微机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 胡 蔷 第5章 总线

1,第5章 总线,内容提要：本章主要介绍了微处理器总线的分类、组成、传输方式等基本概念，描述了几种常用的总线结构。 学习目标：重点掌握PCI总线、USB总线、IEEE 1394总线相关信号的定义、分配等常用信息和使用方法。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,2,第5章 总线,本章目录 5.1 总线概述 5.2 几种总线标准 小结,机械工业出版社 微机原理及接口技术,3,5.1 总线概述,为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路配置以适当的接口电路与各部件和外设连接，这组共用的连接线路被称为总线。 总线是用来连接各部件的各种信号线的集合，换言之，总线是一种在多于两个模块(设备或子系统)间传送数据、地址和控制信息的公共通道。为在各模块之间实现信息共享和交换，总线由传送信息的物理介质以及一套管理信息传输的协议所构成。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,4,1总线分类,在微机系统中，有各种各样的总线，这些总线可以从不同的层次和角度进行分类。 (1)按总线的功能分类 1) 地址总线； 2) 数据总线； 3) 控制总线。 通常所说的总线都包括上述三个组成部分：地址总线（AB）用来传送地址信息，数据总线（DB）用来传送数据信息，控制总线（CB）用来传送各种控制信号。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,5,(2)按总线的层次结构分类 1）CPU总线：它包括地址线（CAB）、数据线（CDB）和控制线（CCB），用来连接CPU和控制芯片。 2）存储总线：它包括地址线（MAB）、数据线（MDB）和控制线（MCB），用来连接存储控制器和DRAM。 3）系统总线：它也称为I/O通道总线，包括地址线（SAB）、数据线（SDB）和控制线（SCB），用来连接扩充插槽上的各扩充板卡。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。 4）外部总线：它用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器，包括地址线（XAB）、数据线（XDB）和控制线（XCB）。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,6,(3)按总线在微机系统中的位置分类 1）机内总线：上面介绍的各类总线都是机内总线。 2）机外总线：它是指与外部设备接口的总线，实际上 是一种外设的接口标准。 目前在PC上流行的接口标准有IDE, SCSI, USB和IEEE 1394四种。前两种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。 (4)按总线的通信方式分类 计算机的通信方式可分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。 1）并行总线：并行总线通信速度快，实时性好，但由于占用的口线多，不适合小型化产品。 2）串行总线：串行总线通信速率虽低，但在数据通信量不很大的微处理器电路中，显得更加简易、方便、灵活。 (5)局部总线分类 局部总线可分为专用局部总线和PCI总线。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,7,2.总线特性,(1) 物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线的根数、总线接头的形状、引脚排列形式及编号顺序等。 (2) 功能特性：指总线中每根线的作用，一般分为3种功能，即常用的三大总线-地址总线、数据总线、控制总线。 (3) 电气特性：指总线中每根线的有效电平范围、信号传送方向。一般规定进入CPU的信号称输入信号，从CPU发出的信号称输出信号。 (4) 时序特性：定义总线中每根线的时序，即每根线在哪个时钟周期有效。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,8,3.总线完成一次数据传输要经历四个阶段,(1) 申请(Arbitration)占用总线阶段：需要使用总线的主控模块(如CPU或DMAC)向总线仲裁机构提出占有总线控制权的申请。由总线仲裁机构判别确定，把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。 (2) 寻址(Addressing)阶段：获得总线控制权的主模块，通过地址总线发出本次打算访问的从属模块，如存储器或I/O接口的地址，通过译码使被访问的从属模块被选中，从而开始启动。 (3) 传数(Data Transfering)阶段：主模块和从属模块进行数据交换。数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。对于读传送，源模块是存储器或I/O接口，而目的模块是总线主控者CPU；对于写传送，源模块是总线主控者，如CPU，而目的模块是存储器或I/O接口。 (4) 结束(Ending)阶段：主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其他模块能继续使用。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,9,4. 实现总线传输的控制,（1）同步传输：同步传输是采用精确稳定的系统时钟，作为各模块动作的基准时间。模块间通过总线完成一次数据传输(即一个总线周期)，时间是固定的，每次传输一旦开始，主、从模块都必须按严格的时间规定完成相应的动作。 （2）异步传输：同步传输要求总线上的各模块速度要严格匹配，为了能使不同速度的模块组成系统，因此采用异步传输控制数据传输。 （3）半同步传输：半同步传输是综合同步和异步传输的优点而设计出来的混合式传输。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,10,5.总线性能指标,总线的性能指标有多个方面，下面五条是容易理解且比较重要的。 （1）总线宽度 总线宽度指的是总线中数据总线的数量，用bit（位）表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分。显然，总线的数据传输量与总线宽度成正比。 （2）总线时钟 总线时钟是总线中各种信号的定时标准。一般来说，总线时钟频率越高，其单位时间内数据传输量越大，但不完全成正比例关系。 （3）最大数据传输速率 最大数据传输速率指的是在总线中每秒钟传输的最大字节量，用MB/s表示，即每秒多少兆字节。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,11,在现代微机中，一般可做到一个总线时钟周期完成一次数据传输，因此，总线的最大数据传输速率为总线宽度除以8（每次传输的字节数）再乘以总线时钟频率。 例如，PCI总线宽度为32位，总线时钟频率为33MHz，则最大数据传输速率为32÷8×33132MB/s。但有些总线采用了一些新技术（如在时钟脉冲的上升沿和下降沿都选通等），使最大数据传输速率比上面的计算结果高。 最大数据传输速率有时也被称为带宽（bandwidth）。 （4）信号线数 信号线数是总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线。信号线数与性能不成正比，但反映了总线的复杂程度。 （5）负载能力 负载能力是总线带负载的能力。该能力强，表明可多接一些总线板卡。当然，不同的板卡对总线的负载不一样，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,12,5.2 几种总线标准,总线标准是指在计算机系统中互连各个模块的标准，它通常对总线的物理特性、电气特性等都作了明确统一的规定。常用总线标准可分为：系统总线和外部总线。 系统总线： （1）PC总线。IBM PC机的62芯PC总线。 （2）ISA。是IBM公司为286/AT电脑制定的总线工业标准，也称为AT标准。 （3）PCI。它是SIG（Special Interest Group）集团推出的总线结构。自1992年起，已有Intel, HP, IBM, Apple, DEC, Compaq, NEC等著名的厂商加盟。 （4）AGP。加速图形端口AGP是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，因此严格来说，AGP也是一种接口标准。 外部总线： （1）IEEE488总线 （2）EIA RS232总线,机械工业出版社 微机原理及接口技术,13,5.2.1 PC总线,IBM-PC及XT使用的总线称为PC总线，它是为配置外部I/O适配器和扩充存储器专门设计的一组I/O总线，又称为I/O通道，共有62条引线，全部引到系统板上8个62芯总线的扩展槽J1J8上，可插入不同功能的插件板，用以扩展系统功能，如图5-1所示。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,14,D7D0共8条，是双向数据传送线，为CPU、存储器及I/O设备间提供信息传送通道。,1. 数据总线,2. 地址总线,A19A0共20条，用来选定存储器地址或I/O设备地址。当选定I/O设备地址时，A19A16无效。这些信号一般由CPU产生，也可以由DMA控制器产生。20位地址线允许访问1MB存储空间，16位地址线允许访问64 KB的I/O设备空间。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,15,控制总线共26条，可大致分为三类。 1) 纯控制线(21根) 2) 状态线(2根) 3) 辅助线(3根),3. 控制总线,5.2.2 ISA总线,ISA总线: (Industry Standard Architecture:工业标准体系结构）是IBM公司为PC/AT电脑而制定的总线标准，为16位体系结构，只能支持16位的I/O设备，数据传输率大约是16MB/S。 ISA能实现16位数据传送，24位地址线可寻址16 MB地址空间，工作频率为8 MHz，数据传输率最高可达8 MB/s。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,16,ISA总线是采用80286CPU的IBM-PC/AT机使用的总线，又称PC/AT总线。将原来8位的IBM-PC总线扩展为16位的AT总线，它保持原来PC/XT总线的62个引脚信号，以便原先的PC/XT适配器板可以插在AT机的插槽上。同时为使数据总线扩展到16位，地址总线扩展到24位，而增加一个延伸的36引脚插槽，其引脚如图5-2所示。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,17,PCI的含义是外围部件互连。PCI能够支持微处理器快速访问系统存储器，并支持适配器之间的相互访问。 典型的PCI系统结构如图5-3所示，展示了PCI、扩展系统、CPU及存储器之间的连接关系。,5.2.3 PCI总线,1PCI系统结构,机械工业出版社 微机原理及接口技术,18,机械工业出版社 微机原理及接口技术,19,2PCI局部总线的主要性能和特点,PCI总线是一种不依附于某个具体微处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。 （1）数据传输率高 PCI的数据总线宽度为32位，可扩充到64位。它以33MHz的时钟频率工作。因此，若采用32位数据总线，数据传输率可达132MB/s；而采用64位宽度数据总线，则最高传输率可达264MB/s。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,20,（2）支持突发传输 通常的数据传输是先输出地址后进行数据操作，即使所要传输数据的地址是连续的，每次也要有输出和建立地址的阶段。而PCI支持突发数据传输周期，该周期在一个地址相位后可跟若干个数据相位。 （3）支持多主控器 在同一条PCI总线上可以有多个总线主控器（主设备），各主控器通过PCI总线专门设置的总线占用请求信号和总线占用允许信号竞争总线的控制权。 （4）减少存取延迟 PCI总线能够大幅度减少外设取得总线控制权所需的时间，以保证数据传输的畅通。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,21,（7）数据完整 PCI总线提供了数据和地址的奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。 （8）适用于多种机型 通过转换5V和3.3V工作环境，PCI总线可适用于各种规格的计算机系统，如台式机、便携式计算机及服务器等。 （9）低成本、高可靠性 PCI总线插槽短而精致，PCI芯片均为超大规模集成电路，体积小而可靠性高，PCI总线采用地址/数据引脚复用技术，减少了引脚需求。这使得PCI板卡的小型化成为可能，从而降低成本，提高可靠性。,机械工业出版社 微机原理及接口技术,22,3. PCI总线信号定义,PCI总线引脚数为120条（包含电源、地、保留引脚等）。 PC