《計算機(jī)原理》課件第9章

第9章總線

9.1總線技術(shù)概述9.2總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.3總線信息傳送方式及定時9.4總線的仲裁9.5計算機(jī)中的總線9.6新一代總線關(guān)聯(lián)習(xí)題9.1總線技術(shù)概述計算機(jī)可以看成是由三大部件構(gòu)成，即中央處理器(CPU)、存儲器(M)和輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)，而計算機(jī)工作過程中信息的流動，就表現(xiàn)在這三大部件之間的通信?？偩€(BUS)是一組傳輸公共信息的信號線的集合，是在計算機(jī)系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的公共通路?？偩€能為多個部件服務(wù)，總線的基本工作方式通常是由發(fā)送信息的部件分時地將信息發(fā)往總線，再由總線將這些信息同時發(fā)往各個接收信息的部件。究竟由哪個部件接收信息，要由CPU給出的設(shè)備地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生的控制信號來決定。

1．工作原理當(dāng)總線空閑(其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上)且一個器件要與目的器件通信時，發(fā)起通信的器件驅(qū)動總線，發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其他以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到(或能夠收到)與自己相符的地址信息后，即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信，將總線讓出(輸出變?yōu)楦咦钁B(tài))。

2．總線的分類

1)按照總線的位置分

(1)片內(nèi)總線。它是位于大規(guī)模、超大規(guī)模集成芯片內(nèi)部各單元電路之間的總線，作為這些單元電路之間的信息通路。如CPU內(nèi)部ALU、寄存器組、控制器等部件之間的總線。

(2)局部總線(內(nèi)部總線)。通常指微機(jī)主板上各部件之間的信息通路。由于是一塊電路板內(nèi)部的總線，故又稱在板局部總線。較典型的局部總線有：IBM-PC總線、ISA總線、EISA總線和PCI總線等。

(3)系統(tǒng)總線(外部總線)。是指微機(jī)底板上的總線，用來構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)的各插件板、多處理器系統(tǒng)各CPU模塊之間的信道。較典型的系統(tǒng)總線如STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。

(4)通信總線。它是微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、微機(jī)系統(tǒng)與其它儀器儀表或設(shè)備之間的信息通路。這種總線往往不是計算機(jī)專有的，而是借用電子工業(yè)其它領(lǐng)域已有的總線標(biāo)準(zhǔn)并加以應(yīng)用形成的。流行的通信總線如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485、IEEE-488、VXI等總線標(biāo)準(zhǔn)。

2)按照系統(tǒng)的功能分

(1)數(shù)據(jù)總線用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，即它既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機(jī)的一個重要指標(biāo)，通常與微處理器的字長相一致。例如Intel8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時甚至是一個控制信息，因此，在實際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。

(2)地址總線是專門用來傳送地址。由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機(jī)的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為216＝64?KB，16位微型機(jī)的地址總線為20位，其可尋址空間為220＝1?MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2n字節(jié)。

(3)控制總線用來傳送控制信號和時序信號?？刂菩盘栔?，有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應(yīng)信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復(fù)位信號、總線請求信號、設(shè)備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。

3)按照傳輸數(shù)據(jù)的方式分按傳輸數(shù)據(jù)方式分可以分為串行總線和并行總線。串行總線中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件；并行總線的數(shù)據(jù)線通常超過2根。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232等。

4)按時鐘信號是否獨立分按時鐘信號是否獨立分可以分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨立于數(shù)據(jù)，而異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的。SPI、I2C是同步串行總線，RS232采用異步串行總線。

3．總線功能

1)數(shù)據(jù)傳輸功能數(shù)據(jù)傳輸功能是總線的基本功能，用總線傳輸率來表示，即每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，單位是MB/s(兆字節(jié)每秒)。影響總線傳輸率的因素有：總線寬度、時鐘頻率等。

2)多設(shè)備支持功能多個設(shè)備使用一條總線，首先是總線占用權(quán)的問題，哪一個主設(shè)備申請占用總線，由總線仲裁器確定。

3)中斷中斷是計算機(jī)對緊急事務(wù)響應(yīng)的機(jī)制，是計算機(jī)反應(yīng)靈敏與否的關(guān)鍵。

4)錯誤處理錯誤處理包括奇偶校驗錯、系統(tǒng)錯、電池失效等錯誤檢測處理，以及提供相應(yīng)的保護(hù)對策。

4．總線的特性在總線層次中，CPU總線、存儲總線，因不同的計算機(jī)系統(tǒng)采用的芯片組不同，所以這些總線也不完全相同，互相沒有互換性。而系統(tǒng)總線則不同，它是與I/O擴(kuò)展插槽相連接的。I/O插槽中可以插入各種擴(kuò)沖板卡，作為各種外設(shè)的適配器與外設(shè)連接。因此要求系統(tǒng)總線必須有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，它們必須在以下幾方面作出規(guī)定：

1)機(jī)械特性物理特性指的是總線物理連接的方式。包括總線的根數(shù)、總線的插頭、插座是什么形狀、引腳是如何排列的等。例如：IBM-PC/XT的總線共有62根線，分兩列編號。

2)電氣特性電氣特性主要是定義每一根線上信號的傳送方向、有效電平范圍。一般規(guī)定送入CPU的信號稱為輸入信號，從CPU送出的信號稱為輸出信號。

3)功能特性確定引腳名稱與功能，及其相互連接的協(xié)議。功能結(jié)構(gòu)規(guī)范是總線的核心，通常以時序和狀態(tài)描述信息的交流、流向及管理規(guī)則?？偩€在功能結(jié)構(gòu)方面的規(guī)范包括：數(shù)據(jù)線、地址線、讀/寫及其它控制線、狀態(tài)線、時鐘線、電源線和地線等；中斷機(jī)制；總線主控仲裁；應(yīng)用邏輯：如聯(lián)絡(luò)(也稱握手)線、復(fù)位、自啟動、休眠維護(hù)等。

4)時間特性時間特性確定了每根線在什么時間有效，也就是每根線的時序。

5．總線的數(shù)據(jù)傳送

1)申請占用總線需要使用總線的總線主設(shè)備向總線仲裁機(jī)構(gòu)提出占用總線的請求，經(jīng)總線仲裁機(jī)構(gòu)判定，若滿足響應(yīng)條件，則發(fā)出響應(yīng)信號，并把下一個總線傳送周期的總線控制權(quán)授予申請者。

2)尋址獲得總線控制權(quán)的總線主設(shè)備，通過地址總線發(fā)出本次要訪問的存儲器和I/O端口的地址，經(jīng)地址譯碼選中被訪問的模塊并開始啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3)傳送數(shù)據(jù)總線主設(shè)備也叫主模塊，被訪問的設(shè)備叫從模塊。主模塊和從模塊之間的操作是由主模塊控制在兩個從模塊之間通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

4)結(jié)束主、從模塊的信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它主模塊使用。

6．總線的性能指標(biāo)

1)總線寬度數(shù)據(jù)總線一次能傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)(數(shù)據(jù)線根數(shù))?？偩€寬度越寬則總線每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大。

2)總線帶寬總線帶寬又稱為總線數(shù)據(jù)傳輸率，是單位時間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量(MB/s)?？偩€帶寬越大其性能越高。

3)總線工作時鐘頻率總線工作時鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高則總線工作速度越快。

4)其他指標(biāo)其他指標(biāo)主要包括負(fù)載能力、總線仲裁時間等。9.2總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.2.1總線通道組成早期總線實際上是處理器芯片引腳的延伸，是處理器與I/O設(shè)備適配器的通道。這種簡單的總線一般由50～100條線組成，這些線按其功能可分為三類：地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。簡單總線結(jié)構(gòu)的不足之處在于：第一，CPU是總線上的唯一主控者；第二，總線信號是CPU引腳信號的延伸，故總線結(jié)構(gòu)緊密與CPU相關(guān)，通用性較差。當(dāng)代流行的總線是一些標(biāo)準(zhǔn)總線，追求與結(jié)構(gòu)、CPU、技術(shù)無關(guān)的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并滿足包括多個CPU在內(nèi)的主控者環(huán)境需求。在當(dāng)代總線結(jié)構(gòu)中，CPU和它私有的Cache一起作為一個模塊與總線相連。系統(tǒng)中允許有多個這樣的處理器模塊。而總線控制器完成幾個總線請求者之間的協(xié)調(diào)與仲裁。整個總線分成如下四部分：第一部分，數(shù)據(jù)傳送總線，由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成；第二部分，仲裁總線，包括總線請求線和總線授權(quán)線；第三部分，中斷和同步總線，用于處理帶優(yōu)先級的中斷操作，包括中斷請求線和中斷認(rèn)可線；第四部分，公用線，包括時鐘信號線、電源線、地線、系統(tǒng)復(fù)位線以及加電或斷電的時序信號線等。9.2.2總線結(jié)構(gòu)類型

1．單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)是用一組總線連接整個計算機(jī)系統(tǒng)的各大功能部件，計算機(jī)系統(tǒng)的所有設(shè)備都掛在這條總線上，各大部件之間所有的信息傳送都通過這組總線。早期的計算機(jī)，如美國DEC公司PDP-11機(jī)只使用一組總線，所有的部件和設(shè)備都接在這唯一的總線上，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，缺點是運(yùn)行效率低。其結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。圖9-1單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)能經(jīng)同一總線實現(xiàn)I/O設(shè)備之間以及I/O設(shè)備與CPU之間的直接聯(lián)系，這是一條共享總線，是微型機(jī)和小型機(jī)經(jīng)常采用的一種總線結(jié)構(gòu)。單總線結(jié)構(gòu)具有以下特點：①所有連接到單總線上的計算機(jī)系統(tǒng)部件都共享同一地址空間。也就是說，主存儲器的存儲單元、各個子系統(tǒng)中所有能與總線實現(xiàn)通信的寄存器都可以統(tǒng)一編址。I/O設(shè)備地址都采取存儲器映射方式編址，因而指令系統(tǒng)中沒有輸入輸出指令，任何訪問存儲器的指令都可以訪問連接到總線上的任何設(shè)備。②單總線采用異步通信方式，其傳輸速率只與設(shè)備固有速率有關(guān)，而與總線上其他子系統(tǒng)無關(guān)，與總線的物理長度無關(guān)。③單總線不僅用在處理器級部件間互連，而且也可以用于各單元部件之間的連接。它們都具有標(biāo)準(zhǔn)總線的接口。④與總線連接的所有部件是互相獨立的，這種總線結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)部件的擴(kuò)充。

2．雙總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)的缺陷是系統(tǒng)效率和連接到總線上的各設(shè)備的利用率不高。這是因為單總線不允許多于兩臺的設(shè)備在同一時刻交換信息。為了克服這一缺陷，在有些小型機(jī)和大、中型機(jī)中，讓I/O總線與內(nèi)存總線分開，形成了雙總線結(jié)構(gòu)。這種總線結(jié)構(gòu)有兩條總線，一條是內(nèi)存總線，用于CPU、內(nèi)存和通道之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；另一條是I/O總線，用于多個外圍設(shè)備與通道之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。其結(jié)構(gòu)如圖9-2所示。圖9-2雙總線結(jié)構(gòu)在雙總線結(jié)構(gòu)中，通道是計算機(jī)系統(tǒng)中的一個獨立部件，使CPU的效率大為提高，并可以實現(xiàn)形式多樣而更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳送。雙總線的優(yōu)點是以增加通道這一設(shè)備為代價的，通道實際上是一臺具有特殊功能的處理器，所以雙總線通常在大、中型計算機(jī)中采用。

3．三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)計算機(jī)是基于上述思想，在CPU和主存之間設(shè)置了一條獨立總線，以進(jìn)一步提高計算機(jī)的效率。這種總線結(jié)構(gòu)是在計算機(jī)系統(tǒng)的各部件之間采用三條各自獨立的總線來構(gòu)成信息通路。這三條總線是內(nèi)存總線、輸入/輸出(I/O)總線和內(nèi)存訪問(DMA)總線，如圖9-3所示。圖9-3三總線結(jié)構(gòu)在三總線結(jié)構(gòu)中，內(nèi)存總線用于CPU和內(nèi)存之間傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息；I/O總線供CPU和各類外設(shè)之間的通信；DMA總線使內(nèi)存和高速外設(shè)之間能夠直接傳送數(shù)據(jù)。一般來說，在三總線結(jié)構(gòu)中，在任一時刻只使用一種總線，但若使用多入口存儲器，內(nèi)存總線可與DMA總線同時工作，此時，三總線系統(tǒng)可以比單總線運(yùn)行得更快。但是三總線系統(tǒng)中，設(shè)備到設(shè)備不能直接進(jìn)行信息傳送，而必須經(jīng)過CPU或內(nèi)存間接傳送，所以三總線系統(tǒng)總線的工作效率較低。若再把不同速率的外部設(shè)備分類連接建立多條總線，則就是多總線結(jié)構(gòu)了。9.3總線信息傳送方式及定時9.3.1總線信息傳送方式計算機(jī)系統(tǒng)中，傳輸信息采用三種方式：串行傳送、并行傳送和分時傳送。但是出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳送的信息必須采用并行傳送方式。

1．串行傳送當(dāng)信息以串行方式傳送時，只有一條傳輸線，且采用脈沖傳送。在串行傳送時，按順序來傳送表示一個數(shù)碼的所有二進(jìn)制位(bit)的脈沖信號，每次一位，通常以第一個脈沖信號表示數(shù)碼的最低有效位，最后一個脈沖信號表示數(shù)碼的最高有效位。在串行傳送時，被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件進(jìn)行并/串變換，這稱為拆卸；而在接收部件又需要進(jìn)行串/并變換，這稱為裝配。串行傳送的主要優(yōu)點是只需要一條傳輸線，這一點對長距離傳輸顯得特別重要，不管傳送的數(shù)據(jù)量有多少，只需要一條傳輸線，成本比較低廉。

2．并行傳送用并行方式傳送二進(jìn)制信息時，對每個數(shù)據(jù)位都需要單獨一條傳輸線。信息有多少二進(jìn)制位組成，就需要多少條傳輸線，從而使得二進(jìn)制數(shù)“0”或“1”在不同的線上同時進(jìn)行傳送。并行傳送一般采用電位傳送。由于所有的位同時被傳送，所以并行數(shù)據(jù)傳送比串行數(shù)據(jù)傳送快得多。

3．分時傳送分時傳送有兩種概念：一是采用總線復(fù)用方式，某個傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。為此必須劃分時間片，以便在不同的時間間隔中完成傳送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。分時傳送的另一種概念是共享總線的部件分時使用總線。9.3.2總線定時獲得總線使用權(quán)的設(shè)備或部件可以在總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？偩€通信方式是實現(xiàn)總線控制和數(shù)據(jù)傳送的手段。信息在總線上的傳送方式通常有同步和異步兩種方式。

1．同步通信總線上的部件通過總線進(jìn)行信息傳送時，用一個公共的時鐘信號進(jìn)行同步，部件之間按照約定時鐘時間進(jìn)行信息交換，這種方式稱為同步通信。這個公共的時鐘信號可以由總線控制部件發(fā)送到每一個部件或設(shè)備，也可以每個部件有自己的時鐘發(fā)生器，但是，它們都必須由CPU發(fā)出的時鐘信號進(jìn)行同步。由于采用統(tǒng)一的時鐘，所有總線信號和命令必須以總線時鐘有效時開始，所有總線操作以總線時鐘為基本時間單位，即總線所用時鐘數(shù)必須是整數(shù)。同步通信的優(yōu)點是具有較高的傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸速度快，總線控制邏輯也比較簡單。同步通信適用于總線長度較短，各部件存取時間比較接近的情況。因此帶來的缺點是假如總線長度長了，勢必降低數(shù)據(jù)的傳輸速率。由于總線長度較短，不能及時進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的有效性檢驗。

2．異步通信任何一個事件都只能是前面一個或一些事件的結(jié)果，所有設(shè)備以信號“握手”的方式進(jìn)行聯(lián)系，從而完成總線操作等工作，這種數(shù)據(jù)傳送的方式稱為異步通信。異步通信最根本的特征是總線系統(tǒng)中沒有統(tǒng)一的時間標(biāo)志，允許總線上的各部件有各自的時鐘，部件之間的通信不依靠公共的時間標(biāo)準(zhǔn)，而是利用應(yīng)答方式的“握手”信號來實現(xiàn)。發(fā)送部件將數(shù)據(jù)放到總線上后，經(jīng)過一定的時間延遲，便在控制線上發(fā)出“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”信號，而接收部件則應(yīng)發(fā)“數(shù)據(jù)接收”信號來響應(yīng)，把此信號送到源部件上，并接收數(shù)據(jù)。發(fā)送部件接收到響應(yīng)信號后，去除原數(shù)據(jù)，本次傳送結(jié)束。異步通信方式的優(yōu)點是，便于實現(xiàn)不同傳輸速率部件之間的數(shù)據(jù)傳送，而且對總線長度也沒有嚴(yán)格的要求，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性檢驗。缺點是速度一般不如同步通信方式高，而且總線控制邏輯也相對復(fù)雜一些。9.4總?線?的?仲?裁由于存在多個設(shè)備或部件同時申請對總線的使用權(quán)，為保證在同一時間只能有一個設(shè)備獲得總線使用權(quán)，必須具有總線仲裁部件，總線仲裁部件按照申請者的優(yōu)先權(quán)選擇設(shè)備。只有獲得了總線使用權(quán)的設(shè)備或部件，才能開始數(shù)據(jù)傳送。按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為集中式仲裁和分布式仲裁兩類?？偩€仲裁電路基本集中在一處的(如集中于CPU中)，稱為集中式仲裁；而總線仲裁電路分散在總線各部件的，稱為分布式仲裁。9.4.1集中式仲裁集中式仲裁是單總線、雙總線和三總線結(jié)構(gòu)計算機(jī)主要采用的方式，集中式總線的仲裁方式主要有以下三種：鏈?zhǔn)讲樵兎绞?、計?shù)器定時查詢方式和獨立請求總線控制方式。

1．鏈?zhǔn)讲樵兎绞皆阪準(zhǔn)讲樵兎绞诫娐分?，除一般?shù)據(jù)總線和地址總線外，在控制總線中有三根線用于總線的控制，它們分別是總線忙(BS)線、總線請求(BR)線和總線同意(BG)線，如圖9-4所示。圖9-4鏈?zhǔn)讲樵兎绞?/p>

BS：總線忙/閑狀態(tài)線，當(dāng)其有效時，表示總線正被某外設(shè)使用。

BR：總線請求線，當(dāng)其有效時，表示至少有一個外部設(shè)備要求使用總線。

BG：總線同意，當(dāng)其有效時，表示總線控制部件響應(yīng)總線請求(BR)?？偩€同意信號(BG)是串行地從一個I/O接口送到下一個I/O接口，如果BG到達(dá)的接口無總線請求，則繼續(xù)往下傳；如果BG到達(dá)的接口有總線請求，BG信號便不再往下傳，這意味著該I/O接口獲得了總線使用權(quán)。BG信號就像一條鏈一樣串聯(lián)所有的設(shè)備接口，故這種總線控制方式稱為鏈?zhǔn)讲樵兎绞?。在查詢鏈中，離總線控制器最近的設(shè)備具有最高優(yōu)先權(quán)；離總線控制器越遠(yuǎn)的設(shè)備，優(yōu)先權(quán)越低。這種方式的優(yōu)點是只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線仲裁，很容易擴(kuò)充設(shè)備。缺點是對詢問鏈的電路故障很敏感，如果第i個設(shè)備的接口中有關(guān)鏈的電路有故障，那么第i個以后的設(shè)備都不能進(jìn)行工作。查詢鏈的優(yōu)先級是固定的，如果優(yōu)先級高的設(shè)備出現(xiàn)頻繁的請求時，優(yōu)先級較低的設(shè)備可能長期不能使用總線。

2．計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)器定時查詢方式的工作原理是：總線上任一設(shè)備要求使用總線時，通過“總線請求”(BR)線發(fā)出總線請求信號，總線控制器接到請求信號后，在“總線忙”(BS)為復(fù)位的情況下，讓計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值通過一組地址線發(fā)至各設(shè)備。每個設(shè)備接口都有一個設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的計數(shù)值與請求總線的設(shè)備地址一致時，該設(shè)備把“總線忙”(BS)置位，獲得了總線控制權(quán)。此時，終止計數(shù)查詢。每次計數(shù)可以從“0”開始，也可以從終止點開始。如果從“0”開始，各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ嗤?，即?yōu)先次序是固定的。如果從終止點開始，則是一種循環(huán)方法，每個使用總線的優(yōu)先級是相同的。如圖9-5所示。圖9-5計數(shù)器定時查詢方式這種方式的優(yōu)點是：由于查詢可以被程序控制(計數(shù)器的初值可由程序設(shè)定)，所以優(yōu)先次序可以方便地改變。另外，這種查詢方式不會出現(xiàn)鏈?zhǔn)讲樵兡菢赢?dāng)某個設(shè)備的接口中有關(guān)鍵的電路出現(xiàn)故障時，會影響其他設(shè)備使用總線。缺點是：要有一組設(shè)備地址線，從而增加了控制線的數(shù)量，而且控制也較為復(fù)雜。

3．獨立請求方式在獨立請求方式中，每一個共享總線的設(shè)備均有一對“總線請求”(BR)和“總線同意”(BG)線。當(dāng)設(shè)備要求使用總線時，便發(fā)出“總線請求”信號，總線控制部件中一般有一個排隊電路，根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先響應(yīng)哪個設(shè)備的請求，當(dāng)請求的設(shè)備排上隊，便收到“總線同意”(BG)信號，從而可以使用總線。如圖9-6所示。圖9-6獨立請求方式獨立請求方式的優(yōu)點是：響應(yīng)時間快，對優(yōu)先次序的控制也相當(dāng)?shù)仂`活，它可以預(yù)先固定優(yōu)先次序，也可以通過程序來改變優(yōu)先次序。并且在必要時屏蔽某些設(shè)備的請求。缺點是：控制線的數(shù)量多。比如要控制n個設(shè)備，必須有n根“總線請求”線和n根“總線同意”線，另外，獨立請求方式的控制器也要復(fù)雜得多。9.4.2分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。當(dāng)它們有總線請求時，把它們唯一的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁總線上，每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進(jìn)行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應(yīng)，并撤消它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上，分布式仲裁是以優(yōu)先級仲裁策略為基礎(chǔ)。9.5計算機(jī)中的總線總線是構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它將影響系統(tǒng)的靈活性、成本、性能和可靠性。由于超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷地增加，總線則往往成為提高性能、可靠性和模塊化的制約因素。因此，在大多數(shù)微機(jī)系統(tǒng)中推行標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)總線使得總線接口部件標(biāo)準(zhǔn)化，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，縮短了開發(fā)時間，降低了開發(fā)成本，增加了系統(tǒng)配置的靈活性。下面就介紹幾種常用標(biāo)準(zhǔn)總線。9.5.1內(nèi)部總線

1．工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線ISA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，它基于8?bit的8088處理器，被稱為PC總線或者PC/XT總線。1984年，IBM推出基于16?bitIntel80286處理器的PC/AT電腦，系統(tǒng)總線也相應(yīng)地擴(kuò)展為16?bit，并被稱為PC/AT總線。而為了開發(fā)與IBMPC兼容的外圍設(shè)備，行業(yè)內(nèi)便逐漸確立了以IBMPC總線規(guī)范為基礎(chǔ)的ISA(IndustryStandardArchitecture,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu))總線。

ISA總線最大傳輸速率僅為8?MB/s，但允許多個CPU共享系統(tǒng)資源。由于兼容性好，它在20世紀(jì)80年代是最廣泛采用的系統(tǒng)總線，不過它的弱點也是顯而易見的，比如傳輸速率過低、CPU占用率高、占用硬件中斷資源等。使用286和386SX以下CPU的電腦似乎和8/16?bitISA總線還能夠相處融洽，但當(dāng)出現(xiàn)了32?bit外部總線的386DX處理器之后，總線的寬度就已經(jīng)成為了嚴(yán)重的瓶頸，并影響到處理器性能的發(fā)揮。因此在1988年，康柏、惠普等9個廠商協(xié)同把ISA擴(kuò)展到32?bit，這就是著名的EISA(ExtendedISA，擴(kuò)展ISA)總線。

2．EISA總線

EISA總線插槽的外形與ISA總線完全相同，但插槽為兩層結(jié)構(gòu)，第一層的引線定義與ISA的一樣，共98根引線；第二層的引線是EISA的擴(kuò)充部分，共90根引線。EISA是32位總線，支持多處理器結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的I/O擴(kuò)展能力和負(fù)載能力，支持多總線主控，傳輸率為33?Mb/s，適用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、高速圖像處理、多媒體等領(lǐng)域。由于EISA總線是兼容商共同推出的，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)公開，因而受到世界上眾多廠家的歡迎。

EISA是一種支持多處理器的高性能32位標(biāo)準(zhǔn)總線，但由于兼顧了ISA的電氣特性，因而妨礙了EISA總線速度的進(jìn)一步提高，但由于是32?bit總線的緣故，帶寬提高了一倍，達(dá)到了32?MB/s?？上У氖?，EISA仍舊由于速度有限，并且成本過高，在20世紀(jì)90年代初的時候，被PCI總線給取代了。

3．PCI總線

PCI總線(PeripheralComponentInterconnect，即外部設(shè)備互連總線)，是Intel公司在1992年率先提出的。其引腳排列示意圖如圖9-7所示。圖9-7PCI總線的引腳排列示意圖隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和信息化水平的不斷提高，對計算機(jī)外設(shè)的使用性能要求越來越高，特別是對圖形顯示的高要求，硬盤容量的增大和數(shù)據(jù)傳輸率的提高，要求有更高性能的總線。原有的ISA總線和EISA總線顯然已不適應(yīng)。當(dāng)時CPU的速度甚至還高過總線的速度，造成硬盤、顯示卡還有其它的外圍設(shè)備只能通過慢速并且狹窄的瓶頸來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使得整機(jī)的性能受到嚴(yán)重的影響。為了解決這個問題，1992年，Intel在發(fā)布486處理器的時候，同時也提出了32?bit的PCI總線。從數(shù)據(jù)寬度上看，PCI總線有32?bit、64?bit之分；從總線速度上分，有33?MHz、66?MHz兩種。最早提出的PCI總線工作在33?MHz頻率之下，傳輸帶寬達(dá)到了133?MB/s(33?MHz?×?32?bit/8)，比ISA總線有了極大的改善，基本上滿足了當(dāng)時處理器的發(fā)展需要。隨著對更高性能的要求，1993年提出了64?bit的PCI總線，后來又提出把PCI總線的頻率提升到66?MHz。目前廣泛采用的是32?bit、33?MHz的PCI總線。

PCI總線是獨立于CPU的系統(tǒng)總線，采用了獨特的中間緩沖器設(shè)計，可將顯示卡、聲卡、網(wǎng)卡、硬盤控制器等高速的外圍設(shè)備直接掛在CPU總線上，打破了瓶頸，使得CPU的性能得到充分的發(fā)揮。在PCI上包含有寄存器，上面帶有配置所需的器件信息。

PCI總線的特點：

(1)?PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用。這樣做的好處是，一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在作數(shù)據(jù)傳輸時，由一個PCI設(shè)備做發(fā)起者(Master)，而另一個PCI設(shè)備做目標(biāo)(Slave)。總線上的所有時序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時刻只能供一對設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機(jī)構(gòu)，來決定誰有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。

(2)支持即插即用。當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動對板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號等，并自動尋找相應(yīng)的驅(qū)動程序。而不像舊的ISA板卡，需要進(jìn)行復(fù)雜的手動配置。即插即用實際的實現(xiàn)遠(yuǎn)比說起來要復(fù)雜。在PCI板卡中，有一組寄存器，叫“配置空間”，用來存放基地址與內(nèi)存地址，以及中斷等信息。以內(nèi)存地址為例。當(dāng)上電時，板卡從ROM里讀取固定的值放到寄存器中，對應(yīng)內(nèi)存的地方放置的是需要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)等信息。操作系統(tǒng)要根據(jù)這個信息分配內(nèi)存，并在分配成功后把相應(yīng)的寄存器中填入內(nèi)存的起始地址。這樣就不必手工設(shè)置開關(guān)來分配內(nèi)存或基地址了。對于中斷的分配也與此類似。

(3)實現(xiàn)中斷共享。ISA卡的一個重要局限在于中斷是獨占的，而我們知道計算機(jī)的中斷號只有16個，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時就會有問題了。

PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。硬件上，采用電平觸發(fā)的辦法：中斷信號在系統(tǒng)一側(cè)用電阻接高，而要產(chǎn)生中斷的板卡上利用三極管的集電極將信號拉低。這樣不管有幾塊板產(chǎn)生中斷，中斷信號都是低；而只有當(dāng)所有板卡的中斷都得到處理后，中斷信號才會回復(fù)高電平。軟件上，采用中斷鏈的方法：假設(shè)系統(tǒng)啟動時，發(fā)現(xiàn)板卡A用了中斷7，就會將中斷7對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向A卡對應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口ISR_A；然后系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)板卡B也用中斷7，這時就會將中斷7對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向ISR_B，同時將ISR_B的結(jié)束指向ISR_A。以此類推，就會形成一個中斷鏈。而當(dāng)有中斷發(fā)生時，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到中斷7對應(yīng)的內(nèi)存，也就是ISR_B。ISR_B就要檢查是不是B卡的中斷，如果是，要處理，并將板卡上的拉低電路放開；如果不是，則呼叫ISR_A。這樣就完成了中斷的共享。

4．AGP總線三維圖形應(yīng)用的發(fā)展，對顯卡的計算速度提出了越來越高的要求，PCI總線對于胃口越來越大的3D顯卡卻力不從心，并成為了制約顯示子系統(tǒng)和整機(jī)性能的瓶頸。因此，PCI總線的補(bǔ)充——AGP總線就應(yīng)運(yùn)而生了。

AGP總線不同于通用的PCI局部總線，它是供圖形加速卡專用的。其地址和數(shù)據(jù)分離(PCI為49根信號線，而AGP總線是65根)，可實現(xiàn)“流水線”處理；地址線和數(shù)據(jù)線分離，沒有切換的“開銷”，提高了系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)傳輸速率和隨機(jī)訪問主內(nèi)存時的性能。AGP總線的首要目的是將紋理數(shù)據(jù)置于主內(nèi)存，以減少圖形存儲器的容量，從而可以生產(chǎn)廉價、高性能的圖形卡，開通主內(nèi)存到圖形卡的高速傳輸通道。

AGP總線可以將系統(tǒng)主內(nèi)存映射為AGP內(nèi)存，用作圖形卡上的專業(yè)顯存的擴(kuò)展，并通過直接內(nèi)存執(zhí)行方式提高系統(tǒng)的3D圖形處理性能，減少圖形設(shè)備對系統(tǒng)的占用。

AGP總線最重要的特征是提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挕Ｓ捎贏GP總線寬為32位，基于66?MHz時鐘，并在時鐘脈沖的“上升沿”和“下降沿”都能傳輸數(shù)據(jù)，因而可達(dá)到533?Mb/s的理論傳輸率，比普通PCI接口圖形卡提高了4倍。而且由于AGP總線還借用了處理器的“流水線”技術(shù)，并有8條額外的“邊際”數(shù)據(jù)請求線，支持對數(shù)據(jù)的“流水線”裝入和預(yù)先讀取，同時還可將需要的“邊際數(shù)據(jù)”一起傳輸，從而大大增加了有效帶寬。如果采用新潮的AGP4×?模式，AGP總線的時鐘頻率將增加到133?MHz，其數(shù)據(jù)傳輸率將突破1?Gb/s大關(guān)。9.5.2外部通信總線

1．RS-232C總線

RS-232C是一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，也是數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)從CCITT遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)出的一個標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)械指標(biāo)和電氣指標(biāo)，其中機(jī)械指標(biāo)規(guī)定：RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口通向外部的連接器(插針和插座)是一個“D”型保護(hù)殼25針插頭，如圖9-8所示。圖9-8RS-232C連接器

1)?RS-232C的主要特點

(1)信號線少。RS-232C總線共有25根線，它包括有主副兩個通道，用它可進(jìn)行雙工通信。實際應(yīng)用中，多數(shù)只用主信號通道(即第一通道)，并只使用其中幾個信號(通常3～9根線)。

(2)傳輸距離遠(yuǎn)。由于RS-232C采用串行傳輸方式，并將TTL電平轉(zhuǎn)換成了RS-232C電平，在基帶傳輸時，距離可達(dá)30?m。若是采用光電隔離20?A電流環(huán)傳送，其傳輸距離可達(dá)1000?m。

(3)可供選擇的傳輸速率多。RS-232C規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)傳送速率有：50、75、110、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19?200?Baud?？梢造`活地使用于不同速率的設(shè)備。

(4)抗干擾能力強(qiáng)。RS-232C采用負(fù)邏輯，空載時以+3～+25?V之間任意電壓表示邏輯“0”，以-3～-25?V之間任意電壓表示邏輯“1”，且它是無間隔不歸零電平傳送，從而大大提高了抗干擾能力。

2)?RS-232C總線的功能規(guī)范

(1)引腳分配。RS-232C總線共有25根信號線，其中，2根地線，4根數(shù)據(jù)線，11根控制線，3根定時線，5根備用線。引腳分配及定義如表9-1所示。表9-1引腳分配及定義

(2)引腳信號說明。在RS-232C總線中，雖然絕大多數(shù)信號線均已定義使用，但在一般的微型計算機(jī)串行通信中，經(jīng)常使用的只有以下9個信號線，具體見表9-2，它們都是主信道組的信號線。表9-2主信道組信號線這9根引腳分為兩類：一類是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳，另一類是用于調(diào)制解調(diào)器(Modem)的控制和反映它的狀態(tài)的引腳。基本的數(shù)據(jù)傳送引腳：TXD、RXD、GND(2、3、7號引腳)是基本數(shù)據(jù)傳送引腳。

Modem的控制和狀態(tài)引腳：從計算機(jī)通過RS-232C接口送給Modem的控制引腳包括DTR和RTS。從Modem通過RS-323C接口傳送給計算機(jī)的狀態(tài)信息引腳包括DSR、CTS、DCD和RI?！?DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備完畢引腳，用于通知Modem計算機(jī)準(zhǔn)備好，可以通信了。●?RTS為請求發(fā)送引腳，用于通知Modem計算機(jī)請求發(fā)送數(shù)據(jù)?！?DSR為數(shù)據(jù)通信設(shè)備準(zhǔn)備就緒引腳，用于通知計算機(jī)，Modem準(zhǔn)備好了?！?CTS為允許發(fā)送引腳，用于通知計算機(jī)Modem可以接收數(shù)據(jù)了?！?DCD為數(shù)據(jù)載體檢測引腳，用于通知計算機(jī)Modem與電話線另一端的Modem已經(jīng)建立聯(lián)系。●?RI振鈴信號指示引腳，用于通知計算機(jī)，有來自電話網(wǎng)的信號。

3)?RS-232C電氣總線的規(guī)范

RS-232C電氣總線的規(guī)范如表9-3所示。表9-3RS-232C電氣總線的規(guī)范

2．IEEE1394

IEEE1394是由Apple公司于20世紀(jì)80年代中期開始開發(fā)的一種串行總線，中文譯名為火線接口(firewire)，這個名稱來源于它令人瞠目結(jié)舌的傳輸速度。該規(guī)范于1995年得到了標(biāo)準(zhǔn)化，其名稱也由FireWire改為IEEE1394。此外，索尼公司對IEEE1394進(jìn)行了許多改進(jìn)，并且推出了它自己的版本dubbedi.Link，大部分的索尼計算機(jī)都使用了該版本的IEEE1394規(guī)范。同USB一樣，IEEE1394也支持外設(shè)熱插拔，可為外設(shè)提供電源，省去了外設(shè)自帶的電源，能連接多個不同設(shè)備，支持同步數(shù)據(jù)傳輸。1394標(biāo)準(zhǔn)的最新版本是1394b。IEEE?1394接口如圖9-9所示。圖9-9IEEE1394接口

IEEE1394分為兩種傳輸方式：Backplane模式和Cable模式。Backplane模式最小的速率也比USB1.1最高速率高，分別為12.5Mb/s、25Mb/s、50Mb/s，可以用于多數(shù)的高帶寬應(yīng)用。Cable模式是速度非?？斓哪Ｊ?，分為100?Mb/s、200Mb/s、400Mb/s和800?Mb/s幾種，在200?Mb/s下即可傳輸不經(jīng)壓縮的高質(zhì)量數(shù)據(jù)電影。

1394b是1394技術(shù)的升級版本，是僅有的專門針對多媒體——視頻、音頻、控制及計算機(jī)而設(shè)計的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。它通過低成本、安全的CAT5(五類)實現(xiàn)了高性能家庭網(wǎng)絡(luò)。1394a自1995年就開始提供產(chǎn)品，1394b是1394a技術(shù)的向下兼容性擴(kuò)展。1394b能提供800Mb/s或更高的傳輸速度。近年來隨著成本的下降，1394卡正迅速普及。雖然市面上還沒有1394b接口的光儲產(chǎn)品出現(xiàn)，但相信在不久之后也必然會出現(xiàn)在用戶眼前。

1394接口具有把一個輸入信息源傳來的數(shù)據(jù)向多個輸出機(jī)器廣播的功能，特別適用于家庭視聽AV(AUDIO-VISUAL)的連接。由于該接口具有等時間的傳送功能，確保視聽AV設(shè)備重播聲音和圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量，具有好的重播效果，嚴(yán)格地講，IEEE1394卡像USB一樣只是通用接口，而不是視頻捕捉卡。比如說，我們可以連接一個高速外接硬盤到IEEE1394卡上。不過因為IEEE1394卡的絕大多數(shù)用途是與DV數(shù)碼攝像機(jī)相連采集數(shù)字視頻信號，所以，我們通常把它看做捕捉卡了。目前市場上的1394卡可以簡單的分成兩類：帶有硬件DV實時編碼功能的DV卡和用軟件實現(xiàn)壓縮編碼的1394卡。帶有硬件編碼功能的DV卡一般價格在數(shù)千元，帶有硬件編碼的DV卡可以大大提高DV編輯的速度，可以實時地處理一些特技轉(zhuǎn)換，而且許多此類卡帶有處理MPEG-Ⅱ視頻流的功能。

IEEE1394和USB產(chǎn)生于相同的歷史背景，要解決同一個問題，即如何使外設(shè)與計算機(jī)的連接變得更方便，更簡潔。但二者的立足點有所不同，前者立足于高速設(shè)備，而后者立足于中低速設(shè)備。當(dāng)然，新的USB標(biāo)準(zhǔn)(USB2.0)已提供對高速設(shè)備的支持。相比于USB接口，早期在USB1.1時代，1394a接口在速度上占據(jù)了很大的優(yōu)勢，在USB2.0推出后，1394a接口在速度上的優(yōu)勢不再那么明顯。同時現(xiàn)在絕大多數(shù)主流的計算機(jī)并沒有配置1394接口，要使用必須要購買相關(guān)的接口卡，增加額外的開支。

Apple公司對IEEE1394的評價是：高速，高速，還是高速。這也說明了IEEE1394總線的速率和USB總線相比，確實要快許多，然而，其電氣特性、接口電路和通信協(xié)議都要比USB復(fù)雜，因而價格也高出許多。下面所列是IEEE1394總線的一些特點：

(1)采用點對點模型，所有連接設(shè)備建立一種對等網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備之間可以互相通信而不通過主機(jī)。

(2)單一總線最多連接63個物理節(jié)點，但一個計算機(jī)系統(tǒng)中最多可以有1024條IEEE1394總線。

(3)支持三種速率模式：100?Mb/s、200?Mb/s和400?Mb/s。1394?b又定義了三種更高的速率：800?Mb/s、1.6?Gb/s和3.2?Gb/s。而速率的選擇是通過在總線上加入不同的共模電流來實現(xiàn)的。

(4)支持等時和異步兩種傳輸方式。等時傳輸?shù)母拍钍前匆欢ǖ乃俾蔬M(jìn)行傳輸，擁有固定的帶寬，和USB不同的是，除了點對點的傳輸外，還可以一對多，進(jìn)行廣播式傳輸。異步傳輸通過唯一地址指定響應(yīng)節(jié)點，通信時請求方(即發(fā)送方)與響應(yīng)方(即接收方)需要進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。響應(yīng)方在收到請求時要作出應(yīng)答表示已收到請求，而請求方在收到響應(yīng)方對請求所作的響應(yīng)信息時也要作出應(yīng)答，表示已收到響應(yīng)。

(5)以125?μs為循環(huán)周期。異步傳輸有至少20%?帶寬可用，等時傳輸則至多80%。

(6)采用六線制，包括兩對雙絞線和一對電源線。一對雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，另一對傳輸選通信號，數(shù)據(jù)和選通進(jìn)行“異或”運(yùn)算后可得到時鐘信號。

(7)采用四層傳輸協(xié)議，由上至下依次為：總線管理層、事務(wù)層、鏈路層和物理層?？偩€管理層負(fù)責(zé)總線配置、電源和帶寬管理、節(jié)點活動管理等。事務(wù)層為支持有關(guān)異步傳輸操作向上層提供服務(wù)。鏈路層負(fù)責(zé)傳輸包的生成和分解。物理層提供串行總線接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)比特傳輸，并實現(xiàn)總線仲裁以確保同一時間上只有一個節(jié)點通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

(8)總線信號支持三種事件：總線配置、總線仲裁和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)系統(tǒng)加電或者有設(shè)備插入或拔出時會進(jìn)行總線配置(總線配置無須主機(jī)干預(yù))，配置完成后開始數(shù)據(jù)傳輸，但節(jié)點在每次傳輸事務(wù)之前需首先通過總線仲裁事件獲得總線控制權(quán)。

(9)支持即插即用。

(10)設(shè)備可以自供電或由總線供電。在自供電時還可以向總線供電。

IEEE1394總線可以連接多種外部設(shè)備，其中包括：大容量存儲器、視頻輸出設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、高速打印機(jī)、娛樂設(shè)備、機(jī)頂盒、小型網(wǎng)絡(luò)和視頻會議設(shè)備等。當(dāng)然，能夠連接到IEEE1394總線的設(shè)備必須符合IEEE1394總線規(guī)范，具有相應(yīng)的IEEE1394總線接口。9.6新?一?代?總?線9.6.1PCIExpress總線隨著技術(shù)的發(fā)展，PCI總線已經(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，這就是PCIExpress總線。PCIExpress是最新的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，由于是第三代輸入/輸出總線，所以它原來的名稱為(Third-GenerationInput/Output，3GIO)，是由英特爾提出的。很明顯，英特爾的意思是它代表著下一代I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。交由PCI-SIG(PCI特殊興趣組織)認(rèn)證發(fā)布后才改名為“PCIExpress”。這個新標(biāo)準(zhǔn)將全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實現(xiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。它的主要優(yōu)勢就是數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前最高可達(dá)到10?Gb/s以上，而且還有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?。PCIExpress也有多種規(guī)格，從PCIExpressX1到PCIExpressX16，能滿足現(xiàn)在和將來一定時間內(nèi)出現(xiàn)的低速設(shè)備和高速設(shè)備的需求。能支持PCIExpress的主要是英特爾的i915和i925系列芯片組。當(dāng)然要實現(xiàn)全面取代PCI和AGP也需要一個相當(dāng)長的過程，就像當(dāng)初PCI取代ISA一樣，都會有個過渡的過程。

PCIExpress采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬。傳統(tǒng)PCI總線在單一時間周期內(nèi)只能實現(xiàn)單向傳輸，PCIExpress的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質(zhì)量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。盡管PCIExpress技術(shù)規(guī)格允許實現(xiàn)X1(250?MB/s)、X2、X4、X8、X12、X16和X32通道規(guī)格，但是依目前形式來看，PCIExpressX1和PCIExpressX16將成為PCIExpress主流規(guī)格，同時芯片組廠商將在南橋芯片中添加對PCIExpressX1的支持，在北橋芯片中添加對PCIExpressX16的支持。除去提供極高數(shù)據(jù)傳輸帶寬之外，PCIExpress因為采用串行數(shù)據(jù)包方式傳遞數(shù)據(jù)，所以PCIExpress接口每個針腳可以獲得比傳統(tǒng)I/O標(biāo)準(zhǔn)更多的帶寬，這樣就可以降低PCIExpress設(shè)備生產(chǎn)成本和體積。PCIExpress接口能夠支持熱拔插，這也是個不小的飛躍。PCIExpress卡支持的三種電壓分別為?+3.3?V、3.3?Vaux以及?+12?V。另外，PCIExpress也支持高階電源管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)同步傳輸，為優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬優(yōu)化。目前，PCI-E3.0規(guī)范也已經(jīng)確定，其編碼數(shù)據(jù)速率比同等情況下的PCI-E2.0規(guī)范提高了一倍，X32端口的雙向速率高達(dá)320?Gb/s。

1．PCIExpress總線的技術(shù)優(yōu)勢與PCI總線相比，PCIExpress總線主要有下面的技術(shù)優(yōu)勢：

(1)是串行總線，進(jìn)行點對點傳輸，每個傳輸通道獨享帶寬。

(2)?PCIExpress總線支持雙向傳輸模式和數(shù)據(jù)分通道傳輸模式。其中數(shù)據(jù)分通道傳輸模式即PCIExpress總線的X1、X2、X4、X8、X12、X16和X32多通道連接，X1單向傳輸帶寬即可達(dá)到250?MB/s，雙向傳輸帶寬更能夠達(dá)到500?MB/s，這個已經(jīng)不是普通PCI總線所能夠相比的了。

(3)?PCIExpress總線充分利用先進(jìn)的點到點互連、基于交換的技術(shù)、基于包的協(xié)議來實現(xiàn)新的總線性能和特征。電源管理、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、熱插拔支持、數(shù)據(jù)完整性、錯誤處理機(jī)制等也是PCIExpress總線所支持的高級特征。

(4)與PCI總線良好的繼承性，可以保持軟件的繼承和可靠性。PCIExpress總線關(guān)鍵的PCI特征，比如應(yīng)用模型、存儲結(jié)構(gòu)、軟件接口等與傳統(tǒng)PCI總線保持一致，但是并行的PCI總線被一種具有高度擴(kuò)展性的、完全串行的總線所替代。

(5)?PCIExpress總線充分利用先進(jìn)的點到點互連，降低了系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計的復(fù)雜性和難度，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)制造設(shè)計成本，極大地提高了系統(tǒng)的性價比和健壯性。從下面表格可以看出，系統(tǒng)總線帶寬提高的同時，減少了硬件PIN的數(shù)量，硬件的成本直接下降。

2．PCIExpress的硬件協(xié)議

PCI-E的連接建立在一個雙向的序列的(1?bit)點對點連接基礎(chǔ)之上，稱之為“傳輸通道”。與PCI連接形成鮮明對比的是PCI是基于總線控制，所有設(shè)備共同分享的單向32位并行總線。PCI-E是一個多層協(xié)議，由一個對話層，一個數(shù)據(jù)交換層和一個物理層構(gòu)成。物理層又可進(jìn)一步分為邏輯子層和電氣子層。邏輯子層又可分為物理代碼子層(PCS)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。

1)物理層在使用電力方面，每組流水線使用兩個單向的低電壓微分信號(LVDS)合計達(dá)到2.5?MBaud。傳送及接收不同數(shù)據(jù)會使用不同的傳輸通道，每一通道可運(yùn)作四項資料。兩個PCI-E設(shè)備之間的連接成為“鏈接”，這形成了1組或更多的傳輸通道。各個設(shè)備最少支持1個傳輸通道(X1)的鏈接。也可以有2、4、8、16、32個通道的鏈接。這可以更好地提供雙向兼容性。(X2模式將用于內(nèi)部接口而非插槽模式)PCI-E卡能使用在至少與之傳輸通道相當(dāng)?shù)牟宀凵?例如X1接口的卡也能工作在X4或X16的插槽上)一個支持較多傳輸通道的插槽可以建立較少的傳輸通道(例如8個通道的插槽能支持1個通道)。PCI-E設(shè)備之間的鏈接將使用兩設(shè)備中較少通道數(shù)的作為標(biāo)準(zhǔn)。一個支持較多通道的設(shè)備不能在支持較少通道的插槽上正常工作，例如X4接口的卡不能在X1的插槽上正常工作，但它能在X4的插槽上只建立1個傳輸通道(X1)。PCIExpress卡能在同一數(shù)據(jù)傳輸通道內(nèi)傳輸包括中斷在內(nèi)的全部控制信息。這也方便了與PCI的兼容。多傳輸通道上的數(shù)據(jù)傳輸采取交叉存取，這意味著連續(xù)字節(jié)交叉存取在不同的通道上。這一特性被稱之為“數(shù)據(jù)條紋”，需要非常復(fù)雜的硬件支持連續(xù)數(shù)據(jù)的同步存取，也對鏈接的數(shù)據(jù)吞吐量要求極高。由于數(shù)據(jù)填充的需求，數(shù)據(jù)交叉存取不需要縮小數(shù)據(jù)包。與其它高速數(shù)傳輸協(xié)議一樣，時鐘信息必須嵌入信號中。在物理層上，PCI-E采用常見的8B/10B代碼方式來確保連續(xù)的1和0字符串長度符合標(biāo)準(zhǔn)，這樣保證接收端不會誤讀。編碼方案用10位編碼比特代替8個未編碼比特來傳輸數(shù)據(jù)，占用20%的總帶寬。有些協(xié)議(如SONET)使用另外的編碼結(jié)構(gòu)如“不規(guī)則”在數(shù)據(jù)流中嵌入時鐘信息。PCI-E的特性也定義了一種“不規(guī)則化”的運(yùn)算方法，但這種方法與SONET完全不同，它的方法主要用來避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)重復(fù)而出現(xiàn)數(shù)據(jù)散射。第一代PCI-E采用2.5Mb單信號傳輸率，PCI-SIG計劃在未來版本中增強(qiáng)到5～10Mb

2)數(shù)據(jù)鏈接層數(shù)據(jù)鏈接層采用按序的交換層信息包(TransactionLayerPackets,TLPs)，是由交換層生成，按32位循環(huán)冗余校驗碼(CRC，本文中用LCRC)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，采用著名的協(xié)議(AckandNaksignaling)的信息包。TLPs能通過LCRC校驗和連續(xù)性校驗的稱為Ack(命令正確應(yīng)答)；沒有通過校驗的稱為Nak(沒有應(yīng)答)。沒有應(yīng)答的TLPs或者等待超時的TLPs會被重新傳輸。這些內(nèi)容存儲在數(shù)據(jù)鏈接層的緩存內(nèi)。這樣可以確保TLPs的傳輸不受電子噪音干擾。

Ack和Nak信號由低層的信息包傳送，這些包被稱為數(shù)據(jù)鏈接層信息包(DataLinkLayerPacket,DLLP)。DLLP也用來傳送兩個互連設(shè)備的交換層之間的流控制信息和實現(xiàn)電源管理功能。

3)交換層

PCIExpress采用分離交換(數(shù)據(jù)提交和應(yīng)答在時間上分離)，可保證傳輸通道在目標(biāo)端設(shè)備等待發(fā)送回應(yīng)信息傳送其它數(shù)據(jù)信息。它采用了可信性流控制。這一模式下，一個設(shè)備廣播它可接收緩存的初始可信信號量。鏈接另一方的設(shè)備會在發(fā)送數(shù)據(jù)時統(tǒng)計每一發(fā)送的TLP所占用的可信信號量，直至達(dá)到接收端初始可信信號最高值。接收端在處理完畢緩存中的TLP后，它會回送發(fā)送端一個比初始值更大的可信信號量?？尚判盘柦y(tǒng)計是定制的標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器，這一算法的優(yōu)勢，相對于其他算法，如握手傳輸協(xié)議等，在于可信信號的回傳反應(yīng)時間不會影響系統(tǒng)性能，因為如果雙方設(shè)備的緩存足夠大的話，是不會出現(xiàn)達(dá)到可信信號最高值的情況，這樣發(fā)送數(shù)據(jù)不會停頓。第一代PCI-E標(biāo)稱可支持每傳輸通道單向每秒250兆字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸率。這一數(shù)字是根據(jù)物理信號率2500兆波特除以編碼率(10位/每字節(jié))計算而得。這意味著一個16通道(X16)的PCI-E卡理論上可以達(dá)到單向250*16=4000?MB/s(3.7?GM)。實際的傳輸率要根據(jù)數(shù)據(jù)有效載荷率，即依賴于數(shù)據(jù)的本身特性，這是由更高層(軟件)應(yīng)用程序和中間協(xié)議層決定。PCIExpress與其它高速序列連接系統(tǒng)相似，它依賴于傳輸?shù)聂敯粜?CRC校驗和Ack算法)。長時間連續(xù)的單向數(shù)據(jù)傳輸(如高速存儲設(shè)備)會造成>95%的PCI-E通道數(shù)據(jù)占用率。這樣的傳輸受益于增加的傳輸通道，但大多數(shù)應(yīng)用程序如USB或以太網(wǎng)絡(luò)控制器會把傳輸內(nèi)容拆成小的數(shù)據(jù)包，同時還會強(qiáng)制加上確認(rèn)信號。這類數(shù)據(jù)傳輸由于增加了數(shù)據(jù)包的解析和強(qiáng)制中斷，降低了傳輸通道的效率。這種效率的降低并非只出現(xiàn)在PCI-E上。

3．PCIExpress總線的特點

PCIExpress總線具有以下特點：

(1)易于布線、減少串?dāng)_，多方式連接。PCIExpress導(dǎo)線數(shù)量比PCI減少近75%，數(shù)據(jù)不需要同步，在同一系統(tǒng)內(nèi)能夠以不同頻率運(yùn)行，而且能夠延伸到系統(tǒng)之外，采用專用線纜可將各種外設(shè)直接與系統(tǒng)內(nèi)的PCIExpress總線連接在一起。這是PCI無法做到的。

(2)?PCIExpress數(shù)據(jù)傳輸速率快。每個通道帶寬為2.5?GB/s(可提升到5?GB/s)，理論上最高連接帶寬可達(dá)8～10?GB/s。

(3)兼容PCI和PCI-X。

(4)其它功能。

PCIExpress接口標(biāo)準(zhǔn)可以支持不同的信令協(xié)議；采用先進(jìn)電源管理技術(shù)，支持熱插拔功能；可以對所有的接入設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控；采用獨特的糾錯機(jī)制保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。9.6.2USB總線

USB(UniversalSerialBus)稱為通用串行總線，是20世紀(jì)90年代中期由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft和NEC等多家美國和日本公司共同提出的新一代接口標(biāo)準(zhǔn)總線。1994年，Intel、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等幾家世界著名的計算機(jī)和通信公司成立了USB論壇，花了近兩年的時間形成了統(tǒng)一的意見，于1995年11月正式制定了USB0.9通用串行總線規(guī)范，1997年，真正符合USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)出現(xiàn)了。

1999年初，在Intel的開發(fā)者論壇大會上，與會者介紹了USB2.0規(guī)范，該規(guī)范的支持者除了原有的Intel、Microsoft和NEC等成員外，還有惠普、朗訊和飛利浦三個新成員。USB2.0向下兼容USB1.1，傳輸率將達(dá)到480Mb/s，還支持寬帶數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備及下一代掃描儀、打印機(jī)及存儲設(shè)備。USB總線接口外觀如圖9-10所示。圖9-10USB總線接口外觀

USB總線是為了適應(yīng)微機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，需要連接的外部設(shè)備不斷增加，解決微機(jī)端口短缺而產(chǎn)生的。它和IEEE1394同樣是一種連接外圍設(shè)備的機(jī)外總線。從性能上看，最初的USB總線在很多方面不如IEEE1394，但是卻擁有IEEE1394無法比擬的價格優(yōu)勢，在一段時期內(nèi)，它和IEEE1394總線并存，分別管理低速和高速外設(shè)。隨后由于廉價的USB總線具有熱插拔功能，使得USB大量出現(xiàn)在主板上，出現(xiàn)在打印機(jī)、掃描儀、攝像頭、優(yōu)盤，甚至是顯示器等設(shè)備上。

USB是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通信。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB使用一個四針的插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來。USB接口可用于連接多達(dá)127種外設(shè)，如鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和鍵盤等。USB自從1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當(dāng)今個人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。

1．USB總線的性能

USB是一條串行總線，傳統(tǒng)的串行端口是各自獨立的，例如，鍵盤端口只能連接鍵盤，鼠標(biāo)器端口只能連接鼠標(biāo)器，它們相互間并不連通。但在USB總線上，各USB端口是互相關(guān)聯(lián)的，除連接自己的外設(shè)外，也同時連接到USB提供的4根連線上，其中2根為信號傳輸線，2根為電源連接線。但是，同其他總線的工作相似，在某一特定的時間，信號傳輸線只能與某一特定的外設(shè)相連通。也就是說，在同一時間內(nèi)只能有一臺外設(shè)獲得USB的控制權(quán)，以確保各臺外設(shè)傳送的信號互不干擾。區(qū)別于傳統(tǒng)端口一個端口只能連接一臺外設(shè)，USB端口連接的外設(shè)可以有兩類：一類是單個的外設(shè)，在USB術(shù)語中稱為“功能單元”(Function)；另一類是“集線器”(Hub)，它帶有連接其他外設(shè)的USB端口，使USB可經(jīng)過它再連接到其他外設(shè)上。由于集線器具有多路轉(zhuǎn)換的功能，所以不論有多少臺外設(shè)連到集線器上，在同一時刻只有一臺外設(shè)可以通過集線器與USB相連。采用集線器之后，USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)樹狀結(jié)構(gòu)，其連接的外設(shè)總臺數(shù)可以達(dá)到127臺。

2．USB總線的特點

(1)可以熱插拔，這就讓用戶在使用外接設(shè)備時，不需要重復(fù)“關(guān)機(jī)將并口或串口電纜接上再開機(jī)”這樣的動作，而是直接在PC開機(jī)時，就可以將USB電纜插上使用。

(2)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，大家常見的是IDE接口的硬盤，串口的鼠標(biāo)鍵盤，并口的打印機(jī)掃描儀，可是有了USB之后，這些應(yīng)用外設(shè)統(tǒng)統(tǒng)可以用同樣的標(biāo)準(zhǔn)與PC連接，這時就有了USB硬盤、USB鼠標(biāo)、USB打印機(jī)，等等。

(3)可接入多達(dá)127個設(shè)備，目前計算機(jī)外設(shè)越來越多，PC機(jī)內(nèi)有限的插槽和接口已經(jīng)不能滿足要求，而USB緩解了這一矛盾。

(4)攜帶方便，USB設(shè)備大多以“小、輕、薄”見長，對用戶來說，同樣20?G的硬盤，USB硬盤比IDE硬盤要輕一半的重量，在想要隨身攜帶大量數(shù)據(jù)時，當(dāng)然USB硬盤會是首要之選了。

(5)可即插即用。

(6)適用于低速外設(shè)的連接。3．USB的應(yīng)用隨著計算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，外圍設(shè)備日益增多，鍵盤、鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、掃描儀早已為人所共知，數(shù)碼相機(jī)、MP3隨身聽接踵而至，這么多的設(shè)備，如何接入個人計算機(jī)？USB就是基于這個目的產(chǎn)生的。USB是一個使計算機(jī)周邊設(shè)備連接標(biāo)準(zhǔn)化、單一化的接口，其規(guī)格是由Intel、NEC、Compaq、DEC、IBM、Microsoft、NorthernTelecom聯(lián)系制定的。

USB1.1標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸速率為12?Mb/s，但是一個USB設(shè)備最多只可以得到6?Mb/s的傳輸頻寬。因此若要外接光驅(qū)，至多能接六倍速光驅(qū)，無法再高。而若要即時播放MPEG-1的VCD影片，至少要1.5?Mb/s的傳輸頻寬，這點USB辦得到，但是要完成數(shù)據(jù)量大四倍的MPEG-2的DVD影片播放，USB可能就很吃力了，若再加上AC-3音頻數(shù)據(jù)，USB設(shè)備就很難實現(xiàn)即時播放了。不過，并非所有的Windows系統(tǒng)都支持USB。目前，Windows系統(tǒng)中有許多不同的版本，在這些版本中，只有Windows98以上版本的系統(tǒng)對USB的支持較好，而其他的Windows版本并不能完整支持USB。例如Windows95的零售版是不支持USB的，只有后來與PC捆綁銷售的Windows95版本才支持USB。目前USB設(shè)備雖已被廣泛應(yīng)用，但比較普遍的卻是USB1.1接口，它的傳輸速度僅為12?Mb/s。例如，當(dāng)你用USB1.1的掃描儀掃一張大小為40?M的圖片，需要4分鐘之久。這樣的速度，讓用戶覺得非常不方便，如果有好幾張圖片要掃的話，就得要有很好的耐心來等待了。用戶的需求是促進(jìn)科技發(fā)展的動力，廠商也同樣認(rèn)識到了這個瓶頸。這時，COMPAQ、HewlettPackard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS這7家廠商聯(lián)合制定了USB2.0接口標(biāo)準(zhǔn)。USB2.0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了480?Mb/s，比USB1.1標(biāo)準(zhǔn)快40倍左右，速度的提高對于用戶的最大好處就是意味著用戶可以使用到更高效的外部設(shè)備，而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以被連接到USB2.0的線路上，而且無需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生瓶頸效應(yīng)。所以，如果你用USB2.0的掃描儀，就完全不同了，掃一張40?M的圖片只需半分鐘左右的時間，一眨眼就過去了，效率大大提高。而且，USB2.0可以使用原來USB定義中同樣規(guī)格的電纜，接頭的規(guī)格也完全相同，在高速的前提下一樣保持了USB1.1的優(yōu)秀特色，并且，USB2.0的設(shè)備不會和USB1.X設(shè)備在共同使用的時候發(fā)生任何沖突。

USB2.0兼容USB?1.1，也就是說USB1.1設(shè)備可以和USB2.0設(shè)備通用，但是這時USB2.0設(shè)備只能工作在全速狀態(tài)下(12Mb/s)。USB2.0有高速、全速和低速三種工作速度，高速是480?Mb/s，全速是12?Mb/s，低速是1.5?Mb/s。其中全速和低速是為兼容USB1.1而設(shè)計的，因此選購USB產(chǎn)品時不能只聽商家宣傳USB2.0，還要搞清楚是高速、全速還是低速設(shè)備。USB總線是一種單向總線，主控制器在PC機(jī)上，USB設(shè)備不能主動與PC機(jī)通信。為解決USB設(shè)備互通信問題，有關(guān)廠商又開發(fā)了USBOTG標(biāo)準(zhǔn)，允許嵌入式系統(tǒng)通過USB接口互相通信，從而甩掉了PC機(jī)。隨著USB2.0協(xié)議的推出，USB總線的應(yīng)用會更加廣泛。USB2.0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了480Mb/s，比USB1.1標(biāo)準(zhǔn)快40倍左右，速度的提高對于用戶的最大好處就是意味著用戶可以使用到更高效的外部設(shè)備，而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以被連接到USB2.0的線路上，而且無需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生瓶頸效應(yīng)。而且，USB2.0可以使用原來USB定義中同樣規(guī)格的電纜，接頭的規(guī)格也完全相同，在高速的前提下一樣保持了USB1.1的優(yōu)秀特色。USB2.0設(shè)備在和USB1.X設(shè)備共同使用的時候也不會發(fā)生任何沖突。

4．USB3.0簡介英特