第6章I-O接口和總線II課件

2023/7/25微機原理與接口技術(shù)5/48知識擴展

PCIExpress資料PCI.orgUSB資料usb-driverscypress-chinese/usb/datasheets.html2023/7/25微機原理與接口技術(shù)6/486.6.1總線與接口概述

一、總線和接口及其標準的概念

總線定義：是在模塊和模塊之間或設備與設備之間的一組進行互連和傳輸信息的信號線，信息包括指令、數(shù)據(jù)和地址。

總線標準：指芯片之間、擴展卡之間以及系統(tǒng)之間，通過總線進行連接和傳輸信息時，應該遵守的一些協(xié)議與規(guī)范。

接口標準：外設接口的規(guī)范，涉及接口信號線定義、信號傳輸速率、傳輸方向和拓撲結(jié)構(gòu)，以及電氣特性和機械特性等多個方面。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)7/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)8/48二、總線的分類2023/7/25微機原理與接口技術(shù)9/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)10/48三、總線的主要性能參數(shù)2023/7/25微機原理與接口技術(shù)11/48四、總線標準的特性2023/7/25微機原理與接口技術(shù)12/48五、總線操作與控制（一）總線操作的四個階段2023/7/25微機原理與接口技術(shù)13/48（二）總線傳送控制2023/7/25微機原理與接口技術(shù)14/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)15/486.6.2系統(tǒng)總線簡介1工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線IndustryStandardArchitecture ISA總線2擴充工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線ExtendedISA EISA總線3外圍部件互連局部總線PeripheralcomponentInterconnect PCI總線4PCIExpress

總線5通用串行總線 USB總線UniversalSerialBus 6高性能串行總線標準IEEE13942023/7/25微機原理與接口技術(shù)16/481工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線IndustryStandardArchitecture ISA總線2023/7/25微機原理與接口技術(shù)17/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)18/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)19/482擴充工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線ExtendedISA EISA總線EISA總線支持32位地址，具有32位數(shù)據(jù)總線，總線頻率8.33MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率達到33.3MB/s(8.33×32位/8)。

結(jié)構(gòu)與ISA兼容，EISA總線插槽與ISA插槽等長等寬，內(nèi)部被設計成為雙層引腳。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)20/483外圍部件互連局部總線PeripheralcomponentInterconnect PCI總線PCI總線特點獨立于處理器2)傳輸效率高3)多總線共存4)支持突發(fā)傳輸5)支持總線主控方式6)采用同步操作7)支持兩種電壓下的擴展卡8)具有即插即用功能9)合理的管腳安排10)預留擴展空間2023/7/25微機原理與接口技術(shù)21/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)22/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)23/48PCI總線信號定義1.系統(tǒng)接口信號

CLKIN：PCI系統(tǒng)總線時鐘最高33MHz/66MHz，最低0Hz。

PCI大部分信號在CLK的上升沿有效。2.地址與數(shù)據(jù)接口信號

AD[31:00]T/S：它們是地址、數(shù)據(jù)多路復用的輸入/輸出信號

在FRAME#有效的第1個時鐘，傳送的是地址，稱為地址期。

在IRDY#和TRDY#同時有效時，傳送的是數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)期。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)24/48

C/BE[3:0]#T/S：它們是總線命令和字節(jié)使能多路復用信號線

地址期內(nèi)表示總線命令，數(shù)據(jù)期內(nèi)表示字節(jié)使能信號。

PART/S：針對AD[31:00]和C/BE[3:0]#進行奇偶校驗的校驗位3.接口控制信號

FRAME#S/T/S：幀周期信號

FRAME#信號無效表示傳輸進入最后一個數(shù)據(jù)期。

IRDY#S/T/S：主設備準備好信號

TRDY#S/T/S：從設備準備好信號2023/7/25微機原理與接口技術(shù)25/48

STOP#S/T/S：從設備發(fā)出的要求主設備終止當前的數(shù)據(jù)傳送的信號。

LOCK#S/T/S：鎖定信號

IDSELIN：初始化設備選擇信號

DEVSEL#S/T/S：設備選擇信號4.仲裁接口信號

REQ#T/S：總線占用請求信號

GNT#T/S：總線占用允許信號2023/7/25微機原理與接口技術(shù)26/485.錯誤報告接口信號

PERR#S/T/S：數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤報告信號

SERR#O/D：系統(tǒng)錯誤報告信號6.中斷接口信號

PCI有4條中斷線，分別是INTA#、INTB#、INTC#、INTD#2023/7/25微機原理與接口技術(shù)27/487.64位總線擴展信號

AD[63:32]T/S：擴展的32位地址和數(shù)據(jù)多路復用線

C/BE[7:4]#T/S：總線命令和字節(jié)使能多路復用擴展信號線

REQ64#S/T/S，64位傳輸請求信號

ACK64#S/T/S：64位傳輸允許信號

PAR64T/S：奇偶雙字節(jié)校驗2023/7/25微機原理與接口技術(shù)28/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)29/48配置空間頭區(qū)域及功能

2023/7/25微機原理與接口技術(shù)30/48配置空間頭區(qū)域及功能

2023/7/25微機原理與接口技術(shù)31/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)32/48PCIBIOS

初始化程序只能通過PCIBIOS才能訪問PCI配置寄存器。PCIBIOS再通過配置地址端口寄存器和配置數(shù)據(jù)口寄存器實現(xiàn)其功能。1、16位PCIBIOS的調(diào)用

通過INT1AH實現(xiàn)：AH=B1H，AL為子功能號。2、32位PCIBIOS的調(diào)用

確認32位BIOS是否存在；確認BIOS是否支持PCIBIOS，取得PCIBIOS入口地址；

通過INT1AH實現(xiàn)：AH=B1H，AL為子功能號。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)33/484PCIExpress

總線2023/7/25微機原理與接口技術(shù)34/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)35/485通用串行總線 USB總線UniversalSerialBus2023/7/25微機原理與接口技術(shù)36/482.USB的拓撲結(jié)構(gòu)PCI總線宿主機USB主控制器/根高速電話高速顯示器高速集線器高速麥克風揚聲器高速揚聲器高速鍵盤高速低速麥克風麥克風低速高速=12Mb/s低速=1.5Mb/s2023/7/25微機原理與接口技術(shù)37/483接口信號線 高/低速USB收發(fā)器(主機或集線器端口)高速USB收發(fā)器(主機端口或高速設備)+5vdcD+D-地15KΩ15KΩ+3.0~3.6vdc1.5KΩD+D-高/低速USB收發(fā)器(主機或集線器端口)低速USB收發(fā)器(低速設備)+5vdcD+D-地15KΩ15KΩ+3.0~3.6vdc1.5KΩD+D-USB數(shù)據(jù)線USB數(shù)據(jù)線2023/7/25微機原理與接口技術(shù)38/48USB數(shù)據(jù)流類型和傳輸類型

1、USB數(shù)據(jù)流類型

控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流、實時數(shù)據(jù)流。2、USB的基本傳輸類型

2）批傳輸：單/雙向，用于大批數(shù)據(jù)傳輸，要求準確，出錯重傳，時間性不強。

1）控制傳輸：雙向，用于配置設備或特殊用途，出錯重傳。

3）中斷傳輸：單向入主機，用于隨機少量傳送。采用查詢中斷方式，出錯時下一查詢周期重新傳。

4）等時傳輸：單/雙向，用于連續(xù)實時數(shù)據(jù)傳輸，時間性強，出錯不重傳，傳輸速率固定。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)39/48USB交換的包格式標志包數(shù)據(jù)包握手包一次交換（事務處理）USB傳輸過程

一次USB傳輸包含一個或多個交換。

每次交換均由主機發(fā)起，對中斷傳輸，亦由主機發(fā)送查詢包取得中斷信息。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)40/48USB3.0提升USB接口統(tǒng)治力USB3.0在應用層上至少能達到300Mbyte/s的數(shù)據(jù)吞吐量。新規(guī)范與前代版本兼容，然而新接口需要新的線纜和連接器，而且傳輸距離被限制在3米，而目前的USB產(chǎn)品可以支持5米長的線纜。3.0標準，也被稱作是超高速USB（SuperSpeedUSB），在一些特性上是獨一無二的。它使用5個端口連線-兩個用于發(fā)送，兩個用于接收，一個是地線-來實現(xiàn)全雙工從而達到5Gb/s的物理層速率，目前的USB產(chǎn)品采用兩線，半雙工的架構(gòu)。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)41/48USB3.0提升USB接口統(tǒng)治力外觀上Type-A的接頭沒有改變，但內(nèi)部有5個連線來支持全雙工，新的連接器兼容舊的插口。粗略來說，新的USB3.0芯片需要兩倍于原來的門數(shù)和三倍于以往的功耗，在會議上演示一款USB3.0芯片的Symwave公司的市場副主席JohnO'Neill表示。但是，受益于其較高的速率，USB3.0在每Gbit數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓牡陀谀壳暗臉藴?，John補充道，“另外，因為增強的協(xié)議，在主機（host）端處理器運算會得到減輕，從而整個系統(tǒng)的功耗在mW/Gbit的基礎上還會有降低?！?023/7/25微機原理與接口技術(shù)42/483.0USB接口2023/7/25微機原理與接口技術(shù)43/48USB3.0提升USB接口統(tǒng)治力另外，3.0版本在鏈路上采用了中斷驅(qū)動，而不是目前的輪檢方法，這樣進一步降低功耗。通信采用點對點的鏈路，而不是像現(xiàn)在對所有連接的器件采用廣播數(shù)據(jù)的方法。規(guī)范還將鏈路電流從500毫安提高到900毫安，這樣采用USB充電速度會更快?？梢钥闯鲆粋€耗完電的電池接上后不久就可以恢復活力。新系統(tǒng)2019年上市2023/7/25微機原理與接口技術(shù)44/48USB3.0提升USB接口統(tǒng)治力USB應用論壇的主席JeffRavencraft表示，“我們預測主機和控制器產(chǎn)品會在2009年中陸續(xù)進入市場，基于那些器件的系統(tǒng)產(chǎn)品會在2019年初上市?！痹撨B接希望能擴展更多的應用，最初是想象比如大的視頻文件的傳輸，長期來說，希望能在目前大范圍的系統(tǒng)上進行替代，特別是日益增多的閃存和磁盤存儲。Ravencraft指出一些便攜式攝像機保存250Gbyte的數(shù)據(jù)，甚至一些MP3播放器和手機都增長到內(nèi)置8到16Gbyte的閃存。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)45/48USB3.0提升USB接口統(tǒng)治力同期于USB3.0的發(fā)布，PCMCIA組織宣布PC設備上的ExpressCard標準的2.0版本，該標準提供比ExpressCard1.2標準快10倍的傳輸速率，而且同時支持Express2.0和新的USB3.0協(xié)議。“ExpressCard技術(shù)與Express和USB規(guī)范很相近，而2.0標準的發(fā)布充分利用了這兩種接口技術(shù)進步的優(yōu)勢，”PCMCIA主席BradSaunders表示。采用新標準的卡將在2019年上市，可能會包括支持固態(tài)存儲驅(qū)動的6Gbit/sSATA接口的適配器，和用于傳輸視頻流的USB3.0適配器。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)46/48USB3.0提升USB接口統(tǒng)治力USB3.0開發(fā)者小組包括超過200家公司，目前全球已經(jīng)有100億顆USB器件售出?！?019年一年就出貨了26億個USB端口，USB3.0的市場機會將會大大擠壓其他有線接口技術(shù)的空間，”In-Stat高級分析師BrianO'Rourke在一個發(fā)布會上表示，“預計USB3.0從2009到2019的平均年度增長率將達到100%，在2019年達到五千萬的出貨量?！盜ntel在2019年的信息峰會上就將USB3.0作為重要話題討論，USB3.0接口的傳輸速度達到4.8Gbps，是USB2.0的十倍，給傳輸大容量文件帶來了方便。2023/7/25微機原理與接口技術(shù)47/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)48/486高性能串行總線標準IEEE13942023/7/25微機原理與接口技術(shù)49/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)50/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)51/482023/7/25微機原理與接口技術(shù)52/48連接線減少高數(shù)據(jù)率即插即用和熱