第九章 總線技術(shù)

第九章總線技術(shù)

本章結(jié)構(gòu)第一節(jié)：總線概述第二節(jié)：系統(tǒng)總線第三節(jié)：外部總線 一、USB總線 二、IEEE1394總線9.1：總線概述總線是各部件連接的紐帶，是計(jì)算機(jī)通信接口的重要技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可依照總線為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)者根據(jù)總線規(guī)則去設(shè)計(jì)，把各部件按照總線接口的標(biāo)準(zhǔn)與總線連接而無需單獨(dú)設(shè)計(jì)連接，因而簡化了系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更易于擴(kuò)展和升級(jí)。9.1：總線概述我們可以接觸到的總線有很多，有系統(tǒng)總線、局部總線、SCSI總線、ISA總線、MAC（微通道總線）、PCI總線、AGP總線、VL總線、RS232總線、USB總線、1394總線以及PCIE總線等。我們將對(duì)總線的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、性能以及各主要總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論。9.1.1：總線規(guī)范總線標(biāo)準(zhǔn)是人們把各種不同的模塊組成的系統(tǒng)時(shí)所需要遵守的總線規(guī)范，它為各模塊互連提供了透明的標(biāo)準(zhǔn)，任一方只需要根據(jù)總線接口標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)現(xiàn)和完成接口功能，而不必考慮另一方的接口方式。采用總線標(biāo)準(zhǔn)可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和更新。9.1.1：總線規(guī)范總線形成標(biāo)準(zhǔn)通常有兩種方式： ①先有產(chǎn)品后有標(biāo)準(zhǔn)； ②先有標(biāo)準(zhǔn)后有產(chǎn)品。 在國際上，從事接納和主持制定總線標(biāo)準(zhǔn)工作的有IEEE（美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）、IEC（國際電工委員會(huì)）、ITU（國際電信聯(lián)盟）和ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)局）組織的專門標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)。9.1.1：總線規(guī)范總線規(guī)范一般包括如下部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)范模塊尺寸、總線連接器、插頭等規(guī)格；電氣性能規(guī)范：規(guī)定信號(hào)邏輯電平、負(fù)載能力及最大最小額定值以及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間等。功能結(jié)構(gòu)規(guī)范：規(guī)定總線接口引腳的定義、傳輸速率的設(shè)定、定時(shí)及信號(hào)格式和功能9.1.2：總線分類根據(jù)總線所處的物理位置的不同可以把總線分為以下4種類型：片內(nèi)總線、元器件級(jí)總線、系統(tǒng)總線和外總線，如圖所示。9.1.2：總線分類9.1.2：總線分類片內(nèi)總線是集成電路芯片內(nèi)部用于連接各功能單元的信息通路。例如，微處理器芯片內(nèi)部總線用于ALU和各寄存器等功能單元之間的互相連接。②元器件級(jí)總線又稱片總線或在板局部總線，是印刷電路板上連接各芯片之間的公共通路。例如，CPU板上CPU芯片與接口芯片之間的連接通路。9.1.2：總線分類③系統(tǒng)總線又稱內(nèi)部總線，是目前微型計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)的底版總線，用以連接微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各插件板。例如，多處理器系統(tǒng)中各CPU板之間的通信通道就是系統(tǒng)總線。④外部總線是通信總線。它主要用于微機(jī)系統(tǒng)之間，微機(jī)系統(tǒng)與儀器儀表之間或與其他外部設(shè)備之間的連接。9.1.3：總線類型按總線所完成的功能可分為以下幾種類型：①地址總線：為單向、三態(tài)總線，它是微機(jī)系統(tǒng)用于傳送地址的信號(hào)線。地址總線的數(shù)目決定了直接尋址的范圍。②數(shù)據(jù)總線：一般為雙向、三態(tài)總線，它用來傳送數(shù)據(jù)和代碼。9.1.3：總線類型③控制總線：用來傳送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)命令和狀態(tài)的傳送，包括讀信號(hào)、寫信號(hào)等，中斷、DMA控制信號(hào)、系統(tǒng)時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)等也是通過控制總線來傳送的。④電源線和地線：決定了總線使用的電源種類及地線的分布和用法。⑤備用線：是在總線中留給生產(chǎn)廠家和用戶自行定義的信號(hào)線，其作用是為了功能的擴(kuò)充和用戶特殊技術(shù)要求的使用。9.1.4：總線數(shù)據(jù)的傳送方式 總線數(shù)據(jù)傳送的通信方式基本有3類：同步通信、異步通信和半同步通信。①同步通信方式:同步總線通信規(guī)程利用系統(tǒng)時(shí)鐘作為各模塊工作的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方嚴(yán)格按時(shí)鐘規(guī)定完成相應(yīng)的操作。9.1.4：總線數(shù)據(jù)的傳送方式②異步通信方式:異步通信允許總線上的各模塊有各自的時(shí)鐘，這樣在模塊間進(jìn)行通信時(shí)就不需要公共的時(shí)鐘了。但要實(shí)現(xiàn)不同速度模塊間的配合，就必須增加應(yīng)答信號(hào)線，應(yīng)答信號(hào)常用請(qǐng)求（Request）和響應(yīng)（Acknowledge）來表示。9.1.4：總線數(shù)據(jù)的傳送方式③半同步通信方式:由于異步通信總線的傳輸延遲限制了數(shù)據(jù)的傳送速率，而同步總線又不能滿足不同設(shè)備的傳送要求。因此有了半同步總線，這是一種結(jié)合同步總線和異步總線優(yōu)點(diǎn)的總線方式。9.2：系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線指的是IBM公司的PC系列微型計(jì)算機(jī)及其兼容機(jī)中用于連接各內(nèi)部設(shè)備的總線，也可成為IBMPC系列總線。IBMPC系列微機(jī)采用開放式結(jié)構(gòu)，在底板上設(shè)置一些標(biāo)準(zhǔn)插槽，將各種符合插槽運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的電路板插入插槽即可擴(kuò)充PC功能。9.2.1：系統(tǒng)總線及其發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展可以說是日新月異。處理器的主頻越來越高，與此同時(shí)，在計(jì)算機(jī)中有重要地位的I/O技術(shù)也在不斷發(fā)展，不過相較其它計(jì)算機(jī)技術(shù)來說，I/O技術(shù)的發(fā)展相對(duì)沉穩(wěn)。系統(tǒng)總線情況如下頁圖所示：9.2.1：系統(tǒng)總線及其發(fā)展9.2.1：系統(tǒng)總線及其發(fā)展最早的PC總線是IBM公司1981年在PC/XT電腦采用的系統(tǒng)總線，稱為PC總線或者PC/XT總線。ISA總線基本上可以滿足以286或386SX以下CPU的為核心的電腦的要求1992年，Intel在發(fā)布486處理器的時(shí)候，同時(shí)提出了32-bit的PCI（PeripheralComponentInterconnectLocalBus周邊組件互連）總線。9.2.1：系統(tǒng)總線及其發(fā)展Intel于1996年7月正式推出了AGP（加速圖形接口，AcceleratedGraphicsPort）接口，這是顯示卡專用的局部總線，是基于PCI2.1版規(guī)范擴(kuò)充修改而成的總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法滿足電腦性能提升的要求，必須由帶寬更大、適應(yīng)性更廣、發(fā)展?jié)摿Ω畹男乱粠Э偩€取而代之。9.2.1：系統(tǒng)總線及其發(fā)展PCIExpress總線，是第三代輸入/輸出總線，所以簡稱3GIO（Third-GenerationInput/Output），另外它的開發(fā)代號(hào)是Arapahoe，所以又稱為Arapahoe總線。2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress1.0規(guī)范，2006年推出Spec2.0（2.0規(guī)范）。9.2.1：系統(tǒng)總線及其發(fā)展9.2.2：ISA總線以及EISA總線ISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)：IndustryStandardArchitecture）總線是指以80286CPU為核心的處理器的IBMPC/AT機(jī)中所使用的總線，又稱PC/AT總線，它是在8位的PC總線基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的16位總線體系結(jié)構(gòu)。ISA總線結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。9.2.2：ISA總線以及EISA總線9.2.2：ISA總線以及EISA總線ISA總線由同一軸線的基本插槽和擴(kuò)展插槽兩段組成?；静宀塾?2條信號(hào)線，兼容PC總線；擴(kuò)展插槽有36條信號(hào)線，為ISA新增加的信號(hào)線。ISA信號(hào)線如圖所示。9.2.2：ISA總線以及EISA總線9.2.2：ISA總線以及EISA總線EISA總線是擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（EISA——ExtendedIndustrialStandardArchitecture）的簡稱，它是以COMPAQ（康柏）為核心的一個(gè)聯(lián)合組織制定的一組總線標(biāo)準(zhǔn)。9.2.3：PCI總線局部總線是在ISA總線和CPU之間增加1級(jí)總線。這樣可將一些高速的外設(shè)，如網(wǎng)卡、磁盤控制器等通過局部總線直接掛到CPU總線上，使之與高速的CPU總線相匹配。局部總線中的典型即為Intel公司開發(fā)的PCI局部總線（PeripheralComponentInterconnectLocalBus）。9.2.3：PCI總線PCI總線定義了32位數(shù)據(jù)線，可以擴(kuò)展到64位。它體積小、支持無限突發(fā)操作，使用33MHz和66MHz時(shí)鐘頻率，最大傳輸速率為132～528MB/s，支持并發(fā)工作方式。PCI局部總線結(jié)構(gòu)圖如圖所示。9.2.3：PCI總線9.2.3：PCI總線PCI既支持單存儲(chǔ)周期的傳送方式，也支持成組的傳送方式。在單存儲(chǔ)周期的傳送方式下，它要用兩個(gè)時(shí)鐘時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)字進(jìn)行讀寫操作。在第一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，PCI總線提供的是地址信息，而在后續(xù)的每個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，訪問的則是數(shù)據(jù)信息。PCI總線信號(hào)如圖所示。9.2.3：PCI總線9.2.3：PCI總線PCI總線的優(yōu)點(diǎn)： ①高性能。 ②低成本。 ③兼容性。下圖就體現(xiàn)了PCI總線的兼容性。9.2.3：PCI總線9.2.3：PCI總線PCI總線額定的時(shí)鐘頻率在0到133MHz之間，在由電池供電的系統(tǒng)里，這種方式非常有用。在機(jī)器空閑的方式下，它有效地減少了電能消耗。PCI總線的存取操作通常有兩個(gè)步驟進(jìn)行：一個(gè)是地址操作，一個(gè)是數(shù)據(jù)操作。9.2.3：PCI總線PCI總線配套有一種功能非常強(qiáng)的成組方式（BurstMode）。在這種操作方式下，在地址操作之后，緊跟著的是一次數(shù)據(jù)量不受限制的數(shù)據(jù)傳送操作。PCI總線橋擁有將單個(gè)處理機(jī)訪問（有時(shí)這種處理機(jī)的訪問速度有可能比PCI總線33MHz的時(shí)鐘頻率還要高）合并成一次組操作的能力，避免了一種潛在的瓶頸現(xiàn)象。9.2.3：PCI總線除此之外，PCI總線橋在一次成組傳送的操作過程中所傳送的字節(jié)數(shù)不受限制。為了避免PCI總線上的某個(gè)時(shí)間長期占用PCI總線，在PCI的每個(gè)設(shè)備上都配備了一個(gè)延遲計(jì)時(shí)器，用這個(gè)延遲計(jì)時(shí)器給每一個(gè)設(shè)備規(guī)定它能使用總線的最長時(shí)間。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，PCI總線也面臨著ISA在發(fā)展過程中所存在的問題，即使是經(jīng)過改進(jìn)的、用于服務(wù)器和高端電腦系統(tǒng)的64位/66MHz的PCI總線(提供的帶寬可達(dá)533MB/s)仍然無法滿足實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用要求，因此迫切需要新型穩(wěn)定高效的總線標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)PCI-X總線技術(shù)PCI-X屬于PCI總線的擴(kuò)展架構(gòu)，與PCI總線相比，PCI-X允許連接的單個(gè)PCI-X設(shè)備自己進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，允許斷開沒有數(shù)據(jù)交換的PCI-X的連接以減少總線的等待周期。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)PCI-X另一優(yōu)勢(shì)是它具有變頻功能，PCI-X不像PCI那樣采用固定的頻率，在工作時(shí)候的具體頻率可根據(jù)設(shè)備的不同而隨時(shí)變化。PCI-X總線還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是它的兼容性。無論32位還是64位PCI-X總線，均采用同樣的接口形式，而且普通PCI的設(shè)備也能插在PCI-X插槽之中。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)InfiniBand總線技術(shù)。InfiniBand是Intel提出的一種全新的總線結(jié)構(gòu)，用于在服務(wù)器系統(tǒng)中取代PCI總線。InfiniBand總線來源于NGIO(NextGenerationI/O)和FutureI/O這兩種競爭的總線結(jié)構(gòu)。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)InfiniBand采用了一種全新的架構(gòu)，與傳統(tǒng)的PCI無法兼容。InfiniBand總線標(biāo)準(zhǔn)即可把I/O看做是服務(wù)器的組成部分，也可看成是機(jī)箱的一部分，這時(shí)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器之間的連接是通過一條位于中心的InfiniBand控制芯片和中繼線完成的。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的需要，InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)為通道適配器設(shè)置了三種工作方式，分別提供1、4和12條中繼線，這三種工作方式提供的帶寬分別可以達(dá)到500MB/s、2GB/s和6GB/s。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)PCIExpress總線技術(shù)PCIE總線是第三代輸入/輸出總線，簡稱3GIO（Third-GenerationInput/Output），又因?yàn)樗拈_發(fā)代號(hào)是Arapahoe，所以又稱為Arapahoe總線。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)PCIExpress總線可適應(yīng)流媒體和即時(shí)通訊的需要，它還能夠支持更多的I/O設(shè)備，并且完全不需要擔(dān)心不同的設(shè)備會(huì)占用中斷的問題，因此它沒有這個(gè)缺陷。由于PCIExpress總線技術(shù)海量的帶寬。PCIExpress總線結(jié)構(gòu)如圖所示。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)PCIExpress總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)主橋（HostBrige）和數(shù)個(gè)I/O設(shè)備（endpoint）組成。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，交換節(jié)點(diǎn)（Switch）取代了multi-drop的總線，為I/O總線提供輸出端。幾類PCI總線的速度比較如下頁所示。9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)9.2.4：發(fā)展中的總線標(biāo)準(zhǔn)一直都有芯片組廠商不斷提出它們的南北橋互聯(lián)的技術(shù)，Intel提出了IntelHub，VIA的V-Link，SiS

的MuTIOL

以及AMD的HyperTransport等。這其中，以PCIExpress和HyperTransport

最為流行。9.3：外部總線外部總線是微機(jī)和外部設(shè)備之間的總線，用于在系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)互連，可以作為可程序控制的儀器、設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連接的總線。外部總線接口同系統(tǒng)總線也有很大的不同最有代表的USB總線，以及應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的IEEE1394總線9.3.1：USB總線USB（通用串行總線UniversalSerialBus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。9.3.1：USB總線USB可把多達(dá)127個(gè)外設(shè)同時(shí)連到用戶的系統(tǒng)上所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享USB的帶寬.USB允許外設(shè)在主機(jī)和其它外設(shè)工作時(shí)進(jìn)行連接配置使用及移除即所謂的即插即用（PlugandPlay）。9.3.1：USB總線USB規(guī)范主要包括以下幾個(gè)方面:①數(shù)據(jù)傳輸速率;9.3.1：USB總線②連接電纜的種類;③USB連接器;9.3.1：USB總線④最大連接設(shè)備數(shù);⑤連接點(diǎn)之間的最大距離.

USB設(shè)備和USB主機(jī)通過USB總線相連。USB總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。

9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線USB物理接口包括電氣特性和機(jī)械特性兩部分。電氣特性。USB總線中的物理介質(zhì)由一根4線的電纜組成，其中兩條用于提供設(shè)備工作所需的電源，另外兩條用于傳輸數(shù)據(jù)。9.3.1：USB總線機(jī)械特性。對(duì)于所有的USB設(shè)備上都有“上行”（UP-Stream）和“下行”（Down-stream）連接，它們?cè)跈C(jī)械特性方面并不是可以互換的，所以要盡量消除集線器上出現(xiàn)非法的環(huán)路連接。詳細(xì)的機(jī)械特性請(qǐng)參考有關(guān)手冊(cè)。9.3.1：USB總線USB總線上的在主機(jī)和設(shè)備端點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)的模型被稱為“管道”，這種管道模型有兩種：流管道和消息管道。流管道中的數(shù)據(jù)沒有確定USB的幀結(jié)構(gòu)，而消息管道中的數(shù)據(jù)有。9.3.1：USB總線USB由四個(gè)主要的部分組成：第一部分是主機(jī)和設(shè)備，它是USB系統(tǒng)的主要構(gòu)件；第二部分是物理構(gòu)成，它表示USB元件是如何連接的；9.3.1：USB總線第三部分是邏輯構(gòu)成，它表示不同USB元件的角色和責(zé)任，以及從主機(jī)和設(shè)備的角度出發(fā)，USB所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)；第四部分是客戶軟件。9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線一個(gè)USB物理設(shè)備的邏輯組成包括：USB總線接口、USB邏輯設(shè)備、功能模塊。USB設(shè)備的組成如下頁圖所示:9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線USB物理設(shè)備分成三層。最低一層用于傳送和接收分組的總線接口。中間一層則用于控制總線的接口和設(shè)備上的各個(gè)端點(diǎn)之間所形成的數(shù)據(jù)路由。一個(gè)端點(diǎn)時(shí)數(shù)據(jù)的最終使用者或提供者，可以認(rèn)為它時(shí)一個(gè)信源或信宿。最高一層則是串行總線設(shè)備所提供的功能模塊。9.3.1：USB總線USB總線上的設(shè)備以星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)物理連接。9.3.1：USB總線主機(jī)與外設(shè)通過USB接口的通信是通過驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。在windows環(huán)境中，定義了windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型，其中設(shè)立了兩種模式：即用戶模式和內(nèi)核模式。有關(guān)Windows對(duì)USB支持的詳細(xì)的說明請(qǐng)參考微軟公司提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)包（DeviceDriverDeveloper’sKit，即DDK）中的文檔。9.3.1：USB總線win32驅(qū)動(dòng)模式。

Win32驅(qū)動(dòng)程序有兩種工作模式：用戶模式和內(nèi)核模式。應(yīng)用程序只能工作在用戶模式下，而驅(qū)動(dòng)程序大多運(yùn)行在內(nèi)核模式下。用戶模式和內(nèi)核模式在USB通信中的組成如圖所示9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線USB分層驅(qū)動(dòng).USB通信使用分層驅(qū)動(dòng)模型，每層處理一部分通信任務(wù)。把通信分成層是有效的，因?yàn)檫@樣可以使不同的設(shè)備在一些任務(wù)上使用相同的驅(qū)動(dòng)。圖為在Window系統(tǒng)中，如何對(duì)構(gòu)成一個(gè)USB主機(jī)的不同軟件部分進(jìn)行劃分的情況9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線應(yīng)用程序通過訪問一系列的API函數(shù)，與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序交互。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把應(yīng)用程序的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成IRP（I/O請(qǐng)求包）的標(biāo)準(zhǔn)形式。在上圖中，各層驅(qū)動(dòng)程序分別承擔(dān)一定的通信任務(wù)，并一起保證了USB外設(shè)到主機(jī)的通信。9.3.1：USB總線USB總線的優(yōu)點(diǎn)：①方便終端用戶的使用。②應(yīng)用廣泛。③同步傳輸帶寬。④應(yīng)用中的靈活性。⑤容錯(cuò)性。⑥與PC產(chǎn)業(yè)的一致性。⑦性價(jià)比高。9.3.2：1394總線早在1985年，蘋果公司就已經(jīng)開始著手研究IEEE的前身---FireWire（火線）技術(shù)。1994年成立了IEEE1394A（