微机原理与接口技术第9章总线

微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 第九章 总线 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 在计算机系统中，总线实现了芯片与芯片、插板与插板、系统与系统之间的连接和通信。总线是计算机系统与外围设备实现互连的重要组成部分，它的实现直接影响到整个系统的功能和性能。本章首先介绍总线的分类及性能指标，然后系统阐述总线的判决和握手技术。最后在此基础上详细的介绍系统总线、局部总线及外部总线的标准等。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 总线是计算机各部件之间进行通信的通道，其作用是连接计算机五大部件（运算器、控制器、存贮器、 I/传递信息。 C P U 模 块 存储器模块 I / O 接 口 模 块微处理器 存储器片总线外围接口系 统 总 线接口存储器系 统 总 线接口外围控制器外围接口系 统 总 线接口外围设备 外围设备外总线系统总线外围设备外总线图 6 . 1 微 型 计 算 机 的 各 级 总 线微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2、总线分类 一、数据总线、地址总线、控制总线和电源总线 二、片内总线、内部总线和外部总线 三、并行总线和串行总线 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 在总线标准中，主要规定总线结构的外形、相关尺寸及其排列方式、地址线的数目、数据的位数、有关控制信号及时钟同步方式等。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 总线标准的特性： 物理特性：物理特性是指总线物理连接的方式，包括总线的 根数、总线的插头和插 座是什么形状的及引脚是 如何排列的等。 功能特性：功能特性描述的是一组总线中每一根线的功能是 什么。 电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传递方向以及有 效电平范围。 时间特性：时间特性定义了每根线在什么时候有效，这涉及 到总线操作的时序问题。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 常见的总线标准： （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 总线的性能指标如下： (1) 总线宽度： 8位、 16位、 32位和 64位 （数据总线位数） (2) 标准传输率。在总线上每秒钟传输的最大字节量 每秒多少兆字节： (3) 时钟同步异步 同步总线 异步总线 (4) 数据总线地址总线的多路复用和非多路复用 (5) 信号线数： 明系统的复杂程度。 (6) 负载能力 (7) 总线控制方式 突发传输、并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、中断方式等 (8) 扩增电路板尺寸 (9) 其他指标 电源电压是 5. 3V 能否扩展 64位宽度等 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 主设备： 总线的主设备是指在获取总线控制权后 ， 能启动数据的传输 、 发出地址或读写控制命令并控制总线上的数据传送过程的模块 。 例如数值数据处理器 、 输入输出处理器等 。 从设备： 总线从设备是指本身不具有总线控制能力 ， 但能够对总线主设备提出的数据请求作出响应 ， 接受主设备发出的地址 （ 并进行译码 ） 和读 /写命令并执行相应的操作的模块 。例如内存模块 I/ 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 总线请求和仲裁阶段 : 当系统中有多个主模块的时候，任何一个 主模块需要使用总线都必须向总线仲裁机构提出总线请求，由 总线仲裁机构决定下一个传输周期的总线使用权该给哪个模块。 寻址阶段 : 取得了总线使用权的主模块，发出本次要访问的从模 块的存储器地址或 I/过译码使参 与此次传送操作的从模块被选中并开始启动。 数据传送阶段 : 主模块和从模块之间进行数据传输，数据由源模 块 (可能是主模块也可能是从模块 )发出，经过数据总线流入目的 模块。 结束阶段 : 主模块和从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总 线，以便其他模块可以继续使用。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 由于每个主设备都能够控制总线 ， 必然存在对总线资源的争用 ， 总线使用权的分配即总线的控制问题 。 根据分配总线使用权的原则 ， 可以将仲裁算法分为优先级算法和公平仲裁算法 。 1、优先级仲裁 优先级仲裁可以根据系统中各主设备的重要性给各主设备规定不同的优先级，当多个主模块争用总线时，优先级最高的一个获得总线使用权。多用于共享总线的 I/ 2、公平仲裁 公平仲裁策略是采用特定的算法尽可能保证所有总线主设备在宏观上获得总线使用权的机会或机会均等。对多个平等的通信信道的处理往往就采用公平仲裁算法。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。 1、集中式仲裁 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线 条是仲裁器送出的总线授权信号线 据仲裁原理不同，集中式仲裁又分为 链式查询方式 、 计数器定时查询方式 和 独立请求方式 。 2、分布式仲裁 不需要中央仲裁器，每个潜在的主方模块都有自己的仲裁号和仲裁器，多个仲裁器竞争使用总线。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 链式查询方式 号以串行方式向下传递进行裁决。离总线仲裁器越近的部件优先级越高。 总线控制器 部件 0 部件 1 部件 S G 数据与地址总线 总线忙信号， :总线请求信号， 电路简单，便于增减总线设备。仲裁速度慢，优先级不能改变。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 计数器定时查询方式（轮询判决） 不使用 需用地址总线。若总线上有 在总线控制部件内设置一个计数器，可以从 0计数至 每个 值对应一个部件。不论哪个部件要使用总线，均通过 出申 请。控制部件通过地址总线定时送出计数器的当前值。提出申请 的部件检查地址总线，若发现其上的值与自己的编号相等，则取 得总线使用权，并通过置 控制部件在一 定时间内未收到 令计数器加 1或减 1，发下一个地址。 计数器的值可由软件设置，故优先级控制非常灵活。 总线控制器 部件 0 部件 1 部件 S 据与地址总线 计数值 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 独立请求方 每一个共享总线的设备均有一对总线请求线 设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号 总线控制器 部件 0 部件 1 部件 据与地址总线 机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2、分布式仲裁 不需要中央仲裁器，每个潜在的主方模块都有自己的仲裁号和仲裁器，多个仲裁器竞争使用总线。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。 所有参与本次竞争的各主设备将设备竞争号 实现 “ 线或 ” 逻辑。 ， 。 竞争时 最高位（ 最低位（ 一维菊花链方式进行，只有上一位竞争得胜者 位为 1。当 CN i=1，或 且 使 。若 时，将一直向下传递，使其竞争号后面的低位不能送上 竞争不到的设备自动撤除其竞争号。在竞争期间，由于 设备在其内部的 由于参加竞争的各设备速度不一致，这个比较过程反复（自动）进行，才有最后稳定的结果。竞争期的时间要足够，保证最慢的设备也能参与竞争。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 1、串行传送 当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，而且采用脉冲传送。在串行传送的时，按顺序传送来表示一个数码的所有二进制位（ 脉冲信号，每次一位。通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲表示数码的最高有效位。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2、并行传送 用并行方式传送二进制信息时，对要传送的数码的每个数据位都需要一条单独的传输线。信息由多少二进制位组成，就需要有多少条传输线，从而使得二进制数 “ 0”或 “ 1”在不同的传送线上传输。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 3、分时传送 分时传送有两种概念。一种是采用总线复用方式，某个传输线上及传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成地址传送和数据传送的任务。分时传送的另一种概念是共享总线的部件，分时使用总线。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 总线上数据为了高速可靠的进行传输，必须有某种总线联络（握手）技术。 总线传输有以下四种握手方式： 同步方式 异步方式 半同步方式 分离方式 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 21 同步方式 总线上的主、从设备在同一时钟的控制下进行传送，传输周期（即总线周期）是固定的。 例如： 插入 特点 ： 适合高速传输 便于电路设计 适应性不好 设备速度不一样时，必须以响应速度最慢设备的速度运行 设计完成后，不能更改 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 22 异步方式 采用应答式传输方式。使用请求线（ 应答线（ 协调传输过程 不依赖系统时钟信号 图 6 . 6 全 互 锁 总 线 协 定 示 意 图发送方 接收方总线R E A D a ） 信 号 连 接D A T A D b ） 时 序 关 系微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 异步总线协定 全互锁方式 发送方 接收方 1. 3. 4. 5. 1. 一个总线周期 下一个总线周期 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 异步总线协定 优点 不同速度的设备可以协同工作，适应性强 快快：高速度 快慢：低速度 缺点 握手过程复杂，总线周期较长 传输速度不固定，取决于模块的访问速度 死锁 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 25 半同步方式 是前两种方式的折衷。有同步时钟，但传输周期（总线周期）可变。增加一条信号线（如 主 设备监视该信号线了解选中的从设备是否准备好，否则插入等待状态，延长传送周期 例如： 特点 适应性好 兼有同步方式的速度 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 半同步总线协定 使用 0，表示存储器或 I/等待 ; 1，表示存储器或 I/以传送数据 2 4 w 检查 时需要插入 时结束 入 机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 分离式总线协定 主设备 从设备 读取数据 地址和命令 读出的数据 T 读出的数据 送上总线 主设备占用总线的时间 从设备 主设备 数据读入主设备 从主控模块通过总线向从模块发出地址和读写命令开始，到整个传输周期结束，总线完全是由该主控模块以及从模块占用。 但并非整个传输周期中总线都得到了充分利用。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 分离式总线协定 主设备 从设备 读取数据期间， 交由其它设备使用 地址和命令 读出的数据 T 读出的数据 送上总线 主设备占用总线的时间 从设备 主设备 数据读入主设备 从设备占用总线的时间 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 29 分离方式 将传输周期（总线周期）分成两个子周期 子周期 1 主模块发出地址、控制命令（读或写）。主模块释放总线，供其他模块使用 子周期 2 从模块准备好数据后，申请总线，获准后将数据回送主模块 使用在小型机系统中 特点 大大提高总线的利用率 适用于多个主模块的系统 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 所谓总线的负载能力即驱动能力，是指当总线接上负载 (接口设备 )后必须不影响总线输入 /输出的逻辑电平。例如 输出低电平要吸收电流 (由负载流入信号源 )，以 时的负载能力就是指当它吸收了规定电流时，仍能保持逻辑低电平。输出高电平的负载能力以是一个由信号源流向负载的输出电流。当输出电流超过规定值时，输出逻辑电平会降低，甚至变到阈值以下。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 最早的 981年推出的基于准 16位机 为 1984年 6位机 T，其总线称为 而 管各兼容机厂商模仿出了还是存在某些模糊不清的解释。为了能够更好地开发外接插板，由 线。并且又于 1988年，由 家公司联合在 2位微处理器推出了扩展的 线。 进入 1993年后，由于微处理器的飞速发展，使得 处理器的高速度和总线的低速度不同步，造成硬盘、图形卡和其他外设只能通过一个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据，使 而业界又提出了 局部总线（ 目前较为流行的局部总线有两个：一是 线，简称 一是 线， 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 线指 C/984年推出的 16位系统总线标准，它是当初 2线，其插卡 /插座分 A、 面 31线，其中数据线宽 8位，地址线宽 20位（可对 1 总线。 2引线的基础上再延长出独立的一段，新增加 36线（ A、 8线），数据线扩至 16位，地址线扩至 24位。 ，与 插槽长 邻引脚距离 本部分与扩展部分相距 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 1 数据传输速率最高为 8 24根地址线，可寻址 16000000H0 64（ 16根地址线，可寻址0000H 0 一次可进行 16位或 8位数据存取。 15级硬中断控制（对应两片 8259 7个 应两片 8237 可产生 I/ 支持多个主控器（ 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 S A 1 9 ( 2 0 ) S D 1 9 ( 8 )I / O C H C O C H R D D ( 3 )+ 5 V D C ( 2 )+ 1 2 V D V D 2 V D S C L S E T D R E M E M L Q 2 I R Q 7 ( 6 )D R Q 1 D R Q 3 ( 3 )R E F R E S C K 1 D A C K 3 ( 3 )I S 信号电 源 与 地 线（ 8 ）时 钟 与 定 时信号 （ 4 ）读 写 控 制信号 （ 5 ）中 断 与 D M 信 号（ 14 ）地 址 信 号数 据 信 号I / O 通道控 制 信 号图 6 . 1 0 I S A 总线插槽与 98 条信号L A 1 7 L A 2 3( 7 )S D 8 A D 1 5( 8 )S B H M M Q 1 0 1 5 ( 5 ) ( I R Q 1 3 除外 ) , D R Q 5 7( 4 ) , D A C K 5 7( 4 )M E M C S 16I / O C S 16M A S T E R+ 5 信号微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 类 型 信号名称 输入 /输出（ I/O） 功能说明 时钟与定位 振荡信号：周期 70空比 2 1 系统时钟：周期 167空比 2 1 上电复位，或初始化系统逻辑 I 零等待状态 数据 ， 地址总线 20位地址线， 地址锁存使能信号，允许锁存来自 许 中断与 3 I I/1 I I/3 1 O 别对应 1 控制总线 T/C O I/O I/I/O I/O 存储器读（小于 1 O 存储器写（小于 1 I 向主板 ，低电平使总线周期延长，延长的时钟数 15 I/O 指示刷新周期 电源与地线 +5V 电源 电源 +12V 电源 电源 地线 表 92条信号线 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 876条信号线 类 型 信号名称 输入 /输出（ I/O） 功能说明 控制总线 10 I 中断请求信号， 5 O 应 5 控制总线 I 其他处理器发出的主控信号，使 I/O 对所有存储器的读命令 I/O 对所有存储器的写命令 地址 +5V 电源 地线 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 3对存储器和 I/0根地址线与 对存储器中前 1 6微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 随着高性能微处理器的推出，低性能的系统总线与高性能处理器间产生的瓶颈问题更为突出，特别是当 0486微处理器推出后，解决瓶颈问题的需求越来越迫切。以 括 织，于 1989年联合推出了扩展工业标准体系结构（ 00%兼容，又能较好地满足 32位微处理器的数据传输要求，支持多个总线主控部件、突发式传送（ 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 以为了与 总线插槽结构分上下两层，上层为 层为 是 98线），两者通过特殊的结构隔离，这样既可使 可使用标准的 32位 正获得一个高性能、高速度的 1 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2 （ 1） 2位，可寻址 42位，在总线控制器控制下，能根据需要自动地进行 32位、 16位、 8位数据之间的转换，保证各种 线时钟频率为 33据传输率为 33持突发传输方式。 （ 2）拥有总线主导能力。扩展卡上的总线主控器接收 输出指令，无须 ，彻底将 。 （ 3）具有总线仲裁能力。总线仲裁采用集中式的并行请求方式，优先级固定，支持多总线主控器 多支持 6个总线 （ 4）共享 许 8个 模块可按指定的优先级占用 线传输增加了块 持突发传输。扩展卡安装容易，自动配置，无须 助随产品提供的配置文件自动设置系统和扩展卡，各个插槽都被规定了相应的I/卡不管插到哪个插槽都不会产生地址冲突。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 992年 8月由 即视频电子标准协会公布的基于 8048666据宽度为 32位，可扩展到 64位。与 线传送速率最大为 132MB/s，这对于需要快速响应的视频、内存及磁盘控制器等部件都可通过 系统运行速度更快。但是 种总线使 I/是与 此开放性差，并且由于前 个设备。实际是 有 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2位数据线，且可通过扩展槽扩展到 64 位，使用33大传输率为 128到 132可与 效的局部总线，可支持 38638686486 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 外围设备互联总线，是一种高性能的局部总线，已成为局部总线的新标准，广泛用于当前高档微机、工作站，以及便携式微机。主要用于连接显示卡、网卡、声卡。 2位同步复用总线。其地址和数据线引脚是3示 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 （ 1）数据总线 32位，可扩充到 64位。 （ 2）可进行突发（ 传输。 （ 3）总线操作与处理器 （ 4）总线时钟频率 336高传输率可达528。 （ 5）中央集中式总线仲裁 （ 6）全自动配置、资源分配、 实现即插即用（ （ 7） 用性好。 （ 8） （ 9） 密度接插件，分基本插座（ 32位）及扩充插座（ 64位）。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 且独立于 以和 他的均为 设备，而且读写操作只能在主从设备之间进行，从设备之间的数据交换需要通过主设备中转。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 3. 信号线数有：必需信号线：主控设备 49条，目标设备 47条。可选信号线： 51条（主要用于 64位扩展、中断请求、高速缓存支持等）。信号线总数： 120条（包括电源、地、保留引脚等）。 1）系统信号 2）地址和数据信号 3）接口控制信号 4）仲裁信号 5）错误报告信号 6）中断信号 7）其他可选信号 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 通信总线又称外总线，它用于微型计算机之间、微型计算机与远程终端、微型机与外部设备以及微型计算机与测量仪器仪表之间的通信。这类总线不是微型计算机系统所特有的总线，而是利用电子工业或其它领域已有的总线标准。通信总线分为并行总线和串行总线。在计算机网络、微型机自动测试系统、微型机工控系统中得到广泛的应用。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 要因其具有以下优点： 可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要关机将并口或串口电缆接上，再开机这样的动作，而是直接在可以将 图 携带方便。 、小、薄”见长，对用户来说，同样 20 标准统一。大家常见的是 口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，在有 些外设统统可以使用同样的标准与 可以连接多个设备。 以同时连接多个设备。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 1) 理接口 备通过四线电缆与主机或 接，四根线分别是 D、 D。其中， 电源线， 以有条件地给一些设备 (包括 电。 D和 D是一对差模信号线。 用 D和 D线传输数据。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2) 传输速度 线数据传输率有 3 种：高速数据传输率为 480Mb/s， 全速数据传输率为 12Mb/s，低速数据传输率为 s。但是 备只支持一种传输模式，目前，键盘、鼠标等外设采用低速率，打印机、扫描仪等采用全速率，视频会议、台式电脑硬盘驱动器等采用高速率。 3) 394 的比较 除了 外， 394 也是一种高性能的串行总线。394 接口支持 400Mb/持异步传输和同步传输两种模式，其中同步传输模式专用于实时地传送视频和音频数据。 394 结构的所有资源，都是用存储器影射方式实现资源配置和管理的。 般用于连接中低速外设并局限于 域， 394 将向通信和数字家电方向发展。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2. 线的拓扑结构 物理结构上， 统是以根集线器 (中心的分层 (形结构，各个点 (能器件，即设备 )可利用总线供电的集线器连接。 就是主机和根集线器，用户可以将外设或附加的 之相连，附加的 以再连接其他外设以及下层 系统的级联不能超过 5 级 (包括 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 3. 硬件设备 1) 控制器 /根集线器 控制器和根集线器合称为 机 ( 控制器是硬件、固件和软件的联合体。主控制器负责 线上的数据传输，它把并行数据转换为串行数据以便在总线上传输，把收到的数据翻译成操作系统能够识别的数据形式。 2) 备 为主机提供单个功能的设备称为 “ 功能部件 ” 。功能部件和集线器都称为 备。复合的 “ 设备 ” 有一个集线器和一个或多个 “ 功能部件 ” 。每一个集线器和功能部件都有唯一的地址。 (1) 集线器： (2) 功能部件： 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 4. 数据传输 1) 传输模式 (1) 控制传输 (控制传输是双向传输，主要用于命令 /状态操作。发送控制命令，设置设备地址，设置设备属性，读取设备配置信息及设备状态等功能。 (2) 同步传输 (同步传输是单向传输，仅适用于全速 /高速设备，是一种周期的、连续的传输方式。 (4) 批量数据传输 (中断传输用于支持偶然需要对少量数据进行通信，但服务时间却受限的设备，如键盘、鼠标。全速设备的中断传输周期可为 1255次传输的有效负荷最大可为 64 个字节；而低速设备的中断传输周期为 10255次传输的有效负荷仅为 8 个字节。 (3) 中断传输 (批量数据传输用于对时间没有要求的非周期性的大量数据传输，仅全速 /高速设备支持块数据传输 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2013年 4月 24日 2) 数据编码 信时，使用一对摆幅为 D， D )，采用 归零翻转 )传送各种数据，它定义用电压保持不变表示二进制数字序列中的 1码， 用电压跳变 (0V 0表示二进制数字序列中的 0 码。 微机