第11章总线技术

1、第第1111章章 总总 线线 技技 术术11.1 11.1 总线的概念总线的概念11.2 11.2 局部总线局部总线ISAISA和和EISAEISA11.3 11.3 局部总线局部总线PCIPCI11.4 11.4 高速图形加速接口高速图形加速接口AGPAGP11.5 11.5 外部总线外部总线IDEIDE11.1 11.1 总线的概念总线的概念1 1. . 物理特性物理特性 物理特性是指总线物理连接的方式。它包括总线的数量、物理特性是指总线物理连接的方式。它包括总线的数量、总总线插头的形状大小及引脚的排列等。线插头的形状大小及引脚的排列等。2 2. . 功能特性功能特性 功能特性描写的是总线

2、上每条线的功能。一般划分为数据功能特性描写的是总线上每条线的功能。一般划分为数据线、线、地址线和控制线。地址线和控制线。 11.1.1 11.1.1 总线标准的总线标准的5 5个特性个特性3 3. . 电气规范电气规范 电气规范定义了总线上每条信号线信号传输的方向、有效电气规范定义了总线上每条信号线信号传输的方向、有效电平的允许值等。电平的允许值等。4 4. . 传输特性传输特性 传输特性包括数据线的并、串传输、总线宽度、总线频率、传输特性包括数据线的并、串传输、总线宽度、总线频率、传输速率等。传输速率等。 总线并行传输的速率以每秒钟内，能够传输的最多字节数，总线并行传输的速率以每秒钟内，能够

3、传输的最多字节数，单位为单位为MB/sMB/s，其计算公式如下：，其计算公式如下： 传输速率传输速率 = (= (总线宽度总线宽度/8) /8) 总线总线频率频率 5 5. . 时间特性时间特性 时间特性定义了每条信号线有效的时间顺序。时间特性定义了每条信号线有效的时间顺序。11.1.2 11.1.2 总线分类总线分类1 1片内总线片内总线 微处理器内部连接各功能单元之间的信息通路微处理器内部连接各功能单元之间的信息通路。2 2主板局部总线主板局部总线 微机主板上连接各插件板的公共通路。典型的总线微机主板上连接各插件板的公共通路。典型的总线有：有：ISAISA、EISAEISA、VESAVES

4、A和和PCI PCI 等。等。3 3系统总线系统总线 多处理器系统中连接各多处理器系统中连接各CPUCPU插件板的信息通路，用插件板的信息通路，用来支持多个来支持多个CPUCPU的并行处理。的并行处理。4 4通信总线通信总线 通信总线也叫外部总线，是微机系统与通信设备通信总线也叫外部总线，是微机系统与通信设备（外设）之间进行通信的一组信号线（外设）之间进行通信的一组信号线。11.1.3 11.1.3 总线传输操作过程总线传输操作过程1 1总线操作周期总线操作周期 一个总线操作周期，一般要分成一个总线操作周期，一般要分成4 4个阶段个阶段: : （1 1）总线请求和仲裁阶段）总线请求和仲裁阶段需

5、要使用总线的主模块提出需要使用总线的主模块提出请求，由总线仲裁机构确定把下一个传输周期的总线使用请求，由总线仲裁机构确定把下一个传输周期的总线使用权分配给某一个请求主模块。权分配给某一个请求主模块。 （2 2）寻址阶段）寻址阶段是指取得使用权的主模块通过总线发出是指取得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的存储器地址或本次要访问的从模块的存储器地址或I/OI/O端口地址及命令信端口地址及命令信息，选中参与本次传输的从模块，并启动从模块的操作。息，选中参与本次传输的从模块，并启动从模块的操作。 （3 3）传输阶段）传输阶段是指主模块和从模块之间进行数据交换。是指主模块和从模块之间进行数据

6、交换。在主模块发出的控制信号作用下，数据由源模块发出，经在主模块发出的控制信号作用下，数据由源模块发出，经数据总线输送到目的模块。数据总线输送到目的模块。 （4 4）结束阶段）结束阶段主、从模块的有关信息均从系统总线上撤除，主、从模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线，以便其他主模块占用总线，进行另外的总线数据传输。让出总线，以便其他主模块占用总线，进行另外的总线数据传输。 为保证为保证4 4个阶段正确实现，个阶段正确实现，应对应对总线操作总线操作进行进行控制。总线操作控制。总线操作控制包括两方面：控制包括两方面： 一是总线仲裁，二是总线握手。一是总线仲裁，二是总线握手。2 2总线仲裁总线

7、仲裁 总线仲裁的作用是合理地控制和管理系统中需要占用总线总线仲裁的作用是合理地控制和管理系统中需要占用总线的请求源，确保任何时刻同一总线上最多只有一个模块控制和占用的请求源，确保任何时刻同一总线上最多只有一个模块控制和占用总线，防止总线冲突。总线，防止总线冲突。3 3总线握手总线握手 总线握手的作用是在主控模块取得总线占用权后，通过控总线握手的作用是在主控模块取得总线占用权后，通过控制三大总线中与数据传输有关的基本信号线的时序关系，确保主制三大总线中与数据传输有关的基本信号线的时序关系，确保主从模块间的正确寻址和数据的可靠传输。从模块间的正确寻址和数据的可靠传输。 总线握手的方法通常有三种：总

8、线握手的方法通常有三种： 同步总线握手、异步总线握同步总线握手、异步总线握手和半同步总线握手。手和半同步总线握手。11.2 11.2 局部总线局部总线ISAISA和和EISAEISA1 1ISAISA总线总线 ISAISA由主槽和附加槽两部分组成，每个槽都有正反两面由主槽和附加槽两部分组成，每个槽都有正反两面引脚。主槽有引脚。主槽有A A3131A A1 1、B B3131B B1 1共共6262条引脚；附加槽有条引脚；附加槽有C C1818C C1 1、D D1818D D1 1共共3636条引脚。两个槽一共条引脚。两个槽一共9898条引脚。条引脚。A A面和面和C C面主要连接面主要连接数

9、据线和地址线；数据线和地址线；B B面和面和D D面则主要连接其他信号，包括面则主要连接其他信号，包括+12V+12V、+5V+5V电源、地、中断输入线和电源、地、中断输入线和DMADMA信号线等。信号线等。11.2.1 11.2.1 局部局部ISAISA (a) (a) 主槽引脚主槽引脚 (b) (b) 附加槽引脚附加槽引脚图图11-2 ISA11-2 ISA引脚信号引脚信号11.2.2 11.2.2 局部总线局部总线EISAEISA 随着随着386386以上以上3232位位CPUCPU的推出，的推出，ISAISA总线由于数据总线和地址总线由于数据总线和地址总线宽度的限制，影响了其总线宽度的

10、限制，影响了其3232位微处理器性能的发挥。位微处理器性能的发挥。因此面向因此面向3232位微机设计的位微机设计的“扩展工业标准结构扩展工业标准结构”（Extended Industry Extended Industry Standard ArchitectureStandard Architecture）应运而生应运而生，即，即EISAEISA总线。总线。 EISA EISA共有共有198198条信号线，其中，条信号线，其中，9898条是条是ISAISA原有的。原有的。11.3 11.3 局部总线局部总线PCIPCI 1. 1992 1. 1992年推出了局部总线年推出了局部总线PCIPC

11、I（Peripheral Component Peripheral Component InterconnectInterconnect），），PCIPCI总线比总线比VESAVESA规范定义严格，而且保证了良规范定义严格，而且保证了良好的兼容性。好的兼容性。PCIPCI总线主要是为奔腾微处理器的开发使用而设计总线主要是为奔腾微处理器的开发使用而设计的，也支持的，也支持80386/8048680386/80486微处理器系统。微处理器系统。 2. PCI 2. PCI总线结构中的关键部件是总线结构中的关键部件是PCIPCI总线控制器，这个部件总线控制器，这个部件用来协调用来协调CPUCPU与各

12、种外设之间的数据传输，并提供统一的接口信与各种外设之间的数据传输，并提供统一的接口信号。号。11.3.2 PCI11.3.2 PCI“桥桥” PCI PCI“桥桥”的引入使的引入使PCIPCI总线极具扩展性，也极大地增加了总线极具扩展性，也极大地增加了PCIPCI总线的复杂性。总线的复杂性。PCIPCI总线的电气特性决定了在一条总线的电气特性决定了在一条 PCI PCI总线上挂接总线上挂接负载的容限，当负载的容限，当PCIPCI连接的连接的PCIPCI设备超过了许可的范围，需要使用设备超过了许可的范围，需要使用PCIPCI桥来扩展桥来扩展PCIPCI总线，增加挂接总线，增加挂接PCIPCI设备

13、的能力，包括挂接设备的能力，包括挂接PCIPCI桥桥。在一棵。在一棵PCIPCI总线树上最多可以挂接总线树上最多可以挂接256256个个PCIPCI设备，包括挂接设备，包括挂接PCIPCI桥。桥。P PCICI桥桥1 1PCIPCI桥桥2 2PCIPCI桥桥3 3P PCICI设备设备0101P PCICI设备设备1111P PCICI设备设备2121P PCICI设备设备2222P PCICI设备设备3131P PCICI设备设备3232P PCICI总线域总线域P PCICI总线总线x x域域处理器处理器HOSTHOST主桥主桥X XHOSTHOST主桥主桥Y YP PCICI总线总线x3

14、x3P PCICI总线总线x2x2P PCICI总线总线x1x1P PCICI总线总线x0 x0第一总线第一总线第二总线第二总线图图11-3 11-3 使用使用PCIPCI桥扩展桥扩展PCIPCI总线总线11.3.3 11.3.3 基于基于PCIPCI总线的微处理器系统总线的微处理器系统 基于基于PCIPCI总线的微处理器系统：总线的微处理器系统： （1 1）微处理器、存储器子系统、）微处理器、存储器子系统、PCIPCI总线以及扩展总线之总线以及扩展总线之间间是各自独立的，没有耦合关系；是各自独立的，没有耦合关系； （2 2）所有）所有PCIPCI总线上的部件都与总线上的部件都与PCIPCI总

15、线相连接，再由总线相连接，再由PCIPCI桥桥依次与微处理器相连；依次与微处理器相连； （3 3）PCIPCI总线桥是一种智能型的设备，它能将单一的数据总线桥是一种智能型的设备，它能将单一的数据请请求传输归结成成组数据传输请求，然后，用成组传送方式实求传输归结成成组数据传输请求，然后，用成组传送方式实现现I/OI/O接口和存储器之间的数据传输，减少数据总线的传输接口和存储器之间的数据传输，减少数据总线的传输时间，提高数据传输的速度。时间，提高数据传输的速度。基于基于PCIPCI总线的微处理器系统总线的微处理器系统图图11-3 11-3 使用使用PCIPCI桥扩展桥扩展PCIPCI总线总线11.

16、3.4 PCI11.3.4 PCI总线信号总线信号PCIPCI总线的必要信号线按照功能可分为如下总线的必要信号线按照功能可分为如下5 5组：组： 系统信号线，包括时钟和复位信号线。系统信号线，包括时钟和复位信号线。 地址和数据信号线，包括地址和数据信号线，包括3232条分时复用的地址条分时复用的地址/ /数据线。数据线。 接口控制信号线，用来控制数据交换时的操作时序，并在接口控制信号线，用来控制数据交换时的操作时序，并在主控设备和从属设备之间提供协调服务。主控设备和从属设备之间提供协调服务。 仲裁信号线，它们是非共享的线，每个仲裁信号线，它们是非共享的线，每个PCIPCI主控设备都有主控设备都

17、有自己的仲裁线，且被直接连到自己的仲裁线，且被直接连到PCIPCI总线仲裁设备上。总线仲裁设备上。 错误报告信号线，用于报告奇偶校验错及其他一些错误。错误报告信号线，用于报告奇偶校验错及其他一些错误。图图11-5 PCI11-5 PCI总线信号总线信号11.3.4 PCI11.3.4 PCI总线信号总线信号可选信号可选信号PCIPCI规范定义的规范定义的5151个可选信号线，按其功能可分为个可选信号线，按其功能可分为4 4组：组： 中断信号线。它同仲裁信号线一样，它们是非共享的。中断信号线。它同仲裁信号线一样，它们是非共享的。PCIPCI设备有自己的仲裁线或连接到中断控制器的线。设备有自己的仲

18、裁线或连接到中断控制器的线。 支持高速缓冲存储器支持高速缓冲存储器CacheCache的信号线。用这些信号线支持在的信号线。用这些信号线支持在处理器或其他设备中能进行高速缓冲操作的处理器或其他设备中能进行高速缓冲操作的PCIPCI上的存储器。这些上的存储器。这些信号线支持高速缓存的监视协议。信号线支持高速缓存的监视协议。 6464位总线扩展信号线，包含位总线扩展信号线，包含3232位分时复用的地址位分时复用的地址/ /数据线。数据线。它们与地址它们与地址/ /数据线一起，形成数据线一起，形成6464位地址位地址/ /数据总线。数据总线。 两条允许两个两条允许两个PCIPCI设备使用设备使用64

19、64位总线的信号位总线的信号线。11.4 11.4 高速图形加速接口高速图形加速接口AGPAGP AGP AGP（Accelerated Graphics PortAccelerated Graphics Port），它是一种基于），它是一种基于PCIPCI总总线，专为提高视频带宽而设计的总线规范。线，专为提高视频带宽而设计的总线规范。AGPAGP从逻辑上独立于从逻辑上独立于PCIPCI总线，它可以直接访问系统内存，解决了显卡缓存容量不够总线，它可以直接访问系统内存，解决了显卡缓存容量不够的问题。的问题。AGPAGP图形加速接口解决了显示图形加速接口解决了显示3D3D图形速度不够的瓶颈，图形速

20、度不够的瓶颈，同时，还能够适应同时，还能够适应PCPC将来完全移动视频的速度需求。将来完全移动视频的速度需求。微处理器微处理器（含两级（含两级CacheCache）MCHMCH（北桥）（北桥）ICHICH（南桥）（南桥）显示卡显示卡USBUSB接口接口主存储器主存储器PCIPCI卡卡ISAISA卡卡存储总线存储总线PCIPCI总线总线ISAISA总线总线AGPAGP总线总线PCIPCI卡卡ISAISA卡卡图图11-6 AGP11-6 AGP接口的系统结构接口的系统结构11.4 11.4 高速图形加速接口高速图形加速接口AGPAGPAGPAGP进行了多方面的改进，主要包括：进行了多方面的改进，主

21、要包括： （1 1）AGPAGP接口将地址与数据信息分离之后，可以充分利接口将地址与数据信息分离之后，可以充分利用数据传输之间的空闲和读用数据传输之间的空闲和读/ /写请求来传输数据，大大提写请求来传输数据，大大提高了总线操作的效率。高了总线操作的效率。 （2 2）通过）通过AGPAGP接口读取内存采用了流水线技术，充分利接口读取内存采用了流水线技术，充分利用等待时间，使得读内存时间与写内存时间相当。用等待时间，使得读内存时间与写内存时间相当。 （3 3）AGPAGP专为视频显示卡所设计，使用专为视频显示卡所设计，使用AGPAGP接口可以直接接口可以直接访问内存。访问内存。 （4 4）AGPA

22、GP接口新增了一种执行模式（接口新增了一种执行模式（Execute ModeExecute Mode），），将系统内存与显卡内存视作同一空间，保证加速芯片可以将系统内存与显卡内存视作同一空间，保证加速芯片可以直接从系统内存读取数据。直接从系统内存读取数据。 （5 5）AGPAGP采用了内存直接使用（采用了内存直接使用（DIMEDIME）技术，本来在显）技术，本来在显存中进行的函数被扩展到系统内存中去运算存中进行的函数被扩展到系统内存中去运算。11.5 11.5 外部总线外部总线IDEIDE IDEIDE接口最早由接口最早由TaxanTaxan和和CompaqCompaq公司提出，公司提出，ID

23、EIDE（Integrated Integrated Drive ElectronicDrive Electronic）称为集成驱动器电路。）称为集成驱动器电路。IDEIDE的最大特点是把的最大特点是把硬盘控制器和硬盘驱动器集成到一起，使得硬盘接口的电缆数硬盘控制器和硬盘驱动器集成到一起，使得硬盘接口的电缆数目与长度减少，使数据传输稳定可靠。目与长度减少，使数据传输稳定可靠。11.5.2 IDE11.5.2 IDE接口引脚定义接口引脚定义4040针引脚定义如下针引脚定义如下: : 1.Pin1 1.Pin1， , ,该信号是主机发送给主、从驱动器，并对主、从该信号是主机发送给主、从驱动器，并对

24、主、从驱动器进行复位的信号。驱动器进行复位的信号。 2.Pin37 2.Pin37、Pin38Pin38，即，即 和和 ，两个选通信号。，两个选通信号。 3.Pin33 3.Pin33、3535、3636（DADA0 0DADA2 2），这些地址信号来自），这些地址信号来自ISAISA总线中的地总线中的地址信息。它们可以用于选通硬盘控制器中的某一个寄存器。址信息。它们可以用于选通硬盘控制器中的某一个寄存器。 4.DD 4.DD0 0DDDD1515，它们是来自，它们是来自ISAISA总线的数据线，是主机系统与硬盘驱总线的数据线，是主机系统与硬盘驱动器之间的数据传输线。动器之间的数据传输线。 5

25、.Pin23 5.Pin23、2525（ 和和/ / ），这两个信号是对磁盘驱动器进行写），这两个信号是对磁盘驱动器进行写与读的控制信号。与读的控制信号。 6.Pin27 6.Pin27（IORDYIORDY）：输入）：输入/ /输出准备好信号。输出准备好信号。 7.Pin31 7.Pin31（IRQRIRQR），中断请求触发信号。），中断请求触发信号。 8.Pin32 8.Pin32（IOCS16IOCS16），低电平有效，该信号有效时，将要进行一个），低电平有效，该信号有效时，将要进行一个1616位的数据传输。位的数据传输。 9.Pin39， ，驱动器激活/从设备存在指示，属同步多路复用信

26、号。 10.Pin28，ALE，轴同步或电缆选择信号。IORIOWRESET0CS1CSDASP11.5.3 IDE11.5.3 IDE接口的三种传输模式接口的三种传输模式 IDE IDE接口硬盘的数据传输模式的发展经历了三个不同的技接口硬盘的数据传输模式的发展经历了三个不同的技术变化，由最初的术变化，由最初的PIOPIO模式，到模式，到DMADMA模式，再到模式，再到Ultra DMAUltra DMA模式。模式。它们都支持硬盘驱动器的高速传输。它们都支持硬盘驱动器的高速传输。1 1PIOPIO传输模式传输模式 PIO PIO（Programming Input/Output ModelPr

27、ogramming Input/Output Model）是一种通过）是一种通过CPUCPU执行执行I/OI/O端口指令来进行数据读端口指令来进行数据读/ /写的数据交换模式。写的数据交换模式。PIOPIO是最早先的硬盘数据传输模式，数据传输速率低下，是最早先的硬盘数据传输模式，数据传输速率低下，CPUCPU占有占有率也很高，大量传输数据时会因为占用过多的率也很高，大量传输数据时会因为占用过多的CPUCPU资源而导致资源而导致系统停顿，无法进行其他的操作。系统停顿，无法进行其他的操作。 2 2DMADMA传输模式传输模式 DMA DMA（Direct Memory AccessDirect M

28、emory Access）即直接存储器访问传输模式，）即直接存储器访问传输模式，它是一种不经过它是一种不经过CPUCPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。而直接从内存存取数据的数据交换模式。PIOPIO模式下硬盘和内存之间的数据传输是由模式下硬盘和内存之间的数据传输是由CPUCPU来控制的，而在来控制的，而在DMADMA模模式下，式下，CPUCPU只须向只须向DMADMA控制器下达指令，让控制器下达指令，让DMADMA控制器来处理数据的控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPUCPU，这样就很大程度上减轻，这样就很大程度上减轻了了CPUCPU资源占有率。资源占有率。3 3Ultra DMAUltra DMA模式模式 Ultra DMA Ultra DMA （Ultra Direct Memory AccessUltra Direct Memory Access）模式简称）模式简称UDMAUDMA模式，是