微机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 何珍祥 第9章 微型计算机总线技术

1、本章教学重点和难点： 微型计算机总线基本概念。 常用的标准总线，各类总线的特点和功能。 微型计算机总线的组成结构。 常用系统总线和局部总线内部结构、引脚特性。 在不同场合可以合理地选择和使用总线。,第9章 微型计算机总线技术,本章教学内容： 9.1 总线基本知识 （微型计算机总线、总线分类及总线技术的发展） 9.2 系统总线 （ISA、EISA、PCI、AGP总线） 9.3 外总线 （RS-232总线）,9.1 总线基本知识 总线是微型计算机系统中传递各类信息的通道，负责在CPU和其他部件之间进行信息的传递。,9.1.1 微型计算机总线概述 总线的两个基本特性：分时和共享。 共享：多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。 分时：指某一时刻总线只能在一对部件之间传送信息。,1. 微机总线的组成 （1）数据总线：数据总线为双向三态逻辑，用来传输数据。如PC/XT总线为8位数据线，ISA总线为16位数据线，PCI总线为32或64位数据线。,（2）地址总线：地址总线为单向三态逻辑，用来传递地址信息。 地址总线的根数决定系统的寻址范围。 PC/XT总线有20位

2、地址线，可直接寻址1MB地址空间，ISA总线有24位地址，可直接寻址16MB地址空间，EISA总线有32位地址线，可直接寻址4GB地址空间。,（3）控制总线：控制总线有单向、双向三态逻辑或非三态逻辑，用来传送控制信息和状态信息。 （4）电源和地线：说明使用电源的规格。 （5）备用线：主要作为系统功能扩充使用。,2. 总线的性能指标 计算机总线的主要职能是负责计算机各模块间的信息传输。 计算机总线技术包括：通路控制性能、使用方法、仲裁方法和传输方式等。 总线的结构不同，性能差别很大。,总线的性能指标有： （1）总线宽度（传送宽度）：指一次总线操作中通过总线传送的数据位数，即数据总线的数量，总线宽度有8位、16位、32位、64位。 （2）总线周期：一次总线操作中所用的时间。 （3）总线带宽（标准传输率）：在总线上每秒传输的最大字节量，用MB/s表示。 （4）总线工作的时钟频率：设总线的带宽Dr，总线的时钟周期用T=1/f，一个总线周期传送的数据量用D表示，则带宽Dr=D/T=Df 若总线工作频率33MHz，总线宽度32位，则最大传输率为：Dr=4B33106/s=132MB/s 。,（5）

3、多路复用技术：一条总线多种用途的技术，即某一时刻该线路上传输的是地址信号，而另一时刻传输的是数据信号或总线命令。,（6）总线控制方式：有突发传输、并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等项内容。 （7）其他指标：还有总线的同步方式、信号线数、负载能力和电源电压，能否扩展64位宽度等。,9.1.2 总线分类和总线标准,按各类总线的结构和连接对象及范围的不同，可分为以下三类总线： （1）微处理器片内总线 （2）内总线 （3）外部总线,（1）微处理器片内总线 主要用于芯片级的互连，是指在微处理器芯片内部各单元之间传输信息的总线。 如微处理器内部的控制器、运算器、寄存器之间，以及系统主板上的CPU、存储器、接口电路之间的连接，就是采用片内总线来实现，有时也称为局部总线。,（2）内总线 也称为板级总线或系统总线，实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接，在微型计算机主板上的各种扩展插槽都属于内总线。 例如STD总线、ISA总线、VESA总线、PCI总线等。,（3）外部总线,也称为通信总线，微型计算机之间或微型计算机与外部设备之间进行通信

4、的总线，主要用于设备级的互联。 例如：RS-232C总线、RS458总线、USB总线等。图9-1所示为常见的微型计算机总线层次的典型结构。,图9-1 微型计算机总线层次结构示意图,7.4 动画定义及演示文稿放映,标准总线规定了电气各种信号的标准电平，负载能力和定时关系，也在结构上规定了插件的尺寸规格和引脚定义，各模块可实现标准连接。 目前总线标准有两类： 一类是IEEE（美国电气及电子工程师协会）标准委员会定义与解释的标准，如IEEE-488总线和RS-232C串行接口标准等； 另一类是因广泛应用而被大家接受与公认的标准，如S-100总线、IBM PC/XT总线、ISA总线、EISA总线、PCI总线等。,4 标准总线的特点,7.4 动画定义及演示文稿放映,XT、AT（即ISA）、EISA系统总线和PCI局部总线等。 PC总线最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT计算机中，它是基于8位结构的8086处理器，也被称为PC/XT总线。 目前较为流行的PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术外，又出现了EV6总线、PCI-X局部总线、NGIO总线等。,9.1.3 微型计算机总

5、线技术的现状和发展趋势,9.2 系统总线 9.2.1 ISA总线 ISA（Industrial Standard Architecture）总线： IBM公司l984年为推出PC/XT而建立的系统总线标准，也叫AT总线，是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。,ISA总线在原XT总线62线的基础上再充36线而成的98根信号线。长槽62个引脚被分为A、B两面，引脚编号为AlA31和B1B31；短槽36个引脚被分为C、D两面，引脚编号为C1Cl8和DlD18。新增的36线与原有的62线之间用一凹槽隔开。 ISA总线信号的前62根信号线按功能可分为时钟与定位线、数据总线、地址总线、控制总线、电源与地线五大类；后36根信号线除不提供时钟、定位功能外，其余四类都提供，是前面对应类功能的扩充。,9.2.2 EISA总线 在ISA总线的基础上，将数据总线宽度从16位变为32位，地址总线宽度从24位变为32位，并具有高速同步传送功能。 EISA总线具有近200条信号线。 EISA的信号线可分成4组：地址总线和数据总线组、数据传送控制组、总线仲裁信号组及其他功能总线组。 EISA总线的地址总线

6、为32位，可支持高达4GB的物理地址空间。,9.2.3 PCI总线 PCI总线：外部部件互联总线。 PCI V2.0版本支持32/64位数据总线，总线时钟为2533MHz。数据传输率达132264MB/s。 1995年推出的PCI V2.11版本支持64位数据总线，总线速度为66MHz，最大数据传输率达528MB/s。这个速度是最初的IBM PC总线的100倍，是最快的ISA总线的40倍，PCI总线的优良性能使它成为当前Pentium系列芯片的最佳选择。,1 PCI总线的特点 （1）采用数据线和地址线复用结构，目标设备可用47引脚，总线主控设备可采用49引脚。 （2）提供5V和3.3V，可在两种环境中根据需要转换。 （3）允许32位与64位器件相互协作。 （4）允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置，提供了即插即用的能力。 （5）PCI总线独立于处理器，工作频率与CPU时钟无关，可以支持多机系统。 （6）高传输率。可扩充到64位（频率为66MHz），传输率达132 MB/s528MB/s。 （7）高效率。支持无限读写突发方式、支持并发工作。,2 PCI总线信号的定义 PCI总线规定

7、了两种PCI扩展卡及连接器： 一种称为长卡，另一种称为短卡，长卡提供64位接口，插槽A、B两边共定义了188个引脚；短卡提供32位接口，插槽A、B两边共定义了124个引脚。电源、地、未定义引脚，其余信号按功能分类列于图9-2中。,3 PCI总线的系统结构 PCI总线为主的层次化局部总线，包括CPU总线、PCI总线、ISA/EISA总线和AGP总线。 PCI桥路是一个PCI总线控制器，一边连接CPU总线，另一边通过PCI总线连接CPU访问相对频繁、速度较快的主存储器、高速图形适配器等，使PCI总线上的设备与CPU并行、独立地工作，互不影响。 标准总线桥可扩展ISA/EISA总线。,图9-3 PCI总线系统结构,PCI桥的主要功能： （1）一个低延迟的访问通路，从而使处理器能够直接访问通过它映射于存储器空间或I/O空间的PCI设备。 （2）能使PCI主设备直接访问主存储器的高速通路。 （3）数据缓冲功能，可以使CPU与PCI总线上的设备并行工作而不必相互等待。 （4）使PCI总线的操作与CPU总线分开，实现了PCI总线的全部驱动控制。,9.2.4 AGP总线 Intel公司在1997年推出

8、了高速图形接口的局部总线标准AGP（Accelerated Graphics Port）总线。 主要特点： 1）具有双重驱动技术，允许在一个总线周期内传输两次数据。 2）在总线上可实现地址/数据多路复用，把32位的数据总线给图形加速器使用。 3）一个典型的排队可处理12个以上的请求，大大加快了数据传输的速度。 4）把图形接口绕行到AGP通道上，解决了PCI带宽问题，使PCI有更多的能力负责其他数据传输。,1. 概述 AGP是为提高视频带宽而设计的总线规范。 视频信号的传输速率可以从PCI的l33Mb/s提高到266Mb/s（1X模式）、533Mb/s（2X模式）、1066Mb/s（4X模式）或2133Mb/s（8X模式）。 AGP能够在主内存与显示卡之间提供一条直接通道，使3D图形数据不经PCI总线，直接送入显示子系统，由此突破了PCI总线形成的系统瓶颈、提高了微型计算机的3D图形的处理能力，AGP是用于加速图形显示的一个专用总线接口。 AGP仅在AGP控制芯片和AGP显示卡之间提供了点到点的连接。AGP总线的系统结构如图9-4所示。,2. AGP的性能特点： （1）数据读写操作的流水

9、线操作。 （2）具有2X、4X、8X数据传输频率。 （3）直接内存执行DIME。 （4）地址信号与数据信号分离。 （5）并行操作。在CPU访问系统RAM的同时允许AGP显示卡访问AGP内存，显示卡可以独享AGP总线带宽，从而进一步提高了系统性能。,4. PCI和AGP的比较 AGP总线采用地址和数据多路复用；AGP系统由于显示卡通过AGP芯片组与主内存相连，把占用了PCI总线大量带宽的显示卡移到AGP上是非常必要的。,9.2.5 新型总线PCI Express 1. I/0总线的瓶颈 3D图形加速卡、千兆位以太网卡、IEEE 1394、移动对接设备及其他附件的发展，以及它们所需要的更大带宽，PCI总线无法及时处理这些设备所发送的并发/多路数据流。 如AGP接口，芯片组的HUB Link、V-Link等技术。 Intel等开发的PCI Express（原名3GIO，第3代I/O总线）就是一种新型的高速串行I/O互连接口，主要用于台式机、服务器、通信和嵌入式系统中。,数据流量大的I/O用专门接口,2. PCI Express概述 导线数量减少了将近75%，速度是PCI-X2.0的两倍，而且易扩充。 采用点对点技术 在点对点架构基础上为高速接入设备提供了交换器控制单元，主要作用是对高速PCI Express设备之间的点对点通信进行管理和控制。,3 PCI Express的系统结构 5层PCI Express类似OSI网络模型。 PCI Express兼容PCI寻址模型。 PCI Express的分层结构模型如图9-5。,（1）物理层 由一对分离驱动收发器组成，分别负责发送和接收数据，物理层内置有嵌入式的数据时钟信号，提供2.5Gb/s通道的通信速率。 在初始化过程中，两个PCI Express连接的设备通过协商来确定实际通道宽度和工作频率，建立个PCI Express连接。 （2）数据链路层 数据链路层为每个来自事务处理层的数据包增加顺序号和CRC校验码，通过对顺序号和CRC校验码的检测，链路层将自动请求重发以实现数据的完整性。,硬件实现,（3）事务处理层 接收来自软件层的读写请求并构造发送到链路层的请求数据包。 事务处理层支持四个寻址空

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