接口与通信技术第八章.ppt

第八章 总线与接口标准,计算机的总体性能是各个子系统性能的综合体现，而各个子系统之间的协同工作能力取决于总线接口性能掌握各种接口及其最新技术，使之有机地结合在一起，可使你的系统提升到更高的水平 第一节 概述 第二节 系统总线 第三节 通信总线,第一节 概述 总线和接口标准是计算机系统的重要组成部分，它负责在CPU和系统中其它部件之间来回传送信息，它的性能好坏直接影响到计算机系统的工作效率（包括精度与速度）、可靠性、可扩展性、可维护性等多项性能 一、总线接口概览 自从1984年IBM AT问世以来，PC系统就以模块化、可扩展性和标准接口等方式，不断强化性能，抢占大型机系统的地盘，从而推动了个人电脑的发展，并大大延长了生存周期随着终端／主机模式逐渐被客户机/服务器模式所取代，大型机终于隐身后台一）数据总线接口 自从IBM AT问世至今，个人电脑使用了很多接口规范，有些至今还在使用它们是ISA、EISA、VESA、PCI．SCSI、AGP等，还包括IBM的独家技术MCA 1. ISA（Industry Standard Architecture）总线：它是PC中最常见的总线，直译即工业标准总线。

ISA存在一系列的不足：传输速率低、占用硬件中断资源、不支持即插即用(Plug and Play)，但ISA良好的兼容性及广泛的应用，使得板卡厂商一时还无法彻底抛弃它 2. MCA（Micro Channel Architecture）总线：为提高系统总线性能，IBM在PS／2中推出了MCA，即微通道总线1987年当MCA问世时，就已具备了非常先进的性能：32位带宽、线主控（Bus Mastering）与仲裁、即插即用等MCA的缺点之一是DMA（直接存储器存取）控制器性能差，且不兼容ISA卡由于MCA非开放技术标准，使兼容机制造商放弃了对IBM的追随随着PS／2的停产，MCA也在PC中消失 3. EISA全称Extended Industry Standard Architecture Bus，即扩展工业标准总线EISA具备优于ISA的先进性能：32位带宽、总线主控模式与仲裁、即插即用，同时保持了对ISA扩展卡的兼容性由于EISA主板价格昂贵，EISA在台式机中并不多见，多用于服务器与MCA的命运差不多，EISA由于性能和成本方面的原因，早已退出了历史舞台4. VESA全称是Video Electronics Standards Association，即视频电子标准协会。

VESA是一种以ISA为基础的局部总线，运行于33MHz，不但旧的ISA卡可以照常运行，而且新的VESA视频卡、I／O卡也能发挥更高的性能VESA以高性能、低成本及向下兼容性好而得到广泛的应用，不过由于它是专为486系统设计的，与奔腾的结合存在兼容性问题，VESA几乎无法支持2个以上的VESA扩展卡，也不支持即插即用 5. PCI总线（Peripheral Component Inter connect Local Bus），即外设组件互联局部总线，它由Intel于1993年提出其致胜法宝是芯片组中的PCI专用控制器实现总线仲裁与控制，也使PCI适用范围超出了主板其开放的标准便于其他厂家设计扩展卡PCI总线由于具备以下优点，而成为PC的高速通用I／0接口：类似内存突发存取的PCI突发模式、PCI总线主控改进了传输性能、PCI 2.1的64位66MHz高速模式提供了4倍于普通PCI的性能（已用于Compaq—DEC Alpha工作站）、良好的兼容性、可设置同步模式或异步模式、可支持4个以上PCI扩展槽等但PC仍需以ISA总线支持串行和并行外部接口，幸运的是目前外设的速度仍未超过ISA总线的处理能力。

6. AGP（Accelerated Graphics Port，即加速图形接口）是PCI高速总线的一种特殊形式AGP总线也是32位带宽，但工作频率为66MHz，比PCI高一倍AGP方案在CPU和显卡间建立二者专用的非扩展通道（故称为接口而非总线）显存用于帧缓存，显卡动态借用内存来处理图形计算好处是明显的：专用的非扩展通道容易实现、视频性能得到加速、可采用先进图形技术AGP不仅增强了图形性能，也释放了PCI总线，进而扩大了其他子系统的吞吐能力 （二）存储设备接口 PC的存储器接口规范有IDE／ATA、PlO、ATA-2，FastATA．FastATA-2、ATA-3、UItraATA、AYAPI、EIDE、UDMA等目前广泛使用的技术标准是Ultra ATA DMA 33（简称UDMA 33）UItraATADMA 66（简称UDMA66）UDMA33采用高速的DMA33传输模式，在33.3MB／s速率下工作UltraATA兼容IDE／ATA更为常用的Ultra ATA标准是ATA66，支持66.6MB／s的速率 ATA规范的先进性使得非硬盘设备也希望采用标准的ATA方式但ATA协议命令集并不支持所有的非硬盘设备。

所以就制订了ATAPI（ATA Programing Interface）标准，以广泛支持光驱、磁带机大容量软驱、ZIP盘等新型I／0设备 （三）SCSI接口 从IBM AT时代起，就存在着一个与IDE／ATA并存的竞争对手：SCSI接口规范SCSI（Small Computer System Interface）：小型电脑系统接口作为普及程度第二的硬盘接口，SCSI比IDE／ATA接口具有显著的优点，例如构成硬盘阵列以便均衡负载和实现容错，多为高端系统所采用SCSI在家用及商用机中罕见的主要原因是其价格较贵、配置较难 比起IDE仅具接口涵义，SCSI可算高级多了，它是系统级别的总线，在每个SCSI设备上都有独立的智能控制器，在系统的集体管理下调度SCSl通道中的数据流SCSI可以连接多种不同的设备，不像IDE／ATA接口那样主要连接硬盘设备SCSI自下而上的设计使它更像外设的第二总线，高性能、可扩展与兼容性更是在现存PC总线标准中无出其右SCSI l：最初的SCSI标准于1986年成为ANSI标准X3.131—1986，仅提供8台设备，8位“窄”总线和5MB／s的低速 SCSI 2： SCSI 2于1990年被纳入ANSI标准。

SCSl 2在SCSI 1的基础上提供了Fast SCSI通讯协议，倍增了SCSl 1的速率Wide SCSI将8位加宽到16位甚至32位总线，支持总线设备达16台，改进了高密度线缆及接插件、有源终结器、命令排队机制等 SCSI 3：提出了Ultra SCSI，在SCSI线缆上实现20MB／s速率若采用Wide SCSI则带宽加倍尤其引人注目的是，SCSI 3提出了串行Serial SCSI （Firewire“火线”）概念 （四）USB通用串行总线接口,USB（Universal Serial Bus）标准制定于1996年，是新的外部总线规范，支持高达12Mb／s的数据速率一个USB接口可以连接多达127个外部设备，例如鼠标、键盘和ModemUSB不但对即插即用支持非常好，更支持热插拔这些特性使得USB设备能够在不关机的情况下安装并使用 1. USB 1.1版：提供2种传输速率：12Mb／s的全速模式，支持低速至中速设备（速率低于8Mb／s）；低速模式以1／8速度时钟，1.5Mbps的速率，支持相应的众多低速设备与常见的外部串行接口不同，USB采用同步通信协议，尤其适合游戏与等同步设备。

如果设备耗电超过500mA或距离超过5米，可使用USB有源中继，例如带有USB中继转接口的彩显或键盘、5米USB集线器、10米USB有源中继转接器等所以USB可以支持多个设备对于大量数据传输，达到理论传输全速12Mb／s时，USB在一毫秒内传输1500Bytes的帧数据，其中约1／6为通信协议开销，实际传送的数据只有5／6即约10Mb／s单个USB设备可望获得约900KB／s的数据速率支持连接多个USB外部设备时．可望接近1.2MB／s的数据速率 在用途方面，交互设备通常要求10Kb／s ~l00Kb／s的数据速率支持，USB提供廉价易用的多设备热插拔能力；而一般多媒体设备（如、音频、ISDN、压缩视频等）则要求500Kb／s—10Mb／s的同步数据速率支持，USB同样可提供廉价易用的多设备动态插拔能力，并且传输延迟与传输带宽能得到保证2. USB 2.0：USB 2.0已于2000年4月27日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和Philips正式对外发布作为新一代USB标准，USB 2.0兼容所有USB 1.1外部设备、线缆与连接件，支持原来只能利用PCI等总线的高性能外部设备，数据速率达480Mb／s，等于USB 1.1的40倍或1394”火线”的1.2倍，使它成为并行总线的有力竞争对手。

USB 2.0不仅使USB大提速，而且使更多设备可以经由USB连接到PC，诸如高清晰数字会议视频设备、新的彩色扫描仪和彩色打印机、快速存储设备、高速刻录机、宽带xDSL和Cable ModemUSB 2.0版继承了USBl.1的1.5Mb／s低速模式和12Mb／s全速模式，新建立了480Mb／s的HS高速模式五）IEEE 1394“火线”（Firewire） IEEE 1394“火线”是由Apple开发并成为IEEE 1394—1995标准的点对点电缆连接串行总线，数据速率达l00Mb／s—400Mb／s1394视总线为内存或插槽，64位地址（10位网络ID，6位节点ID和48位存储地址）可以连接63个节点（设备），每个节点寻址空间高达281TB1394高速并支持同步数据流以确保传输的数据速率，是视频设备高速实时数据的理想传输方式1394高速灵活、支持即插即用、热插拔和设备供电 与USB的区别在于1394更快也更贵，主要用于视频和图像传输Apple的Mac G4配有单内置Fire Wire端口，连接宽带实时数字视频音频同步摄录机，速率达32MB／s，几乎等于Ultra Wide SCSI的速度，因此行家戏称1394为“SCSI voodoo”。

而“火线”硬盘接在Pismo笔记本的总线式1394端口无需交流电源就能使用VST公司的外置”火线”硬盘体积小得可放进衬衣口袋里，携带使用非常方便火线”将彻底改变移动通讯与高速数据存取Apple推出FireWire 3.0驱动程序后，从“火线”外置硬盘启动电脑也能实现 由此可以看出，USB 2.0与1394在技术上类似，但1394并非专为电脑用途设计的而USB为电脑设备提供廉价的即插即用，消除“用户不友好”的外部接口（如串口、并口、游戏口等）1394却被电子业接纳为下一代消费电子产品的连接方式因此，未来二者愈加相似而且并存二、总线和接口标准的分类 从以上众多的总线中，可以对总线分类总线的分类方法很多，从总线的性质和应用来看，可分成4大类： 1. 片内总线 是指微处理器的内总线，在微处理器内部用来连接ALU、CU和寄存器堆等逻辑功能单元 2. 片间总线 用来连接一块电路板内各元器件的总线，如微处理器、存储器芯片、I/O接口芯片等 3. 内总线 内总线是微机系统内连接各插件板的总线又称系统总线如STD总线、ISA总线、MCA总线、PCI总线、ISA总线等4. 外总线 又称通信总线用以实现微机系统与微机系统、微机系统与其它仪器或设备之间的相互连接。

如RS-232C／RS-485总线、微机与智能仪器之间所采用的IEEE-488／VXI总线、USB和IEEEl394通用串行总线等 本章将重点介绍系统总线和通信总线第二节 系统总线 系统总线多种多样，这里只介绍IBM-PC微机的系统总线，包括ISA、EISA、STD和PCI总线等 一、ISA总线 ISA总线也称AT总线，。