原理与接口技术-第7章ppt课件

1、第第7章章 微机总线运用技术微机总线运用技术学习目的学习目的本章主要引见微机总线的根本概念、分类和特点。本章主要引见微机总线的根本概念、分类和特点。学习要求学习要求了解总线、总线规范、接口、接口规范的根本概念。了解总线、总线规范、接口、接口规范的根本概念。了解几种主要的扩展总线。了解几种主要的扩展总线。根据总线的根据总线的3 3个性能目的可以计算总线带宽。个性能目的可以计算总线带宽。7.1微机总线技术概述微机总线技术概述1 1根本概念根本概念1 1微机总线：一组按一定规范进展互连并能平安、迅速和有效传输信息的信号线，微机总线：一组按一定规范进展互连并能平安、迅速和有效传输信息的信号线，这组信号

2、线包括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线类型。微机总线是这组信号线包括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线类型。微机总线是微型计算机系统各部件联络的纽带。微型计算机系统各部件联络的纽带。2 2总线规范：国际工业界正式公布或引荐的把各种不同的模块组成计算机系统时总线规范：国际工业界正式公布或引荐的把各种不同的模块组成计算机系统时必需遵守的规范。采用总线规范可以为计算机接口的软、硬件设计提供方便。必需遵守的规范。采用总线规范可以为计算机接口的软、硬件设计提供方便。3 3接口：接口是指接口：接口是指CPUCPU与其与其“外部世界的衔接电路以及为管理它们所提供的软外部世界的衔接电路以及为

3、管理它们所提供的软件，它是件，它是CPUCPU与与“外部世界如存储器、外部世界如存储器、I/OI/O设备、控制设备、通讯设备等进展设备、控制设备、通讯设备等进展信息交换的中转站。信息交换的中转站。4 4接口规范：接口规范是指外设接口的规范和定义，它涉及外设接口的信号线定接口规范：接口规范是指外设接口的规范和定义，它涉及外设接口的信号线定义、传输速率、传输方向、拓朴构造、电气和机械特性等方面。义、传输速率、传输方向、拓朴构造、电气和机械特性等方面。2总线规范和接口规范的普通特点总线规范和接口规范的普通特点总线规范和接口规范具有不同的特点。1微机总线的普通特点：公用性是微机总线的最重要的特点，不同

4、类型的功能模块可以同时挂接到总线上，共享总线的资源。信号传输方式普通为并行传输方式。总线在微机主板上通常以多个扩展插槽方式提供运用。对每个微机系统来说，普通都有独立的数据线Date Bus、地址线Address Bus和控制线Control Bus。2接口规范的普通特点：公用性是接口规范不同于总线规范的重要特点。接口上的信号传输方式既有并行也有串行传输。接口普通被安顿在机箱外，以插头或插座方式提供运用。随着计算机和接口技术的迅速开展，总线规范和接口规范的区别越来越小，例如将AGP接口规范叫AGP总线等。7.2总线分类总线分类1 1微机总线的分类微机总线的分类微机中的总线分类方法很多，常用的一种

5、是依总线所处位置分类。微机中的总线分类方法很多，常用的一种是依总线所处位置分类。1 1CPUCPU总线：它是位于微处置器芯片内部的总线，用于总线：它是位于微处置器芯片内部的总线，用于ALUALU及各种存放器等功能单元之及各种存放器等功能单元之间的相互衔接。间的相互衔接。2 2元件级总线：它是一台单板计算机或一块元件级总线：它是一台单板计算机或一块CPUCPU插件板运用的板上总线，用于芯片一插件板运用的板上总线，用于芯片一级的衔接。它普通是级的衔接。它普通是CPUCPU芯片引脚的延伸，当板上芯片较多时，普通都有锁存和驱动电路。芯片引脚的延伸，当板上芯片较多时，普通都有锁存和驱动电路。3 3系统总

6、线：它主要用于微机系统内部各插件板之间进展衔接和传输信息，是微机系系统总线：它主要用于微机系统内部各插件板之间进展衔接和传输信息，是微机系统最重要的一种总线。在主板上，它通常是指统最重要的一种总线。在主板上，它通常是指CPUCPU的的I/OI/O接口单元与系统内存、接口单元与系统内存、L2 CacheL2 Cache和主板芯片组之间的数据、指令等传输通道。和主板芯片组之间的数据、指令等传输通道。4 4部分总线：部分总线是介乎于部分总线：部分总线是介乎于CPUCPU总线和系统总线之间的一级总线，是微机中常采总线和系统总线之间的一级总线，是微机中常采用的一种重要总线。它的两侧都由桥接电路衔接，分别

7、面向用的一种重要总线。它的两侧都由桥接电路衔接，分别面向CPUCPU总线和系统总线。微机系总线和系统总线。微机系统中的部分总线主要是指统中的部分总线主要是指PCIPCI总线，它是一种先进的部分总线规范。总线，它是一种先进的部分总线规范。5 5通讯总线也叫外部总线：是系统之间或微机系统与通讯设备之间进展通讯的一通讯总线也叫外部总线：是系统之间或微机系统与通讯设备之间进展通讯的一组信号线。如广泛用于微机与外部设备之间进展通讯的组信号线。如广泛用于微机与外部设备之间进展通讯的USBUSB和和IEEE4IEEE4接口等。接口等。2接口规范的分类接口规范的分类接口规范的分类方法也很多，假设根据所连设备的

8、性质及功能，大致有以下5种：1传统串/并行接口规范：它是微机系统中进展串行和并行输入输出根本端口。2外部存储设备接口规范：支持硬盘、光盘等存储介质的接口规范如SATA和SCSI接口规范。3视频显示接口规范：如支持三维图形数据高速显示的接口规范AGP。4测试仪器接口规范：提供和一些测试仪器仪表相衔接的接口规范。如IEEE488和VXI接口规范。5通用外设接口规范：如USB、IEEE4等，可以支持多种新型外设的通用型接口规范。7.3几种常用的扩展总线几种常用的扩展总线主板上都有数条插槽供扩展I/O外设之用，总线就是经过插槽来衔接CPU与外设插件的，通常也将这些连通插槽的总线称为扩展总线Expans

9、ion Bus。在总线开展历程中，主要有PC总线、ISA/EISA总线、PCI部分总线、PCI-E等。图7-1 早期微机系统的总线层次构造7.3几种常用的扩展总线几种常用的扩展总线7.3.1 PC7.3.1 PC总线总线PCPC总线最早出如今总线最早出如今IBMIBM公司公司19811981年推出的年推出的PC/XTPC/XT系统中，它基于系统中，它基于8 8位构造的位构造的80888088处置器，处置器，也被称为也被称为PC/XTPC/XT总线。总线。PCPC总线沿用了总线沿用了3 3年多时间，直到年多时间，直到19841984年，年，IBMIBM推出基于推出基于IntelIntel超超级级

10、1616位位8028680286处置器的处置器的PC/ATPC/AT，系统总线才被，系统总线才被1616位的位的PC/ATPC/AT总线所替代。总线所替代。7.3.2 ISA/EISA7.3.2 ISA/EISA总线总线ISAISA总线总线Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Architecture，工业规范架构是，工业规范架构是8/168/16位兼容的总线，位兼容的总线，也是早期网卡运用的总线接口，其最大数据传输率为也是早期网卡运用的总线接口，其最大数据传输率为8MBps8MBps和和16MBps16MBps。ISAISA总线不断贯

11、穿总线不断贯穿286286和和386SX386SX时代，但在时代，但在3232位位386DX386DX处置器出现之后，处置器出现之后，1616位宽度的位宽度的ISAISA总线就遇到问题，总线数据传输慢得使处置器性能遭到严重的制约。有鉴于此，康总线就遇到问题，总线数据传输慢得使处置器性能遭到严重的制约。有鉴于此，康柏、惠普等柏、惠普等9 9家厂商在家厂商在19881988年协同将年协同将ISAISA总线扩展到总线扩展到3232位宽度，位宽度，EISAEISAExtended Extended Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Arch

12、itecture，扩展工业规范架构总线由此诞生。，扩展工业规范架构总线由此诞生。EISAEISA总线的任务频率依然坚持在总线的任务频率依然坚持在8MHz8MHz程度，但受害于程度，但受害于3232位宽度，它的总线带宽提升位宽度，它的总线带宽提升到到32MBps32MBps。另外，。另外，EISAEISA可以完全兼容之前的可以完全兼容之前的8/168/16位位ISAISA总线。总线。EISAEISA总线在计算机系统中与总线在计算机系统中与PCIPCI总线共存了相当长的时间，直到总线共存了相当长的时间，直到20002000年后年后EISAEISA才正式才正式彻底退出。彻底退出。7.3.3 PCI部

13、分总线部分总线1 1PCIPCI部分总线产生的背景部分总线产生的背景IntelIntel公司在公司在19911991年推出了年推出了PCIPCIPeripheral Component InterconnectPeripheral Component Interconnect，外设部件互，外设部件互连规范部分总线。在连规范部分总线。在19931993年以后，由于从年以后，由于从PentiumPentium到到PP、PP直到直到P4P4微处置器的任微处置器的任务频率不断迅速提高，使务频率不断迅速提高，使PCIPCI部分总线的运用得以迅速推行。在台式机主板上，部分总线的运用得以迅速推行。在台式机主

14、板上，ATXATX构造的主板普通带有构造的主板普通带有5 56 6个个PCIPCI插槽，而小一点的插槽，而小一点的MATXMATX主板也都带有主板也都带有2 23 3个个PCIPCI插槽。插槽。从构造上看，从构造上看，PCIPCI部分总线本质上就是在部分总线本质上就是在CPUCPU总线和总线和ISAISA总线之间添加了一级总线。可总线之间添加了一级总线。可将一些高速外设，例如磁盘控制器、图形卡等从将一些高速外设，例如磁盘控制器、图形卡等从ISAISA总线上卸下来而经过总线上卸下来而经过PCIPCI部分总部分总线直接挂到线直接挂到CPUCPU总线上。总线上。7.3.3 PCI部分总线部分总线2

15、2PCIPCI总线的特点总线的特点1 1传输速率高。传输速率高。PCIPCI能以能以133MB/s133MB/s3232位或位或266MB/s266MB/s6464位的速率传送数据，位的速率传送数据，远比远比ISAISA总线的总线的16MB/s16MB/s快，缓解了快，缓解了I/OI/O瓶颈。如高性能图形、视频图像、网络等运用瓶颈。如高性能图形、视频图像、网络等运用程序，可以平滑地执行。程序，可以平滑地执行。2 2真正的兼容性，允许多总线共存。真正的兼容性，允许多总线共存。3 3独立于独立于CPUCPU。PCIPCI总线可与总线可与IntelIntel系列不同任务频率的系列不同任务频率的CPU

16、CPU协同任务，这些协同任务，这些CPUCPU包包括括Intel 486SXIntel 486SX到到PentiumPentium、PP、PP、P4P4包含包含CeleronCeleron系列及未来更高的版本。系列及未来更高的版本。4 4自动识别与配置外设，极大地方便了用户运用。自动识别与配置外设，极大地方便了用户运用。在相当一段时间内，在相当一段时间内，PCIPCI部分总线接口曾作为许多适配器的首选接口，如网络适配器、部分总线接口曾作为许多适配器的首选接口，如网络适配器、内置内置ModemModem卡、声音适配器、视频捕捉卡等。卡、声音适配器、视频捕捉卡等。3 3PCIPCI总线的运用总线的

17、运用19931993年之后，年之后，IntelIntel推出推出6464位位PCIPCI总线，它的传输性能到达总线，它的传输性能到达266MBps266MBps，针对效力器，针对效力器/ /任任务站平台设计的务站平台设计的SCSISCSI卡、卡、RAIDRAID控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用6464位位PCIPCI接口。接口。7.3.4 AGP2019年，Intel在PCI根底上研发出一种专门针对显卡的AGP接口加速图形接口，Accelerated Graphics Port。主要运用在三维动画的加速上。2019年7月，AGP 1.0规范问世，它的任务

18、频率到达66MHz，具有1X和2X两种方式，数据传输带宽分别到达了266MBps和533MBps。2019年5月，Intel发布AGP 2.0版规范，它的任务频率依然停留在66MHz，但任务电压降低到1.5V，且经过添加的4X方式，将数据传输带宽提升到1.06GBps。与AGP 2.0同时推出的，还有针对图形任务站的AGP Pro接口，这种接口可驱动高功耗的专业显卡。2000年8月，Intel推出AGP3.0规范，它的工作电压进一步降低到0.8V，所添加的8X方式，可以提供2.1GBps的总线带宽。7.3.5 PCI-XPCI-X接口是并连的PCI总线的更新版本，它仍采用传统的总线技术，但有更

19、多数量的接线针脚。PCI-X总线接口的网卡普通为32位总线宽度，也有64位数据总线宽度的。Intel于2000年正式发布PCI-X 1.0版规范。2019年7月，推出更快的PCI-X 2.0规范，它包含PCI-X 266及PCI-X 533两套规范，分别针对不同的运用。PCI-X 266规范可提供2.1GBps共享带宽，PCI-X 533规范那么更是到达4.2GBps的高程度。此外，PCI-X 2.0也坚持良好的兼容性。PCI-X接口采用64位宽度传送数据，它的频宽自动倍增两倍，相应地，其扩展槽的长度也有所添加。7.3.6 PCI Express总线总线第3代I/O总线PCI Expres简称

20、PCI-E很好地处理了PCI/AGP总线在大量数据传输时遇到的瓶颈问题。PCI-E在任务原理上与并行体系的PCI不同，它采用串行方式传输数据，并依托高频率来获得高性能，因此，PCI-E也一度被称为“串行PCI。由于串行传输不存在信号干扰，总线频率提升不受妨碍，所以PCI-E总线很顺利地就到达2.5GHz的超高任务频率。其次，PCI-E采用全双工运作方式，发送数据和接纳数据可以同时进展。由于PCI-E将 PCI或AGP的并行数据传输变为串行数据传输，并且采用了点对点技术，因此，极大地加快了相关设备之间的数据传送速度。PCI-E规范采用了双向数据传送，类似于DDR内存采用的技术，即在一个时钟周期的

21、上下沿都可以传送数据，这样极大的提高了显示设备同内存的数据交换带宽，可在较短时间内传送大量图形数据，为显示性能的飞跃打下根底。全新的PCI Express总线包括多种速率的插槽，比如PCI Express x1、x2、x4、x8、x16、x32等1X的PCI-E最短，然后依次增长。PCI-E几种总线方式的速率与几种总线方式的速率与PCI Express插槽款式插槽款式PCI-Express的带宽优势的带宽优势以下图汇总列举了80年代以来各个阶段的总线性能程度，从图中可以清楚地看出：就总线性能程度来说，AGP比ISA/PCI有一定优势，而PCI-Express比AGP又有明显优势，PCI-Exp

22、ress 1.0两倍于AGP 8X的带宽。7.3.7 Hyper Transport总线总线HyperTransport最初是由AMD在2019年提出的一种总线技术。HyperTransport采用类似DDR的任务方式，在400MHz任务频率下，相当于800MHz的传输频率。此外，HyperTransport是在同一个总线中模拟出两个独立数据链进展点对点数据双向传输。 除了速度快之外，HyperTransport还有一大特征，就是当数据位宽并非32位时，可以分批传输数据来到达与32位一样的效果。2019年2月，AMD推出HyperTransport 2.0，其主要变化是数据传输频率提升到1GH

23、z，32位总线的带宽到达8GBps。2019年4月，AMD又正式发布了HyperTransport 3.0规范。有1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz和2.6GHz 4种物理任务频率，并可支持32位通道总线，在最高级的2.6GHz频率下，32位HyperTransport 3.0总线拥有20.8GB/秒的单向传输效能，假设思索双向传输，总带宽值将到达史无前例的41.6GB/秒。总之，从PC总线到ISA、PCI总线，再由PCI进入PCI Express和HyperTransport体系，计算机总线在这3次大变革中也完成了3次飞跃式的提升。估计在未来十年中，计算机都将运转在PCI Expres

24、s和HyperTransport这种近乎完美的总线架构根底之上。 7.4 微机总线的组成及性能目的微机总线的组成及性能目的2 2微机总线的性能目的微机总线的性能目的总线的根本性能目的如下。总线的根本性能目的如下。1 1总线的任务频率或总线的时钟频率：它是指用于协调总线上的各种操作的总线的任务频率或总线的时钟频率：它是指用于协调总线上的各种操作的时钟频率，也称为总线的任务频率，单位为时钟频率，也称为总线的任务频率，单位为MHzMHz。它是影响总线传输速率的重要要素。它是影响总线传输速率的重要要素之一。如之一。如ISAISA的总线频率为的总线频率为8MHz8MHz，而，而PCIPCI总线有总线有33.3MHz33.3MHz、66.6MHz66.6MHz两种总线频率。两种总线频率。2 2总线的位宽：它是指总线能同时传输的数据位数，通常是指总线中数据总线的总线的位宽：它是指总线能同时传输的数据