计算机组装维修与维护课件 第6章 系统总线接口

第6章 系统总线接口,本章介绍了微机主板的各种标准系统总线和通用、专用接口的技术规格特点，也介绍了它们的使用方法等。 6.1 主板上的系统总线 6.2 系统I/O总线的标准 6.3 系统设备接口,退出,6.1 主板上的系统总线,6.1.1 总线原理 主板上的系统总线是传输数据的通道，就物理特性而言就是一些并行的印刷电路导线，通常根据传送信号的不同将它们分别称为地址(address bus)、数据(data bus)和控制(Control bus)三大总线。,在数字电路中，逻辑信号1、0是采用电平的高低来表示的，假如高电平表示1，低电平就表示0，由此抽象为二进制数的1和0，并以数位二进制数组成各种代码，来表示各种信息，如用7位二进制数的ASCII码表示英文字符。系统处理各种信息，实际上就是处理一组组二进制数，进一步说，就是在总线上不断传送高、低电平信号。 由于元器件性能所限，电路的工作速度也是有限的，即不可能在一秒钟内开关任意多次。我们把系统总线电路每秒钟电平转换的最高次数，称为总线频率f，单位为MHz。频率f的倒数1/f称为总线时钟周期。,6.1.2 总线分类 总线大致可以分为四类： 1片内总线 片内总线也称为CPU总线。它位于CPU处理器内部，是CPU内部各功能单元之间的连线，片内总线通过CPU的引脚延伸到外部与系统相连。 2片间总线 片间总线也称为局部总线（Local BUS）。它是主板上CPU与其它一些部件间直接连接的总线。,3系统总线： 系统总线也称为系统输入输出总线（System I/O Bus）。它是系统各个部件连接的主要通道，它还具有不同标准的总线扩展插槽对外部开放，以便各种系统功能扩展卡插入相应的总线插槽与系统连接。 4外部总线 外部总线也称为通信总线。它是电脑与电脑之间的数据通信的连线，如网络线、电话线等。外部总线通常是借用其它电子工业已有的标准，如RS-232C、IE1364标准等。,6.1.3 总线构成 这里主要介绍的是系统总线，即主板的系统I/O总线和总线扩展插槽。系统I/O总线是数据总线、地址总线和控制总线的总称。 数据总线传送的是数据信号，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。 地址总线传送的是内存（或I/O接口）的地址信号，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。,控制总线传送的是CPU和其它控制芯片发出的各种控制信号，如：读/写周期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。 系统中的各个局部电路均需通过这三大总线互相连接，实现了全系统电路的互连。在主板上，系统I/O总线还连接到一些特定的插槽上去对外开放，以便于外部的各种扩展电路板连入系统。这些插座被称为系统I/O总线扩展插槽（System Input/Output Bus Expanded Slot）。系统I/O总线的示意图如图6-1。,图6-1 微机的系统I/O总线,6.2 系统I/O总线的标准,PC机主板上采用最多的系统I/O总线标准有ISA、VESA、PCI和AGP等，目前仍保留着ISA，但主要是使用PCI和AGP。主板上的系统总线插槽如图6-2所示。,图6-2 主板上的系统I/O总线插槽,6.2.1 以往的总线标准 1PC总线和ISA总线 PC总线最初用于IBM PC/XT机主板，并在以后的PC/AT和各种286、386兼容机主板上继续使用，目的是便于保留老的PC扩展卡。在后来制定的ISA总线标准中被称为8位ISA总线，目前已被淘汰。 PC总线是配合Intel 8088处理器的，因此是8位总线，具有8位数据线和20位地址线，直接内存寻址能力为220即1MB。它的扩展插槽是黑色的，有62个触点，分列两边，每边31个。PC总线扩展插槽的引脚配置如图6-3所示。,图6-3 PC总线扩展插槽的引脚配置,ISA总线标准来源于IBM PC/AT机主板使用的系统I/O总线和扩展插槽，所以也称为AT总线（AT Bus），87年成为国际通用总线标准ISA（Industry Standard Architecture）即工业标准结构总线。 ISA是针对Intel 80286 CPU设计的，因此是16位总线，数据线16位和地址线24位，即直接内存寻址为16MB。它的工作时钟是8.33MHz，数据传输率为8.33MB/S。 16位ISA总线是在8位ISA总线插槽的沿伸方向上增加了一个双排共36触点的插槽，新增的插槽引脚把8位数据和20位地址扩展成16位数据线和24位地址线。因此16位ISA插槽同8位ISA插槽保持了互换性，即16位ISA槽也可以使用8位ISA卡。,低速ISA标准与高速的32位386、486和Pentium CPU形成了一定的矛盾，但为了允许保留使用老的ISA卡，主板仍保留至少一个ISA插槽。ISA总线扩展插槽的引脚配置如图6-4所示，插槽的触点信号定义如表6-1。,图6-4 ISA总线扩展插槽,表6-1 ISA总线插槽的信号定义,2MCA和EISA总线 这两种总线由于特定的原因，在PC机上很少采用。 MCA（Micro Channel Architecture）即微通道结构总线来源于IBM PS/2机，是为32位的Intel 80386 CPU设计的。MCA是32位总线，数据线32位，地址线32位，直接内存寻址为4GB。它工作时钟为33MHz，数据传输率提高到20MB/S。它可以接16个外设。由于MCA技术不开放，且与ISA不兼容，以后在微机上很少使用。,EISA（Extend Industry Standard Architecture）即扩展ISA总线，它是Compaq等兼容机厂商为对抗IBM的32位MCA总线和保持对ISA总线的兼容性而推出的。EISA支持386CPU，是32位总线。它的32位地址也可直接寻址4GB内存。 EISA的工作时钟与ISA一样是8.33MHz，数据传输率是33MB/S。 EISA的插槽外形与ISA一样，但在槽内的底部又增加了一排触点，用以扩充32位数据、32位地址和控制信号等。这样EISA既可用于32位扩展卡，又可兼容老的8位、16位ISA扩展卡。在EISA插槽上，EISA卡可以更深地插入，以便与下一排触点连接，取得32位支持。,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总线扩展插槽的引脚配置如图6-5所示。,图6-5 EISA总线扩展插槽,3VESA总线 VESA（Video Electronic Standard Association）总线是以视频电子标准协会制定而得名，也叫VL BUS（VESA Local Bus）即VESA局部总线。它是专门为Intel 80486 CPU系统的高速视频信号处理而设计的。 VESA是32位高速总线，也允许扩展到64位。它的工作时钟为33MHz，最大允许到66MHz，数据传输率高达133MB/S。,VESA是在ISA总线的黑色插槽的延伸方向上增加了一个新的浅色插槽，它有双排共116个触点，单独提供32位数据线和32位地址线。因此32位的VESA总线槽同16位的ISA总线槽保持了互换性，即在VESA扩展槽上也可以插ISA扩展卡，只是VESA扩展卡比较长。 只有使用VL BUS扩展卡才能发挥它的32位高速总线的优势。最典型的VESA显示卡是ET-4000 VGA和Trident 9440 VL-BUS Graphics Adaptor等。,VL BUS还允许在32位插槽上再延长一个50引脚的插槽，从而扩展为64位的VESA总线。32位的VESA总线扩展插槽的引脚配置如图6-6所示。,图6-6 VESA总线扩展插槽,6.2.2 目前主流总线标准 6.2.2.1 PCI总线 PCI（Peripheral Component Interconnect）即外部设备互联总线，顾名思义，它的初衷就是使外设主芯片能快捷地连入系统。PCI是专门为Intel Pentium处理器设计的，它也是一种高性能的PC机局部总线（Local Bus）。PCI是32位总线，工作时钟是33MHz，数据传输率为133MB/S。 PCI的高速性能使之能支持各种高速设备，特别是3D图形加速卡。目前PCI扩展卡已成为微机高速扩展卡的主流，包括显示卡、声卡、Modem卡、网卡和视频卡等。,目前在一些高档机上也有64位PCI总线，工作时钟提高到66MHz，数据传输率可达528MB/S。 PCI还有如下优点： 1PCI支持PnP（Plug and Play）即插即用功能。 2PCI总线支持猝发数据传送方式，大大提高了总线的数据传输率。 3PCI支持总线主控和同步操作。 4PCI采用多路复用技术，可以在有限的空间里加大总线宽度，提高总线利用率。 5PCI总线通过局部总线控制器与CPU相连，因此PCI可以不依赖于CPU的主频和种类，接入的PCI设备也不影响CPU。,6主板的芯片组内含PCI桥（PCI Bridage），通过这 个缓冲控制器，可以实现6个PCI扩展槽同时工作。PCI是白色插槽独立结构，与ISA扩展卡不兼容。它的插槽每边62线，共124线。 64位的PCI总线扩展槽是在32位PCI插槽上延长，每边增加32线而成。 PCI总线插槽分为5V供电电源和3.3V供电电源两种，为避免这两种不同的扩展卡插错，3.3V的插槽的定位挡片Key的位置改设在12、13引脚处。电源为3.3V和5V的32位PCI总线扩展插槽的引脚配置如图6-7所示。插槽的触点信号定义如表6-2。,图6-7 5V和3.3V电源的PCI扩展槽的引脚配置,6.2.2.2 AGP总线 AGP（Accelerate Graphic Port）即加速图形接口，它是Intel专门为Pentium 系统的图形控制器设计的系统总线结构，它十分默契地配合着Pentium 的高速浮点运算能力和MMX技术，目前几乎垄断了3D图形加速卡的接口。 AGP是32位数据总线，工作时钟是66MHz，数据传输率为264MB/S，是PCI的二倍。第二代增强AGP 2的工作时钟是133MHz，数据传输率达到532MB/S，是PCI的四倍。目前奔腾III主板已采用了AGP 4，数据宽度扩展到64位，工作时钟133MHz，数据传输率高达1GB/S。,AGP总线将显示卡与主板的芯片组直接相连，进行点对点传输，所以它不是那种通用性的总线，它只用于支持AGP图形加速卡。Intel公司推出了支持AGP的440LX和BX等芯片组。Pentium II CPU、440BX和AGP的系统结构如图6-8。,图6-8 Pentium 、440BX和AGP系统结构,AGP加速图形接口在PC图形控制器和系统内存之间提供了高速通道，可使图形控制器直接从主内存执行纹理映射，而不必局限于少量的显示缓存中。AGP还有助于加速从CPU到图形控制器的解码视频流，不需要将预取的纹理缓存到显存中，这使得3D程序运行更快。 AGP插槽完全独立于原系统总线，且与以前的图形控制芯片、PCI控制芯片和CPU不兼容。AGP插槽为棕色，124个触点分列两边和上下两排，结构较复杂。AGP扩展插槽的引脚配置如图6-9所示。,Intel还推出了一种AGP Pro插槽，目的是解决显示卡的电源供应和散热问题。它比原来的AGP插槽加长，并且要占用与其相邻的PCI插槽。,图6-9 AGP扩展插槽,6.3 系统设备接口,6.3.1 主板上的设备接口 主机的重要性前面已经充分说明了，但是作为一个有效的计算机系统，外部设备也是不可或缺的。如果没有最基本的外存设备和输入输出设备，计算机主机系统就无法运行和与用户交互。 微型计算机的外部设备主要包括外存设备和输入输出设备（I/O设备），常用的外部存储器有软盘和软盘驱动器、硬盘、光盘和光盘驱动器、磁带和磁带机等，常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、数码相机、摄像机和光笔等，常用的输出设备有显示器、打印机、功放扬声器和绘图仪等。,在安装新硬件时，常常要为其配置I/O口地址（I/O Port Address），端口地址是CPU访问、区别各个不同硬件设备的标志，任何设备占用的I/O口地址都不相同，而一个设备也可能占用几个连续或不连续的I/O口地址。比如声卡就可能占用0220-022FH这16个连续的I/O口地址。如果几个硬件分配了相同的I/O口地址，CPU就无法正确访问它们，这些硬件也就无法正常工作，这种故障叫做I/O口地址冲突。,由于外部设备各自的特点，主机与外设间交换的信息载体形式（模拟、数字、电压、电流）、数据传送的速率和方式（串行、并行）等都会有所不同，因此必须在它们之间建立多种数据转换和缓冲的界面，这就是各种规格的输入输出接口（Input/Output Interface Port），简称I/O接口。 微机采用的通信接口标准有计算机专用的也有电器设备领域通用的，有某一类外设专用的也有不同外部设备通用的。专用接口如硬盘接口IDE、键盘鼠标接口PS/2和显示器接口（VGA口）等。通用I/O通信接口按其数据传送的形式不同可以分为串行接口和并行接口两大类。,串行接口是用一条线路将二进制数据按顺序一位位地传送，每个时钟传送一位，至少8个时钟才能传送1字节二进制数据。它的特点是线路简单但速度较慢，适合于慢速远距离的数据传送。例如RS-232C串行接口就用于鼠标器、Modem和终端等。 并行接口是用8条线路同时分别传送1字节二进制数据的8位，1个时钟就可以传送1字节二进制数据。它的特点是线路复杂（8条数据线）但速度较快，适合于快速近距离的数据传送。例如通用并行接口就用于打印机、扫描仪等外设。软盘、硬盘和光盘等也都采用专门的并行接口。,在早期的PC机上，各个I/O接口都集中做在一块“I/O多功能卡”上，包括1个软盘口、1或2个硬盘口、2个通用串口、1个通用并口和1个游戏棒口，将此卡插入ISA槽便使系统增加了各个接口的功能。到了586机，就把接口的控制芯片集成到主板上，进一步地又把接口控制功能集成到南桥芯片中，把各个接口插座直接做到主板后沿，形成标准ATX主板。这样就简化了结构，提高了接口性能和可靠性，还降低了成本。,6.3.2 硬件I/O接口的系统资源 1硬件设备的I/O端口地址 CPU与外设之间的访问要通过硬件的I/O接口，相互交换的数据要在I/O接口电路的数据缓冲寄存器中暂存，CPU控制硬件工作方式和速度的命令也要存入I/O接口电路的控制寄存器，这些寄存器统称为I/O端口。CPU正是通过访问硬件设备的各个I/O端口来控制该设备工作的，因此所有设备的I/O端口寄存器都必须统一编码，并且不能重复。系统会自动（或用户手工）为每个设备的各个端口分配相应的I/O口地址。,下面是在Windows 98系统工具的“系统信息”窗口中摘录的某一台微机从0000-04D1H段的I/O口地址的硬件占用情况：x0000-xFFFF（也可以见：控制面板、系统、设备管理、计算机属性） 要求熟悉几个基本硬件的I/O口地址： 串口1（COM1）3F8-3FF，串口2（COM2）2F8-2FF，并口1（LPT1）即打印机378-37B，声卡的游戏棒、声音SB16、MIDI（MPU401）和声音WSS，显示卡，标准IDE硬盘控制器170-177和370-377，标准软盘控制器3F0-3F5。,2硬件设备的IRQ号 一些硬件设备除了占用I/O端口地址外，还具有向CPU申请硬件中断的能力，因此还占有中断请求（IRQ）号的系统资源。PC系统的IRQ中断号共有16个（IRQ 0-15），可以分配给16个设备使用，每个设备单独占用一个IRQ号。当某个设备向CPU发出中断申请，CPU可以根据其IRQ号加以响应，运行相应的中断处理程序。 下面是在Windows 98系统工具的“系统信息”窗口中摘录的某一台微机的16个IRQ中断申请号的分配情况：IRQ0-15（也可以见：控制面板、系统、设备管理、计算机属性）,3硬件设备的DMA通道号 DMA（Direct Memory Access）是某些数据量大的硬件设备与主机快速交换数据的特殊工作方式，如软盘、硬盘、声卡等。在DMA控制器的控制下，设备与内存直接交换数据，并不占用CPU时间，CPU再与内存交换数据。因此DMA方式比CPU直接访问速度较慢的设备的方式要高效得多。PC系统的DMA通道共有8个（DMA0-7），DMA通道号不一定被一个设备独占，几个硬件设备可以共用一个DMA通道，只要它们不是同时使用它。 下面是在Windows 98系统工具的“系统信息”窗口中摘录的某一台微机的8个DMA通道号的分配情况：DMA0-7（也可以见：控制面板、系统、设备管理、计算机属性）,6.3.3 标准串行接口和并行接口 1串行接口 PC机通常配置有两个RS-232C异步串行通信接口和一个并行接口。串口一的逻辑名为COM1/COM3，9针D型插座，通常用来接鼠标。串口二的逻辑名为COM2/COM4，25针D型插座，连接Modem、数码相机和磁卡机等外设。串行接口的9针和25针插座针孔配置见图6-10，各针孔的信号定义如表6-3。,图6-10 串口插座针孔配置,2并行接口 标准并行接口的逻辑名为LPT1，也叫打印机接口（Printer），是一个25针的D型插座，用来连接打印机和扫描仪等外设。并行接口插座针孔配置见图6-11。各针孔的信号定义如表6-4。,图6-11 并口的引脚配置,在BIOS Setup中，并行接口有Normal、EPP和ECP三种模式供选择。 Normal接口是一种低速的并口模式，也叫SPP（Singl Parallel Port）即单向并口，它的数据传输率为40Kb/S，适合将结果输出到普通打印机上，所有并口外设都支持此种模式。 EPP接口（Enhanced Parallel Port）即增强并行接口，在外部设备间进行双向通信，数据传输率在400Kb/S以上。目前多数打印机和扫描仪都支持EPP模式。,ECP接口（Extended Capabilities Port）即扩展并行接口，具有和EPP一样高的速率和双向通信能力，但在多任务环境下，它能使用直接存储器访问方式（DMA），所需缓冲区也不大。但ECP模式容易引起冲突。 许多新型的并行设备，如激光打印机、扫描仪等要求EPP、ECP或EPP+ECP模式。因此在CMOS Setup中应根据设备的要求适当选择并口模式。,6.3.4 新型串口USB USB（Universal Serial Bus）是通用串行总线，是一种新型高速串行接口。USB仅用一个4针方形标准插座，采用菊花链的形式就可以把许多外设逐一连接起来，并且不会损失信号带宽。USB的推出使得接口性能大大提高，主机与外设的连接变得非常简单和有效，它正在逐步取代PC机上原有的串行、并行等各种接口。目前USB能支持的外设有扫描仪、数码相机、打印机、显示器、键盘、鼠标等。,要使用USB设备，就要求主板和操作系统都支持USB接口。Pentium以上的主板一般都采用了支持USB的芯片组和BIOS程序，主板上也都有USB插座。Windows 97、98和NT4.0等都支持USB接口。如果使用早期的Windows 95和NT 3.0等，就需要安装USB接口驱动程序。最后还需在安装了USB设备后安装相应的设备驱动程序。 目前市场上有USB扩展卡，将其插到PCI插槽上，引导Windows 98后就可以方便地为系统增加两个USB。Pentium MMX主板上一般有一个10针的双USB接口，需要用USB转接电缆将