第十一章 总线

1、微型计算机原理本科课程第十一章 总线解放军理工大学工程兵工程学院伪装与仿真工程系计算机教研室伍红兵2002年10月10日第一版第一版 7.1 总线的基本知识n总线和接口标准的含义n总线和接口标准的分类n总线的组成n总线的性能参数n总线传输过程及握手技术n总线的层次化结构7.1.1 总线和接口标准的含义n总线和接口标准都是微机体系结构的重要组成部分q微机总线n总线标准q接口n接口标准q总线标准和接口标准的特点7.1.2 总线和接口标准的分类n总线n从性质和应用来看，可分为3大类。局部总线系统总线通信总线总线和接口标准的分类n接口n根据接口所连结的设备性质与功能分类如下：通用外设接口标准外存储设备

2、接口标准图形显示器接口标准传统的串行/并行接口标准测试仪器接口标准7.1.3 总线的组成n微机总线主要由数据总线、地址总线、控制总线、电源线地线这4部分组成。微机数据总线微机地址总线微机控制总线微机电源线和地线7.1.4 总线的性能参数n总线的性能评价依据如下几个方面：总线时钟频率总线宽度总线传输速率同步方式多路复用负载能力信号线数总线控制方式其他性能几种总线的性能参数名称PC-XTISA(PC-AT)EISASTDVISA(VL-BUS)MCAPCI适用机型 8086个人机286,386,486系列个人机386,486,586计算机Z80,V20,V40,IBM-PC系列机486,PC-AT

3、兼容个人机IBM个人机,工作站P5个人机,工作站最大传输速率4MB/s16MB/s33MB/s2MB/s266MB/s40MBs133MB/s总线宽度 8位16位32位8位32位32位32位总线工作频率4MHz8MHz8.33MHz 2MHz66MHz10MHz20MHz33.3MHz同步方式 半同步半同步同步异步同步异步同步地址宽度 20位24位32位20位32/64位负载能力 8个8个6个无限制6个无限制3个信号线数目6298143569010912064位扩展 不可以不可以无规定不可以可以可以可以自动配置 无无无可以并发工作可以可以猝发方式可以可以多路复用 非非非非非是7.1.5 总线传

4、输过程及握手技术n总线传输过程n系统总线最基本的任务就是传送数据。这里的“数据”包括程序指令、运算处理的数据、设备的控制命令和状态字及设备的输入输出数据。n系统总线上的数据传输是在主模块的控制下进行的，主模块有控制总线的能力，例如CPU及DMA模块。n从模块没有控制总线的能力，但它可对总线上传来的地址信号进行地址译码，并且接受和执行总线主模块的命令。n总线通过4个阶段来完成1次数据传输周期。总线数据传输周期的四个阶段v申请阶段v寻址阶段v传数阶段v结束阶段总线数据传输的握手方式n主模块和从模块之间的数据传输过程的握手方式有4种q同步方式q异步方式q半同步方式q分离方式7.1.6 总线的层次化结

5、构 n当代微型计算机采用层次化总线结构n层次化总线结构包含3个主要层次：微处理器总线局部总线系统总线参看下面的总线层次结构图总线层次结构示意图处理器处理器第一级总线第一级总线处理器总线处理器总线与P C I 总线桥接 器Cache控制器Memor控器高速缓冲器Cache主存储器数据缓冲器第二级总线第二级总线PCI总线PCI总线SCSI控制器PCII S A桥接器IDE控制器PCIE I SA桥接器PCIP C I桥接器图形加速器Ethernet控制器PCMCIA控制器高速I / O第三级总线第三级总线PCI总线PCI总线EISA总线EISA总线ISA总线ISA总线I/O支持I/O支持基础I /

6、 OPCI可选槽口软盘键盘串口并口游戏声频总线层次总线层次结构图结构图第13讲思考题n教材第277页 练习题8第13讲课堂练习 (020424EX10)n教材第214页 练习题1n题目内容： 编制一个程序将AX中的4位BCD码转换成二进制数n第15讲给出本次课堂练习的提示型解答第13集结束n第1版n谢谢大家的使用！n欢迎大家提出宝贵意见！n 俞建新 2002年4月24日n电话：3592178（逸夫馆十层中心机房）nE-mail : nE-mail : 7.2 系统总线n系统总线有多种n介绍以下5个常用系统总线IBM PCISAEISASTDPCMCIA7.2.1 IBM PC总线nIBM公司在

7、1982年推出个人计算机（IBM PC机）之后，IBM PC总线立即成了事实上的基于8088系统的标准。n为了使兼容机能用得上那些已有的第三方提供的输入输出接口卡，几乎所有的PC兼容机供应商都全盘采用了IBM PC总线的设计。nIBM PC总线有62根信号线，其中20根用于内存地址8根用于传输数据。控制信号包括：指出总线的4种操作类型：内存读、内存写、外设读和外设写、指定中断请求的接收和响应、指定DMA传输等。8位PC总线插槽布局图8位插槽A1B1A31B31焊接面焊接面元件面元件面2.54mm8位PC总线引脚图（1/2）8位PC总线引脚图（2/2）8位PC总线插槽实物图片IBM PC 总线的

8、信号线-1q1、A19A0 ( O )地址总线。用于传送存储器和I/O的地址，当传送I/O地址时，A19A16无效。地址信号可由CPU或DMA控制器产生。q2、D7D0 ( I/O )数据总线。它们为CPU、存储器或I/O设备提供传输数据信息的通路。由于PC/XT机以8088为CPU，它虽具有处理16位数据的能力，但它只有8根外部数据线，每次只能传送一个字节。q3、ALE ( O )地址锁存允许信号。它由总线控制器8288产生，当它有效后产生由高电平到低电干的下降沿时，将CPU选出的地址信号进行锁存。IBM PC 总线的信号线-2q4、MEMR ( O ) 低电平有效存储器读命令。当CPU执行

9、存储器读命令时，该信号有效，将所选中的存储单元中的数据读到数据总线上。DMA控制器也可使该信号有效。q5、MEMW ( O ) 低电平有效存储器写命令。当CPU执行存储器写命令时，该信号有效，将数据总线上的数据写入新选中的存储单元中。DMA控制器也可使该信号有效。q6、IOR ( O ) 低电平有效I/O读命令。当CPU执行输入指令时，该信号有效，把所选中的I/O端口中的数据读到数据总线上。DMA控制器也可使该信号有效。IBM PC 总线的信号线-3q7、IOW ( O ) 低电平有效I/O写命令。当CPU执行输出指令时，该信号有效，把数据总线上的数据写到所选中的 I/O端口中，DMA控制器也

10、可使该信号有效。q8、IRQ2IRQ7 ( I )6级中断请求信号，要求由低到高的上升沿有效。8259A中断控制器共有8个中断请求输入端IR0IR7，其中IR0和IR1被系统板占用，分别用于时钟和键盘中断，其余6个中断请求输入端IR0IR7引到62芯总线上，分别对应于IRQ2IRQ7。这些信号都由I/O设备送到8259A，通过8259A向CPU提出中断请求，其中IRQ2优先级最高，IRQ7最低。IBM PC 总线的信号线-4q9、DRQ1DRQ3 ( I )DMA请求信号。这些信号由DMA控制器8237A-5产生，由于8237A-5有4个DMA通道，它们能产生4路DMA请求信号DREQ0DRE

11、Q3，其中DREQ0为系统板所用，用来对动态RAM进行刷新，其余3个信号DREQ1DREQ3引到62芯总线上，分别对应于DRQ1DRQ3，用来响应外设的DMA请求或对扩展槽中的动态RAM进行刷新。q10、AEN ( O )地址允许信号。它由8237A-5输出，当它有效时，迫使CPU让出对总线的控制权，而由DMA控制器来控制地址总线、数据总线和控制总线。IBM PC 总线的信号线-5q11、T/C ( O )计数结束信号。当DMA控制器的通道计数达到终点时，T/C线上产生有效的高电平脉冲，通知外设，DMA传送已经结束。q12、RESET DRV ( O )系统总清信号。该信号有效时，使系统各部件

12、复位。q13、IO CH CK ( I ) 低电平有效I/O通道奇偶校验信号。当它为低电平时，表示I/O通道上的扩展存储器的奇偶校验有错，使CPU进入不可屏蔽中断(NMI)。IBM PC 总线的信号线-6q14、I/O CH RDY ( I )I/O通道准备好信号，平常为高电平。一些慢速的存储器或I/O设备可通过将该信号变为低电平来使CPU或DMA控制器插入等待周期，从而延长存储器周期或I/O周期。此信号为低电平的时间不得超过10个时钟周期。q15、OSC ( O )晶体振荡信号。它的频率为14.31818MHz，周期为70ns，占空比为1/2。q16、CLK ( O )系统时钟信号。该信号由

13、OSC信号经8284A时钟产生器三分频后得到，频率为4.77MHz，周期为210ns，占空比为1/3，其中高电平占1/3，低电平占2/3。IBM PC 总线的信号线-7q17、CARD SLCTD ( O ) 低电平有效插件板选中信号，接插件板的B8引脚。在62芯I/O通道中，J8槽与J1J7槽略有些区别，在J1J7的I/O通道中，B8引脚是备用线，它们被连在一起，但系统不使用它。在J8槽中，B8为插件板选中信号，当该信号为低电平时，J8被选中，CPU可读取J8槽上的适配器。q18、 +5V -5V +12V -12V电源线，其中+5V使用2个引脚，其余均用一个引脚。7.2.2 ISA总线n

14、ISA总线具有24位的地址线，可直接寻址的内存容量为16MB，具有8/16位数据线，最高时钟频率8.33MHz，最大数据传输率16.67MB/s，采用开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源。nISA总线是286时代所定义的8/16位总线，虽然传输速度不快，但是这个规格已经有十多年的历史，相关设计技术、器件都十分充足，而且能支持ISA总线的计算机主板也是最多的。目前不少Pentium 主板上仍保留有一到两个ISA扩充插槽。16位ISA总线插槽示意图8位插槽扩展插槽16位插槽A1A31B1B31C18D18C1D1138.5 mm2.54mm焊接面焊接面元件面元件面元件面元件面焊接面焊接面16

15、位ISA总线插卡的焊接面16位ISA总线插卡的元件面8位与16位ISA总线槽的比较16位ISA总线引脚图（1/3）16位ISA总线引脚图（2/3）16位ISA总线引脚图（3/3）DACK0DRQ0GNDMASTERD4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16D17D18+5VC4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18SD12SD13SD14SD15焊接面焊接面元件面元件面LA21LA20LA19LA18LA17MEMWSD8SD9SD10SD11MEM CS16I/O CS16IRQ10D1D2D3C1C2C3SBHELA23LA22M

16、EMRIRQ11IRQ12IRQ13IRQ14DACK5DRQ5DACK6DRQ6DACK7DRQ780386微机有多个ISA总线插槽带有ISA插槽的Pentium 3主板无ISA插槽的Pentium 4主板7.2.3 EISA总线nEISA总线在结构上与ISA兼容，保护了原有投资。同时又充分发挥32位微处理器的功能。nEISA总线支持32位地址，可寻址4GB地址空间，32位数据宽度，工作频率为8.3MHz，数据传输率可达33MB/s。n由于EISA总线插槽要兼顾ISA和EISA两种插板，故在EISA总线插槽外观上与ISA总线插槽等长宽高，而内部采用双层引脚结构，两层引脚之间由定位键限位，使上

17、层引脚与ISA插板上的“金手指”接触，下层引脚与EISA插板上的“金手指”接触。EISA扩展槽示意图1ISA卡ISA卡EISAEISA扩展槽扩展槽ISA卡的挡块ISA卡的挡块EISA扩展槽示意图2EISA卡EISA卡EISAEISA扩展槽扩展槽ISA卡的挡块ISA卡的挡块KeyEISA总线引脚图（1/3）EISA总线引脚图（2/3）EISA总线引脚图（3/3）DRQ0GNDMASTER+5V焊接面焊接面元件面元件面IRQ10IRQ11IRQ12IRQ13IRQ14DRQ5DRQ6DRQ7D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16D17D18D1D2D3C4C5C6C7C

18、8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18C1C2C3DACK0MEM CS16I/O CS16DACK5DACK6DACK7D12D13D14D15LA21LA20LA19LA18LA17D8D9D10D11LA23LA22SBHEMEMRMEMWLA6LA5+5VLA2(KEY)D16D18GNDD23D24GNDD27(KEY)D29+5V+5VLA8D21MACKnLA7GNDLA4LA3GNDD17D19D22GNDD25D26D28(KEY)GNDD30D31(KEY)D20MREQn7.2.4 STD总线nSTD总线是国际上流行的一种用于工业控制的标准微机总线，于1987年被批准为IEEE961标准。nSTD总线采用公共母板结构，即STD总线布置在一块母板(底扳)上，板上安装若干个插座，插座对应引脚都是连到同一根总线信号线上。系统采用模块式结构，各种功能模块(如CPU模块、存储器模块、图形显示模块、A/D模块、D/A模块、开关量I/O模块，等等)都按标准的插件尺寸制造。nSTD总