NEW07第七章微机总线与接口技术PART.ppt

第七章微机总线技术,什么是总线?,为什么要采用总线?,是否可以有非总线结构?,CPU的更新换代和应用不断扩大,总线屡屡成为系统性能的瓶颈,相应的总线技术也得到不断创新。,第一节总线概述,一、总线分类,按照系统层次结构:,1.片外总线局部总线,2.系统总线,由芯片引出的信号线,用于CPU直接连接ROM、RAM、接口芯片等,并构成一个插件(或小系统),即指通常所说的微机总线,又称底板总线等。,如ISA、EISA、VESA、PCI等,由于CPU及相应芯片组各不相同,片总线无互换性、不能标准化。,3.外总线(也称通信总线),微机系统与其它外部仪器设备相连的总线。,如RS-232、IEEE488、IDE、SCSI等。,各总线之间的关系如下图所示:,局部总线,系统总线,微机系统,通信总线,(系统)外总线如并口、串口,(系统)内总线如ISA、PCI,片(间)总线三总线形式,片内总线单总线形式,微机总线结构,微机系统的四级总线示意图,采用总线结构的优势:,简化软、硬件设计;简化了系统结构;便于系统的扩展；便于系统的更新；,二、总线标准,总线标准四个特性:,1.物理特性:,2.功能特性:,即总线的物理连接方式,接插头的几何尺寸、形状、引脚数量以及相对位置等,功能是通过信号线体现的,即功能特性描述每一信号线的功能。,(1)数据线和地址线:这一类信号线决定了数据传输的宽度和可直接寻址的范围。(2)控制、时序和中断信号线:这一类信号线决定了总线功能的强弱以及适应性的好坏。,3.电气特性:,4.时间特性:,信号传送方向、,电平的有效范围、,信号的正负逻辑等。,信号驱动能力、,抗干扰能力、,如,如信号有效的时机、有效持续时间等。,(3)电源线和地线:这一类线决定了电源的种类及地线的分布和用法。(4)备用线:这一类线是厂家和用户作为性能扩充或作为特殊要求使用的信号线。,3、总线上的数据传送,1.数据传送的过程,系统中只有一个总线主设备:,主设备可直接寻址并读写从设备。,系统中有多个总线主设备:,申请阶段:,向总线分配机构提出总线请求,若获准使用,则从下一个总线周期开始占有总线的使用权;,寻址阶段:,主设备发出地址及相关命令寻址从设备;,数据在总线上传送;,传送结束,释放总线。,2.数据传送的时序配合,(1)同步方式,有明显时序时间划分;,时钟周期时间固定;,各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。,各项操作受统一时序控制。,由CPU或其它设备提供,例:,特征表现为:,将数据总线内容打入指令寄存器,取数,打入数据寄存器,并进行加法操作,从此处开始,将结果存入存储单元,认定结果已存入存储单元,执行一条加法指令:,假设完成指令需要三个工作周期:,(2)异步方式,各项操作按不同需要安排时间,不受统一时序控制。,各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式。,数据传送的过程是:,主设备发出RQ请求信号、地址/读写命令,从设备,(RQ信号一直保持有效),从设备收到主设备命令,将数据放到数据总线上,主设备,发出应答信号ACK,主设备收到ACK,采样数据总线(读数据),将RQ信号变为无效,从设备检测到RQ信号无效,停止驱动数据总线,将ACK变为无效,从时序上看(以读数据为例):,RQ,Data,ACK,主设备检测到ACK,采样数据总线,地址/读命令,主设备将RQ变为无效,从设备停止驱动数据总线,将ACK变为无效,主设备,从设备,3.总线数据传输率,总线频宽即是总线所能达到的最高传输率,单位为兆字节/秒(MB/s)。,传输率计算方法:,Q=fW/N,f总线工作频率(Hz);W总线宽度(Byte);N传送一次数据所需时钟周期的个数。,例如,在EISA总线上进行8位存储器存取时,一个存储器存取周期最快为3个CLK。,当CLK为8.33MHz时,Q=8.331/3,其总线传输率为2.78MB/s。,假设:,在EISA总线上进行32位猝发传送时,每一个存取周期为1个CLK,因此Q=8.334/1,其总线传输率为33MB/s(即:EISA总线的最大传输率),第二节微机总线的发展总线标准,CPU以较快的速度更新换代和计算机系统应用不断扩大,总线不断成为系统性能的瓶颈,相应的总线技术也得到不断创新和发展。总线的性能极大影响计算机系统的性能。,一、S100总线(最初称为Altair),第一种公认微机标准总线。,主要特点:,1.数据宽度:8位,2.速率:,经修改成16位,正式命名为IEEE696总线。,3.工作方式:,6MB/s,永久性主设备只能有一个(CPU);,暂时性主设备:需要使用总线时,向CPU提出请求(一般为DMAC),从设备:不具有总线控制能力。,由此可知:,S100总线不支持多机系统。,二、STD总线,一种工业控制用总线标准。属于系统总线。,主要特点:,1.高可靠性,抗干扰、抗振动能力强;,2.适用与8位和16位微机系统;,3.支持多机系统;,提供串行优先排队的总线仲裁机制。,用于多机系统中,不同处理机对总线(即共享资源)的分时使用。,以三个系统为例,如下图所示:,+5V,一个STD控制器的PCI为“1”,且未提出总线请求,则它的PCO为“1”;,每个STD控制器提出请求的前提是PCI为“1”;,如果PCI为“1”,且提出总线请求,则PCO为“0”;,如果PCI为“0”,则该STD不能提出总线请求,且它的PCO为“0”;,三、MultiBus总线,1.MultiBus-I(IEEE796标准),一种为多处理器互连的标准系统总线。,主要特点:,支持8位和16位数据传送,24位地址;,具有支持多机系统的总线仲裁机制,最大可支持16个总线主设备;,各处理机内部可有自身的内部总线。,当一个处理器需要通过系统总线(MultiBus-I)访问系统中的共享资源时(如公共存贮区),提出使用系统总线的请求。,2.MultiBus-II,保留了MultiBus-I的部分特点,在功能和性能上进行了扩充。,支持32位微处理器;40MB/s的传输速率;采用独立于处理器设计方式,支持异种机环境的多机系统;大量用于Intel80386和80486系统,四、ISA总线,源于IBM-PC总线(ISA-8),IndustrialStandardArchitecture,经修改为ISA-16(IBM-PC/AT总线),主要特点:,5.速率:,1.16条数据线、24条地址线,2.支持15级中断请求、8个DMA通道请求;,3.提供存储器和I/O设备的奇偶校验出错指示;,4.未提供支持多机系统的总线仲裁机制。,f=8MHz,总线宽度w=2Byte,传送一次数据所需周期数N=2,所以总线传输率为Q=82/2=8MB/s。,80386系统的出现,导致了另外两种总线的诞生:MCA(MicroChannelArchitecture)EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture),五、MCA总线,1987年IBM公司提出相对封闭的微通道结构,简称为MCA总线。1.数据宽度为32位2.地址总线宽度也为32位,寻址空间4GB3.总线时钟为10MHz,最大数据传输率40MB/s4.总线仲裁机构,可支持16个总线主控制器5.支持多用户、多任务的环境6.与ISA总线不兼容,不支持ISA外设,六、EISA总线,ExtendedIndustrialStandardArchitecture,为适应32位处理器系统的需要,对ISA的扩展。,设计EISA总线的目标有2个:(1)为提高数据传输率用一个专门猝发式DMA策略,使32位总线能达到33MB/s传输速率;(2)在功能、电气、物理上保持与PC/XT、ISA总线完全兼容。,还具有MCA总线完全相同的功能。,(3)速率:,33MB/s;,(1)与ISA完全兼容;,(4)提供总线仲裁机制,以支持多机系统;,(5)支持猝发和非猝发两种数据传送方式;,(6)支持宽度不匹配的数据传送;,当收发双方数据宽度不匹配时,自动转化为多周期传送;,(2)具有32位寻址能力;,EISA总线主要特点:,EISA总线的主要缺点:,传输速率较低:,33MB/s(最大速率),成本高:,EISA总线卡需专用芯片支持,如Intel82350DT系列芯片:,82359DRAM控制器、82358总线控制器、82357集成系统外围电路、82352总线缓冲器、82351局部I/O译码器等。,七、VESA总线,为适应图像处理、动态视频处理、WindowsNT多任务操作系统、局域网络以及多媒体的应用等,需要在CPU和外设之间进行大量及高速的数据传送。,由视频电子标准协会(VideoElectronicsStandardsAssociation)联合有关公司,于1992年推出:VESALocalBus(简称VL总线)VESAV1.0,VESA总线主要特点:,数据总线宽度为32位地址总线宽度32位,总线最大寻址空间为4GB总线时钟与CPU主频有关,最大不超过40MHz支持猝发传输方式总线最高传输率132MB/s无需专用芯片支持不支持Pentium级处理器,VESA总线主要特点:,VESA标准总线基本上是80486CPU信号的延伸,故与80486匹配达到最佳,能够充分发挥80486微机各部件的性能。80486系列微机基本上都采用了VESA总线。随着Pentium的广泛使用,VESA逐渐消失。,八、PCI总线(外设部件互连标准),PCI(PeripheralComponentInterconnect)是由Intel公司1991年推出的一种局部总线标准。是目前PC机中使用最为广泛的总线,几乎所有的主板产品上都带有PCI插槽。在PC主板上,ATX结构的主板一般带有56个PCI插槽,而MATX主板带有23个PCI插槽。从结构上看,PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线,由一个桥接电路实现对这一层的管理,并实现上下之间的接口数据的传送的协调。,主要特点:,(1)拥有32位和64位两种数据通道;,主频:33HMz32位:132MB/s64位:264MB/s,(2)支持猝发传送,(3)提供支持多机系统的总线仲裁机制,(称为支持总线主控方式),(4)采用与处理器无关设计,称为中间总线,独立于处理器和外围设备,PCI与处理器之间通过PCI接口控制器或桥路控制器进行连接。,对不同处理器,只需设计相应的控制器电路,不必修改总线协议。,如下图所示:,(5)与ISA、EISA、VESA、MCA等总线全兼容。,PCI局部总线作为一种中间总线,其PCI控制器也称为“桥”,Bridge),在PCI规范中,提出了三种桥的设计:,(1)主桥CPU与PCI的桥,也称为北桥(NorthBridge);(2)标准总线桥PCI与标准总线如ISA、EISA等之间的桥;(3)PCI桥在PCI与PCI之间的桥。,除北桥以外的其它的桥称为南桥(SouthBridge)。,PCI的扩展PCI-X总线,为解决高带宽需要提出。,(6)具有自动匹配功能,实现了扩展卡的“即插即用(plugplay)”。,扩展卡内256字节缓存提供自动匹配信息。,如:存储地址、端口地址、中断优先级、定时信息分配等。,PCI-Xv1.0版本于1999年正式发表,是现有的PCI总线的改进(在增加了电源管理功能和热插拔技术的PCIV2.2版本的基础上)。,传输速率:,工作频率:66MHZ时533MB/s100MHz时800MB/s133MHz时1066MB/s,即允许一个正在向某个目标设备请求数据的设备,在目标设备未准备好之前处理其他事物;而在目前的PCI体系中,设备在完成请求之前不能处理其他事情,浪费了总线时钟周期。在相同的频率下,性能提供比PCI高14%35%的。,PCI-XPCI的总带宽由133MB/S增至1.066GB/s;采用了分离实务(即多任务)的设计模式,九、AGP总线,高速图形接口(AGP:AcceleratedGraphicsPort),专用于连接主板上的控制芯片(芯片组)和图形处理器卡,以提高视频传输速率。,AGP是由Intel公司开发(1996年7月正式公布),它定义了一种高速的连通结构,将三维图形控制卡从PCI总线上分离出来,直接连在CPU/PCI控制芯片组”(北桥)上,形成专用的高速点对点通道高速图形端口(AGP)。,传输速率:,1066MB/S(时钟频率为133MHz),PentiumII系统中的AGP:,AGP总线,可以看出:从严格意义上讲,AGP不是一种总线标准,因为总线通常是多个设备共享的资源。而AGP是为AGP视频控制卡所专用的高速数据传输端口。,AGP允许视频卡与系统RAM(主存)直接进行高速连接,即支持所谓DIME(直接存储器执行)方式,当显存容量不够时,将主存当作显存来使用,这样既可以节省显存,还可以充分利用PC机的大容量主存。,AGP可以工作在处理器的时钟频率下,若以66MHz的基本频率(实际为66.66MHz)运行,则称为基本AGP模式(即AGP1X),每个时钟周期完成一次数据传输。由于AGP的数据传输宽度为32位(4字节),所以在66MHz的时钟频率下能达到约266MB/S的数据传输能力;,AGP的工作速率:,此外,还定义了AGP2X模式,每个时钟周期完成两次数据传输(宽度仍为32位),速率达533MB/S;大多数AGP卡都工作在2X模式。AGP2.0规范增加了4X模式的传输能力,每个时钟周期完成四次数据传输,达1066MB/S(约1GB/S)的数据传输速率,是传统PCI数据传输率的8倍。在一段较长时间里,PC主板均全面支持AGP2.0规范及AGP4X模式。,10、新一带总线PCI-ExpressPCI-X是PCI的扩展,而PCIE则是全新设计。PCI-Express原来的名称为“3GIO”,由Intel提出,该标准将全面取代现行的PCI和AGP,并实现总线标准的统一。它的主要优势就是数据传输速率高,目前最高可达到10GB/s以上。PCI-E与PCI总线共享并行架构相比,最大的区别在于PCI-E采用了点到点的传输技术:每一个PCIExpress设备都拥有自己独立的数据连接,每个设备在要求传输数据时各自建立自己的传输通道,对于其他设备这个通道是封闭的,设备之间并发的数据传输互不影响。,PCIExpress有多种规格,从1X到16X,能满足现在和将来一定时间内出现的高速和低速设备的需求。PCIExpress带宽(双向传输模式):x1:500MB/sx4:2GB/s(2000MB/s)x8:4GB/s(4000MB/s)x16:8GB/s(8000MB/s)目前X16基本上取代了AGP槽成为显卡接口标准。,目前的状况:,(1)得益于Intel为首的部分大型IT企业大力推进,PCIExpress快速发展,支持更快的CPU、更快的图像处理、更快的I/O、高速串行I/O;(2)继续开发PCI后续产品,包括PCIExpress与传统PCI总线设备之间的桥接的解决方案,解决大量基于PCI的产品如何与PCIExpress产品的共存,延长原PCI产品的使用期限;(3)高速总线的另一阵营:HyperTransport联盟正力推面向CPU至CPU、CPU至I/O、以及板级之间和板内部互接的HyperTransport串行和并行架构。,关于外总线,1、RS-232-C串行通信总线,通信时,需要进行并-串和串-并转换,进行电平转换,2、USB总线(UniversalSerialBus),由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft等七家公司推出,用于低速外部设备。,包括USB1.0和USB2.0两种规范,主要特点:,低速一般用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等外设装置;全速一般用于连接打印机、扫描仪、数码相机等外设装置。,USB1.0,1.5Mbps(低速)/12Mbps(全速),USB2.0,最大速率480Mbps(高速模式),高速:,热插拔,无需外接电源,3、IEEE1394IEEE1394由Apple公司提出,1995年由IEEE制定为总线标准,它与USB接口在外形以及大部分功能上相似。IEEE1394目前有IEEE1394a和更高速的IEEE1394b两个版本。IEEE1394可以与CD/DVD-ROM,DV摄影机,打印机,扫描仪Scanner,硬盘等设备连接。,IEEE1394性能特点:(1)使用方便,支持热插拔(2)高速IEEE1394a为400Mbps,IEEE1394b标准为800Mbps、1.6Gbps甚至3.2Gbps,支持同步与非同步数据传输。,(3)真正点对点连接(peer-to-peer)设备间不分主从,比如可以直接实现两台DV机间的数据传输或是多台电脑共享一台DV机。(4)支持多设备串联最多可同时连接63个设备。,USB总线与IEEE1394的差别:(1)IEEE1394总线具有更高的传输速率;(2)IEEE1394的拓扑结构中,不需要集线器(Hub)即可连接63台设备,在USB的拓扑结构中,须通过HUB实现多重连接;(3)IEEE1394在增添或减少外设时,可自动重设网络。USB以HUB来判明其连接设备的增减。,4、IEEE488总线,最初是为电子仪器设计的并行接口总线,后广泛应用于智能化电子仪器和计算机系统。,IEEE-48