計(jì)算機(jī)的組裝、維護(hù)和擴(kuò)展才得以方便地進(jìn)行，它使微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠支持模塊化設(shè)計(jì)，具有開放性、通用性和靈活性等特點(diǎn)。

本章介紹總線、總線標(biāo)準(zhǔn)及接口標(biāo)準(zhǔn)的基本概念和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常有的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)及接口等內(nèi)容。

2023年2月1日第1頁主要內(nèi)容:7.1概述7.2系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)

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

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(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)，是指通過總線進(jìn)行連接和傳輸信息時應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)3．總線的分類從總線的性質(zhì)和應(yīng)用來看，可分為3大類。

系統(tǒng)總線。它是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件（插板）之間進(jìn)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(cè)，一側(cè)直接面向CPU總線，另一側(cè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)與設(shè)備之間進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)用負(fù)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(biāo)準(zhǔn)6．總線的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展趨勢使用標(biāo)準(zhǔn)總線具有以下優(yōu)點(diǎn):簡化了軟、硬件的設(shè)計(jì)簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)6．總線的優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)不斷調(diào)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(biāo)準(zhǔn)1．接口外部設(shè)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(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)是外設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及電氣特性和機(jī)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(biāo)準(zhǔn)3．接口標(biāo)準(zhǔn)分類傳統(tǒng)的串行/并行接口標(biāo)準(zhǔn)。通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。外存儲設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)。圖形顯示器接口標(biāo)準(zhǔn)。測試儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。

2023年2月1日第10頁7.1概述7.1.3總線標(biāo)準(zhǔn)與接口標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)1．總線標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)公用性，同時掛接多種不同類型的功能模塊。在機(jī)箱內(nèi)以總線擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)與接口標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)2．接口標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)專用性，一般是一個接口只接一類或一種設(shè)備。一般設(shè)在機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(shè)插板提供了一條快捷途徑。SA0～SA19加上LA17～LA23可實(shí)現(xiàn)16MB空間尋址（其中SA17～SA19和LA17～LA19是重復(fù)的）。

2023年2月1日第13頁7.2系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)7.2.1ISA總線2．?dāng)?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(biāo)志。：I/O讀命令，輸出線，低電平有效，用來把選中的I/O設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)7.2.1ISA總線IRQ3～I(xiàn)RQ7和IRQ10～I(xiàn)RQ15：用于作為來自外部設(shè)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(shè)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(yīng)答信號，低電平有效。T/C：DMA終止/計(jì)數(shù)結(jié)束，輸出線。：輸入信號，低電平有效。RESET：系統(tǒng)復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)7.2.2PCI局部總線1．PCI總線的主要特點(diǎn)傳輸速率高。多總線共存。獨(dú)立于CPU。自動識別與配置外設(shè)，用戶使用方便。適應(yīng)5V和3.3V電源環(huán)境，可進(jìn)行兩種環(huán)境的轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了它的適應(yīng)范圍。2023年2月1日第18頁7.2系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)7.2.2PCI局部總線2．PCI總線信號的定義必需信號線：主控設(shè)備49條，目標(biāo)設(shè)備47條?？蛇x信號線：51條（主要用于64位擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)7.2.3PCI-E局部總線1．PCI-E總線的主要特點(diǎn)使用了串行差分技術(shù)可擴(kuò)展帶寬模式內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)1.串行接口標(biāo)準(zhǔn)（1）RS-232C機(jī)械規(guī)范和電氣規(guī)范機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的“D”型保護(hù)殼的25針插頭。

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標(biāo)準(zhǔn)25針“D”型插頭7.3外部總線（接口）標(biāo)準(zhǔn)RS-232C總線的電氣規(guī)范2023年2月1日第23頁帶3～7kΩ負(fù)載時驅(qū)動器的輸出電平邏輯1：-3～-15V不帶負(fù)載時驅(qū)動器的輸出電平-25～+25V驅(qū)動器斷開時的輸出阻抗>300Ω輸出短路電流<0.5A驅(qū)動器轉(zhuǎn)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(jīng)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(fù)載電容2500pF邏輯0：3～15V7.3.1傳統(tǒng)的串行/并行接口標(biāo)準(zhǔn)1.串行接口標(biāo)準(zhǔn)(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(qū)動器TTL輸出14891488圖7-3采用MC1488和MC1489電平轉(zhuǎn)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(hù)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(shè)備（DCE）準(zhǔn)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(zhǔn)備好（DTR）*8數(shù)據(jù)載波檢測（DCD）*21信號質(zhì)量驗(yàn)測9（保留供數(shù)據(jù)通信設(shè)備測試）*22振鈴指示（RI）10（保留供數(shù)據(jù)通信設(shè)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(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)的RS-232接口2023年2月1日第26頁計(jì)算機(jī)串行接口屏蔽地計(jì)算機(jī)串行接口RIDTRCDSGDSRCTSRTSRXDTXDRIDTRCDSGDSRCTSRTSRXDTXD2220786543212022786543217.3.1傳統(tǒng)的串行/并行接口標(biāo)準(zhǔn)2.并行接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1284(1)并行接口標(biāo)準(zhǔn)的提出(2)IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)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(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)1.USB接口標(biāo)準(zhǔn)(1)USB接口標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)使用方便。速度快。連接靈活，易擴(kuò)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(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)1.USB接口標(biāo)準(zhǔn)(2)USB的系統(tǒng)模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2023年2月1日第29頁集線器USB主機(jī)RootHub設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備集線器復(fù)合設(shè)備USB的物理拓?fù)?.3.2通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)1.USB接口標(biāo)準(zhǔn)(3)USB的邏輯拓?fù)?023年2月1日第30頁邏輯設(shè)備邏輯設(shè)備邏輯設(shè)備邏輯設(shè)備邏輯設(shè)備USB主機(jī)USB的邏輯拓?fù)?.3.2通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)1.USB接口標(biāo)準(zhǔn)(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(jī)或集線器口）低速USB收發(fā)器（低速設(shè)備）高速USB收發(fā)器（主機(jī)端口或高速設(shè)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(jī)或集線器口）15k15k地USB集線器和設(shè)備的電阻連接1.USB接口標(biāo)準(zhǔn)(5)USB的供電方式USB設(shè)備有兩種供電方式，自給方式（設(shè)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(shí)時數(shù)據(jù)流。

2023年2月1日第32頁7.3.2通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)2.高性能串行總線標(biāo)準(zhǔn)IEEE1394(1)IEEE1394的主要性能特點(diǎn)通用性強(qiáng)。傳輸速率高。實(shí)時性好。為被連設(shè)備提供電源。系統(tǒng)中的設(shè)備之間是平等關(guān)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(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)2.高性能串行總線標(biāo)準(zhǔn)IEEE1394(2)IEEE1394的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2023年2月1日第34頁掃描儀內(nèi)存I/OIEEE1394橋接器CPU驅(qū)動器IEEE1394總線內(nèi)部總線連接并行總線CPU打印機(jī)數(shù)字照相機(jī)驅(qū)動器CD-ROM線纜連接IEEE1394總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.3.2通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)2.高性能串行總線標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)。

2023年2月1日第35頁7.3.2通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(fēng)、軟驅(qū)、電話等設(shè)備，USB2.0的傳輸速度達(dá)到了480Mb/s，也可以連接一些高速外設(shè)。在IEEE1394的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不需要集線器（Hub）就可連接63臺設(shè)備，并且可以由橋（Bridge）再將一些功能獨(dú)立的子模塊連接起來。而在USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一定要有USB主機(jī)的存在，作為總線主控。IEEE1394在其外部設(shè)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(shè)備的增減，因此可以減少USB系統(tǒng)動態(tài)重設(shè)的狀況。

2023年2月1日第36頁7.3.2通用外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)1.SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)

2023年2月1日第37頁7.3.3外存儲設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)：