微機(jī)原理與接口技術(shù) 漆強(qiáng)版 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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)上有很多優(yōu)越性，概括起來有以下幾點(diǎn)：便于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)總線可以得到多個(gè)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(kuò)充和升級；便于故障診斷和維修，同時(shí)也降低了成本。

1.什么是總線總線是連接計(jì)算機(jī)各組成部件的公用數(shù)據(jù)通路。連接在總線上的各個(gè)部件以分時(shí)的方式共享總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。計(jì)算機(jī)工作的過程，實(shí)質(zhì)上就是數(shù)據(jù)流通過總線在各個(gè)部件之間流動的過程。因此，總線也是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(gè)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(jī)板。系統(tǒng)總線主要用來連接外部設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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2023/2/56/84④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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的四層總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器寄存器控制器CPU存儲芯片I/O芯片主板擴(kuò)展接口板擴(kuò)展接口板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他儀器系統(tǒng)2023/2/57/848內(nèi)總線（插板級總線）外總線(通信總線）2023/2/58/84總線的性能指標(biāo)總線時(shí)鐘頻率（Hz）總線寬度（bits）總線速率（次/s）＝總線時(shí)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(shí)鐘周期數(shù)2023/2/510/841.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(gè)時(shí)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(jì)算2023/2/511/84常見的幾種總線組織形式2023/2/5AMBA2.0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UARTTimerPIOAHBorASBAPB2023/2/513/84ARM處理器核寬帶片上RAMDMA控制器寬帶外部RAM接口橋UARTPIO定時(shí)器鍵盤控制器AHB或ASB總線APB總線典型的AMBA構(gòu)架2023/2/514/842.總線的作用總線的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是連接計(jì)算機(jī)的各組成部件，構(gòu)成不同規(guī)模的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；二是在各組成部件之間形成通路，實(shí)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(kuò)展，有利于系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。因此，如今的計(jì)算機(jī)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(gè)方面，即分時(shí)性和共享性。共享性是指總線為掛接在其上的多個(gè)部件所共有。分時(shí)性是指同一總線可由多個(gè)部件分時(shí)使用。但是在同一時(shí)刻，只能有一個(gè)部件發(fā)送數(shù)據(jù)，可有多個(gè)部件接收數(shù)據(jù)。4.總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)是指芯片之間、插板之間以及系統(tǒng)之間通過總線進(jìn)行連接和傳輸信息時(shí)，應(yīng)遵守的一些協(xié)議與規(guī)范，包括硬件和軟件兩個(gè)方面。例如，總線工作的時(shí)鐘頻率、總線信號定義、電氣規(guī)范和實(shí)施總線協(xié)議的驅(qū)動與管理程序等?？偩€標(biāo)準(zhǔn)（技術(shù)規(guī)范）包括以下幾部分。①機(jī)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(shí)間、負(fù)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(shè)端口地址。無論是存儲器還是外部設(shè)備，所有數(shù)據(jù)按地址存儲。因此在數(shù)據(jù)傳送時(shí)，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(yīng)信號、總線請求/響應(yīng)信號等。5.總線的組成（續(xù)）電源線和地線為了適應(yīng)不同設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)對地線的需求，另一方面有利于提高信號傳送時(shí)的抗干擾能力。12.2系統(tǒng)總線

12.2.1ISA總線ISA（IndustryStandardArchitecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）總線是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標(biāo)準(zhǔn)，為16位體系結(jié)構(gòu)，只能支持16位的I/O設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸速率大約是18MB/s，也稱為AT標(biāo)準(zhǔn)。ISA總線的主要性能指標(biāo)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(shí)鐘最大穩(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(gè)CPU共享系統(tǒng)資源。頻率：8MHz；ISA總線的接口信號12.2.2EISA總線EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）是EISA集團(tuán)為配合32位CPU而設(shè)計(jì)的總線擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，1989年由工業(yè)廠商聯(lián)盟設(shè)計(jì)，用于支持現(xiàn)有的ISA擴(kuò)充板，同時(shí)為以后的發(fā)展提供一個(gè)平臺。為支持ISA卡，它使用8MHz的時(shí)鐘速率，但總線提供的DMA（直接存儲器訪問）速率達(dá)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(shí)鐘速率以支持1SA卡而微處理器總線則可以高速率運(yùn)行。EISA機(jī)器可以向多個(gè)用戶提供高速磁盤輸出。EISA總線是全32位的，所以這種設(shè)計(jì)可處理比ISA總線更多的引腳。連接器是一個(gè)兩層槽設(shè)計(jì)，既能接受ISA卡，又能接受EISA卡。頂層與ISA卡相連，低層則與EISA卡相連。盡管EISA總線保持與ISA兼容的8MHz時(shí)鐘速率，但它們支持一種突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送方法，可以三倍于ISA總線的速率傳送數(shù)據(jù)。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(tuán)，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(shè)部件互連）總線。PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)。PCI總線的特點(diǎn)PCI有32位和64位兩種，32位PCI有120個(gè)引腳，64位PCI有184個(gè)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(diǎn)：（1）高速性（2）即插即用性（3）可靠性（4）復(fù)雜性PCI總線的特點(diǎn)（續(xù)）（5）自動配置（6）共享中斷（7）擴(kuò)展性好（8）多路復(fù)用（9）嚴(yán)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(shè)?？偩€時(shí)鐘頻率：33.3MHz/66MHz。最大數(shù)據(jù)傳輸速率：133MB/s。與CPU及時(shí)鐘頻率無關(guān)?？偩€寬度：32位（5V）/64位（3.3V）。能自動識別外設(shè)。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(shè)備，必備信號為49條；如果是從設(shè)備，則必備信號是47條?？蛇x的信號為51條，主要用于64位擴(kuò)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(shí)現(xiàn)接口控制、仲裁及系統(tǒng)功能。5.PCI總線的應(yīng)用PCI總線的應(yīng)用十分廣泛。幾乎每臺PC及工控機(jī)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(dǎo)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(shí)質(zhì)上是一種標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)串行接口。目前，RS-232C已成為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（如計(jì)算機(jī)）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（如調(diào)制解調(diào)器）的標(biāo)準(zhǔn)接口。利用RS-233C接口不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，也可以近距離連接兩臺通信設(shè)備。常用串行總線比較2023/2/536/841.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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)采用EIA電平。它規(guī)定：高電平為+3～+15V，低電平為3～15V。實(shí)際應(yīng)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(fù)邏輯，即高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯1，用符號MARK（傳號）表示。聯(lián)絡(luò)信號線為正邏輯，高電平有效，為ON狀態(tài)；低電平無效，為OFF狀態(tài)。由于RS-232C的EIA電平與微機(jī)的邏輯電平（TTL電平或CMOS電平）不兼容，所以兩者間需要進(jìn)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(yīng)用電路圖RS-422/423、485標(biāo)準(zhǔn)

與RS-232C兼容支持更高的傳輸速率支持更遠(yuǎn)的傳送距離增加信號數(shù)量改善接口的電氣特性2023/2/543/8412.3.2USB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(shè)之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)化連接器，它支持各種PC與外設(shè)之間的連接，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。1.USB接口的特點(diǎn)（1）速度快（2）支持熱拔插（3）可連接多個(gè)設(shè)備（4）提供內(nèi)置電源（1）USB引腳功能USB是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)一側(cè)稱為USB插座，又叫母插，連設(shè)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(gè)USB系統(tǒng)包含3類硬件設(shè)備：USB主機(jī)（Host）USB設(shè)備（USBDevice）USB集線器（HUB）USB主機(jī)在一個(gè)USB系統(tǒng)中，當(dāng)且僅當(dāng)有一個(gè)USB主機(jī)時(shí)，USB主機(jī)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(shè)備進(jìn)行配置操作；對總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)等功能。USB設(shè)備在一個(gè)USB系統(tǒng)中，USB設(shè)備和USB集線器的總數(shù)不能超過127個(gè)。USB設(shè)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(yīng)USB主機(jī)的數(shù)據(jù)包與USB主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。USB集線器USB集線器用于設(shè)備擴(kuò)展連接，所有USB設(shè)備都連接在USB集線器的端口上。一個(gè)USB主機(jī)總與一個(gè)USB根集線器（USBrootHUB）相連。USB集線器為其每個(gè)端口提供100mA電流供設(shè)備使用。同時(shí)，USB集線器可以通過端口的電氣變化診斷出設(shè)備的插拔操作，并通過響應(yīng)USB主機(jī)的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報(bào)給USB主機(jī)。一般來說，USB設(shè)備與USB集線器間的連線長度不超過5m，USB系統(tǒng)的級聯(lián)不能超過5級（包括USB根集線器）。USB工作原理USB總線最多可支持127個(gè)USB外設(shè)連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。USB的拓?fù)涫菢湫谓Y(jié)構(gòu)，有1個(gè)USB根集線器（rootHUB），下面還可有若干集線器。一個(gè)集線器下面可接若干USB接口。USB線纜包括4條線：VCC、D+、D和GND。線纜最大長度不超過5m。USB1.1的傳輸速率最高為12Mbps（低速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為1.5Mbps，高速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為12Mbps）。USB外設(shè)可以采用計(jì)算機(jī)里的電源（+5V，500mA），也可外接USB電源。USB工作原理（續(xù)）在所有