计算机接口技术 第9讲

1、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目的l熟悉计算机系统总线内容内容l总线分类和构成l各种标准总线介绍为什么要有总线?Unibus总线总线 1970年美国年美国 DEC公司在公司在其其PDP11/20小型计算机上小型计算机上采用采用 。总线结构在系统设计、生产、使用和维护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。上都显示出其优越性。采用总线结构主要有以下优点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；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，便于标准总线可以得到多个厂商的广泛

2、支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件；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；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。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l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

3、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（Chip Bus，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(Internal Bus, 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(External Bus, E-Bus)又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系

4、统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIA RS-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

5、/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，单位总线频率：总线工作时钟频率，单位 为为MHz；总线位宽：总线数据线的根数，有总线位宽：总线数据线的根数，有8，16，32，64位之分；位之分；总线带宽：即总线传输率，单位为总线带宽：即总线传输率，单位为MB/S。三者关系为:总线带宽总线带宽= 总线位宽总线位宽总线频率总线频率 Mb/S总线带宽总线带宽=1/8 总线位宽总线位宽总线频率总线频率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。IBM PC是开放

6、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(System Input/Output Bus Expanded Slot)。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。气及逻辑等方面均达到统一。 制定标准的机构：一些国际级，国家级或相关行制定标准的机构：一

7、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；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、功能结构规范：规定每个引脚名称、功能、时序及适用协议；时序及适用协议；电气结构规范：规定信号的逻辑电平、最电气结构规范：规定信号的逻辑电平、最大额定负载能力及电源电压等。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：ISA BUS (真正的系统级I/O总线, 包括XT总线和AT总线两部分，Industria

8、l Standard Architecture)PC104 BUS (电气标准兼容ISA BUS，机械标准不兼容)EISA BUS (已淘汰，Extended Industrial Standard Architecture)MCA BUS (已淘汰，Micro Channel Architecture)PCI BUS (局部总线，Peripheral Component Interconnect)PC104 Plus (电气标准兼容PCI BUS，机械标准不兼容)AGP (专用总线, 非通用扩展总线，Accelerate Graphic Port)目前保留的总线：ISA BUS, PCI B

9、US, AGP,PC104 BUS,PC104 Plus等计算机系统总线标准ISA BUSATXTPCI BUSAGP计算机系统总线标准lISA BUSISA（industrial standard architecture）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。lXT槽有62个引脚l8位数据总线宽度lAT槽有36个引脚l增加了高8位数据总线PC/XT总线总线 19

10、81年IBM推出8位,适用于以 8088为CPU的PC/XT PC机PC/AT总线总线 1984年IBM推出以80286为CPU 的16位PC机总线(未公布)ISA总线总线 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：总线主要性能：lI/O空间0100H03FFH；l24位地址线，16MB寻址空间l8/16位数据线l62+36引脚l最大位宽16位l8MHz时钟频率l带宽16MB/Sl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，

11、因此未能得到有效推广。MCAMCA总线总线( (淘汰淘汰) )计算机系统总线标准lEISA BUSEISA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：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

12、线最大时钟频率8.3MHz带宽33MB/S计算机系统总线标准lPCI BUSPCI（peripheral component interconnect）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（micro channel architecture）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。lPC

13、I BUS 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p3.3V PCI BUS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。防插错的key计算机系统总线标准p采用PCI BUS的计算机系统结构CPU总线和PCI

14、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p 采用PCI BUS的计算机系统结构计算机系统总线标准lAGP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

15、。计算机系统总线标准lAGPAGP (Accelerated Graphics Port，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)。Pentium II处理器CPU/PCI桥芯片（440LX或440BX）存储器AGP视频控制卡AGP接口66MHzPCI总线（22MHz或66M

16、Hz）PCI卡PCI卡PCI/ISA桥芯片PCI卡PCI卡局部帧缓冲区ISA总线（8MHz）USB总线（12MB/S）Pentium II系统中的AGP计算机系统总线标准lAGP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(Direct Memory Execute，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(

17、实际为66.66MHz)运行，则称为基本AGP模式(即AGP 1X)，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lAGP此外，还定义了AGP 2X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。AGP 2.0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AGP 4X模式。USB(Unive

18、rsal Serial Bus)通用串行总线通用串行总线计算机系统总线标准lUSBpUSB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pUSB概述USB总线(Universal Serial Bus，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

19、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”(USB InplementerForum)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15MbPs、高速12MbPs20004推出USB2.0版本：低速15MbPs、全速12

20、MbPs、高速达480 MbPs基本思想基本思想：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：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

21、几Kbps到几百Mbps，速率最高可达480Mbpss。一一.USB的主要特点的主要特点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。二二. USB设备连接器协议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：设备标准可分

22、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（4.755.25V）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（三接口信号线（4根）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。 主机第一次从主机第一次从D+ 、D-检测到设检测到设备时备时,设备吸入电流设备吸入电流 100 mA D+ 、D-电压电压 V 2.5V，持续，持续2.5S，则设备连接

23、端口，则设备连接端口四四USB系统组成系统组成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(USB Hub)及其端口情况如图所示。计算机系统总线标准pUSB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USB Hub与主机相连，主机中的USB Hub称为“根Hub”。 USB设备驱动程序（客户驱动软件

24、）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 USBD USB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（Host controller Driver）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.软件软件五五USBUSB插拔接通关闭过程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HubHub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

25、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100mS RESET 信号，结束时端口被打开。 Hub提供 100 mA 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HubHub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。七七.USB数据流类型和传输类型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：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：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