计算机接口技术 第9讲.ppt

计算机接口技术第九讲 计算机基本接口原理 计算机系统总线介绍 计算机系统总线 目的熟悉计算机系统总线内容总线分类和构成各种标准总线介绍 为什么要有总线 Unibus总线1970年美国DEC公司在其PDP11 20小型计算机上采用 总线结构在系统设计 生产 使用和维护上都显示出其优越性 采用总线结构主要有以下优点 便于采用模块结构设计方法 简化了系统设计 标准总线可以得到多个厂商的广泛支持 便于生产与之兼容的硬件板卡和软件 模块结构方式便于系统的扩充和升级 便于故障诊断和维修 同时也降低了成本 总线的基本概念认识 总线定义1 总线是计算机两个或两个以上的模块 部件或子系统 之间相互连接与通信的公共通路 2 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 3 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 4 数据线和地址线 这一类信号线决定了数据传输的宽度和直接寻址的范围 5 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 6 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 7 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 总线的分类 微型计算机的总线按功能和规范可分为三大类型 片总线 ChipBus C Bus 又称元件级总线 是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块 如CPU模块 的信息传输通路 内总线 InternalBus I Bus 又称系统总线或板级总线 是微机系统中各插件 模块 之间的信息传输通路 例如CPU模块和存储器模块或I O接口模块之间的传输通路 外总线 ExternalBus E Bus 又称通信总线 是微机系统之间或微机系统与其他系统 仪器 仪表 控制装置等 之间信息传输的通路 如EIARS 232C IEEE 488等 总线的分类 三类总线在微机系统中的地位和关系 总线的构成 计算机系统总线是开放的 一般的总线信号包括 数据总线 地址总线和控制总线 三总线 数据总线 它传送的是数据信息 可双向传送 它的 线数 即总线宽度取决于系统采用的CPU的字长指标 系统总线的宽度是指其数据线的位数 地址总线 它传送的是内存 或I O接口 的地址信息 单向传送 它的线数与系统采用的CPU的地址线宽度一致 它决定了CPU直接寻址的内存容量 控制总线 它传送的是CPU和其它控制芯片发出的各种控制信号 如 读 写信号W R 指令 代码传送D C 存储器或IO口访问M IO和系统复位Reset等 总线的构成 总线主要性能指标 总线频率 总线工作时钟频率 单位为MHz 总线位宽 总线数据线的根数 有8 16 32 64位之分 总线带宽 即总线传输率 单位为MB S 三者关系为 总线带宽 总线位宽 总线频率Mb S总线带宽 1 8总线位宽 总线频率MB S 总线的构成 系统中的各个接口和外设均需通过这 数据总线 地址总线和控制总线 即三总线 互相连接 实现了全系统的互连 IBMPC是开放的系统 在主板上 系统I O总线还连接到一些特定的扩展槽 Slot 以便于计算机用户通过该扩展槽扩展外部的接口 外设等 通过扩展槽使接口 外设与PC系统CPU和内存互连 这些插座被称为系统I O总线扩展插槽 SystemInput OutputBusExpandedSlot 计算机系统总线标准与规范 制定标准的出发点 使与该总线连接的各厂家的各种产品电路板都能正常使用 即在机械结构 电气及逻辑等方面均达到统一 制定标准的机构 一些国际级 国家级或相关行业协会及公认的著名企业联合会 总线标准与规范内容 机械结构规范 规定模板尺寸 插头 连接器的形状 尺寸等规格位置 功能结构规范 规定每个引脚名称 功能 时序及适用协议 电气结构规范 规定信号的逻辑电平 最大额定负载能力及电源电压等 计算机系统总线标准 在计算机系统中常见的总线 ISABUS 真正的系统级I O总线 包括XT总线和AT总线两部分 IndustrialStandardArchitecture PC104BUS 电气标准兼容ISABUS 机械标准不兼容 EISABUS 已淘汰 ExtendedIndustrialStandardArchitecture MCABUS 已淘汰 MicroChannelArchitecture PCIBUS 局部总线 PeripheralComponentInterconnect PC104Plus 电气标准兼容PCIBUS 机械标准不兼容 AGP 专用总线 非通用扩展总线 AccelerateGraphicPort 目前保留的总线 ISABUS PCIBUS AGP PC104BUS PC104Plus等 计算机系统总线标准 ISABUS AT XT PCIBUS AGP 计算机系统总线标准 ISABUSISA industrialstandardarchitecture 总线标准是IBM公司1984年为推出PC AT机而建立的系统总线标准 所以也叫AT总线 它是对XT总线的扩展 以适应8 16位数据总线要求 它在80286至80486时代应用非常广泛 以至于奔腾机中还保留有ISA总线插槽 ISA总线有98只引脚 由XT和AT两部分组成 XT槽有62个引脚8位数据总线宽度AT槽有36个引脚增加了高8位数据总线 PC XT总线1981年IBM推出8位 适用于以8088为CPU的PC XTPC机PC AT总线1984年IBM推出以80286为CPU的16位PC机总线 未公布 ISA总线同期 Intel IEEE和EISA集团联合开发出与AT总线相近的ISA工业标准结构总线 ISA总线主要性能 I O空间0100H 03FFH 24位地址线 16MB寻址空间8 16位数据线62 36引脚最大位宽16位8MHz时钟频率带宽16MB S具有中断和DMA通道功能 IBM公司专为其PS 2系统开发的32位微通道总线结构 由于与老的PC机总线不完全兼容 并且执行的是使用许可证制度 因此未能得到有效推广 MCA总线 淘汰 计算机系统总线标准 EISABUSEISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准 它是在ISA总线的基础上使用双层插座 在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线 连结器是一个两层槽设计 既能接受ISA卡 又能接受EISA卡 顶层与ISA卡相连 低层则与EISA卡相连 在实用中 EISA总线完全兼容ISA总线信号 EISA的结构用当时的工艺技术制做是比较复杂的 因而成本很高 通常用于服务器和工作站 EISA总线主要性能 开放结构 与ISA总线兼容32位地址线 4GB寻址能力32位数据线最大时钟频率8 3MHz带宽33MB S 计算机系统总线标准 PCIBUSPCI peripheralcomponentinterconnect 总线是当前最流行的总线之一 它是由Intel公司推出的一种局部总线 它定义了32位数据总线 且可扩展为64位 PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小 其功能比VESA ISA有极大的改善 支持突发读写操作 传输速率可达132MB s 可同时支持多组外围设备 PCI局部总线不能兼容现有的ISA EISA MCA microchannelarchitecture 总线 但它不受制于处理器 是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线 PCIBUS性能总线时钟频率 33 3MHz 66MHz带宽 时钟频率33 3MHz位宽32位时为133MB s 位宽64位时为266MB s时钟频率66MHz位宽32位时为266MB s 位宽64位时为532MB s总线宽度 32位 5V 64位 3 3V 时钟同步方式独立于处理器与CPU及时钟频率无关 计算机系统总线标准 计算机系统总线标准 计算机系统总线标准 3 3VPCIBUS 由两部分组成 中间有key 防插错 有方向 分两边 每边有62个引脚 共144引脚 地址总线和数据总线复用 计算机系统总线标准 采用PCIBUS的计算机系统结构 CPU总线和PCI总线由桥接电路 习惯上称为北桥芯片 相连 PCI总线和ISA EISA总线之间也通过桥接电路 习惯上称为南桥芯片 相连 计算机系统总线标准 采用PCIBUS的计算机系统结构 计算机系统总线标准 AGP在一般的PC机中 三维图形卡与主存之间是通过PCI总线进行连接和通信的 其最大数据传输率仅132MB S 加之PCI总线还接有其他设备 如硬盘控制器 网卡 声卡等 实际数据传输率远低于132MB S 而三维图形加速卡在进行三维图形处理时不仅有极高的数据处理量 而且要求具有很高的总线数据传输率 因此 这种通过PCI总线的连接和通信方式 实际上成了三维图形加速卡进行高速图形数据传送和处理的一大瓶颈 计算机系统总线标准 AGPAGP AcceleratedGraphicsPort 高速图形端口 是为解决计算机三维图形显示中 图形纹理 数据传输瓶颈问题应运而生的 现在许多PC机系统都增加了AGP功能 AGP是由Intel公司开发 并于1996年7月正式公布的一项新型视频接口技术标准 它定义了一种高速的连通结构 把三维图形控制卡从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 计算机系统总线标准 AGP从严格的总线意义上讲 AGP并不是一种总线标准 因为总线通常是多个设备共享的资源 而AGP仅为供AGP视频控制卡专用的高速数据传输端口 AGP允许视频卡能与系统RAM 主存 直接进行高速连接 即支持所谓DIME DirectMemoryExecute 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 把耗费显存的三维操作全部放在主存中来完成 AGP可以工作于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 计算机系统总线标准 AGP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 现代PC主板均全面支持AGP2 0规范及AGP4X模式 USB总线 USB UniversalSerialBus 通用串行总线 计算机系统总线标准 USBUSB概述在传统的PC机使用中 为了连接显示器 键盘 鼠标及打印机等外围设备 必须在主机箱背后接上一大堆信号线缆及连接器端口 给PC机的安装 放置及使用带来极大的不便 另外 为了安装一个新的外设 除需要关掉机器电源外 还需安装专门的设备驱动程序 否则 系统是不能正常工作的 这也给用户带来不少麻烦 计算机系统总线标准 USB概述USB总线 UniversalSerialBus 通用串行总线 是PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口 它是一个所谓 万能接口 可以取代传统PC机上连接外围设备的所有端口 包括串行端口和并行端口 用户几乎可以将所有外设装置 包括键盘 显示器 鼠标 调制解调器 打印机 扫描仪及各种数字音影设备 统一通过USB接口与主机相接 同时 它还可为某些设备 如数码相机 扫描仪等 提供电源 使这些设备无须外接独立电源即可工作 USB是1995年由称为 USB实现者论坛 USBInplementerForum 的组织联合开发的新型计算机串行接口标准 有许多著名计算机公司 如Compaq IBM Intel DEC及Microsoft等均是该联合组织的重要成员 1996推出USB1 0版本 低速1 5MbPs 高速12MbPs2000 4推出USB2 0版本 低速1 5MbPs 全速12MbPs 高速达480MbPs 基本思想 利用通用连接器热插拔 即插即用的简单快速连接 资源自动配置 资源共享 基本要求 易用性 即插即用 热插拔端口可扩充性 具有端口不断扩充性 可快速 动态连接和低价格特点兼容性 支持 高速与低速数据 智能与一般外设 有源与无源设备 一 USB的主要特点二 USB设备连接器协议三 接口信号线四 USB系统组成五 USB插拔接通关闭过程六 USB拓朴结构七 USB数据流类型和传输类型 1 即插即用 可自动识别总线上的设备并为其配置软件和硬件资源 2 可以动态连接和重新配置外设 支持热插拔功能 3 总线上的设备的传输带宽可以从几Kbps 到几百Mbps 速率最高可达480Mbpss 一 USB的主要特点 4 允许最多达127台USB设备同时操作 5 可向USB总线上设备供电 USB设备也可自备电源 6 具有很高的容错性能 协议中规定了出错处理和差错恢复机制 此外USB总线还具有使用灵活 性价比高等特点 二 USB设备连接器协议 连接器 由插头和插座构成 为A系列B系列两种 A系列连接器 用于与主机连接B系列连接器 用于与设备连接 USB图标 插头上提供凹凸型图标 方便用户使用 一般由厂商提供 电缆一端为A系列插头 另一端为B系列插头 与设备上系列B插座连接 USB设备标准可分离电缆 高速设备用双绞数据对 非双绞电源对的屏蔽电缆 低速设备可用平行非屏蔽电缆 红电源线 5V 4 75 5 25V 黑地线绿D 高速设备端有有上拉电阻 Hub端有下拉电阻白D 低速设备端有有上拉电阻 Hub端有下拉电阻注 D D 为数据的半双工差分信号线 下拉电阻保证Hub端口无设备连接时 电压接地为零吸入最大电流500mA 三 接口信号线 4根 计算机系统总线标准 四芯USB线缆及连接器情况如图所示 主机第一次从D D 检测到设备时 设备吸入电流2 5V 持续2 5 S 则设备连接端口 四 USB系统组成 1 硬件 USB主控器 根集线器 USBHC RH 于主机中 USB集线器 USBH USB设备 Hub设备 功能设备 接在Hub上的外设 计算机系统总线标准 USB集线器 USBHub 及其端口情况如图所示 计算机系统总线标准 USB的结构主机与USB设备连接的拓扑结构从整体上看是一种树状结构 可利用集线器级联的方式来延长连接距离 还可将几个功能部件 例如一个键盘和一个轨迹球 组装在一起构成一个 复合型 设备 复合型 设备通过其内部的USBHub与主机相连 主机中的USBHub称为 根Hub USB设备驱动程序 客户驱动软件 用于和某一特定的USB设备进行通信 常为操作系统一部分或由厂商提供 USBDUSB系统驱动软件一般捆绑于操作系统 用于判断决策指挥层 HCD HostcontrollerDriver 主控器驱动程序 完成对USB交换的调度 通过根Hub或其它Hub完成对交换的初始化 2 软件 五 USB插拔接通关闭过程 接通过程须经过5个状态 连接状态 上电状态 默认状态 地址状态 配置状态 设备即可使用 关闭过程比较简单 主机测到USB设备插头拔离Hub 设备进入无能状态 即关闭端口 USB接设备于总线Hub Hub通知主机发生设备接入事件 设备处于连接状态 Hub与该设备相接端口处于关闭状态 主机检测Hub 确认设备接入事件和接入端口 主机使能 允许 该端口 传送一个RESET命令 Hub向端口送持续100mSRESET信号 结束时端口被打开 Hub提供100mA电流给USB设备 USB设备进入上电状态 响应默认地址 USB访问默认管道 端点0 主机读设备描述符获得有关信息 最大数据传输量 主机给USB设备分发一唯一地址 设备进入地址状态 主机读取设备配置信息 主机分析读取的配置信息向设备分发配置值 设备进入配置状态 设备各端点就绪开始工作 设备可使用 如第四步上电未获总线访问权 进入挂起状态 USB设备插头拔离Hub Hub通知主机发生设备移走事件 设备进入无能状态 关闭端口 主机更新局部拓朴逻辑信息 七 USB数据流类型和传输类型 USB数据流类型 控制信号流块数据流中断数据流实时数据流 USB的基本传输类型 控制传输批传输中断 Interrupt 传输等时传输 USB总线传输类顺序 传输幀时间 1mS 以SOF 幀起始包 开始 EOF 幀结束包 结束数据流传输中优先传输等时数据 批传输最后 U