微機原理接口技術06-IO接口與總線技術

介紹輸入輸出I/O端口的編址；數(shù)據(jù)傳送的基本方式（無條件、查詢、中斷、DMA）；介紹總線的分級結構，總線的仲裁和傳輸方式；概述微型計算機系統(tǒng)的三代總線標準，重點分析PCI總線；描述顯示卡使用的AGP圖形接口和系統(tǒng)常用的外部總線、串行的USB總線的電氣特性及數(shù)據(jù)交換格式等。

第6章I/O接口與總線技術

輸入/輸出接口電路是微機系統(tǒng)的重要組成部分，微機通過它們與外部設備進行數(shù)據(jù)交換。各種外部設備通過輸入輸出接口（Input/OutputInterface）與系統(tǒng)連接，并在接口電路的支持下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和操作控制。6.1輸入/輸出接口（I/O接口）

常用的外部設備有鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、繪圖儀、網(wǎng)卡、軟硬盤驅動器、數(shù)模轉換器、模數(shù)轉換器、掃描儀等，它們通過掛接在總線上的接口電路與微處理器相連。接口電路以其功能可分為兩類：一是微處理器所需的輔助/控制電路，利用這些電路，微處理器可獲得時鐘信號或接收外部的中斷請求等；二是輸入/輸出接口電路，它們使微處理器可接收外部設備送來的信息或將信息發(fā)送給外部設備。

6.1輸入/輸出接口（I/O接口）

微機系統(tǒng)的輸入/輸出信息是通過I/O接口電路進行的。I/O接口電路是計算機與外部設備間傳送信息的部件，它是把外部設備連接到總線上的一組邏輯電路的總稱，從而實現(xiàn)外部設備與CPU之間的信息交換。接口技術專門研究CPU與外部設備間的數(shù)據(jù)傳送方式、接口電路的工作原理和使用方法等。6.1.1輸入/輸出信息I/O接口的典型結構6.1.1輸入/輸出信息

1.數(shù)據(jù)信息

（1）數(shù)字量：數(shù)字量是使用二進制形式表示的數(shù)據(jù)、圖形、文字等信息。

（2）模擬量：連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力等。由傳感器先將其變?yōu)殡妷夯螂娏餍盘?，通過模/數(shù)轉換器變成數(shù)字量，送入計算機處理。

（3）開關量：用開關量可表示兩種狀態(tài)，如開關的閉與合、電機的轉與停、三極管的通與斷等，這樣的量用一位二進制數(shù)表示即可。6.1.1輸入/輸出信息

2.狀態(tài)信息

狀態(tài)信息反映了外部設備當前所處的工作狀態(tài)，是外部設備發(fā)送給CPU的，用來協(xié)調(diào)CPU和外部設備間的操作。對于輸入設備通常用準備好（READY）信號表示輸入數(shù)據(jù)是否準備好；對于輸出設備常用忙（BUSY）信號表示輸出設備是否處于空閑狀態(tài)。若有空閑，則可接收CPU送來的信息，否則CPU將等待。6.1.1輸入/輸出信息

3.控制信息

控制信息是CPU發(fā)送給外部設備的，以控制外部設備的工作。如對外部設備的初始化、外部設備的啟動和停止等控制信息。6.1.1輸入/輸出信息

1．對輸入/輸出數(shù)據(jù)進行緩沖與暫存在微機中CPU通過接口與外部設備交換信息。因輸入接口連接在數(shù)據(jù)總線上，所以只有當CPU從該接口輸入數(shù)據(jù)時才允許選通的輸入接口將數(shù)據(jù)送到總線上，由CPU讀取，其他時間不得占用總線。因此一般使用三態(tài)緩沖器作輸入接口，當CPU未選中此接口時三態(tài)緩沖器的輸出為高阻狀態(tài)。6.1.2I/O接口的功能

輸出時CPU通過總線將數(shù)據(jù)傳送到輸出接口內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器中，再由外部設備讀取。在CPU向它寫入新的數(shù)據(jù)前此數(shù)據(jù)將保持不變。數(shù)據(jù)寄存器一般有鎖存器實現(xiàn)，如74LS273。輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)，輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)。6.1.2I/O接口的功能

2．實現(xiàn)信號形式和數(shù)據(jù)類型的轉換計算機直接處理的信號一般是二進制的形式，外部設備不能直接使用；而外部設備所送的信號可能為一定范圍的數(shù)字量、脈沖量或開關量，不能由計算機直接處理。輸入/輸出口必須進行信號電平與類型的轉換，如信號形式匹配(A/D、D/A)、信息格式(字節(jié)流、塊、數(shù)據(jù)包、幀)、電平、功率、碼制等需解決的問題，將它們轉變成適合對方的形式才可。

6.1.2I/O接口的功能

3．緩解外部設備與CPU工作速度的差異

I/O接口既向CPU進行聯(lián)絡，又向外部設備進行聯(lián)絡，從而實現(xiàn)了兩者的速度匹配。同時可對外部設備進行監(jiān)測、控制與管理、中斷處理、時序匹配(定時關系)、總線隔離(三態(tài)門)、提供信號電平和驅動能力(電平轉換器、驅動器)、地址譯碼與設備選擇。

6.1.2I/O接口的功能

4．實現(xiàn)I/O端口的尋址

微機系統(tǒng)中會有許多外部設備，一個外部設備的接口電路中又可能占用多個I/O端口（PORT），每個端口用來保存和交換不同的信息。每個端口必須有各自的端口地址供CPU訪問。所以接口電路中包含有地址譯碼電路使CPU能夠尋址到每個端口。6.1.2I/O接口的功能6.1.3I/O接口芯片的分類

1.通用接口芯片

支持通用的數(shù)據(jù)輸入輸出和控制的接口芯片；如單向三態(tài)緩沖器74LS244,基本輸出接口芯片，如鎖存器74LS273和74LS373等。2.面向外設的專用接口芯片

針對某種外設設計、與該種外設接口；如并行接口8255、串行接口8250等。

3.面向微機系統(tǒng)的專用接口芯片

與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強其總體功能；如中斷控制接口8259、DMA接口等。有的接口電路具有可編程性，有的接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過編程的方法選定其中一種接口。

接口軟件有兩類：一是初始化程序段，用于設定芯片工作方式等；二是數(shù)據(jù)交換程序段，用于管理、控制、驅動外部設備。6.1.4I/O接口的尋址方式CPU與外部設備的數(shù)據(jù)交換，是通過I/O接口進行的。為了區(qū)分每一個接口，我們采用對每一個I/O接口進行編號，即稱其為I/O接口的地址。利用I/O接口的地址可以很方便的確定外部設備使用的I/O接口，這就是對I/O接口的尋址。對I/O接口的編號，也稱為編址，可以有兩種方式。

如圖所示，在這種方式中，把外部設備接口與內(nèi)存統(tǒng)一進行編址，故每一個外部設備端口占有存儲器的一個地址。

1.I/O接口的統(tǒng)一編址6.1.4I/O接口的尋址方式在80X86系列微機系統(tǒng)中采用這種工作方式，外設地址空間和內(nèi)存地址空間相互獨立。CPU有專門的I/O指令和相應的控制電路、控制信號，用地址來區(qū)分不同的外設。2.I/O端口獨立編址6.1.4I/O接口的尋址方式CPU用地址來選擇外設，I/O端口獨立編址，不占用存儲器的地址空間，使CPU具有較大的內(nèi)存空間。訪問I/O端口使用專用的輸入指令IN和輸出指令OUT。其優(yōu)點是要尋址的外設的端口地址，顯然比內(nèi)存單元的地址要少得多，譯碼電路簡單，存儲器與I/O的操作指令不同，程序比較清晰；存儲器與I/O端口獨立編址，可以分別設計。

6.1.4I/O接口的尋址方式

在微機控制外部設備期間，最基本的操作是傳送數(shù)據(jù)。但外部設備的速度慢，如何使CPU與外部設備的速度匹配，確保數(shù)據(jù)傳送的正確和高效是很重要的問題。一般情況下微機系統(tǒng)與外部設備間的數(shù)據(jù)傳送，即CPU與I/O接口間的信息傳送，稱為信息交換。

6.2CPU與外設的數(shù)據(jù)傳送方式無條件傳送方式用于低速外設，在這種情況下，外設始終處于準備就緒狀態(tài)，可與CPU無條件的進行信息交換；查詢傳送方式也用于低速外設，在一定的條件下與CPU進行信息交換；中斷控制傳送方式用于中、低速外設，要求在傳送過程中CPU有較高的工作效率；DMA方式用于高速外設與計算機系統(tǒng)進行信息交換的場合。6.2CPU與外設的數(shù)據(jù)傳送方式

程序直接控制傳送方式是由程序來控制微機與I/O接口間的信息傳送。通常的方法是在用戶程序中安排了由I/O指令和其他指令組成的程序段，直接控制I/O接口的輸入、輸出操作。程序直接控制傳送方式又分為無條件傳送方式與查詢傳送方式。6.2.1無條件傳送方式

無條件傳送方式是指數(shù)據(jù)的傳送過程中，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的雙方均不查詢判斷對方的狀態(tài)，直接進行無條件的數(shù)據(jù)傳送。這種方式程序設計簡單，一般適用于總是處于準備好狀態(tài)的外設。如讀取開關的狀態(tài)、發(fā)光器件、繼電器、步進電機等。缺點是只適用于簡單外設，適應范圍較窄。6.2.1無條件傳送方式

CPU與I/O設備的工作往往是異步的，很難保證當CPU執(zhí)行輸入操作時，外設已把要輸入的信息準備好了；而當CPU執(zhí)行輸出時，外設的寄存器（用于存放CPU輸出數(shù)據(jù)的寄存器）一定是空的。所以，通常程序控制的傳送方式在傳送之前，必須要查詢一下外設的狀態(tài)，當外設準備就緒了才傳送；若未準備好，則CPU等待。

6.2.2查詢傳送方式

1.查詢式輸入在輸入時，CPU必須了解外設的狀態(tài)，看外設是否準備好。當輸入設備的數(shù)據(jù)已準備好后，發(fā)出一個選通信號，一邊把數(shù)據(jù)送入鎖存器，一邊給出Ready的狀態(tài)信號“1”。而數(shù)據(jù)與狀態(tài)必須由不同的端口輸至CPU數(shù)據(jù)總線。當CPU要由外設輸入信息時，先輸入狀態(tài)信息，檢查數(shù)據(jù)是否已準備好，當數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好后，才輸入數(shù)據(jù)。讀入數(shù)據(jù)的指令，使狀態(tài)信息清“0”。

6.2.2查詢傳送方式

2.查詢式輸出在輸出時CPU也必須了解外設的狀態(tài)，看外設是否有空（即外設是否正處在輸出狀態(tài)，或外設的數(shù)據(jù)寄存器是空的，可以接收CPU輸出的信息），若有空，則CPU執(zhí)行輸出指令，否則就等待。

6.2.2查詢傳送方式查詢傳送方式6.2.2查詢傳送方式

在查詢傳送方式中，CPU要不斷地詢問外設，當外設沒有準備好時，CPU要等待，不能進行別的操作，這樣就浪費了CPU的時間。而且許多外設的速度是較低的，如鍵盤、打印機等等，它們輸入或輸出一個數(shù)據(jù)的速度是很慢的，在這個過程中，CPU可以執(zhí)行大量的指令。6.2.3中斷傳送方式

為了提高CPU的效率，可采用中斷的傳送方式：在輸入時，若外設的輸入數(shù)據(jù)已存入寄存器；在輸出時，若外設已把上一個數(shù)據(jù)輸出，輸出寄存器已空，由外設向CPU發(fā)出中斷請求，CPU就暫停原執(zhí)行的程序（即實現(xiàn)中斷），轉去執(zhí)行輸入或輸出操作（中斷服務），待輸入輸出操作完成后即返回，CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。這樣就可以大大提高CPU的效率，而且允許CPU與外設（甚至多個外設）同時工作。

6.2.3中斷傳送方式

中斷傳送仍是由CPU通過程序來傳送，每次要保護斷點，保護現(xiàn)場需用多條指令，每條指令要有取指和執(zhí)行時間。這對于一個高速I/O設備，以及成組交換數(shù)據(jù)的情況，例如磁盤與內(nèi)存間的信息交換，就顯得速度太慢了。所以希望用硬件在外設與內(nèi)存間直接進行數(shù)據(jù)交換（DMA），而不通過CPU，這樣數(shù)據(jù)傳送的速度的上限就取決于存儲器的工作速度。

6.2.4直接數(shù)據(jù)通道傳送方式（DMA）

通常系統(tǒng)的地址和數(shù)據(jù)總線以及一些控制信號線是由CPU管理的。在DMA方式時，就希望CPU把這些總線讓出來（即CPU連到這些總線上的線處于第三態(tài)—高阻狀態(tài)），而由DMA控制器接管，控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA是否結束，以及發(fā)出DMA結束等信號。這些都是由硬件實現(xiàn)的。6.2.4直接數(shù)據(jù)通道傳送方式（DMA）

1.DMA控制器（DMAC）的基本功能

DMAC是控制存儲器和外部設備之間直接高速地傳送數(shù)據(jù)的硬件電路，它應能取代CPU，用硬件完成各項功能。具體地是應具有如下功能：（1）能接收外設的請求，向CPU發(fā)出DMA請求信號。（2）當CPU發(fā)出DMA響應信號之后，接管對總線的控制，進入DMA方式。6.2.4直接數(shù)據(jù)通道傳送方式（DMA）

（3）能尋址存儲器，即能輸出地址信息和修改地址。（4）能向存儲器和外設發(fā)出相應的讀/寫控制信號。（5）能控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA傳送是否結束。（6）在DMA傳送結束以后，能結束DMA請求信號，釋放總線，使CPU恢復正常工作。

6.2.4直接數(shù)據(jù)通道傳送方式（DMA）

2.DMA傳送方式

（1）單字節(jié)方式：每次DMA請求只傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，每傳送完一個字節(jié)，都撤除DMA請求信號，釋放總線。

（2）字節(jié)（字符）組方式：每次DMA請求連續(xù)傳送一個數(shù)據(jù)塊，待規(guī)定長度的數(shù)據(jù)塊傳送完了以后，才撤除DMA請求，釋放總線。6.2.4直接數(shù)據(jù)通道傳送方式（DMA）總線是一種數(shù)據(jù)通道，由系統(tǒng)中各部件所共享。或者說，是在部件與部件之間、設備與設備之間傳送信息的一組公用信號線。在主控設備（部件和設備）的控制之下，將發(fā)送設備（部件和設備）發(fā)出的信息準確地傳送給某個接收設備（部件和設備）的信號通路。6.3總線技術6.3.1總線的概念

總線的特點在于其公用性，即它可同時掛接多個部件或設備。如果是某兩個部件或設備之間專用的信號連線，就不能稱之為總線。所以總線是連接計算機硬件系統(tǒng)內(nèi)多種設備的通信線路?？偩€的一個很重要的特征是傳輸媒質(zhì)由總線上的所有部件所共享，可以將計算機系統(tǒng)內(nèi)的多種部件連接到總線上。6.3.1總線的概念

通?？偩€是由多條通信路徑或線路組成的，而每一條信號線僅能傳送二進制的0或1信號。在一段時間里，一條信號線就能傳送一串的二進制信息，將幾條信號線組合在一起，這樣總線就可以在同一時間并行地傳輸二進制信息。像一個字節(jié)信息就可以通過總線中的8條信號線完成信息的傳輸。6.3.1總線的概念

計算機系統(tǒng)中含有多種總線，計算機系統(tǒng)內(nèi)各個層次之間的信息傳送就是由總線來完成的?？偩€上的任何一個部件發(fā)出的信息，計算機系統(tǒng)內(nèi)所有連接到總線上的部件都可以接收得到。但在進行信息傳輸時，每一次只能有一個叫做主控設備的部件可以利用總線給一個叫做從屬設備的部件發(fā)送信息。6.3.1總線的概念

1．主控設備（Master）主控設備是控制總線操作的一個模塊。總線主控設備一旦被確認就可以對總線進行控制，并能夠著手進行數(shù)據(jù)傳送。也就是說，如果一個模塊欲向另一個模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，它就要獲得對總線的使用權，成為總線主控設備，才可以通過總線將數(shù)據(jù)傳送給另一個設備。6.3.1總線的概念2．從屬設備（Slave）從屬設備能夠響應在總線上對數(shù)據(jù)進行傳送的請求，但總線從屬設備自己不能啟動這種在總線上進行數(shù)據(jù)傳送的請求。如果一個模塊欲接收從總線主控設備發(fā)過來的數(shù)據(jù)，首先必須獲得對總線的使用權，答應總線主控設備，發(fā)出可以收數(shù)據(jù)的響應信號。然后等待總線主控設備發(fā)出的數(shù)據(jù)，并且在控制總線的控制之下接收從數(shù)據(jù)總線上傳送過來的數(shù)據(jù)。6.3.1總線的概念

在計算機系統(tǒng)內(nèi)擁有多種總線，它們在各個層次上，為各部件之間的通信提供通路。

1.按信號性質(zhì)分除電源線外，總線按其所傳輸信號的性質(zhì)可分為三類：地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB

控制總線CB

6.3.2總線分類地址總線相對較簡單，微處理器CPU和其它總線部件作為主控模塊時其地址線都是輸出的，輸出給要尋址的從模塊，如存儲器或I/O端口等；當總線部件作為受控的從模塊時，其地址線都是輸入的，接收主模塊送來的地址信號以決定要訪問的從模塊之具體單元。數(shù)據(jù)線一般都是雙向傳輸，在主從模塊間傳送、交換數(shù)據(jù)。6.3.2總線分類

控制總線則比較復雜，即使功能相同的模塊因型號不同也有顯著差別，如不同型號的CPU其地址總線和數(shù)據(jù)總線大致相似，而控制總線卻差異較大。正是控制總線的不同特性，決定了各種模塊的不同接口特點?？刂瓶偩€的基本功能是控制存儲器及I/O讀寫操作，此外還包括中斷與DMA控制、總線判決、數(shù)據(jù)傳輸握手聯(lián)絡等。

6.3.2總線分類

2.按系統(tǒng)層次分整個計算機系統(tǒng)包含許多模塊，這些模塊功能不同、性能各異，位于系統(tǒng)的不同層次上，整個系統(tǒng)按模塊化構建，采用多總線分級結構。同一類型的總線在不同的層面上連接不同部位上的模塊，其名稱、作用、數(shù)量、電氣特性和形態(tài)各不相同，按總線連接的對象和所處系統(tǒng)的層次來分，總線有芯片級總線、系統(tǒng)總線、局部總線和外部總線。6.3.2總線分類芯片級總線：用于模塊內(nèi)芯片一級的互連，是芯片與外圍支撐芯片的連接總線。系統(tǒng)總線：連接計算機系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的主干線，是連接芯片級總線、局部總線和外部總線的紐帶。局部總線：插在系統(tǒng)總線與CPU總線之間，直接連接CPU總線與高速外設的傳輸通道。外部總線：外部總線又稱設備總線，是連接計算機與外部設備的總線。

6.3.2總線分類

3.按傳輸方式分

并行總線中的每個信號都有自己的傳輸線，所有信號并行傳送；串行總線一般只用一條或少數(shù)幾條傳輸線，信號在一條傳輸線上依次順序串行傳輸。串行總線以前通常用于連接串行設備和通信線路，多屬外部總線，傳統(tǒng)的計算機結構中多數(shù)采用并行總線；由于串行總線引腳少、功耗低，串行技術得到飛速發(fā)展

6.3.2總線分類總線上連接的設備越多，傳輸延遲就越大，尤其是當總線控制頻繁地由一個設備傳遞到另一個設備時。當聚集的總線傳輸請求接近總線容量時，總線便會成為瓶頸。通過提高總線的數(shù)據(jù)傳輸率可以緩解之，但視頻控制器、網(wǎng)絡接口等所需求的數(shù)據(jù)傳輸率增長很快，單總線解決不了傳輸瓶頸。6.3.3多總線分級結構

1.傳統(tǒng)總線結構傳統(tǒng)總線結構中，局部總線連接處理器和高速緩存，支持一個或多個高速局部設備（模塊）。高速緩存通過高速緩存控制器連接到局部總線和系統(tǒng)總線，經(jīng)系統(tǒng)總線連到所有的主存儲器模塊。將主存儲器從局部總線移到系統(tǒng)總線，可使主存儲器及I/O端口通過系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸而不影響處理器的活動。

6.3.3多總線分級結構6.3.3多總線分級結構

傳統(tǒng)總線結構還使用一個或多個擴充總線，通過擴充總線接口來緩沖系統(tǒng)總線和擴充總線上的I/O控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。與將I/O控制器直接連到系統(tǒng)總線的結構相比，該結構不僅將處理器與存儲器的通信與I/O通信隔開，從而使數(shù)據(jù)傳輸更高效，而且支持更廣泛的I/O設備，適應性更廣。

6.3.3多總線分級結構

2.高性能總線結構

6.3.3多總線分級結構

高速緩存控制器集成到連接高速總線的橋或設備緩沖器中。高速緩沖控制器經(jīng)局部總線連接處理器，經(jīng)系統(tǒng)總線連接主存儲器。

低速設備仍由擴充總線支持，經(jīng)擴充總線接口來緩沖擴充總線和高速總線之間的通信流量。連接到高速總線上的設備經(jīng)高速緩沖/橋與CPU局部總線相連，進行高速數(shù)據(jù)傳輸，6.3.3多總線分級結構

3.奔騰機分級總線結構

6.3.3多總線分級結構

圖中與微處理器直接相連的是高速主總線系統(tǒng)，其上連接有高速緩存Cache和系統(tǒng)控制邏輯。系統(tǒng)控制邏輯一般稱為“北橋”控制邏輯，上面設有AGP接口（接插顯卡，支持對圖形控制器和整個顯示的控制）、系統(tǒng)主存儲器，連到下一級的PCI局部總線等，這些模塊具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率。6.3.3多總線分級結構

PCI局部總線上連接有總線轉換控制邏輯，通常又稱“南橋”控制邏輯。南橋控制邏輯負責PCI總線接口與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸率較低接口之間的數(shù)據(jù)交換，這些接口包括IDE接口、ISA總線接口、USB接口等；另外，南橋邏輯還負責一些系統(tǒng)功能管理，包括對中斷請求的管理、DMA的傳輸控制、系統(tǒng)定時與計數(shù)等。6.3.3多總線分級結構

一個模塊占有總線進行總線操作須做兩件事：一是獲得總線的使用權；二是通過總線向另一模塊傳送數(shù)據(jù)；或者經(jīng)相應的控制線與地址線向其它模塊發(fā)送請求，然后等待接收另一模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。6.3.4總線操作

總線類似一個“公路網(wǎng)”，把系統(tǒng)內(nèi)的各個模塊連接起來。系統(tǒng)總線相當于“公路網(wǎng)”中的國道，芯片級總線相當于城市道路，局部總線相當于連接到中心城市(即CPU或主控器)的專線，外部總線相當于連接到其它“公路網(wǎng)”的道路。主控模塊要占有總線進行數(shù)據(jù)傳輸也必須先提出總線申請；當多個主控模塊同時都提出總線申請時，必須按一定規(guī)則進行仲裁。6.3.4總線操作

任何時候，只能有一個部件或模塊占據(jù)、控制、使用總線，稱之為當前主模塊或當前主控器。主模塊一旦獲得總線控制權，就開始與另一部件或模塊聯(lián)系，進行一次數(shù)據(jù)傳輸，這后一部件或模塊稱為從模塊。主模塊負責控制和支配總線，向從模塊發(fā)出命令來指定數(shù)據(jù)傳輸方式和傳輸?shù)牡刂沸畔ⅲㄔ春湍繕耍?.3.4總線操作占用總線進行數(shù)據(jù)傳輸一般要有四個階段。

總線請求和仲裁(Busrequest&Arbitration)尋址(Addressing)數(shù)據(jù)傳送(DataTransfer)結束(Ending)階段

6.3.4總線操作總線仲裁即總線判決，目的是避免多個主控器同時占用總線，確保任何時候總線上最多只有一個模塊發(fā)送信息。當多個主控模塊同時提出總線請求時，仲裁機構以一定的優(yōu)先算法裁決由哪一個模塊獲得總線使用權。

6.3.5總線仲裁

按裁決機構的設置，總線仲裁可分為集中式控制和分布式控制。集中式控制將總線控制邏輯基本上集中于一個設備，分布式控制則將總線控制邏輯分散在總線連接的各個部件或設備中。按裁決方式主要有定時查詢、串行鏈接仲裁、并行仲裁和串并仲裁等。

6.3.5總線仲裁

1.定時查詢

定時查詢方式中各模塊的總線請求信號經(jīng)一條公共的請求線向控制器發(fā)出，控制器輪流對各模塊進行測試看是否有請求。

6.3.5總線仲裁

2.串行鏈接控制串行鏈接仲裁簡稱串鏈仲裁、串行仲裁，又叫“菊花鏈”仲裁(robinDaisychaining)。該仲裁法又有二線菊花鏈、三線菊花鏈、四線菊花鏈之分。

6.3.5總線仲裁

3.并行仲裁并行仲裁又稱獨立請求仲裁(IndependentRequestArbitration)。該仲裁方式每個主控器都各自有獨立的總線請求線BR、總線允許線BG。

6.3.5總線仲裁

4.并串仲裁并串仲裁是把串行仲裁和并行仲裁結合起來的二維仲裁。

6.3.5總線仲裁總線傳輸方式即總線通信方式，俗稱總線握手方式。握手線的數(shù)目因方式不同而異，握手線以信號電平的某種變化來標明總線傳輸?shù)拈_始和結束，在主從模塊之間實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通信方式通常有四種：同步傳輸、異步傳輸、半同步傳輸和周期分裂式傳輸。

6.3.6總線傳輸方式

1.同步傳輸方式該方式的數(shù)據(jù)傳輸在一個共同的時鐘信號控制下進行，時鐘通常由時鐘發(fā)生器/驅動器發(fā)出，經(jīng)分頻電路送到總線上的所有模塊?？偩€操作有固定的時序，所有信號與時鐘的關系在時序上是固定的，主控模塊和受控模塊之間沒有其它的應答、控制信號。6.3.6總線傳輸方式

2.異步傳輸方式多數(shù)系統(tǒng)中不同模塊的數(shù)據(jù)傳輸速度差異較大，為解決同步傳輸方式的上述缺點，異步傳輸方式得到廣泛應用。異步方式又稱應答方式，數(shù)據(jù)發(fā)送部件和接收部件之間沒有公用的時鐘和固定的時間間隔，依靠相互制約的“握手”信號來協(xié)調(diào)雙方，實現(xiàn)傳輸?shù)亩〞r控制。6.3.6總線傳輸方式

3.半同步傳輸方式兼具同步與異步兩者長處而產(chǎn)生的一種混合傳輸方式。該方式中有一個共同的系統(tǒng)時鐘脈沖信號(一般由主控模塊發(fā)出)，用作各模塊部件動作的時間基準，還至少有一條握手線WAIT（等待），由受控器發(fā)給主控器。半同步傳輸方式中，慢速的模塊與快速主模塊按異步方式通信，而快速模塊與主模塊按同步方式通信，具有良好的適應性，既有同步傳輸?shù)目焖伲钟挟惒絺鬏數(shù)撵`活可靠。6.3.6總線傳輸方式

4.周期分列式總線傳輸前述三種總線傳輸方式，在整個傳輸周期中，從主控器發(fā)出地址和讀寫命令開始直到數(shù)據(jù)傳輸結束，系統(tǒng)總線完全由該主控器及其選中的受控器占用。在這整個過程中，系統(tǒng)總線并未充分利用。為了充分挖掘系統(tǒng)總線上每一瞬間潛力，遂推出了“周期分裂式”總線傳輸方式。6.3.6總線傳輸方式

周期分裂式傳輸既適應了慢速模塊(外設)的運行，又不降低系統(tǒng)整體性能。在系統(tǒng)具有多個主控模塊的情況下，它基本消除了前三種傳輸方式中所必然出現(xiàn)的空閑等待狀態(tài)，能在多個主控模塊之間實現(xiàn)信息分時交叉、并行傳輸，提高了總線的利用率。但該方式中的每個模塊都必須具有總線請求的功能，每個模塊既是主控器又是受控器，增加了模塊的邏輯復雜性。6.3.6總線傳輸方式

1.ISA總線

ISA(IndustrialStandardArchitecture)總線是IBM公司為適配PC/AT機而于1984年推出的16位系統(tǒng)總線標準，它是當初PC/XT機使用的XT總線的擴展，XT總線共62線，其插卡/插座分A、B兩面，每面31線，其中數(shù)據(jù)線寬8位，地址線寬20位。XT總線后來又稱ISA8總線。6.4微機系統(tǒng)常用總線簡介6.4.1PC第一代總線標準

2.MCA總線

MCA(MicroChannelArchitecture：微通道結構)總線是IBM公司為了適應具有32位數(shù)據(jù)處理能力的386微機而于1987年推出的真正32位總線，意在解決32位CPU處理能力和低性能的系統(tǒng)總線(8/16位)之間矛盾。MCA構思新穎，使用了許多優(yōu)于傳統(tǒng)的精巧設計，為以后總線的發(fā)展提供了有益的借鑒。

6.4.1PC第一代總線標準

3.EISA總線

為沖破IBM公司對MCA的壟斷，解決32位微機I/O瓶頸問題，以Compaq公司為首的九家兼容機制造商成立了一個“GangofNine”組織，于1989年聯(lián)合推出了擴展工業(yè)標準體系結構EISA(ExtensionIndustryStandardArchitecture)。EISA具有MCA全部功能，而且與傳統(tǒng)的ISA百分之百兼容，得到迅速推廣。

6.4.1PC第一代總線標準

4.VESA總線

VESAVL由視頻電子標準協(xié)會VESA(VideoElectronicsStandardAssociation)與六十多家顯示接口制造廠商聯(lián)合開發(fā)的一個全開放局部總線標準，一般稱VL總線，也叫VESA總線。VLBUS（VESALocalBUS）采用中介式總線結構，將總線擴展成兩個部分。

6.4.1PC第一代總線標準

PCI總線是一種開放的、不依賴于任何微處理器的先進的局部總線，速度很高，只要很少芯片就能實現(xiàn)之，因而很經(jīng)濟，而且支持把其他總線連到PCI總線上，廣泛用于Pentium(奔騰)機中。

Intel將所有PCI專利向外公開，PCI規(guī)范得到許多微處理器和外圍設備生產(chǎn)廠商的支持，不同生產(chǎn)廠商的PCI產(chǎn)品相互兼容。6.4.2第二代PCI總線

1.PCI總線PCI總線性能優(yōu)秀，特點如下：①PCI支持廣泛的基于微處理器的配置；②PCI總線與CPU異步工作；③兼容性好；④具有PnP(PlugandPlay：即插即用)功能。6.4.2第二代PCI總線

2.PCI-X總線

2004年，處理器及其前端總線頻率高達數(shù)GHz，這些都使PCI的工作頻率和帶寬無法勝任（即使PCI擴展到64位也只能提供533MB/s），再加上PCI存在IRQ共享沖突（只能支持有限數(shù)量的設備），因此HP、Compaq、IBM等公司提出了一種新的I/O接口和總線標準PCI-X（PCI-Extended：增強PCI）。6.4.2第二代PCI總線

3.

AGP高速圖形接口隨著多媒體的廣泛應用，3D紋理與幾何材質(zhì)都需要大量顯存和更高的總線帶寬，PCI已不敷應用，Intel公司于1997年在PCI基礎上推出高性能圖形總線AGP（theAccelerateGraphicsPorts加速圖形接口）以解決高速視頻顯示問題。

6.4.2第二代PCI總線AGP是專為3D顯示而開發(fā)的一種高性能的內(nèi)部互連總線，以66MHzPCI2.1規(guī)范為基礎的點對點連接。它把需要進行高速傳輸?shù)膭討B(tài)視頻、三維圖形等流媒體數(shù)據(jù)從PCI總線上分離出來，使之在圖形控制器和系統(tǒng)芯片組之間專用的點對點通道上傳輸。從根本上解決了PCI傳輸瓶頸問題，使PCI總線卸下高速顯示數(shù)據(jù)傳輸重擔而全力負責其它應用的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)各行其道，PCI和AGP相得益彰。6.4.2第二代PCI總線

①直接內(nèi)存執(zhí)行DME：允許數(shù)據(jù)量極大的3D紋理數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)內(nèi)存而不存入擁擠的幀緩沖區(qū)。②數(shù)據(jù)讀寫流水操作：允許系統(tǒng)處理圖形的控制器對內(nèi)存進行多次請求，深度流水線隱去了對內(nèi)存訪問造成的延遲；③并行操作：處理器訪問內(nèi)存的同時，顯示卡可訪問AGP存儲器，顯示帶寬不與其它設備共享。④數(shù)據(jù)傳輸率高：AGP以66MHzPCI2.1規(guī)范為基準，使用32位數(shù)據(jù)總線和雙時鐘技術。6.4.2第二代PCI總線

為提高總線帶寬、統(tǒng)一總線標準，3GIO（第三代I/O標準）總線標準PCIExpress應運而生。PCIExpress將取代PCI、AGP及各種不同內(nèi)部芯片的連接，連通所有I/O，目前，支持PCIExpress的芯片組越來越多，計算機系統(tǒng)的未來總線屬于PCIExpress。

6.4.3第三代總線標準PCI-E

傳統(tǒng)的總線技術通過提高并行傳輸?shù)奈粩?shù)來提高性能，從8位、16位、32位到64位，并行位數(shù)越多，制造難度越大，成本也越高。隨著速度的提升，針頭、接腳、線纜、布線等諸多方面很難解決同步問題，傳統(tǒng)并行總線中與數(shù)據(jù)信號同時傳輸?shù)脑赐綍r鐘信號頻率只能達到1GHz。6.4.3第三代總線標準PCI-E

PCIExpress基于串行技術，采用4根信號：2根差分信號線用于接收，2根差分信號線用于發(fā)送。信號頻率2.5GHz，采用8/10位編碼，將時鐘信號直接植入數(shù)據(jù)流中，而不是作為獨立信號傳輸。對應多種通道連接方式，設置有×1、×4、×8、×16和×32通道連接器，一個×1的連接有4根傳輸線，一個×16的連接有64根雙向數(shù)據(jù)傳輸線（16×2個差分信號對）。

6.4.3第三代總線標準PCI-E

技術特點(1)點對點互連(2)擴展靈活(3)傳輸率高(4)連接具有通用性(5)引線少、功耗低(6)支持熱插拔和即插即用PaP(7)支持兩種類型中斷6.4.3第三代總線標準PCI-E外部總線是微機系統(tǒng)之間、微機與外部設備之間的連線，外部總線通過總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上。外部總線有些是專為微型計算機外設而開發(fā)的總線標準，如IDE、SCSI等，有些是借用了其它行業(yè)的總線標準，如電子通信等行業(yè)的串行總線RS-232、并行總線IEEE-488等?，F(xiàn)在使用最廣泛的外部總線當屬USB。6.4.4外部總線

1.IDE總線(1)IDE接口智能驅動電路IDE(IntelligentDriveEquipment)總線是1984年Compaq與WD公司聯(lián)合推出的一種硬盤接口標準,也稱ATA（PC/ATAttached）端口。

大多數(shù)IDE接口和驅動器不支持DMA（直接存儲器存?。┓绞綌?shù)據(jù)傳輸，而采用PIO（編程輸入輸出）方式。6.4.4外部總線

(2)EIDE接口

為支持更大容量、更多設備和更高的傳輸速率，為與SCSI接口標準競爭，1993年WD公司推出了增強型IDE接口，即EIDE(EnhancedIDE)接口，又稱ATA-2接口。EIDE接口得到廣泛應用，Pentium主板均內(nèi)置了EIDE型接口。應用在硬盤接口上，EIDE通常采用PIO傳輸方式。EIDE接口的數(shù)據(jù)傳輸速率可達16Mbps。

6.4.4外部總線

(3)超級DMA/33超級DMA/3