第11章总线技术2013.ppt

1,微机原理与接口技术,2013年11月16日,第11章 总线技术,2,,11.1 总线的基本概念,总线是计算机中连接各部件的一组公共通信线1970年DEC公司PDP-11小型计算机首次采用总线技术总线结构的优点：便于采用模块化结构设计方法，简化系统设计标准总线得到各厂商的支持，便于开发相互兼容的硬件板卡和软件模块结构便于系统的扩充和升级便于故障诊断和维修…...,1.1.1微机总线,微型计算机自诞生以来一直采用总线结构总线速度是微机性能的主要指标之一目前在微型计算机系统中常把总线作为一个独立的部件看待微机系统中的I/O接口本质上是I/O设备与微机系统总线的接口,4,11.1.2 总线的分类 在微型计算机系统中，按照总线的规模、用途及应用场合，可将总线分为以下三类 1. 芯片总线 芯片总线又称元件级总线这是在构成一块CPU插件或用微处理机芯片组成一个很小系统时常用的总线，用于各芯片(如CPU芯片、 储器芯片、I/O接口芯片等)之间的信息传送 按所传送的信息类别不同，可将芯片总线分为传送地址、传送数据和传送控制信息等三组总线，简称为地址总线、数据总线和控制总线。

5,2. 内总线 内总线又称为系统总线它是微型计算机系统内连接各插件板的总线，用于插件与插件之间的信息传送 3. 外总线 外总线又称通信总线用于微型计算机系统与系统之间或微型计算机系统与外部设备之间的通信 内总线与外总线除地址总线、数据总线和控制总线外， 还包括电源总线、地线和备用线(为用户扩展功能用) 三类总线在微型计算机系统中的位置及相互关系如图 10 - 1 所示6,图 11 – 1 用三类总线构成的微机系统,7,11.1.3 总线的标准化 总线标准化为连接到总线的各个部件提供了标准的信息通路 芯片总线的标准化问题目前尚未得到妥善解决，这主要是由于不同厂家生产的大规模集成电路芯片没有一个标准化的规范，因而很难通过简单的连接提供芯片之间的标准信息通路例如，Z80CPU比8085CPU功能强，两者的指令系统基本上兼容，机械外型相同，使用相同的+5V电源但由于引脚信号排列不同，而且大部分控制信号的功能也不同, 因此不能直接用Z80CPU置换8085CPU来提高机器性能随着微机应用的日益广泛，用户要求不同厂家生产的硬件模块能实现简单方便互连的愿望越来越迫切。

芯片级不能做到这一点，就要在插件级和系统级设法解决，因而形成了插件级和系统级的各种标准总线8,标准总线不仅在电气上规定了各种信号的标准电平、负载能力和定时关系，而且在结构上规定了插件的尺寸规格和各引脚的定义通过严格的电气和结构规定，各种模块可实现标准连接各生产厂家可以根据这些标准规范生产各种插件或系统，用户可以根据自己的需要购买这些插件或系统来构成所希望的应用系统或者扩充原来的系统 制定一个合理的、便于以后扩充的总线标准是一件很复杂的工作， 但从用户使用的角度看，只要了解常用标准总线的种类、特点和使用方法就行了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， 这类标准现已有20多个9,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总线、ISA总线、EISA总线、STD总线和串行电流回路接口标准等 不同的总线标准可以用于不同的微机系统或者同一微机系统的不同位置10,典型PC主板结构,11,11.2 总线控制与总线传输,1、串行的总线仲裁方式,主要特点：越靠近控制器的模块，优先级越高；链形优先级存在传播延迟，这种延迟与模块数成正比，所以判优速度较慢，一般只接少量（几个）模块；链形结构，一个故障，链失效；结构较简单，造价较低。

串行的总线仲裁方式,2、并行的总线仲裁方式,工作原理：每个模块有一块独立的“总线请求”和“总线允许”信号线，每对信号线有其相应的优先级；控制器中有一个优先级编码器和优先级译码器，用以选择优先级最高的请求，并产生出相应的“总线允许”信号；当“总线忙”信号有效时，表示有的模块正在使用总线，因此请求使用总线的模块必须等待；直至“总线忙”信号变为无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出“总线请求”信号，总线仲裁器仅向优先级最高的模块发出“总线允许”信号并行的总线仲裁方式,主要特点：判优速度快，且与模块数无关；所需“请求线”和“允许线”较多，N个模块需要2N条16,11.3 微型计算机的总线标准 总线是微机中各模块之间传送信息的通道，各模块分时共享总线为了方便微机系统的扩展及各厂家产品的互换或互连，国际上根据微机的发展制定了许多总线标准, 如PC总线标准、ISA总线标准、EISA总线标准、PCI总线标准、 USB总线标准等内部总线,,,,,,,内部总线是计算机内部各功能模板之间进行通信的通道，是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽外部总线,,,,外部总线又称为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。

外部总线又分为并行总线和串行总线，并行总线主要有IEEE-488总线，串行总线主要有RS-232-C、RS-422、RS-485、IEEE1394以及USB总线等19,,几种微型计算机总线性能参数,是,,非,非,非,多路复用,可,可,不可,无规定,不可,64位扩展,120,109,56,143,98,信号线数,3,无限制,无限制,6,8,负载能力,32/64,32,24,32,24,地址宽度,同步,异步,同步,同步,半同步,同步方式,20～33MHz,10MHz,2MHz,8.33MHz,8MHz,总线频率,32位,32位,8/16位,32位,8/16位,总线宽度,133MB/s,33MB/s,2MB/s,33MB/s,8MB/s,最大传输率,P5个人机, PowerPC, Alpha工作站,IBM个人机与工作站,Z-80，IBM-PC系列机,386,486,586 IBM系列机,80286,386,486系列机,适用机型,PCI,MCA,STD,EISA,ISA(PC-AT),名称,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,11.3.1 ISA总线,支持8位ISA卡和16位ISA卡8位ISA总线接口8位ISA总线也称为PC总线或XT总线共有62引脚，其中，数据线8根、地址线20根、控制线21根、状态线2根，还有时钟、电源、地线16位ISA总线接口在IBM PC/AT（80286）机上首先使用，故又称为AT总线，在8位PC总线上扩展而成16位ISA总线在扩展PC总线时，保留了原62芯PC总线信号的大部分定义，仅做了少量更改,地址线A19~A0存储器地址A19~A0，最大存储器1M。

I/O地址A15~A0，最大64K在PC及XT机上实际使用A9~A0，I/O范围为0000~03FFH8位ISA总线,数据线D7~D0,16位ISA总线接口,地址24位，允许最大空间16M,16位数据,,16位ISA总线,11.3.2 EISA总线 (Extended ISA),1988,与ISA完全兼容；数据宽度从16位增加到32位；地址总线宽度从24位增加到32位；支持多个总线主设备；增加了突发式传送(Burst Transfer)；总线频率8.33MHz，此时最高传输速率33MB/s提供循环的总线仲裁方式增加的信号：P399,EISA总线,开放式结构，EISA和ISA兼容，现有的ISA扩充板可以用于EISA插槽上；32位地址可直接寻址范围为4GB；32位数据宽度，工作频率为8.33MHz，最大数据传输速率为33.3MB/s11.3.3 PCI总线,PCI(Peripheral Component Interconnect)总线，1992年Intel、IBM首先提出PCI总线的系统结构：,PCI总线中的“桥”,PCI桥(“北桥”)：实现PCI总线所需的全部控制标准总线桥（“南桥”）：将PCI总线转换为标准总线ISA，EISA桥芯片：起到信号缓冲，电平转换和控制协议转换的作用。

PCI总线特点,独立于处理器不同桥（芯片组）可以（直接或几乎直接）与微处理器连接传输效率高支持33MHz和66MHz，32位和64位传输率132MB/s~528MB/s采用同步操作 支持突发传输Brust为基本传输模式 对于低速设备，写：缓存；读：预取支持多总线主设备方式,PCI总线特点（con’t）,支持数据、地址奇偶校验具有即插即用功能 设备树、Fcode、标准设备驱动程序预留扩展空间通过PCI-PCI桥，可“无限”扩展多总线共存支持两种电压下的扩展卡5V、3.3V,PCI接口的机械特性,32,2、PCI总线结构,PCI总线结构框图,这是一个由CPU总线、PCI总线及ISA总线组成的三层总线结构CPU总线也称“CPU-主存总线”或“微处理器局部总线”，CPU是该总线的主控者此总线实际上是CPU引脚信号的延伸通过桥芯片(北桥和南桥)，上边与高速的CPU总线相连，下边与ISA总线相连PCI总线是一个32位/64位总线，且其地址和数据是同一组线，分时复用在现代PC机(如Pentium系列)主板上一般都有2～3个PCI总线扩充槽在上述PCI总线结构中，CPU总线、PCI总线及ISA总线通过两个桥芯片连成一个整体，桥芯片起到信号缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。

人们通常将“CPU总线/PCI总线桥”称为“北桥”，称“PCI总线/ISA总线桥”为“南桥”这种以“桥”的方式将两类不同结构的总线“粘合”在一起的技术特别能够适应系统的升级换代每当微处理器改变时只需改变CPU总线和改动“北桥”芯片，而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续使用，从而保护了用户的投资36,37,11.4 PCI Express总线技术,1、PCI Express总线的起源,2001年春季的IDF上Intel正式公布PCI Express，是取代PCI总线的第三代I\O技术，也称为3GIO该总线的规范由Intel支持的AWG（Arapahoe Working Group）负责制定2002 年4月17日，AWG正式宣布3GIO 1.0规范草稿制定完毕，并移交PCI-SIG进行审核开始的时候大家都以为它会被命名为Serial PCI（受到串行ATA的影响），但最后却被正式命名为PCI Express2006年正式推出Spec2.0（2.0规范）2、PCI Express总线的主要性能特点,（1）串行的点对点传输（2）支持双向传输模式和数据分通道传输模式（3）采用基于数据包的协议（4）采用分层结构（5）支持热拔插和热交换（6）使用差动信号（7）与PCI兼容,3．PCI Express总线结构,40,4、 PCI-E通道数 PCI-E标准如同AGP标准一样，也有1X、2X、4X、8X、16X等等的速度分类，同时各速率的接口长度也不同，1X的最短，然后依次增长，在现今已上市的主板中，16X　PCI-E接口是最长的。

接口速率向下兼容，但并没有AGP产品的限制，既使是1X的产品，也可以安装到16X的接口中使用，大大增加了方便性和易用性 同时，PCI-E规范采用了双向数据传送，类似于DDR内存采用的技术，既在一个时钟周期的上下沿都可以传送数据，这样极大的提高了显示设备同内存的数据交换带宽，得以在较短时间内传送大量图形数据，为显示性能的飞跃打下基础41,42,5、PCI Express总线的优势1) 串行总线，进行点对点传输，每个传输通道独享带宽2)PCIExpress总线支持双向传输模式和数据分通道传输模式其中x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道连接,x1单向传输带宽即可达到250MB/s,双向传输带宽更能够达到500MB/s3) PCI Express总线充分利用先进的点到点互连、基于交换的技术、基于包的协议来实现新的总线性能和特征4) 与PCI总线良好的继承性,可以保持软件的继承和可靠性PCI Express总线关键的PCI特征，比如应用模型、存储结构、软件接口等与传统PCI总线保持一致5) PCI Express总线充分利用先进的点到点互连，降低了系统硬件平台设计的复杂性和难度，从而大大降低了系统的开发制造设计成本，极大地提高系统的性价比和健壮性。