微机原理与接口技术5章.ppt

微机原理与接口技术 第五章微型计算机总线 微型计算机结构上的特点就是总线结构 CPU 存储器 I O接口和外部设备都是通过总线互相连接 采用总线结构 可以降低微型计算机的成本 是微型计算机可以迅速推广和普遍使用的一个重要因素 本章主要内容 5 1总线概述5 28088 8086最大模式下总线信号的形成5 3总线仲裁和握手技术5 4常用微机总线介绍 ISA EISA PCI等 5 1总线概述 微型计算机系统中 总线可以说是无所不在 总线的层次包括 片内总线 片总线 系统总线 外部总线 通信总线 5 1总线概述 5 1总线概述 系统总线的主要性能指标 总线宽度 总线的数据线的数目 总线宽度越宽 同时传输的数据就越多 吞吐量就越大 现在都是32位 64位 总线时钟频率 时钟频率的单位为MHz 有的书上以总线传输率作为指标 单位是Mbit s 数值上和时钟频率相同 总线带宽 是总线的所有数据线每秒可以传输的数据量 也就是最大传输率 单位为MB s 这三个指标之间的关系是 总线带宽 总线宽度 总线时钟频率 8总线电源电压 5 1总线概述 微型计算机系统总线的发展微型计算机系统总线的发展 基本上是围绕着总线带宽来进行的 PC总线最早的微型计算机标准总线是以8088为CPU的IMBPC XT机所使用的总线 称为 PC 总线 也称为 PC XT 总线 PC总线的数据线只有8条 是一种8位宽度的总线 5 1总线概述 ISA总线为了便于开发与PC机兼容的外部设备 IEEE委员会和Intel等公司 开始研究在PC总线基础上的新的总线标准 到1987年IEEE正式制订ISA IndustryStandardArchitecture 总线标准 ISA总线采用8位和16位模式 它的最大数据传输率为8MB s和16MB s ISA总线在Intel286和Intel386SX时代得到了普遍的使用 直到今天 一些外部设备的接口还是使用ISA标准 5 1总线概述 EISA总线EISA ExtendedIndustryStandardArchitecture 扩展工业标准架构 是一种32位总线标准 EISA可以完全兼容之前的8 16位ISA总线 EISA总线的工作频率是8MHz 由于总线宽度增加到32位 它的总线带宽提升到32MB s EISA总线在个人计算机中使用了很长的时间 2000年以后就很少使用了 5 1总线概述 PCI总线1992年英特尔公司提出32位PCI总线的概念 并迅速获得认可成为新的工业标准 PCI总线是一种连接外部设备的局部总线 显卡 声卡 网卡 硬盘控制器等外部设备或者外部设备的接口直接连接到PCI总线 再和CPU连接 PCI总线的工作频率是33MHz 总线带宽达到133MB s 在20世纪90年代是相当好的性能 5 1总线概述 在PCI标准发布一年之后 Intel公司又发布了64位的PCI总线 它的总线带宽达到了266MB s 64位PCI主要使用于服务器和工作站 为它们提供高性能的总线传输 后来 用于服务器的PCI总线的工作频率又提高到66MHz 5 1总线概述 PCI X总线是九十年代末提出的总线标准 PCI X总线仍然使用64位并行总线和共享架构 但将工作频率提升到133MHz 由此获得高达1 06GB s的总带宽 使用533MHz工作频率的PCI X533标准则更是达到4 2GB s的高水平 5 1总线概述 PCIExpress总线它是2001年以后提出的 它采用串行方式传输数据 而依靠高频率来获得高性能 因此PCIExpress也被人称为 串行PCI 由于串行传输信号干扰比较小 总线频率提升比较容易 其次 PCIExpress采用全双工运作模式 发送数据和接收数据可以同时进行 第三 PCIExpress没有沿用传统的共享式结构 它采用点对点工作模式 可以避免多个设备争抢带宽的情形发生 由于工作频率高达2 5GHz 单通道双工的PCIExpress总线总带宽可达到500MB s 5 1总线概述 单总线和多总线除了总线标准在不断变化和发展 总线的体系结构也在变化 从单总线发展到多总线 5 1总线概述 5 1总线概述 双总线结构 5 1总线概述 多总线结构 5 1总线概述 总线结构的优缺点简化结构 降低成本统一标准 便于制造扩充灵活 方便使用不允许同时有几个部件互相传输信息总线传输看起来简单 其实是相当复杂的 需要妥善解决总线握手和总线仲裁问题 5 28086最大模式总线信号的形成 8088最大模式下的总线信号是PC总线的主要组成部分 PC总线是最简单的总线标准 它也是ISA总线的主要组成部分 了解PC总线可以了解最基本的总线信号有哪些 5 28086最大模式总线信号的形成 5 28086最大模式总线信号的形成 PC总线地址线 20条 A0 A19 寻址空间是1MB 数据线 8条 D0 D7读写控制线 存储器写控制信号 存储器读控制信号 I O写控制信号 I O读控制信号 I OCHRDY 通道就绪信号PC总线共有62条信号线 A B两面各有31条信号线 ALE 地址锁存信号 中断控制线 IRQ2 IRQ7 中断请求信号 DMA控制线 DRQ1 DRQ3 DMA请求信号 DMA应答信号 AEN 地址允许信号 在进行DMA操作时 AEN为高电平 只有在AEN是低电平时 才可以进行一般的I O操作 T C 终止DMA计数 标识一个通道DMA操作的结束 其他控制线例如时钟输入 振荡器输出 复位驱动 电源和地 等 5 3总线仲裁和握手技术 总线主设备总线主设备是指可以发起和控制总线数据传输的设备 如DMA控制器 总线从设备总线从设备不能直接发起和控制总线的数据传输 它们只能接受主设备的要求 在主设备的控制下 接收主设备传送过来的数据 或者把数据传送给主设备 如RAM模块 5 3总线仲裁和握手技术 总线仲裁需要进行总线仲裁的前提是总线上连接了多个总线主设备 总线仲裁就是在总线上有多个总线主设备并且同时要求控制总线时 决定将总线控制权交给哪一个主设备 也就是裁决哪个主设备可以控制总线 基本的处理方法 就是由总线仲裁器来判定哪个主设备可以控制总线 5 3总线仲裁和握手技术 主设备在请求控制总线前 先测试BB信号 如果BB显示不忙 发出BR信号 请求占用总线 仲裁器发出BR信号 表示同意使用总线的请求 仲裁器将BB信号改为 忙 标识总线已经被占用 5 3总线仲裁和握手技术 总线上的主设备和从设备在工作速度上可以有较大的差别 如果主设备发送数据的速度快 从设备接收数据的速度慢 就会造成数据的丢失 因此 必须对于总线的数据传输进行控制 对于总线传输进行控制 就是这里所说的总线握手 总线握手的基本方式有同步方式 异步方式和半同步方式 5 3总线仲裁和握手技术 1 同步方式采用同步传输控制方式的总线就是同步总线 同步方式的总线主 从设备在同一时钟的控制下进行传送 一次数据传输的时间是固定的 采用同步方式时 发送地址和数据的时间是固定的 总线主 从设备严格按照一定的时序进行数据的读写操作 5 3总线仲裁和握手技术 2 异步方式异步传输控制方式没有统一的时钟 总线主设备和从设备可以具有不同的工作速度 在主 从设备之间增加了一条请求线Req 一条应答线Ack 也就是采用请求 应答的握手方式 来进行传输控制 5 3总线仲裁和握手技术 3 半同步方式半同步方式是对于同步方式的适当修正 半同步方式仍然具有统一的时钟 但是增加了一条WAIT信号线 主设备在正式接收数据前 先检测WAIT信号线 如果WAIT信号是高电平 则意味着需要等待 主设备将继续等待 继续在下一个时钟周期检测WAIT信号 一直到WAIT信号等于低电平 就是不需要继续等待时 才开始正式的数据传输 5 4常用微机总线介绍 ISA总线ISA总线是在PC总线的基础上 由Intel公司 IEEE和EISA集团共同推出的一种总线标准 因为PC总线是8位数据总线 而当时 16位数据总线的IBMAT机已经推出 必须有一种新的总线标准 以便可以制造和16位个人计算机的总线匹配的外部接口卡 这种总线标准是在1984年后就慢慢形成 1987年IEEE正式制订了ISA总线标准 ISA总线信号及其分布 5 4常用微机总线介绍 PCI总线PCI是PeripheralComponentInterconnect 外设部件互连 的缩写 1991年下半年 Intel公司首先提出了PCI的概念 并联合IBM Compaq AST HP DEC等100多家公司成立了PCI集团 其英文全称为 PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup 简称PCISIG 1992年6月推出了PCI1 0版 1995年6月又推出了支持64位数据通路 66MHz工作频率的PCI2 1版 5 4常用微机总线介绍 PCI总线的系统结构示意图 PCI总线的信号线分布的示意图 5 4常用微机总线介绍 USB总线USB总线是UniversalSerialBus的简称 也称为 通用串行总线 USB总线是一种外部总线 或者说是一种通信总线 通过串行通信的方式连接计算机和外部设备 5 4常用微机总线介绍 USB总线只有4根线 如图5 4 5所示 其中D D 为信号线 传送信号 是一对双绞线 VBUS和GND是电源线 提供电源 5 4常用微机总线介绍 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