贵州大学微机原理及复习4总线与总线接口技术.ppt

热能与动力工程,第4章 总线与总线接口技术,热能与动力工程,4.1 总线与总线操作,4.1.1 总线及总线信号分类 一、总线定义 总线：是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。 总线不仅仅是一组传输线，它还包括一套管理信息传输的规则(协议)。 在计算机系统中，总线可以看成一个具有独立功能的组成部件。,热能与动力工程,二、总线的体系结构,主控模块（Master,主模块) 可以控制总线并启动数据传送的任何模块 受控模块（Slave,从模块) 能够响应总线主模块发出命令的任何模块 分时复用模块 有时用作主控模块，有时用作受控模块,热能与动力工程,三、总线的分类,1) 按总线功能或信号类型划分为：,数据总线：双向三态逻辑，线宽表示了总线数据传输的能力。 地址总线：单向三态逻辑，线宽决定了系统的寻址能力。 控制总线：就某根来说是单向或双向。控制总线最能体现总线特点，决定总线功能的强弱和适应性。,热能与动力工程,2) 按总线的层次结构分为：,CPU总线：微机系统中速度最快的总线，主要在CPU内部，连接CPU内部部件，在CPU周围的小范围内也分布该总线，提供系统原始的控制和命令。 局部总线：在系统总线和CPU总线之间的一级总线，提供CPU和主板器件之间以及CPU到高速外设之间的快速信息通道。 系统总线：也称为I/O总线，是传统的通过总线扩展卡连接外部设备的总线。由于速度慢，其功能已经被局部总线替代。 通信总线：也称为外部总线，是微机与微机，微机与外设之间进行通信的总线。,热能与动力工程,四、信号线的类型,热能与动力工程,4.1.2 总线操作及控制,总线操作的4个阶段,1总线请求和仲裁阶段： 主模块向总线仲裁机构提出总线使用申请，总线仲裁机构决定使用总线的主模块。,2寻址阶段： 拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，该从模块被选中并启动。,3数据传送阶段： 主模块和从模块间进行双（单）向数据传送。,4结束阶段： 主、从模块均撤出总线。,热能与动力工程,4.1.3 性能指标,总线带宽：即最大传输速率，指总线在每秒钟内能传输的最多字节数，单位为MB/s。三者的关系是： 传输速率=总线位宽总线频率 总线宽度越宽，总线频率越高，则总线传输速率越快 总线位宽：是指一次可以同时传输数据的位数，单位为位(bit) 工作频率：它是指总线在每秒钟内能传输数据的次数，单位为MHz。如ISA的总线频率为8MHz，而PCI总线有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率,热能与动力工程,总线带宽、总线位宽、总线工作频率三者之间的关系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的关系。车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越快则车流量越大：同样，总线带宽取决于总线宽度和工作频率，总线宽度越宽、工作频率越高则总线带宽越大。,热能与动力工程,常见总线的带宽和传输率,返回本节,热能与动力工程,4.2.1总线仲裁控制,总线仲裁是指在总线上有多个总线主模块同时请求使用总线时，决定由哪个模块获得总线控制权。 所谓“总线主模块”，就是具有总线控制能力的模块，在获得总线控制权之后能启动数据信息的传输，如CPU或DMA控制器都可成为这种具有总线控制能力的主模块； 与总线主模块相对应的是“总线从模块”，它是指能够对总线上的数据请求作出响应，但本身不具备总线控制能力的模块。,4.2 总线操作控制,热能与动力工程,总线作为一种重要的公共资源，各个总线主模块随时都可能请求使用总线，这样就可能会有不止一个总线主模块同时请求使用总线。 为了让多个总线主模块合理、高效地使用总线，就必须在系统中有处理上述总线竞争的机构，这就是总线仲裁器(bus arbiter)。 它的任务是响应总线请求，合理分配总线资源。,热能与动力工程,基本的总线仲裁方式有三种，即串行总线仲裁方式、并行总线仲裁方式和串并二维仲裁方式。 1. 串行总线仲裁方式 串行链接仲裁简称串链仲裁、串行仲裁，又叫“菊花链”仲裁(robin Daisy chaining)。该仲裁法又有二线菊花链、三线菊花链、四线菊花链之分，其中三线菊花链使用普遍，最具代表性。 在串行总线仲裁方式中，各个总线主模块获得的总线优先权决定于该模块在串行链中的位置，如图所示。,热能与动力工程,热能与动力工程,图中的、N 等N个模块都是总线主模块。当一个模块需要使用总线时，先检查“总线忙”信号。若该信号有效，则表示当前正有其他模块在使用总线，因此该模块必须等待，直到“总线忙”信号无效。 在“总线忙”信号处于无效状态时，任何需要使用总线的主模块都可以通过“请求”线发出总线请求信号。 总线“允许”信号是对总线“请求”信号的响应。,热能与动力工程,“允许”信号在各个模块之间串行传输，直到到达一个发出了总线“请求”信号的模块，这时“允许”信号不再沿串行模块链传输，并且由该模块获得总线控制权。 由串行的总线仲裁方式的工作原理可以看出，越靠近串行模块链前面的模块具有越高的总线优先权。,热能与动力工程,2. 并行总线仲裁方式 并行总线仲裁方式的示意图如图18.3所示。 图中，模块到N都是总线主模块。每个模块都有总线“请求”和总线“允许”信号。 各模块间是独立的，没有任何控制关系。 当一模块需要使用总线时，也必须先检测“总线忙”信号。当“总线忙”信号有效时，则表示其他模块正在使用总线，因此该模块必须等待。 当“总线忙”信号无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出总线“请求”信号。,热能与动力工程,热能与动力工程,总线仲裁器中有优先权编码器和优先权译码器。 总线“请求”信号经优先权编码器产生相应编码，并由优先权译码器向优先权最高的模块发出总线“允许”信号。 得到总线“允许”信号的模块撤销总线“请求”信号，并置“总线忙”信号为有效状态，当该模块使用完总线后再置“总线忙”信号为无效状态。,热能与动力工程,在串行、并行两种总线仲裁方式中，串行方式由于信号的串行传输会加大延迟(当串行模块链上的模块数目过多时甚至可能会超过系统允许的总线优先权仲裁时间)，而且当高优先级的模块频繁使用总线时，低优先权的模块可能会长时间得不到总线。 串行方式只用于较小的系统中。 而并行方式则允许总线上连接许多主模块，而且仲裁电路也不复杂，因此是一种比较好的总线仲裁方法。,热能与动力工程,3、串并二维仲裁方式,各链路上优先级由总线判决器内部逻辑决定 同一链路上则由离总线判决器的远近程度确定,热能与动力工程,1、同步并行总线时序,同步时钟频率和数据总线宽度确定数据传输速度 数据传输与时钟同步 要求各个设备的速度相当,4.2.2 总线握手控制,1、同步总线协定,热能与动力工程,通过联络应答信号实现握手 适应能力强，速度取决于较慢的设备,2、异步并行总线时序,热能与动力工程,在同步的基础上，插入等待周期 能兼容总线上各种不同响应速度的设备 使同步总线达到与异步总线相同的功能,3、半同步并行总线时序,热能与动力工程,4.3 常见总线介绍,4.3.1 ISA总线,20世纪80年代初期，IBM在推出自己的微机系统IBM PC/XT时，就定义了一种总线结构，称为XT总线。这是8位数据宽度的总线。 随着IBM采用80286 CPU，推出IBM PC/AT微机系统，又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线。 ISA总线(Industrial Standard Architecture)即AT总线，它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。,热能与动力工程,在一段时间内，大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留34个ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位ISA卡。 ISA总线插槽 ISA总线插槽有一长一短两个插口. 长插口有62个引脚，以A31A1和B31B1表示，分别列于插槽的两面； 短插口有36个引脚，以C18C1和D18D1表示，也分别列于插槽的两面。,热能与动力工程,热能与动力工程,4.3.2 PCI总线,PCI总线(Peripheral Component Interconnect，外围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出，并由PCI SIG(Special Interest Group)来发展和推广。 PCI SIG是一个包括Intel、IBM、Compaq、Apple和DEC等100多家公司在内的组织集团。1992年6月推出了PCI 1.0版，1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI 2.1版。 由于PCI总线先进的结构特性及其优异的性能，使之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。,热能与动力工程,热能与动力工程,热能与动力工程,由上图可见，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23个PCI总线扩充槽。,热能与动力工程,4.3.3 通用串行总线USB,USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准,热能与动力工程,1996年2月公布了USB 1.0版本，传输速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。USB 2.0已于2000年4月27日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，作为新一代USB标准，USB 2.0兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。USB 2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经USB连接到PC,热能与动力工程,USB外设,汽车钥匙,电话,数码相机,电子眼,银行刷卡机,U盘/手表,游戏杆,手机,键盘/鼠标,鼠标,U盘,计算机,热能与动力工程,USB的性能特点,传输速度快 连接简单快捷 通用连接器 无须外接电源 扩充外设能力强,热能与动力工程,1）传输速度快,USB 1.0 提供了两种速度：USB低速1.5Mbps，低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USB全速12Mbps， USB全速的数据传输速度比RS-232C串口的9600bps快1000多倍，它用于大范围的多媒体设备。而USB 2.0的数据传输速度可以高达480Mbps,热能与动力工程,2）连接简单快捷,USB连接简单快捷，可以进行热插拔。即设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源,热能与动力工程,3）通用连接器,USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为4针插头,热能与动力工程,USB接头,热能与动力工程,4）无须外接电源,由USB总线提供电源到外部设备，USB能提供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的USB设备,如扫描仪等仍需自带电源； USB还采用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源功耗,热能与动力工程,4.3.4 1394总线,USB总线是一种新型计算机外设接口标准。但USB总线的数据传输主要还是适合于中、低速设备，而对于那些高速外设(如多媒体数字视听设备)就显得有些不够了。 IEEE 1394(又称i.Link或Fire Wire)，是由Apple公司和TI(德克萨斯仪器)公司开发的高速串行接口标准，其数据传输率已达100M bps、200M bps、400M bps、800M bps，即将达到1Gbps和1.6G bps。,热能与动力工程,热能与动力工程,通用性强 采用树形或菊花链结构，以级联方式在一个接口上最多可以连接63个不同种类的设备。 传输速率高 IEEE1394a支持100Mb/s, 200Mb/s及400Mb/s的传输速率。 实时性好 高传输率加上同步传送方式 总线提供电源 可向被连接的设备提供410V和1.5A的电源 系统中各设备之间关系平等 任何两个该接口的设备可以直接连接而不需要通过PC机的控制 连接方便 采用设备自动配置技术，允许热插拔和即插即用 。,IEEE1394的主要性能特点,热能与动力工程,与USB相似，IEEE 1394也完全支持“即插即用”(PnP)。任何时候，都可以在总线上添加或拆卸IEEE 1394设备，即使总线正处于全速运行的状态。 总线配置发生改变以后，节点地址会自动重新分配，而不需用户进行任何形式的介入。 通过IEEE 1394连接的设备包括多种高速外设如硬盘、光驱、新式DVD以及数码相机、数字摄录机、高精度扫描仪等。 一个IEEE 1394的典型应用实例如图所示,热能与动力工程,热能与动力工程,4.3.5 AGP总线,AGP加速图形端口于1996年8月提出的一种新型视频接口标准，它是专门为3D加速而设置的加速图形端口，允许3D图形数据越过PCI总线，把主存和显存直接连接起来，从而解决了PCI总线设计中对于超高速系统的瓶颈问题 AGP应该是一种接口标准，因为它是一种点对点的连接端口，除图形控制器专用外，没有别的设备能够使用AGP，但是，我们习惯上也称其为AGP总线,热能与动力工程,一