计算机硬件基础第5章.ppt

1 第5章微机总线与标准 2 总线是计算机中各模块之间传送信息的通道或计算机之间传送信息的公共通道 总线是一组导线和相关的控制 驱动电路的集合 总线是计算机系统各部件之间传输地址 数据和控制信息的通道 任一时刻 只能有一个部件 设备通过总线发送数据 其他部件只能处于接收状态 5 1 1总线的基本概念 3 物理特性 总线的物理连接方式功能特性 一组总线中每一根线的功能电气特性 每一根线上信号的传递方向和有效电平范围时间特性 每根线在什么时间有效 5 1 2总线标准的4个特性 4 5 1 3总线的分类及特点 按传送信息的类型划分数据总线 DataBus DB 传输数据信息 双向三态其宽度决定了其数据传输能力例如 ISA总线为16位 PCI总线为32 64位地址总线 AddressBus AB 传输地址信息 单向三态其宽度决定了微机系统的寻址能力例如 ISA为24位 可寻址16MB PCI为32 64位 可寻址4GB 224TB控制总线 ControlBus CB 传输控制信号 时序信号和状态信号特点各异 三态 入 出 双向等特性均不相同 5 总线的分类及特点 按总线的规模 应用 片内总线 元件级总线 微处理器内部总线主板局部总线 主板上连接各插件的公共通路ISA IndustryStandardArchitectureEISA ExtendedIndustryStandardArchitectureVESA VideoElectronicsStandardArchitecturePCI PerpheralComponentInterconnectAGP AcceleratedGraphicsPort系统总线 模块式微型计算机机箱内的底板总线MULTIBUSI MULTIBUSIISTDBUSVEMBUSFUTUREBUS通信总线 外总线或设备总线 6 5 2总线的结构 微机系统各部件与总线的连接方式单总线结构双总线结构多总线结构 7 单总线结构 CPU M M I O I O I O 缺点 高速的存储器与低速的I O接口竞争总线 影响了存储器的读写速度 8 双总线结构 面向CPU的双总线结构 CPU M I O I O I O 缺点 存储器与I O设备的数据传输必须通过CPU 9 双总线结构 面向存储器的双总线结构 CPU M I O I O I O 10 多总线结构 系统中拥有两个以上的总线 11 5 3 1总线的基本功能 数据传送控制仲裁控制数据校验与纠错隔离与驱动 12 一 总线传送控制 同步方式收 发双方严格地按统一的基准时钟信号执行相应的动作不适合于在同一系统中既有高速部件又有低速部件的环境PCI总线属于同步方式总线异步方式传输过程无需统一时钟的同步 用 请求 和 应答 信号来协调传输速度慢半同步方式总体上仍是同步方式 使用基准时钟 传输操作与时钟同步设置 等待 状态线 在无法按时完成操作时 用此状态线强制对方延长一个或多个时钟周期ISA总线即属于半同步方式总线 13 同步方式的时序 地址 数据 时钟 总线周期 总线周期 时钟周期 14 异步方式的时序 地址 数据 发送方 请求 接收方 应答 15 半同步方式的时序 地址 数据 时钟 就绪 等待一个时钟周期 16 多个设备都要使用总线时 决定由哪个设备使用总线的方法 80 x86微机中采用的是独立请求方式 二 总线的仲裁控制 链式查询方式计数器查询方式独立请求方式 17 三 总线隔离与驱动 不操作时把功能部件与总线隔离同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上提供驱动能力数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件提供锁存能力信息缓存和信息分离 18 总线电路中常用的芯片 三态总线驱动器驱动 隔离单向 双向锁存器信息缓存 有些同时具有总线驱动能力 信息分离 如地址与数据的分离 19 三态总线驱动器 输入 输出 OE 输入 输出 OE 输入 输出 OE 输入 输出 OE 20 典型总线驱动器芯片 8286 74LS245 8双向总线驱动器内部包含8个双向三态门 828674LS245 A0A1A2A3A4A5A6A7OE B0B1B2B3B4B5B6B7T OE 输出允许 T 方向 T 0 B A T 1 A B 21 典型总线驱动器芯片 74LS244 8总线驱动器内部包含8个单向三态门 分为两组分别控制 74LS244 E1E21A11A21A31A42A12A22A32A4 1Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y4 1组输出 2组输出 1组输入 2组输入 22 锁存器 D CP Q Q CPDQQ001110 D CP Q OE O CPDQ0011 I STB 23 典型锁存器芯片 8282 74LS373 具有三态正相输出的锁存器内部包含8个D触发器 828274LS3738D锁存器 DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7STB DO0DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7OE 24 5 3 5总线的主要性能指标 总线带宽 B S 每秒可传送的字节数总线位宽 bit 一次传送的数据位数工作频率 MHz 挂接设备数量总线带宽 总线位宽 8 工作频率 例1 P4CPU的FSB频率为400MHz或800MHz 位宽为64bit FSB带宽 400 64 8 3 2GB s或800 64 8 6 4GB s例2 PCI总线的频率为33 3MHz 位宽为32bit或64bit PCI带宽 33 3 32 8 133MB s或33 3 64 8 266MB s 25 5 4常用局部总线 常用总线标准ISA 工业标准体系总线 IndustryStandardArchitecturePCI 外围部件互连总线 PeripheralComponentInterconnect常用接口标准AGP 加速图形接口 AcceleratedGraphicsPortIDE 集成设备接口 又称ATA接口IntegratedDeviceElectronicsSCSI 小型计算机系统接口 SmallComputerSystemInterface外部总线USB 通用串行总线 IEEE1394 高性能串行总线 26 一 ISA总线 主要特性16位数据线 早期的为8位 已被淘汰 24位地址线 可寻址16MB存储器 时钟频率8MHz数据传输率16MB s提供11个中断请求输入提供7个DMA通道用于80286 PIII 个别P4微机也支持 27 ISA总线插槽 外形见P121 共98个引线主要引线信号 SA0 SA19 锁存的 LA17 LA23 非锁存的 地址 SD0 SD15 数据 SBHE 高字节允许 MEMR MEMWIOR IOWAEN 地址允许 1表示处于DMA控制周期 IRQ3 IRQ7 IRQ9 IRQ11 IRQ14 IRQ15DRQ0 DRQ3 DRQ5 DRQ7DACK0 DACK3 DACK5 DACK7注 ISA总线的DMA操作和I O操作使用相同的地址线 数据线和I O读写控制线 IOR和IOW 所以AEN应参加I O地址译码 28 简单的ISA总线接口 输入接口 D7 D0 D7 D0 A D转换器 模拟量输入 START READY 数字量输出 IN 74LS244 1100000000000000B 110000000010B 转换结束 启动转换 D0 C000H读数据C001H启动转换C002H读转换状态 A2A1A0 1 A13 A3 A15A14 AENIOR ISA总线 29 简单的ISA总线接口 输出接口 驱动电路 D7 D0 A2A1A0 1 A13 A3 A15A14 AENIOW ISA总线 发光器件组合 C000H改变灯光图案样式 选通 30 PCI总线是1991下半年由Intel公司首先提出的 并与IBM Compaq AST HP和DEC等100多家公司联合 于1993年推出的PC局部总线标准 PCI总线 PCI总线目前有4个主要的标准规格 分别支持32位与64位 其下又细分成3 3V和5V两种信号 PCI的含意为周边器件互连 PeripheralComponentInterconnect PCI总线能够配合要求彼此间快速访问或快速访问系统存储器的适配器工作 也能让处理器以接近自身总线全速的速度访问适配器 二 PCI总线 31 PCI总线特点 独立于微处理器 支持即插即用功能 通过PCI桥与CPU连接 北桥 总线宽度 32 64位 工作频率 33 3MHz 66 6MHz传送速率 32位PCI总线 133MB s 266MB s64位PCI总线 266MB s 533MB s PCI总线体系 32 PCI总线插槽 外形见P124 共62根引线 64位PCI有94根 包括 系统接口信号 时钟 复位等 地址与数据 复用 信号 AD0 AD31 接口控制信号 主从设备控制信号等 总线仲裁信号 总线请求 总线允许 错误报告信号 系统错 奇偶错 中断控制信号 中断请求 64位总线扩展信号 AD32 AD63 字节选择等 高速缓存支持信号 33 PCI 扩展 处理器和存储器总线间的基本关系如图5 11所示 总线传输机制存储器读写采用突发传输 要求地址必须连续 包括一个地址期和多个数据期I O读写不支持突发传输 每次仅读写一个数据 34 图PCI系统 35 1 Host PCI桥 常称为北桥 NorthBridge 连接主处理器总线到基础PCI总线 2 PCI ISA桥 常称为南桥 SouthBridge 连接基础PCI总线到ISA 或EISA 总线 南桥通常含中断控制器 IDE控制器 USB主控制器和DMA控制器 北桥和南桥构成芯片组 3 在基础PCI总线或PCI插卡上 可以嵌入一个或多个PCI PCI桥 4 一个芯片组可以支持多于一个北桥 36 三 AGP接口 不是系统总线高速图形接口 在视频卡与内存之间提供一条直接的通路 不再通过PCI传输 32位PCI的传输速率最高266MB s 图形 纹理 Z轴距离 Alpha变换等数据的数据量为370 840MB s4种模式 注意 1X 2X与4X 8X不兼容 3 3V 1 5V 1X 66MHz 266MB s 2X 133MHz 533MB s 4X 266MHz 1066MB s 8X 533MHz 2133MB s 系统中只支持一个AGP扩展插槽 点对点 37 四 USB总线 UniversalSerialBus USB概况主机与外设的通用接口 可用于不同的设备串行 打包传送2根数据线 电源 地线两个版本 1 1 12Mb s 2 0 480Mb s 设备连线最长5米即插即用必须要有USB主机存在 设备不能独立工作 38 USB总线的优点 易于使用即插即用 可热插拔 WindowsNT 2000 XP 2003下不需安装驱动程序具级联方式 并可智能识别链上外围设备的插拔 易于连接主板上提供2 6个USB接口 通过集线器最多可支持127个外设4芯电缆 D D 5V GND 39 USB总线的优点 传送速率可满足大多数外设要求1 5MB s 12MB s 480MB s 2 0 可靠性高能进行错误校验和控制 且由硬件实现低成本主板已集成USB接口设备端的USB接口控制芯片很便宜低功耗不工作时能够自动进入休眠状态 并能自动恢复 40 USB设备及拓扑结构 USB设备集线器扩展接口数量功能部件即USB设备复合部件 41 五 IEEE1394总线 可用于数字化视频 音频 硬盘结构类似于USB 树形拓扑串行 打包传送6芯电缆 4根信号线 电源 地线设备之间距离最大4 5米 总长度为50 100米设备可独立工作 无需微机的控制设备之间可直接连接 如数字摄像机连接到电视机最大传输速率 400MB s 将来可达3 2GB s 100MB s 200MB s 400MB s支持异步和同步两种传输模式支持带电插拔和即插即用可提供8V 40V 1 5A的电源一个接口上可连接63台设备 42 六 IDE接口 ATA 主要用于硬盘 光驱 磁带驱动器现已发展为EIDE 增强的IDE 和串行ATA SATA 已集成到硬盘驱动器中 无需接口卡主板提供2 4个接口每接口可连接2个硬盘 主 从 数据传输方式 PIO方式 PIO0 PIO4 3 3MB s 16 6MB s 40针接口 扁平电缆硬盘最大容量528MBDMA方式 DMA0 DMA2 11MB s 16 6MB s 40针接口硬盘最大容量8 4GBUDMA方式 UDMA3 UDMA