总线与接口标准.ppt

第11章总线与接口标准 教学目的和要求 通过本章的学习 使学生掌握微机总线和接口标准的基本概念 掌握主要总线及主要接口的性能指标和特点 熟悉RS 232C串行通信接口标准 为今后开发RS 232C串行通信奠定良好的基础 了解PCI总线和通用外设接口标准USB的基本知识 重点 总线与接口标准的基本概念PCI总线等几种典型总线RS 232C串行通信接口及通用外设接口标准USB的基础知识 总线与接口标准 难点 PCI总线结构USB的系统组成 传输类型 交换的包格式其他总线的组成与原理 总线与接口标准 11 1总线和接口标准的基本概念 11 1 1总线的基本概念与分类 一 基本概念 总线总线是指一组进行互连和传输信息的信号线 这组信号线一般都包括地址线 数据线 控制线 电源线等几种信号线 微型机系统所使用的芯片内部 电路插件板元器件之间 系统各插件板之间 系统与系统之间的连线 都由各自的总线把各部分组织起来 从而组成一个能彼此传输信息和对信息进行加工处理的整体 总线标准是指国际工业界正式公布或推荐的把各种不同的模块组成微机系统时必须遵守的规范 具体来讲 它是指芯片之间 插件板之间及微机系统之间 通过总线进行连接和传输信息时 应遵守的一些协议和规范 总线标准 总线标准一般包括硬件和软件两方面的内容 硬件方面主要有总线的信号线定义 时钟频率 系统结构 仲裁及配置 电气规范 机械规范等方面的内容 软件方面主要有总线协议 驱动程序和管理程序等 总线标准为微型机系统中各模块的互连提供了一个统一的标准 为接口的软 硬件设计者和开发应用者提供了方便 1 总线标准的最重要特点是公用性 具有相同总线的不同功能的模块都可以挂接到总线上 共享总线 扩充性能好 2 信号一般以并行方式传输 传输速率快 3 一般在微机主板上以多个扩展插槽形式提供 4 所定义的信号线种类齐全 一般都有分离的数据线 地址线和控制线 总线标准的一般特点 二 总线的分类 5类 片内总线片内总线也称为CPU总线 它是位于微处理器内部的总线 是ALU及各种寄存器等功能单元之间的通路 元件级总线元件级总线也称为片间总线 该总线限制在一块电路板内 它是实现板内各元器件相互连接的信号线 片间总线通常包括地址线 数据线和控制线等 是各种总线中速度最快 效益最高 功能最直接的总线 一般指CPU引脚没有经过组合 驱动隔离 而被直接引用的信号线 二 总线的分类 5类 续一 通信总线通信总线也叫外部总线 是微机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 如串行通信采用的RS 232 C RS 485总线 微机与智能仪器之间通信采用的IEEE488 VXI总线以及最近流行和正在迅速发展的用于微机与外部设备之间进行通信的USB通用串行总线等 这些通信总线的特点更符合接口标准的特点 因此 常称为接口标准 二 总线的分类 5类 续二 系统总线系统总线也叫板级总线或标准总线 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 一般在主板上做成扩展插槽形式 如ISA总线构成了IBMPC AT微机系统 二 总线的分类 5类 续三 局部总线局部总线是介于CPU总线和系统总线之间的一级总线 是目前高档微机中常采用的一种重要总线 它的两侧分别由桥芯片连接 分别面向CPU总线和系统总线 但局部总线离CPU总线更近一些 采用局部总线的优点在于一些高速外设通过局部总线和CPU总线直接连接 而不必象早期的微机中那样将高速外设和慢速外设统统挂在较慢的系统总线上 从而可以显著提高数据传输的速率和充分发挥CPU高速的优势 二 总线的分类 5类 续四 二 总线的分类 5类 续五 局部总线又可分专用局部总线 VL总线 486机中采用 PCI总线3种 其中前两种已很少用或不用 目前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 11 1 2接口标准与接口标准的分类 一 基本概念 接口所谓接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路 它是两者之间进行信息交换时的必要通路 不同的外设有不同的输入 输出接口电路 例如 键盘输入有键盘接口电路 CRT显示器有显示器输出接口电路 打印机也有打印输出接口电路等等 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 接口标准 1 接口标准的最大特点是专用性 一般情况下是一种接口只连接一类设备 不能混用 2 一般在机箱外 以插头或插座形式提供 3 信号传输形式既有并行传输又有串行传输 4 定义信号线较少 且种类不多 接口标准的一般特点 7 号和 9 号位置都是USB接口 它也是一种串行接口 目前最新的标准是2 0版 理论传输速率可达480MB s 目前许多上设都采用这种设备接口 如Modem 打印机 扫描仪 数码相机等 它的优点就是数据传输速率高 支持即插即用 支持热拨插 无需专用电源 支持多设备无PC独立连接等 8 IEEE1394接口 1 6GB s的传输速率 即插即用 热拨插 使用费比较高 目前仍受到许多限制 只是在一些高档设备中应用普遍 如数码相机 高档扫描仪等 10 号位置是指双绞以太网线接口 也称之为 RJ 45接口 这要主板集成了网卡才会提供的 它是用于网络连接的双绞网线与主板中集成的网卡进行连接 二 接口标准的分类 接口标准的分类方法也较多 根据所连设备的性质及功能 一般分为以下5种图形显示接口标准传统串并行接口标准外存设备接口标准通用外设接口标准测试仪器接口标准 图形显示接口标准支持图形显示卡的接口标准 如高速显示的新型接口标准AGP 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的端口 如RS 232 C RS 485 I2C IEEE1284 等接口标准 外存设备接口标准支持硬盘 光盘 CD ROM和磁带等存储介质的接口标准 如IDE和SCSI接口标准 通用外设接口标准支持多种新型外设的通用型接口标准 如USB IEEE1394等 如前所述 它们常被叫做外设总线是因为这些接口标准已经具备了总线的一些特征 还具有一些网络特性 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IEEE 488和VXI接口标准 11 1 3总线的组成及性能指标 一 总线的组成总线按信号类型或功能一般可分为以下五种 数据总线数据总线一般为双向三态 用来传输数据 数据总线的宽度 位数 反映了总线传输数据的速率 地址总线地址总线一般为单向三态 用来传输地址信息 地址线的位数决定了微机系统的寻址范围 控制总线用来传输控制或状态信号 它根据使用条件不同 有的为单向 有的为双向传输 有的是三态 有的是非三态 控制总线代表了总线的控制能力 电源和地线电源和地线是总线中不可缺少的 它决定了总线使用的电源种类 地线分布及用法 备用线备用线主要是留作功能扩充和用户的特殊要求使用 控制总线 二 总线的性能指标 总线宽度总线宽度是指一次可以同时传输数据的位数 单位为位 bit 总线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 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 总线宽度 8 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例 11 1 PCI总线频率为33 3MHz 总线宽度32位 则 传输速率 32b 8 33 3MHz 133 2MB s 传输速率 11 2几种典型总线及接口标准 在微机系统中 通常由多种总线构成 如386主板板上常有ISA总线和EISA总线 486主板上常有ISA总线和VESA总线 Pentium主板上常有ISA总线和PCI总线 P P 主板常有ISA总线 PCI总线和AGP总线 而P 主板上常有用PCI总线和AGP总线 或称AGP接口标准等 微机系统的一种总线层次结构图如图11 1所示 微机系统的一种总线层次结构图 11 2 1PC XT总线和ISA总线 PC XT总线是最早的PC机的系统总线 是IBM公司于1981年推出的基于准16位机PC XT的总线 也称PC总线 PC XT总线支持8位数据传输和20位地址寻址空间 一 ISA总线的主要特点 ISA总线是16位的总线 可以只用低8位数据线 当作8位数据线使用时 只用其前62个引脚 此时 它有8位数据线 20位地址线 当作16位数据线使用时 用到全部98个引脚 此时 它有16位数据线 24位地址线 ISA总线的最高工作频率为8MHz 数据宽度为16位 由公式 11 1 计算可得数据传输速率为16MB s 地址线24条 可寻址16MB的内存空间 一 ISA总线的主要特点 续 ISA总线共有15个外部中断输入端 其中保留3个没有用 另外还有7个DMA通道 ISA总线是开放式总线结构 具备了一定的多主控功能 即允许有多个主控模块分时共享总线 二 ISA总线信号及ISA插座 ISA总线98根线分成7类地址线数据线总线周期控制线总线控制线中断信号线DMA信号线电源线 ISA插座和信号分布图 SA0 SA19和LA17 LA23 O SA0 SA19为地址总线0 19位 是可锁存的地址信号 LA17 LA23为地址总线17 23位 是非锁存信号 地址信号用于寻址存储器和I O设备 SA0 SA19加上LA17 LA23 允许寻址多达16MB存储空间 AEN地址允许信号 输出 此信号用来在DMA期间禁止I O端口的地址译码 AEN信号有效 表示DMA控制器正在控制系统总线 进行DMA传输 此时CPU放放弃了总线控制权 用AEN信号来禁止I O端口的地址译码 1 地址线 BALE地址锁存允许信号 输出 它由总线控制器8288提供 可用BALE信号的下降沿将系统总线上的地址信号SA0 SA19锁存 SBHEI O线 数据总线高字节允许信号 SBHE有效 表示数据总线上传输的是高字节数据 SD8 SD15 2 数据线 SD0 SD7和SD8 SD15 双向 SD0是最低有效位 SD15是最高有效位 CPU既可以按字节传输 也可按字传输 MEMR 存储器读信号 2 MEMW 存储器写信号SMEMR SMEMW 存储器读写控制 用于A0 A19寻址的1M内存空间的访问 3 IOW I O写命令 4 IOR I O读命令 5 MEMCS16 I OCS16 存储器和I O16位片选信号 6 OWS 输入 零等待状态信号 3 控制线 I OCHRDY 输入 I O通道就绪信号 总线控制线 MASTER 输入 主控设备信号 IOCHCK I O通道检验信号 输入 RESETDRV 系统复位驱动信号 输出 CLK 总线系统时钟 输出 OSC 振荡器信号 输出 由晶振产生 REFRESH I O线 刷新信号 中断信号线 IRQ3 IRQ7 IRQ9 IRQ12 IRQ14 IRQ15 输入上述中断请求线用于I O设备向CPU发出中断请求信号 IRQ9优先级最高 其次是IRQ10 IRQ12 IRQ14 IRQ15 最低是IRQ3 IRQ7 另外IRQ0 IRQ2 IRQ8和IRQ13用于系统板上 当IRQ线上由低变高时 产生一个中断请求 DMA信号线 DRQ0 DRQ3 DRQ5 DRQ7 输入 DACK0 DACK3 DAK5 DAK7 输出 DMA响应信号 用来响应DMA请求 低电平有效 T C 计数结束信号 输出 在任何一个DMA通道的终点计数计满时发出此脉冲 共有4组 12V 5 12V 10 5V 5 5V 10 4个地 GND 电源信号线 三 ISA总线周期 ISA支持八种类型的总线周期存储器读存储器写I O端口读I O端口写 中断响应DMA传输刷新仲裁周期 了解和掌握ISA总线周期的时序 特别是I O端口读和I O端口写总线周期 对于开发接口电路是非常重要的 11 2 2PCI总线 PCI总线 PeripheralComponentInterconnctSpecialInterestGroup 即外围部件互联专业组 简称PCISIG 是由Intel IBM Compaq AST HP Apple DEC等100多家公司于1991年共同推出的一种局部总线 广泛应用于当前高档微机 工作站及笔记本电脑中 PCI局部总线的结构示意图 PCI总线引线示意图 地址和数据 AD31 AD0C BE 3 BE 0 接口控制 FRAME TRDY IRTY STOP DEVSEL IDSEL REQ GNT PERR SERR CLKRST 64位扩充 PAR64REQ64 ACK64 INTA INTB INTC INTD TD1TD0TCKTMSTRST 出错 仲裁 系统 AD63 AD32C BE 7 BE 4 LOCK 接口控制 中断 JTAG PAR PCI卡 一 PCI总线的特点 与ISA等总线相比 PCI总线具有如下的特点 传输速率高 允许多总线共存 PCI总线不依赖于某一具体的微处理器 它支持多种微处理器和将来发展的微处理器 总线数据宽度32位或64位 支持64位寻址 5V和3 3V两种电源供电 自动识别与配置外设 方便用户使用 11 2 3AGP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 一 AGP总线的结构 采用AGP总线的系统结构图 二 AGP总线的特点 设计AGP的目的是为了实现高性能的3D图像 提高显示的速度 因此采用了一些先进技术 双时钟技术 流水线技术进行读写内存 DIME DirectMemoryExcute 技术 当CPU访问系统RAM时 AGP显示卡同时可以访问AGPRAM 两种总线同时传输数据 多路信号分离技术 显示系统不占用PCI总线 三 AGP的工作模式 AGP支持3种工作模式 1 2和 4模式 3种工作模式的图形性能是依次提高的 目前微机的BIOS中基本上都是采用 4模式 四 AGP与PCI的比较 11 3RS 232C串行通信接口标准 RS 232C是数据终端设备 DTE 和数据通信设备 DCE 之间的接口标准 是在微机接口应用中常用的一种串行通信总线标准 全称为EIA RS 232C标准 ElectoronicIndustrialAssociateRecommendedStandard 232C 11 3 1RS 232C串行通信接口标准的信号线 RS 232C标准的信号线共25根 其中只定义了22根 这22根信号线又分为主 辅两个信道 大多数微机串行通信系统中都只使用主信道的信号线 在通信中 即便是只使用主信道 也并非主信道的所有信号都要连接 一般情况下只需使用其中的9根信号线 这就是为什么我们在微机的机箱上看到的串行通信接口 如COM1 COM2 只有9根的原因 串行通信接口标准的信号线 11 3 2RS 232C串行通信接口标准的电气特性 RS 232C串行通信接口标准中 对于发送端 规定 5V 15V表示逻辑 1 MARK信号 用 5V 15V表示逻辑 0 SPACE信号 内阻为几百欧姆 可以带2500pF的电容负载 负载开路时电压不得超过 25V 对于接收端 电压低于 3表示逻辑 1 高于 3表示逻辑 0 232C接口采用EIA电平高电平为 3V 15V逻辑 0 低电平为 3V 15V逻辑 1 实际常用 12V或 15V 标准TTL电平高电平 2V 5V低电平 0V 0 8V 相互转换 11 3 3RS 232C电平与TTL电平的转换 MAX232引脚图 MAX232的用法 1 在C1 和C1 两端 C2 和C2 两端 V 和地两端 V 和地两端分别接一个0 1 f 105 电容2 可以将两路RS 232C电平转换成两路TTL电平 分别从R1IN和R2IN输入 对应从T1OUT和T2OUT输出 注意 输入和输出的逻辑值保持一致 如输入 5V 即逻辑1 输出也是逻辑1 TTL电平为高电平 即3 6V左右3 可以将两路TTL电平转换成两路RS 232C电平 分别从T1IN和T2IN输入 对应从R1OUT和R2OUT输出 同样输入和输出的逻辑值保持一致 11 3 4RS 232C的机械特性 RS 232C的机械特性规定 微机的RS 232C接口通向外部的连接器是一种标准的 D 型插针 11 4通用串行总线USB USB UniversalSerialBus 通用串行总线是由Compaq DigitalEquipment Intel Microsoft IBM NEC及NorthernTelecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准 1996年2月公布了USB1 0版本 传输速率有低速1 5Mbps和高速12Mbps两种模式 USB2 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 USB2 0兼容所有USB1 0外部设备及电缆线等 传输速率达480Mbps USB2 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 11 4 1USB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 一 传输速度快 USB1 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USB2 0的数据传输速度可以高达480Mbps 二 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 三 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 四 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 AdvancedPowerManagement 技术 可以有效地节省电源功耗 五 扩充外设能力强 USB采用星形层式结构和Hub技术 允许一个USB主控机可以连接多达127个外设 用户不用担心要连接的设备数目会受到限制 两个外设间的距离可达5米 扩充方便 11 4 2USB的物理接口和电气特性 一 接口信号线 二 电气特性 D D 线电气特性 无驱动 高速VD 2 7V VD 0 8V 低速反之 有驱动 高速VD 2 0V VD 2 0V 低速反之 收发器 对地电源电压为4 75 5 25V 设备吸入的最大电流值为500mA D D 上不加电压USB设备 高速在D 上加3 0 3 6V电压 低速反之 三 USB设备及其描述器 USB设备USB设备分成Hub设备和功能设备两种 管道管道是从逻辑概念上来描述信息传输的通道 端点 USB描述器 1 设置描述器 2 设备描述器 3 端点描述器 4 接口描述器 11 4 3USB系统组成及拓扑结构 一 USB系统的组成 USB的软硬件 USB主控制器 根集线器 USB集线器 USBHub USB设备 USB设备驱动程序 USB驱动程序 USB主控制器驱动程序 二 USB系统拓扑结构 11 4 4USB的传输类型 一 USB的数据流类型 USB支持控制信号流实时数据流块数据流中断数据流等4种数据类型 1 控制信号流 控制信号流的作用是当USB设备一旦加入系统时 USB系统软件与设备之间建立起控制信号流来发送控制信号 这种数据不允许出错或丢失2 实时数据流 实时数据流用于传输连续的固定速率的数据 它所需要的带宽与所传输数据的采样率有关 因为实时数据流要求有固定的速率和低延时 在USB系统中 专门对此操作进行了设计 尽量保证有较大的缓冲区 并确保有低的误码率 3 块数据流 通常用于发送大量数据4 中断数据流 用于传输少量随机输入信号 它包括事件通知信号 输入字符或坐标等信息 二 USB的传输类型 与USB数据流类型对应 USB有4种基本的传输类型 批传输中断传输等时传输控制传输 批传输 批传输可以是单向 也可以是双向 它用于传输大批数据 这种数据传输的时间性不强 但要确保数据的正确性 在包的传输过程中 出现错误 则需重新传输 其典型的应用是扫描仪 打印机 中断传输是单向的 且仅输入到主机 它用于不固定的 少量的数据传输 当设备需要主机为其服务时 向主机发送此类信息以通知主机 像键盘 鼠标之类的输入设备采用这方式 USB的中断传输是Polling 查询 类型 主机要频繁地请求端点输入 USB设备在全速情况下 其端点Polling周期为1 255ms 对于低速情况 Polling周期为10 255ms 因此 最快的Polling频率是1KHz 在信息的传输过程中 如果出现错误 则需将在下一个Polling中重新传输 中断传输 等时传输也称同步传输 可以单向也可以双向 用于传输连续性 实时的数据 这种方式的特点是要求传输速率固定 时间性强 忽略传输错误 即传输中出错也不重传 因为这样会影响传输速率 传输的最大数据包是1024B ms 视频设备 数字声音设备和数字相机采用这种方式 等时传输 控制传输是双向的 它的传输有2 3个阶段 Setup阶段 Data阶段 可以没有 和Statu