北郵微機(jī)原理第六章總線技術(shù)

1第六章總線技術(shù)2本章內(nèi)容提要總線的基本知識(shí):特點(diǎn)、傳輸方式、分類、規(guī)范與指標(biāo)總線判決與握手信號(hào)PC系列微機(jī)的系統(tǒng)總線:8位PC總線、ISA、EISA、PCI微機(jī)中常用通信總線:ATA、SCSI、USB、1394總線的發(fā)展3本章作業(yè)1，2，3，4，5，12。4第一節(jié)概述5什么是總線(bus)所謂總線，就是所有模塊或設(shè)備共同使用的公共信息通路，每個(gè)模塊或設(shè)備都通過開關(guān)電路與總線上的相應(yīng)信號(hào)相連?？偩€上的模塊或設(shè)備采用分時(shí)方式，輪流交替使用總線，同一時(shí)刻只能有一個(gè)模塊向總線發(fā)送信息，允許多個(gè)模塊同時(shí)接收總線上的信息。6總線的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造；減少了傳輸線數(shù)目，便于布線，減小體積，提高了系統(tǒng)的可靠性；便于接口設(shè)計(jì)，所有與總線連接的設(shè)備均采用類似接口；便于系統(tǒng)擴(kuò)充、更新與靈活配置，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化；便于設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)，所有接口的軟件就是對(duì)不同的口地址進(jìn)行操作；便于故障診斷與維修，同時(shí)也降低了成本。7缺點(diǎn)部件或設(shè)備間信息傳輸率受總線帶寬的限制帶寬已定，無法改變；總線一旦出現(xiàn)故障，則依賴該總線的系統(tǒng)會(huì)陷于癱瘓?？偩€上個(gè)別設(shè)備的故障，會(huì)影響其他設(shè)備和系統(tǒng)的工作。8總線的分類按總線層次分，有片內(nèi)總線，片間總線，板內(nèi)總線，全局總線，局部總線，背板總線，內(nèi)部總線和外部總線等。按傳輸信息的形式分，有并行總線和串行總線等。按信息線的功能分，有地址、數(shù)據(jù)、控制總線等；控制總線包括:Memory與I/O控制信號(hào)，總線請(qǐng)求、裁決、響應(yīng)等，中斷請(qǐng)求、響應(yīng)等。9總線分類系統(tǒng)總線: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(hào)線。如:ISA、VME、PCI等。局部總線:介于CPU總線和系統(tǒng)總線之間。具有高速傳輸數(shù)據(jù)的能力。分為:專用局部總線VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation)總線AGP總線通信總線，也稱為設(shè)備總線或外總線，系統(tǒng)之間或系統(tǒng)與外設(shè)之間進(jìn)行連接和傳輸信息的一組信號(hào)線。如:RS232、USB接口等10總線的層次結(jié)構(gòu)11總線的組成數(shù)據(jù)總線:用于傳輸數(shù)據(jù)，雙向三態(tài)。寬度有8位、16位、32位、64位等地址總線:用于傳輸?shù)刂罚瑔蜗蛉龖B(tài)。寬度有8位、16位、24位、32位等控制總線:用于傳輸控制和狀態(tài)信息。電源和地線:確定電源種類及地線分布和用法。有12V、5V、3.3V等12總線的標(biāo)準(zhǔn)化和總線規(guī)范總線標(biāo)準(zhǔn)化可以達(dá)到:部件或模塊的兼容性和互換性；保護(hù)用戶的投資，與總線兼容的模塊仍可使用?？偩€規(guī)范規(guī)定以下內(nèi)容:功能方面:規(guī)定總線的應(yīng)用范圍，目標(biāo)，總線部件的構(gòu)成、性能，總線傳輸過程以及錯(cuò)誤恢復(fù)等。電氣性能:規(guī)定在電氣性能上的基本要求，如工作電平、速度、基本時(shí)序，信號(hào)之間的延時(shí)要求等。機(jī)械性能:規(guī)定了連接器的機(jī)械規(guī)范，如尺寸、插頭大小、形狀等。任選性能:描述了總線的選擇實(shí)現(xiàn)的功能(不是必需的)。13總線的性能指標(biāo)總線傳輸速率:在總線上每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)(MB/s)或比特?cái)?shù)Mb/s)。總線寬度:數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，如8位/16位/32位/64位等?？偩€越寬，傳輸速度就越快，即數(shù)據(jù)吞吐量就越大?？偩€的時(shí)鐘頻率:總線工作頻率。是影響總線傳輸速率的主要因素之一。如:ISA(8MHz)，PCI(0~33MHz)等。串行總線的情況14總線的特征總線定時(shí)方式(總線同步方式):即總線上采用同步還是異步定時(shí)。取決于兩個(gè)模塊間約定的協(xié)議。有同步、異步、半同步和分離式協(xié)議?？偩€仲裁方式同步:同步:嚴(yán)格按系統(tǒng)時(shí)鐘的定時(shí)進(jìn)行主、從模塊之間的傳輸操作。異步:采用應(yīng)答式傳輸技術(shù)，傳輸周期可能較長(zhǎng)。傳輸速率較慢。15總線的其他特征多路復(fù)用:地址線和數(shù)據(jù)線共用一組物理線負(fù)載能力:可簡(jiǎn)單的表示為所連接的電路插板的數(shù)量信號(hào)線數(shù)總線控制方式:包括中斷分配方式，設(shè)備自動(dòng)配置等其他性能:電源電壓(5V或3.3V)，數(shù)據(jù)寬度能否擴(kuò)展等。16第二節(jié)總線裁決與握手技術(shù)17總線的關(guān)鍵問題仲裁握手18總線傳輸過程總線主設(shè)備(主模塊):指能獲得總線控制權(quán)的設(shè)備，并啟動(dòng)和控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)出地址和讀/寫控制命令。如CPU、DMA控制器，其他外圍處理器(IO處理器、協(xié)處理器等)?？偩€從設(shè)備(從模塊):指不具備總線控制能力的設(shè)備，但能對(duì)主設(shè)備提出的數(shù)據(jù)請(qǐng)求作出響應(yīng)，接受主設(shè)備發(fā)出的地址和讀寫命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。如內(nèi)存、I/O接口。

19總線傳輸過程總線數(shù)據(jù)傳輸周期:總線上的數(shù)據(jù)傳輸是在主模塊的控制下進(jìn)行的，總線完成一次數(shù)據(jù)傳輸分為4個(gè)階段:申請(qǐng)階段:欲使用總線的主模塊提出申請(qǐng)，總線仲裁器確定把下一個(gè)傳輸周期的總線使用權(quán)指配給那個(gè)模塊。尋址階段:獲得總線使用權(quán)的主模塊發(fā)出存儲(chǔ)器地址或I/O端口地址，使從模塊啟動(dòng)。數(shù)據(jù)傳輸階段:主模塊和從模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)束階段:主從模塊的有關(guān)信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線。20總線仲裁技術(shù)若一個(gè)總線上有多個(gè)主設(shè)備時(shí)，就需要總線裁決器進(jìn)行裁決，判定由哪個(gè)主設(shè)備來控制總線，以免發(fā)生總線沖突。裁決對(duì)串行、并行總線又有不同的方法。對(duì)并行總線，有集中仲裁和分布仲裁對(duì)串行總線，有令牌總線和沖突檢測(cè)裁決21并行總線的仲裁集中仲裁:存在一個(gè)中央仲裁器，完成仲裁功能。分為串行裁決與并行裁決兩種串行裁決有菊花鏈?zhǔn)胶陀?jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式菊花鏈?zhǔn)?BG(BusGrant)信號(hào)以串行方式向下傳遞進(jìn)行裁決。離總線仲裁器越近的部件優(yōu)先級(jí)越高。22菊花鏈BR(Busrequest):總線請(qǐng)求信號(hào)，BR有效說明至少有一個(gè)部件正在申請(qǐng)總線使用權(quán)。BB(BusBusy):總線忙信號(hào)，BB有效說明總線正被占用。電路簡(jiǎn)單，便于增減總線設(shè)備。仲裁速度慢，優(yōu)先級(jí)不能改變。23計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式不使用BG信號(hào)線，但需用地址總線。若總線上有N個(gè)部件，則在總線仲裁部件內(nèi)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以從0計(jì)數(shù)至N-1,每個(gè)值對(duì)應(yīng)一個(gè)部件。不論哪個(gè)部件要使用總線，均通過BR提出申請(qǐng)。控制部件通過地址總線定時(shí)送出計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。提出申請(qǐng)的部件檢查地址總線，若發(fā)現(xiàn)其上的值與自己的編號(hào)相等，則取得總線使用權(quán)，并通過置BB有效通知控制部件。若控制部件在一定時(shí)間內(nèi)未收到BB有效，則令計(jì)數(shù)器加1或減1，發(fā)下一個(gè)地址。計(jì)數(shù)器的值可由軟件設(shè)置，故優(yōu)先級(jí)控制非常靈活。24集中仲裁的并行裁決并行裁決(獨(dú)立請(qǐng)求方式):

各主設(shè)備使用總線要經(jīng)過中央仲裁器裁決。所謂獨(dú)立請(qǐng)求，即:每個(gè)部件均有自己的BRi與BGi信號(hào)線直接送至中央裁決器。BRi與BGi都是專線而非總線形式傳遞信息。如下圖:25并行裁決優(yōu)點(diǎn):裁決速度快，能用軟件靈活控制。缺點(diǎn):電路復(fù)雜，不易增加設(shè)備。26分布仲裁分布仲裁:與集中仲裁不同，分布仲裁的仲裁器是分布于各個(gè)主設(shè)備中，沒有獨(dú)立的中央仲裁器。每個(gè)申請(qǐng)總線的主設(shè)備都通過該主設(shè)備的分布總線仲裁部件將其優(yōu)先級(jí)編號(hào)送到共享的請(qǐng)求/響應(yīng)線上，并通過該組信號(hào)線執(zhí)行線或操作。

該方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，控制靈活，可靠性高。27分布仲裁圖6.5分布仲裁方式主設(shè)備Xn位優(yōu)先級(jí)編碼主設(shè)備X的分布仲裁機(jī)構(gòu)n位總線請(qǐng)求/響應(yīng)信號(hào)線BGBB28串行總線的仲裁沖突檢測(cè):某一主設(shè)備監(jiān)測(cè)到總線空閑時(shí)就可使用總線。當(dāng)發(fā)生沖突后系統(tǒng)立即強(qiáng)制所有使用總線的主設(shè)備放棄總線，經(jīng)過一段時(shí)間間隔再進(jìn)行重試。適合于主設(shè)備較少的場(chǎng)合。令牌總線:令牌方式是一種不會(huì)發(fā)生總線沖突的方式。令牌向下一個(gè)主設(shè)備傳遞，沒有取得令牌的主設(shè)備，就沒有總線占有權(quán)。獲得令牌的主設(shè)備只能進(jìn)行一次總線傳輸。缺點(diǎn)是裁決速度慢。29總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈帐旨夹g(shù)總線上數(shù)據(jù)為了高速可靠的進(jìn)行傳輸，必須有某種總線聯(lián)絡(luò)(握手)技術(shù)?？偩€傳輸有以下四種握手方式:同步方式異步方式半同步方式分離方式30同步方式傳輸周期(即總線周期)是固定的，總線上的主、從設(shè)備在同一時(shí)鐘的控制下進(jìn)行傳送。例如:CPU與內(nèi)存(不插入TW)等特點(diǎn)適合高速傳輸便于電路設(shè)計(jì)適應(yīng)性不好31異步方式采用應(yīng)答式傳輸方式。使用請(qǐng)求線(REQ)和應(yīng)答線(ACK)來協(xié)調(diào)傳輸過程不依賴系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)有幾種形式:全互鎖、半互鎖、非互鎖特點(diǎn)高速模塊可高速傳送，低速模塊可低速傳送應(yīng)答關(guān)系是互鎖的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔皇枪潭ú蛔兊挠辛己玫倪m應(yīng)性32半同步方式是前兩種方式的折衷。有同步時(shí)鐘，但傳輸周期(總線周期)可變。增加一條信號(hào)線(如Ready)，主設(shè)備監(jiān)視該信號(hào)線了解選中的從設(shè)備是否準(zhǔn)備好，否則插入等待狀態(tài)，延長(zhǎng)傳送周期。例如:ISA總線,PCI等特點(diǎn)適應(yīng)性好兼有同步方式的速度33分離方式將傳輸周期(總線周期)分成兩個(gè)子周期子周期1:主模塊發(fā)出地址、控制命令(讀或?qū)?。主模塊釋放總線，供其他模塊使用子周期2:從模塊準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，申請(qǐng)總線，獲準(zhǔn)后將數(shù)據(jù)回送主模塊多使用在小型機(jī)系統(tǒng)中特點(diǎn)提高總線的利用率適用于多個(gè)主模塊的系統(tǒng)34第三節(jié)

PC系列微機(jī)的系統(tǒng)總線35PC機(jī)常用總線PC系列微機(jī)的總線有ISA、EISA、PCI和SCSI、ATA、USB、1394等。其中ISA和EISA為系統(tǒng)總線，PCI是局部總線(內(nèi)部總線)，其他的是外部總線。在進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)，要仔細(xì)了解總線信號(hào)功能，總線時(shí)序，驅(qū)動(dòng)能力等。要求了解PC系列微機(jī)中各種總線的主要特點(diǎn)，應(yīng)用范圍。下面主要介紹ISA、PCI、ATA、SCSI、USB、1394等6種總線。36PC/XT總線PC/XT總線是最早的PC機(jī)中用的8位總線?？偩€信號(hào)為62條，有A、B兩面插槽，雙邊鍍金接點(diǎn)。A面31線(元件面)，B面31線(焊接面)。20位地址線，尋址1MB空間。數(shù)據(jù)總線寬度:8位。I/O地址空間:0100H-03FFH總線工作頻率4MHz，數(shù)據(jù)傳輸率4MB/s仲裁方式:集中仲裁中斷功能(8級(jí))，DMA通道功能(4個(gè))PC/AT總線(即ISA總線):擴(kuò)充了36條引腳，成為98條信號(hào)線。36條也分為兩面，C面(元件面，18條)，D面(焊接面，18條)。37ISA總線ISA(IndustryStandardArchitecture)總線也稱為AT總線8/16位數(shù)據(jù)線24位地址線，尋址16MB空間I/O地址空間0100H-03FFH最高工作頻率8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率16MB/s中斷功能(15)DMA通道功能(7)由62線的PC總線插槽再擴(kuò)展36線插槽形成38ISA總線的定義96條線分為5類:地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、時(shí)鐘線、電源線地址線:SA0~SA19和LA17~LA23，后者為非鎖存信號(hào)數(shù)據(jù)線:SD0~SD7、SD8~SD15控制線:AEN、BALE、IOR、IOW、SMEMR、SMEMW、MEMR、MEMW、MEMCS16、I/OCS16、SBHE、IRQ3~IRQ7、IRQ10~IRQ15、DRQ0~DRQ3、DRQ5~DRQ7、DACK0~DACK3、DACK5~DACK7、T/C、MASTER、RESETDRV、I/OCHCK、I/OCHRDY、NOWS時(shí)鐘線:CLK(ISA總線更名為:SYSCLK)電源、地線等(+5VDC和GND)39ISA總線的主要控制信號(hào)AEN:地址允許，輸出。AEN=1:DMAC控制總線。BALE:總線地址鎖存允許，輸出。IOR,IOW:I/O讀與寫。SMEMR,SMEMW:標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器讀/寫。(PC/XT)MEMR，MEMW:對(duì)整個(gè)內(nèi)存空間內(nèi)任一地址的讀/寫。MEMCS16,IOCS16:16位內(nèi)存片選和16位I/O片選。SBHE:系統(tǒng)總線高字節(jié)允許。IRQ3~IRQ7,IRQ10~IRQ15:中斷請(qǐng)求信號(hào)。(主片與從片的8259A輸入)40ISA總線的主要控制信號(hào)DRQ0~DRQ7:DMA請(qǐng)求信號(hào)。分為兩片。DACK0~DACK7:DMA響應(yīng)信號(hào)。同樣分為兩片。T/C:由DMAC送出，表明某一DMA通道傳送已經(jīng)結(jié)束。MASTER:總線主控信號(hào)，輸入；表明該設(shè)備控制總線。RESETDRV:復(fù)位驅(qū)動(dòng)，輸出；表明上電復(fù)位。I/OCHCK:I/O通道檢查，輸入；故障報(bào)告(用NMI)。I/OCHRDY:I/O通道就緒，輸入；用于周期延長(zhǎng)。NOWS:零等待，輸入；通知CPU不需附加任何等待周期。41ISA總線8位訪問42ISA16位訪問43EISA總線EISA(ExtendedISA)總線:為了與IBM設(shè)計(jì)的微通道結(jié)構(gòu)MCA(非開放的)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，以Compaq為首的兼容廠家提出的向后兼容的開放標(biāo)準(zhǔn)8位、16位、32位數(shù)據(jù)寬度32位地址，可尋址4GB空間工作頻率8.3MHz數(shù)據(jù)傳輸率33MB/sEISA總線插槽分為上下兩層，與ISA兼容44EISA總線插槽45EISA新增加信號(hào)線D16~D31:新增加的數(shù)據(jù)線BE0~BE3:字節(jié)允許信號(hào)，指明當(dāng)前總線周期傳送4個(gè)字節(jié)中的哪個(gè)字節(jié)LA2~LA16，LA17~LA31:新的地址線，沒有鎖存M/IO:用于區(qū)分EISA的訪存周期和I/O周期46EISA新增加信號(hào)線START:指明EISA總線周期的開始CMD:總線周期中命令的定時(shí)控制MSBURST:主設(shè)備用此信號(hào)指明它具有能力完成突發(fā)式周期SLBURST:從設(shè)備用此信號(hào)向主設(shè)備表明它支持突發(fā)式周期

47EISA新增加信號(hào)線EX32，EX16:低電平周期指明從控是一塊EISA板，可分別支持32位或16位周期。如果在一周期開始前，這兩個(gè)信號(hào)均為高電平，則總線按ISA規(guī)范工作EXRDY:一個(gè)從控用來在總線周期中插入等待狀態(tài)MREQn:第n號(hào)主控請(qǐng)求總線的信號(hào)MAKn:第n號(hào)主控已接管總線LOCK:封鎖信號(hào)，主控用此信號(hào)排斥其他主控對(duì)存儲(chǔ)器的存取48PCI總線PCI總線(PeripheralComponentInterconnect):外部部件互聯(lián)總線，該總線由PCI專門權(quán)益組織負(fù)責(zé)制定。它是一種不依賴微處理器的局部總線。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:PeripheralComponentInterconnect

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Group(外圍部件互連專業(yè)組織)，簡(jiǎn)稱PCISIG。PCI是一種先進(jìn)的局部總線，已成為局部總線的新標(biāo)準(zhǔn)。49局部總線從結(jié)構(gòu)上看，局部總線是在ISA總線和CPU總線之間插入一級(jí)總線。由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號(hào)緩沖，使之能支持多個(gè)外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。高速外設(shè)，如圖形卡、硬盤控制器等可從ISA總線上卸下而通過局部總線直接掛接到CPU總線上，使之與高速的CPU總線相匹配。50PCI總線特點(diǎn)總線時(shí)鐘頻率33.3MHz/66.6MHz總線寬度32位，可擴(kuò)充到64位最大數(shù)據(jù)傳輸率133MB/s(266MB/s)支持64位尋址時(shí)鐘同步方式能自動(dòng)識(shí)別外設(shè)適應(yīng)5V和3.3V電源環(huán)境兼容性好，獨(dú)立于CPU。PCI插卡可插到不同主頻的主機(jī)中51PCI總線特點(diǎn)自動(dòng)配置:即插即用(PNP)，PlugandPlay。PCI插卡上有256字節(jié)的不揮發(fā)存儲(chǔ)器，存放配置信息。系統(tǒng)根據(jù)此信息分配存儲(chǔ)器地址、端口地址、中斷號(hào)等，無須手工設(shè)置開關(guān)及跳線采用隱含的中央仲裁系統(tǒng)采用多路復(fù)用方式(地址線和數(shù)據(jù)線)減少了引腳數(shù)完全的多總線主控能力提供地址和數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)52PCI總線體系結(jié)構(gòu)53PCI總線體系結(jié)構(gòu)PCI總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，說明如下:處理器總線(第一級(jí)總線)提供的高速數(shù)據(jù)通道一般給CPU、Cache和主存使用。PCI橋路(北橋)，用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)PCI總線所需的全部控制。CPU總線和PCI總線之間的控制芯片習(xí)慣上稱為北橋芯片。南橋，PCI總線可以掛接其他標(biāo)準(zhǔn)總線的控制器電路。它將PCI總線轉(zhuǎn)換成其他標(biāo)準(zhǔn)總線，如ISA、EISA、MCA、VL等。PCI-PCI橋路，PCI總線的驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，可采用多級(jí)PCI總線擴(kuò)展PCI結(jié)構(gòu)。54PCI總線信號(hào)定義信號(hào)線總數(shù)為120條，包括電源、地、保留信號(hào)線等，所定義的信號(hào)線分為兩類:必備信號(hào)線:主設(shè)備49條，從設(shè)備47條可選信號(hào)線:51條，用于64位擴(kuò)展、中斷請(qǐng)求、高速緩存支持等55PCI總線信號(hào)定義56PCI主要信號(hào)AD[31:00]:復(fù)用的數(shù)據(jù)/地址信號(hào)。C/BE[3:0]#:總線操作命令/字節(jié)使能。FRAME#:總線幀同步。IRDY#:主控設(shè)備就緒。TRDY#:從設(shè)備就緒。DEVSEL#:從設(shè)備選中。IDSEL:初始化設(shè)備選擇。REQ#:總線請(qǐng)求。GNT#:總線允許。57PCI總線操作命令(C/BE[3:0])0000:InterruptAcknowledge0001:SpecialCycle0010:I/ORead0011:I/OWrite0100:Reserved0101:Reserved0110:MemoryRead0111:MemoryWrite1000:Reserved1001:Reserved1010:ConfigurationRead1011:ConfigurationWrite1100:MemoryReadMultiple1101:DualAddressCycle1110:MemoryReadLine1111:MemoryWriteandInvalidate58PCI讀操作59PCI寫操作60PnP和PCI配置工作原理:單獨(dú)的配置操作，設(shè)置工作參數(shù)，如板卡地址、中斷號(hào)等。獨(dú)立選擇信號(hào):IDSEL特殊的AD信號(hào)格式61PCI配置讀操作62PCI配置空間配置空間或配置寄存器256字節(jié)，分為64字節(jié)頭部區(qū)和192字節(jié)設(shè)備區(qū)包含ID、類型、狀態(tài)、地址、中斷等信息6364PCIBIOSPCIBIOS:所有針對(duì)PCI的配置操作都需要通過一個(gè)平臺(tái)無關(guān)的接口來進(jìn)行。它可以在BIOS中實(shí)現(xiàn)，也可以在操作系統(tǒng)的硬件抽象層中實(shí)現(xiàn)。確定系統(tǒng)中存在的PCI總線的范圍查找某一個(gè)指定的PCI設(shè)備或某一類PCI設(shè)備允許調(diào)用者獲得PCI中斷路由并向設(shè)備分配一個(gè)中斷線允許調(diào)用者讀寫配置空間65PCI仲裁66第四節(jié)

微機(jī)中常用的其他總線67PC/104總線嵌入式PC機(jī)、功耗低、體積小有兩個(gè)總線插頭，共104腳P1:64腳P2:40腳在硬件軟件上與ISA總線標(biāo)準(zhǔn)完全兼容具有多種模塊:CPU模塊、顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等便于開發(fā)68PC104的基本尺寸90mm×96mm69PC104總線插板組裝圖70STD總線是一種工業(yè)控制上使用的標(biāo)準(zhǔn)，采用公共母板(如下圖所示)與標(biāo)準(zhǔn)插板(模塊)結(jié)構(gòu)模塊種類很多:CPU模塊、存儲(chǔ)器模塊、A/D模塊、D/A模塊、顯示模塊等插板尺寸為165.1x114.3mm71STD總線電源線:1~6、53~56數(shù)據(jù)總線:7~14，8位數(shù)據(jù)線地址總線:15~30，20位地址線控制總線:31~5272第五節(jié)

微機(jī)中常用的通信總線73通信總線的特點(diǎn)目的是通信，而不是系統(tǒng)的構(gòu)造和控制具有數(shù)據(jù)通道一般沒有地址部分，而是通過數(shù)據(jù)通道中的特定信息、格式或協(xié)議指明接收者很少或沒有控制線總線上的設(shè)備一般會(huì)有一個(gè)“編號(hào)”，或者說“地址”，但意義與前面的系統(tǒng)總線地址不同74通用串行總線(USB)PC歷史上最成功的標(biāo)準(zhǔn)。USB(UniversalSerialBus):是計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備連接的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)連接端口各有各自不同的接頭USB可以將所有支持USB規(guī)范的外圍設(shè)備以相同的方式直接連接起來，達(dá)到通用的目標(biāo)75USB版本早在1994年，Intel、Digital、IBM、Microsoft、NEC等幾家世界著名的計(jì)算機(jī)和通訊公司成立了USB論壇；并到了1995年11月正式制定了USB0.9通用串行總線規(guī)范。USB設(shè)備有熱插拔、無需電源插座、同時(shí)支持最多127個(gè)設(shè)備串聯(lián)等優(yōu)勢(shì)。1996年USB1.1標(biāo)準(zhǔn)只有12Mbps的傳輸率。因此新的USB2.0規(guī)格被提到Intel的日程上來。新的USB2.0的規(guī)格有480Mbps。76USB緣起計(jì)算機(jī)與電話之間的連接顯然用計(jì)算機(jī)和通信的融合將是下一代生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于目前產(chǎn)業(yè)間的相互獨(dú)立發(fā)展，尚未建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。易用性PC機(jī)的改裝是極不靈活的。以終端用戶的眼光來看，PC機(jī)的輸入/輸出，如串行/并行端口、鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿接口等，均沒有達(dá)到即插即用的特性。端口擴(kuò)充外圍設(shè)備的添加總是被相當(dāng)有限的端口數(shù)目限制著。缺少一個(gè)雙向、價(jià)廉、與外設(shè)連接的中低速的總線，限制了外圍設(shè)備(諸如電話/電傳/調(diào)制解調(diào)器的適配器、掃描儀、鍵盤、PDA)的開發(fā)。77USB設(shè)計(jì)目標(biāo)易于擴(kuò)充多個(gè)外圍設(shè)備；價(jià)格低廉，且支持12Mbps的數(shù)據(jù)傳輸；對(duì)聲音音頻和壓縮視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的充分支持；協(xié)議靈活，綜合了同步和異步數(shù)據(jù)傳輸；兼容了不同設(shè)備的技術(shù)；綜合了不同PC機(jī)的結(jié)構(gòu)和體系特點(diǎn)；提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，廣泛接納各種設(shè)備；賦予PC機(jī)新的功能，使之可以接納許多新設(shè)備78USB目標(biāo)應(yīng)用79USB特色易用性為接纜和連接頭提供了單一模型；電氣特性與端點(diǎn)無關(guān)；自我檢測(cè)外設(shè)，自動(dòng)地進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)、設(shè)置；動(dòng)態(tài)連接，動(dòng)態(tài)重置的外設(shè)。80USB特色廣泛的適用性適應(yīng)不同設(shè)備，傳輸速率從幾千比特率到幾十兆比特率；在同一線上支持同步、異步兩種傳輸模式；支持對(duì)多個(gè)設(shè)備的同時(shí)操作；可同時(shí)操作127個(gè)物理設(shè)備；在主機(jī)和設(shè)備之間可以傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)和信息流；支持多功能的設(shè)備；很低的通信開銷，提高了總線利用率。81USB特色靈活性支持多種長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包，允許對(duì)設(shè)備緩沖器大小的選擇；通過指定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小和執(zhí)行時(shí)間，支持各種數(shù)據(jù)傳輸率；通過協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩沖處理。健壯性出錯(cuò)處理/差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制在協(xié)議中使用；對(duì)用戶感覺而言，熱插拔是完全實(shí)時(shí)的；可以對(duì)有缺陷設(shè)備進(jìn)行認(rèn)定。82USB特色與PC產(chǎn)業(yè)的一致性協(xié)議的易實(shí)現(xiàn)性和完整性；與PC機(jī)的即插即用的體系結(jié)構(gòu)的一致；對(duì)現(xiàn)存操作系統(tǒng)接口的良好銜接。價(jià)廉物美以低廉的價(jià)格提供1.5Mbps的子通道；將外設(shè)和主機(jī)硬件進(jìn)行了最優(yōu)化的集成；促進(jìn)了低價(jià)格的外設(shè)的發(fā)展；廉價(jià)的電纜和連接頭；運(yùn)用了商業(yè)技術(shù)。83USB體系結(jié)構(gòu)一個(gè)USB系統(tǒng)主要被定義為三個(gè)部分：USB的互連(interconnect)；USB的設(shè)備(device)；USB的主機(jī)(host)。84USB的互連USB的互連是指USB設(shè)備及主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的方式，主要包括以下幾方面：總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式；內(nèi)部層次關(guān)系：根據(jù)性能，USB的任務(wù)被分配到系統(tǒng)的每一個(gè)層次；數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過USB從產(chǎn)生方到使用方的流動(dòng)方式；USB的調(diào)度：USB提供了一個(gè)共享的連接。對(duì)可以使用的連接進(jìn)行了調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，并且避免仲裁的開銷。85USB的主機(jī)在任何USB系統(tǒng)中，只有一個(gè)主機(jī)。USB和宿主系統(tǒng)的接口稱作主機(jī)控制器，主機(jī)控制器可由硬件、固件和軟件綜合實(shí)現(xiàn)。根集線器是由主機(jī)系統(tǒng)整合的，用以提供更多的連接點(diǎn)。86USB的設(shè)備USB設(shè)備:集線器(HUB)，向USB提供了更多的連接點(diǎn);功能部件(FUNCTION)：為系統(tǒng)提供具體功能，如ISDN的連接，數(shù)字的游戲桿或揚(yáng)聲器。USB設(shè)備通過對(duì)幾個(gè)方面的定義，描述其接口:對(duì)USB協(xié)議的運(yùn)用；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)USB操作的反饋，如設(shè)置和復(fù)位；標(biāo)準(zhǔn)性能的描述性信息；87USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)88USB邏輯拓?fù)?9數(shù)據(jù)交換USB的數(shù)據(jù)傳送是在主機(jī)軟件和一個(gè)USB設(shè)備的指定端點(diǎn)之間。這種主機(jī)軟件和USB設(shè)備的端點(diǎn)間的聯(lián)系稱作管道(PIPE)。數(shù)據(jù)和控制信號(hào)在主機(jī)和USB設(shè)備間的交換存在兩種管道：?jiǎn)蜗蚝碗p向。總的來說，各管道之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)是相互獨(dú)立的。一個(gè)指定的USB設(shè)備可有許多管道。例如，一個(gè)USB設(shè)備存在一個(gè)端點(diǎn)，可建立一個(gè)向其它USB設(shè)備的點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的通道，也可建立一個(gè)從其它USB設(shè)備的端點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的通道。90USB帶寬USB的帶寬分配給各個(gè)管道。當(dāng)一個(gè)通道建立后，USB就分配給它一定的帶寬。USB設(shè)備需要提供一些數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。若USB提供了更多帶寬，則需更多的緩沖區(qū)。91數(shù)據(jù)流類型USB的體系包含四種基本的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制數(shù)據(jù)傳送:在設(shè)備初始化時(shí)用來對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，還可對(duì)指定設(shè)備進(jìn)行控制，如管道控制；批量數(shù)據(jù)傳送:大批量產(chǎn)生并使用的數(shù)據(jù)，在傳輸約束下，具有很廣的動(dòng)態(tài)范圍；中斷數(shù)據(jù)傳送:少量、不規(guī)律、有一定時(shí)間要求的數(shù)據(jù)；同步數(shù)據(jù)的傳送:實(shí)時(shí)和連續(xù)的數(shù)據(jù)對(duì)于任何確定的設(shè)備進(jìn)行設(shè)置時(shí)一條管道只能支持上述一種方式的數(shù)據(jù)傳輸92USBHUB設(shè)備主要分為兩類:集線器和功能部件。只有集線器可以提供更多的USB的連接點(diǎn)，功能部件為主機(jī)提供了具體的功能。集線器在即插即用的USB的結(jié)構(gòu)體系中，集線器是一種重要設(shè)備。集線器極大簡(jiǎn)化了USB的互連復(fù)雜性，而且以很低的價(jià)格和高易用性提供了設(shè)備的健壯性。每個(gè)集線器的上游端口向主機(jī)方向進(jìn)行連接。每個(gè)集線器的下游端口允許連接另外的集線器或功能部件，集線器可檢測(cè)每個(gè)下游端口的設(shè)備的安裝或拆卸，并可對(duì)下游端口的設(shè)備分配能源，每個(gè)下游端口都具有獨(dú)立的能力，不論高速或低速設(shè)備均可連接。集線器可將低速和高速端口的信號(hào)分開。93HUB示意圖94HUB的構(gòu)成一個(gè)集線器包括兩部分功能:控制器(Controller)和轉(zhuǎn)接器(Repeater)?？刂破魈峁┝私涌诩拇嫫鳎糜谂c主機(jī)之間的通信。集線器允許主機(jī)對(duì)其特定狀態(tài)和控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，并監(jiān)視和控制其端口。轉(zhuǎn)接器是一種在上游端口和下游端口之間的協(xié)議控制開關(guān)，而且硬件上支持復(fù)位、掛起、喚醒的信號(hào)。95功能部件功能部件是一種通過總線發(fā)送、接收數(shù)據(jù)和控制信息的USB設(shè)備，通過一根電纜連接在集線器的某個(gè)端口上。功能設(shè)備一般是相互無關(guān)的。一個(gè)物理單元中可以有多個(gè)功能部件和一個(gè)內(nèi)置集線器，使用同一根USB電纜，這通常被稱為復(fù)合設(shè)備，即一個(gè)集線器連向主機(jī)，并有一個(gè)或多個(gè)不可拆卸的USB設(shè)備連在其上。每個(gè)功能設(shè)備都包含設(shè)置信息，來描述該設(shè)備的性能和所需資源。主機(jī)要在功能部件使用前對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置信息包括USB帶寬分配，選擇設(shè)備的設(shè)置信息等。96USB主機(jī):硬件和軟件USB的主機(jī)與USB設(shè)備進(jìn)行交互。主機(jī)功能如下：檢測(cè)USB設(shè)備的安裝和拆卸，分配USB地址；管理在主機(jī)和USB設(shè)備之間的控制流；收集狀態(tài)和動(dòng)作信息；給連接的USB設(shè)備提供能量。97USBHOST主機(jī)上USB的系統(tǒng)軟件管理USB設(shè)備和主機(jī)上該設(shè)備軟件之間的相互交互，USB系統(tǒng)軟件與設(shè)備軟件間有以下交互：設(shè)備編號(hào)和設(shè)置；同步數(shù)據(jù)傳輸；異步數(shù)據(jù)傳輸；電源管理設(shè)備和總線管理信息。98USB物理連接99100報(bào)文格式101一次USB通信過程102USB網(wǎng)絡(luò)線103有源4口HUB1044口高速USB2.0HUB105無源4口HUB106PCI轉(zhuǎn)USB2.0卡107ATA系列總線ATA系列總線包括ATA-1、ATA-2、UltraATAATA又稱為IDE(IntegratedDeviceElectronics)接口，即集成設(shè)備電子部件接口，它是Compaq、Digital等公司于1989年推出的標(biāo)準(zhǔn)總線接口。ATA把盤體與控制器集成在一起，從而減少了硬盤接口的電纜線數(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；同時(shí)也有利于硬盤容量的提高和各廠商的硬盤產(chǎn)品的相互兼容。此后IDE接口被正式定名為ATA-1(ATbusAttachment)。108ATA-2IDE采用40芯扁平電纜連接，主要是16位數(shù)據(jù)線和少量控制線。其總線信號(hào)基本上是將AT總線上的信號(hào)作必要的處理后送給硬盤驅(qū)動(dòng)器。數(shù)據(jù)傳輸率僅有3.3MB/s。ATA-2/EIDE接口標(biāo)準(zhǔn):EIDE為IDE增強(qiáng)型接口，又稱為ATA-2。它不僅支持硬盤，而且支持其他外設(shè)(如磁帶機(jī)和CD-ROM)。IDE支持三種PIO傳輸模式，EIDE又增加了兩種PIO模式和兩種DMA傳輸模式。DMA方式由DMAC來管理硬盤與總線上的數(shù)據(jù)傳輸，不需CPU的干預(yù)，提高了系統(tǒng)性能。其最高傳輸率為16.7MB/s。109UltraDMA33(ATA-4)UltraDMA33(ATA-4):是一種新的同步DMA(synchronousDMA)協(xié)議，由Intel所設(shè)計(jì)。該功能已經(jīng)包含在Intel的PIIX4芯片中。傳統(tǒng)IDE的傳輸只會(huì)使用數(shù)據(jù)觸發(fā)信號(hào)的單邊來傳輸數(shù)據(jù)。而UltraDMA33當(dāng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用數(shù)據(jù)觸發(fā)信號(hào)的兩邊，因此在ATA-2設(shè)備上，數(shù)據(jù)傳送的速度可以由16.7MB/s提升至33MB/s。110UltraDMA33UltraDMA33有以下優(yōu)點(diǎn):CPU不需要處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，因此CPU可以專注于計(jì)算的工作而提升系統(tǒng)整體的效率；將ATA-2設(shè)備的傳輸速度從16.7MB/s提升至33MB/s；與IDE連接頭上并不需要加額外的信號(hào)接腳，與以前舊的ATA設(shè)備完全兼容。111UltraDMA66UltraDMA66:UltraATA/66也被稱為UltraDMA/66，是UltraATA/33接口的性能升級(jí)版本，可將原有33MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率提升一倍到達(dá)66MB/s，而ATA/66也可在現(xiàn)有的PCI總線環(huán)境下，大幅提升硬盤的運(yùn)作效率。112UltraDMA66UltraDMA66的優(yōu)點(diǎn):提高數(shù)據(jù)的完整性CyclicalRedundancyCheck(CRC):一種能確保數(shù)據(jù)傳輸完整性的保護(hù)功能。UltraDMA/66使用一種新的EIDE排線，這種排線兩端仍維持40Pin的設(shè)計(jì)，但線路卻增加到80條(40條地線)，這種設(shè)計(jì)可有效降低、抑制串音干擾。UltraATA/66能100%與UltraATA/33或DMA，EIDE/IDE硬盤設(shè)備，CD-ROM(光驅(qū))以及電腦系統(tǒng)兼容。目前，有更高的UltraDMA/100總線接口。113SCSI總線SCSI(SmallComputerSystemInterface):原本是為小型計(jì)算機(jī)研制的一種高性能的并行通信接口，通常用于連接高速的外存設(shè)備(如硬驅(qū)、光驅(qū)、光刻機(jī)、磁帶機(jī)等)和高性能的外設(shè)(如打印機(jī)、掃描儀等)。由于其高性能，其成本也相對(duì)較高，最初只用于服務(wù)器或高端工作站。SCSI總線的特點(diǎn)SCSI總線由SCSI控制器控制，可連接7或15臺(tái)設(shè)備;傳輸速率可達(dá)160MB/s;114SCSI總線特點(diǎn)SCSI是智能接口，SCSI控制器中有自