课件：原理与接口技术-第7章.ppt

第7章 微机总线应用技术,学习目标 本章主要介绍微机总线的基本概念、分类和特点。 学习要求 了解总线、总线标准、接口、接口标准的基本概念。 了解几种主要的扩展总线。 根据总线的3个性能指标能够计算总线带宽。,7.1微机总线技术概述,1基本概念 （1）微机总线：一组按一定规范进行互连并能安全、迅速和有效传输信息的信号线，这组信号线包括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线类型。微机总线是微型计算机系统各部件联系的纽带。 （2）总线标准：国际工业界正式公布或推荐的把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。采用总线标准可以为计算机接口的软、硬件设计提供方便。 （3）接口：接口是指CPU与其“外部世界”的连接电路以及为管理它们所提供的软件，它是CPU与“外部世界”（如存储器、I/O设备、控制设备、通信设备等）进行信息交换的中转站。 （4）接口标准：接口标准是指外设接口的规范和定义，它涉及外设接口的信号线定义、传输速率、传输方向、拓朴结构、电气和机械特性等方面。,2总线标准和接口标准的一般特点,总线标准和接口标准具有不同的特点。 （1）微机总线的一般特点： 公用性是微机总线的最重要的特点，不同类型的功能模块可以同时挂接到总线上，共享总线的资源。信号传输形式一般为并行传输方式。总线在微机主板上通常以多个扩展插槽形式提供使用。对每个微机系统来说，一般都有独立的数据线（Date Bus）、地址线（Address Bus）和控制线（Control Bus）。 （2）接口标准的一般特点： 专用性是接口标准不同于总线标准的重要特点。接口上的信号传输形式既有并行也有串行传输。接口一般被安置在机箱外，以插头或插座形式提供使用。 随着计算机和接口技术的迅速发展，总线标准和接口标准的区别越来越小，例如将AGP接口标准叫AGP总线等。,7.2总线分类,1微机总线的分类 微机中的总线分类方法很多，常用的一种是依总线所处位置分类。 （1）CPU总线：它是位于微处理器芯片内部的总线，用于ALU及各种寄存器等功能单元之间的相互连接。 （2）元件级总线：它是一台单板计算机或一块CPU插件板使用的板上总线，用于芯片一级的连接。它一般是CPU芯片引脚的延伸，当板上芯片较多时，一般都有锁存和驱动电路。 （3）系统总线：它主要用于微机系统内部各插件板之间进行连接和传输信息，是微机系统最重要的一种总线。在主板上，它通常是指CPU的I/O接口单元与系统内存、L2 Cache和主板芯片组之间的数据、指令等传输通道。 （4）局部总线：局部总线是介乎于CPU总线和系统总线之间的一级总线，是微机中常采用的一种重要总线。它的两侧都由桥接电路连接，分别面向CPU总线和系统总线。微机系统中的局部总线主要是指PCI总线，它是一种先进的局部总线标准。 （5）通信总线（也叫外部总线）：是系统之间或微机系统与通信设备之间进行通信的一组信号线。如广泛用于微机与外部设备之间进行通信的USB和IEEE1394接口等。,2接口标准的分类,接口标准的分类方法也很多，若根据所连设备的性质及功能，大致有以下5种： （1）传统串/并行接口标准：它是微机系统中进行串行和并行输入输出基本端口。 （2）外部存储设备接口标准：支持硬盘、光盘等存储介质的接口标准如SATA和SCSI接口标准。 （3）视频显示接口标准：如支持三维图形数据高速显示的接口标准AGP。 （4）测试仪器接口标准：提供和一些测试仪器仪表相连接的接口标准。如IEEE488和VXI接口标准。 （5）通用外设接口标准：如USB、IEEE1394等，可以支持多种新型外设的通用型接口标准。,7.3几种常用的扩展总线,主板上都有数条插槽供扩展I/O外设之用，总线就是通过插槽来连接CPU与外设插件的，通常也将这些连通插槽的总线称为扩展总线（Expansion Bus）。 在总线发展历程中，主要有PC总线、ISA/EISA总线、PCI局部总线、PCI-E等。,图7-1 早期微机系统的总线层次结构,7.3几种常用的扩展总线,7.3.1 PC总线 PC总线最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT系统中，它基于8位结构的8088处理器，也被称为PC/XT总线。PC总线沿用了3年多时间，直到1984年，IBM推出基于Intel超级16位80286处理器的PC/AT，系统总线才被16位的PC/AT总线所代替。 7.3.2 ISA/EISA总线 ISA总线（Industry Standard Architecture，工业标准架构）是8/16位兼容的总线，也是早期网卡使用的总线接口，其最大数据传输率为8MBps和16MBps。 ISA总线一直贯穿286和386SX时代，但在32位386DX处理器出现之后，16位宽度的ISA总线就遇到问题，总线数据传输慢得使处理器性能受到严重的制约。有鉴于此，康柏、惠普等9家厂商在1988年协同将ISA总线扩展到32位宽度，EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准架构）总线由此诞生。 EISA总线的工作频率仍然保持在8MHz水平，但受益于32位宽度，它的总线带宽提升到32MBps。另外，EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA总线。 EISA总线在计算机系统中与PCI总线共存了相当长的时间，直到2000年后EISA才正式彻底退出。,7.3.3 PCI局部总线,1PCI局部总线产生的背景 Intel公司在1991年推出了PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）局部总线。在1993年以后，由于从Pentium到P、P直到P4微处理器的工作频率不断迅速提高，使PCI局部总线的应用得以迅速推广。在台式机主板上，ATX结构的主板一般带有56个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有23个PCI插槽。 从结构上看，PCI局部总线实质上就是在CPU总线和ISA总线之间增加了一级总线。可将一些高速外设，例如磁盘控制器、图形卡等从ISA总线上卸下来而通过PCI局部总线直接挂到CPU总线上。,7.3.3 PCI局部总线,2PCI总线的特点 （1）传输速率高。PCI能以133MB/s（32位）或266MB/s（64位）的速率传送数据，远比ISA总线的16MB/s快，缓解了I/O瓶颈。如高性能图形、视频图像、网络等应用程序，可以平滑地执行。 （2）真正的兼容性，允许多总线共存。 （3）独立于CPU。PCI总线可与Intel系列不同工作频率的CPU协同工作，这些CPU包括Intel 486SX到Pentium、P、P、P4（包含Celeron系列）及未来更高的版本。 （4）自动识别与配置外设，极大地方便了用户使用。 在相当一段时间内，PCI局部总线接口曾作为许多适配器的首选接口，如网络适配器、内置Modem卡、声音适配器、视频捕捉卡等。 3PCI总线的应用 1993年之后，Intel推出64位PCI总线，它的传输性能达到266MBps，针对服务器/工作站平台设计的SCSI卡、RAID控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用64位PCI接口。,7.3.4 AGP,1996年，Intel在PCI基础上研发出一种专门针对显卡的AGP接口（加速图形接口，Accelerated Graphics Port）。主要应用在三维动画的加速上。 1996年7月，AGP 1.0标准问世，它的工作频率达到66MHz，具有1X和2X两种模式，数据传输带宽分别达到了266MBps和533MBps。 1998年5月，Intel发布AGP 2.0版规范，它的工作频率仍然停留在66MHz，但工作电压 降低到1.5V，且通过增加的4X模式，将数据 传输带宽提升到1.06GBps。与AGP 2.0同时 推出的，还有针对图形工作站的AGP Pro 接口，这种接口可驱动高功耗的专业显卡。 2000年8月，Intel推出AGP3.0规范，它的工 作电压进一步降低到0.8V，所增加的8X模式， 可以提供2.1GBps的总线带宽。,7.3.5 PCI-X,PCI-X接口是并连的PCI总线的更新版本，它仍采用传统的总线技术，但有更多数量的接线针脚。PCI-X总线接口的网卡一般为32位总线宽度，也有64位数据总线宽度的。 Intel于2000年正式发布PCI-X 1.0版标准。2002年7月，推出更快的PCI-X 2.0规范，它包含PCI-X 266及PCI-X 533两套标准，分别针对不同的应用。PCI-X 266标准可提供2.1GBps共享带宽，PCI-X 533标准则更是达到4.2GBps的高水平。此外，PCI-X 2.0也保持良好的兼容性。 PCI-X接口采用64位宽度传送数据， 它的频宽自动倍增两倍，相应地， 其扩充槽的长度也有所增加。,7.3.6 PCI Express总线,第3代I/O总线PCI Expres（简称PCI-E）很好地解决了PCI/AGP总线在大量数据传输时遇到的瓶颈问题。 PCI-E在工作原理上与并行体系的PCI不同，它采用串行方式传输数据，并依靠高频率来获得高性能，因此，PCI-E也一度被称为“串行PCI”。由于串行传输不存在信号干扰，总线频率提升不受阻碍，所以PCI-E总线很顺利地就达到2.5GHz的超高工作频率。其次，PCI-E采用全双工运作模式，发送数据和接收数据可以同时进行。 由于PCI-E将 PCI或AGP的并行数据传输变为串行数据传输，并且采用了点对点技术，因此，极大地加快了相关设备之间的数据传送速度。 PCI-E规范采用了双向数据传送，类似于DDR内存采用的技术，即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，可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。 全新的PCI Express总线包括多种速率的插槽，比如PCI Express x1、x2、x4、x8、x16、x32等（1X的PCI-E最短，然后依次增长）。,PCI-E几种总线模式的速率与PCI Express插槽样式,PCI-Express的带宽优势,下图汇总列举了80年代以来各个阶段的总线性能水平，从图中可以清楚地看出：就总线性能水平来说，AGP比ISA/PCI有一定优势，而PCI-Express比AGP又有明显优势，PCI-Express 1.0两倍于AGP 8X的带宽。,7.3.7 Hyper Transport总线,HyperTransport最初是由AMD在1999年提出的一种总线技术。HyperTransport采用类似DDR的工作方式，在400MHz工作频率下，相当于800MHz的传输频率。此外，HyperTransport是在同一个总线中模拟出两个独立数据链进行点对点数据双向传输。 除了速度快之外，HyperTransport还有一大特色，就是当数据位宽并非32位时，可以分批传输数据来达到与32位相同的效果。 2004年2月，AMD推出HyperTransport 2.0，其主要变化是数据传输频率提升到1GHz，32位总线的带宽达到8GBps。2006年4月，AMD又正式发布了HyperTransport 3.0标准。有1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz和2.6GHz 4种物理工作频率，并可支持32位通道总线，在最高级的2.6GHz频率下，32位HyperTransport 3.0总线拥有20.8GB/秒的单向传输效能，若考虑双向传输，总带宽值将达到史无前例的41.6GB/秒。 总之，从PC总线到ISA、PCI总线，再由PCI进入PCI Express和HyperTransport体系，计算机总线在这3次大变革中也完成了3次飞跃式的提升。预计在未来十年中，计算机都将运行在PCI Express和HyperTransport这种近乎完美的总线架构基础之上。,7.4 微机总线的组成及性能指标,2微机总线的性能指标 总线的基本性能指标如下。 （1）总线的工作频率（或总线的时钟频率）：它是指用于协调总线上的各种操作的时钟频率，也称为总线的工作频率，单位为MHz。它是影响总线传输速率的重要因素之一。如ISA的总线频率为8MHz，而PCI总线有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率。 （2）总线的位宽：它是指总线能同时传输的数据位数，通常是指总线中数据总线的位数，单位为位（Bit）。如ISA总线宽度为16位，PCI总线则为32或64位。 （3）总线的带宽，它是指总线上每秒可传输数据的最大字节数，也简称总线数据传输速率，以MB/s为单位。例如PCI总线时钟频率若为33.3MHz，则其总线数据传输速率为33.332/8133.2MB/s。 3个性能指标之间的关系是：总线带宽=（总线位宽/8）总线工作频率（MB/s）,本章小结,总线在计算机系统中有着非常重要的地位，它的性能直接关系到系统整体性能的提升。 掌握总线技术，首先要弄清楚微机总线、总线标准、接口、接口标准等几个基本概念的联系与区别。 微机总线一般是指一组按一定规范进行互连并能安全、迅速和有效传输信息的信号线，这组信号线包括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线类型；