清华大学微机原理-总线及整机

1、1微型计算机及应用23 3输入输出接口总线输入输出接口总线4 45 56 6PentiumPentium微型计算机系统微型计算机系统2 2总线概述总线概述PCPC主机结构及主板主机结构及主板1 1局部总线局部总线PCPC的外存储设备的外存储设备31 1 总线概述总线概述l总线是一种数据通道，系统各部件共享总线是一种数据通道，系统各部件共享l总线可同时挂接多个部件总线可同时挂接多个部件l总线分为：内部总线、局部总线、外部总线总线分为：内部总线、局部总线、外部总线l总线上任一部件发送的信息，系统内连接到总线总线上任一部件发送的信息，系统内连接到总线上的部件均可收到上的部件均可收到l信息传输时，每次

2、只能有一个发送部件可利用总信息传输时，每次只能有一个发送部件可利用总线给一个接收部件发送信息线给一个接收部件发送信息43 3输入输出接口总线输入输出接口总线4 45 56 6PentiumPentium微型计算机系统微型计算机系统1 1总线概述总线概述PCPC主机结构及主板主机结构及主板2 2局部总线局部总线PCPC的外存储设备的外存储设备5l A19A19A0 A0 地址线地址线. .可寻址可寻址1M1M字节的存储空间字节的存储空间l 存储器寻址时，可以使用全部存储器寻址时，可以使用全部2020条线，在存储器读条线，在存储器读和存储器写周期，这些地址线都变为有效，指示存储和存储器写周期，这些

3、地址线都变为有效，指示存储器的地址器的地址l 端口访问时，只有端口访问时，只有A15A15A0A0低低1616位有效，访问的端位有效，访问的端口数限制在口数限制在6563665636个以内，这是个以内，这是CPUCPU的限制，但的限制，但PCPC机的机的设计中，仅使用了设计中，仅使用了A9A9A010A010条地址线来寻址端口。因条地址线来寻址端口。因此，此，PCPC机总共可以访问的端口地址仅有机总共可以访问的端口地址仅有0 03FFH3FFH，总，总共共10241024个个1.1.地址总线地址总线2.1 ISA2.1 ISA局部总线局部总线6 D7D7D0D0和和SD15SD15SD8 16

4、SD8 16条数据线条数据线 在存储器读或写周期中，这在存储器读或写周期中，这1616条数据线有效，将条数据线有效，将数据从源地址传送到目标地址。数据从源地址传送到目标地址。 在在I/OI/O端口的读或写操作时，同样利用端口的读或写操作时，同样利用1616条数据条数据线在端口与处理器之间传送数据。线在端口与处理器之间传送数据。2.2.数据总线数据总线2.1 ISA2.1 ISA局部总线局部总线73.3.控制总线控制总线2.1 ISA2.1 ISA局部总线局部总线l IORIOR 输入输出读信号输入输出读信号l IOWIOW 输入输出写信号输入输出写信号l MEMRMEMR和和SMEMRSMEM

5、R 存储器读信号存储器读信号l MEMWMEMW和和SMEMWSMEMW 存储器写信号存储器写信号l ALEALE 地址锁存允许信号地址锁存允许信号l AENAEN 地址允许信号地址允许信号l I/O CH RDY I/O CH RDY I/OI/O通道就绪信号通道就绪信号l I/O CHI/O CH CKCK I/OI/O通道检测信号通道检测信号l IRQIRQi i 中断请求信号中断请求信号l DRQDRQi i和和DACKDACKi i DMADMA请求信号和请求信号和DMADMA响应信号响应信号8PCIPCI总线信号及分类总线信号及分类2.2 PCI2.2 PCI局部总线局部总线91.

6、1.地址和数据信号地址和数据信号2.2 PCI2.2 PCI局部总线局部总线l ADAD3131ADAD0 0 地址地址/ /数据线数据线l C/BEC/BE3 3C/BEC/BE0 0 总线命令与字节使能复用信号总线命令与字节使能复用信号l PARPAR 奇偶校验信号奇偶校验信号102.2.接口控制信号接口控制信号2.2 PCI2.2 PCI局部总线局部总线l FRAMEFRAME 帧周期信号帧周期信号l IRDYIRDY 主设备准备好信号主设备准备好信号l TRDYTRDY 从设备准备好信号从设备准备好信号l STOPSTOP 停止信号停止信号l DEVSELDEVSEL 设备选择信号设备

7、选择信号l IDSELIDSEL 初始化设备选择信号初始化设备选择信号113.3.出错指示信号出错指示信号2.2 PCI2.2 PCI局部总线局部总线l PERRPERR 数据奇偶校验出错信号数据奇偶校验出错信号l SERRSERR 系统出错信号系统出错信号4.4.总线仲裁信号总线仲裁信号l REQREQ 总线请求信号总线请求信号l GNTGNT 总线请求允许信号总线请求允许信号5.5.系统信号系统信号l CLKCLK 系统时钟信号系统时钟信号l RSTRST 复位信号复位信号126.646.64位扩充信号位扩充信号2.2 PCI2.2 PCI局部总线局部总线l ADAD6363ADAD323

8、2 地址地址/ /数据扩充信号数据扩充信号l BEBE7 7BEBE4 4 总线命令总线命令/ /字节允许扩充信号字节允许扩充信号l PARPAR6464 奇偶校验信号奇偶校验信号l REQREQ6464 6464位传输请求信号位传输请求信号l ACKACK6464 6464位传输应答信号位传输应答信号 7.7.总线锁定信号总线锁定信号 LOCKLOCK8.8.中断信号中断信号 INTAINTA、INTBINTB、INTCINTC、INTDINTD139.cache9.cache信号信号2.2 PCI2.2 PCI局部总线局部总线l SBOSBO 测试测试CacheCache后返回信号后返回信

9、号l SDONESDONE CacheCache测试完成信号测试完成信号10.10.测试信号测试信号l TCKTCK 对时钟信号进行测试对时钟信号进行测试l TDITDI 对输入数据进行测试对输入数据进行测试l TDOTDO 对输出数据进行测试对输出数据进行测试l TMSTMS 对模式选择进行测试对模式选择进行测试l TRSTTRST 对复位信号对复位信号RESETRESET进行测试进行测试142.3 2.3 视频接口总线视频接口总线AGPAGP AGPAGP（Accelerated Graphics PortAccelerated Graphics Port）就是）就是IntelIntel公

10、司于公司于19961996年年7 7月开发的专为实现高速图形显示的视月开发的专为实现高速图形显示的视频接口，习惯上称其为总线频接口，习惯上称其为总线 AGPAGP对内存实现流水线式的读对内存实现流水线式的读/ /写，提高了数据传写，提高了数据传输速率。同时输速率。同时AGPAGP是高速图形适配器的一条专用信息是高速图形适配器的一条专用信息通道，不用与其他任何设备共享通道，不用与其他任何设备共享152.4 PCI Express2.4 PCI Express总线总线PCI ExpressPCI Express总线是一种高速串行总线是一种高速串行IOIO总线。总线。PCI- EPCI- E总线总线

11、继承了前两代局部总线的大多数优点，又吸收了近几年来继承了前两代局部总线的大多数优点，又吸收了近几年来计算机体系结构研发的新成果。计算机体系结构研发的新成果。 PCI- E PCI- E总线采用点对点总线采用点对点异步传输模式，将数据封装成数据包，在设备之间进行高异步传输模式，将数据封装成数据包，在设备之间进行高速串行传输。速串行传输。PCI- EPCI- E总线根据总线宽度的不同而有以下规格，总线根据总线宽度的不同而有以下规格，PCI PCI Express 1x(250Mbps)Express 1x(250Mbps)、2x2x、4x4x、8x8x、16x16x和和32x32x。16输入输出接

12、口总线输入输出接口总线4 45 56 6PentiumPentium微型计算机系统微型计算机系统2 2总线概述总线概述PCPC主机结构及主板主机结构及主板3 3局部总线局部总线PCPC的外存储设备的外存储设备1 1173.1 ATA3.1 ATA总线总线 和和SATASATA总线总线ATA(advanced technology attachment)ATA(advanced technology attachment)接口总线是接口总线是CompaqCompaq公司公司联合联合Westrn DigitalWestrn Digital公司专门为主机和硬盘连接而设计的总线，公司专门为主机和硬盘连

13、接而设计的总线，也适用于光驱和软驱的连接，也适用于光驱和软驱的连接，ATAATA也称为也称为IDEIDE（integrated drive integrated drive electronicselectronics或或inteligent drive electronicsinteligent drive electronics）。）。IDEIDE是把是把“硬盘控制器硬盘控制器”和和“盘体盘体”集成在一起的硬盘驱动器的接集成在一起的硬盘驱动器的接口总线，它通过口总线，它通过4040芯扁平电缆将磁盘驱动器或光盘驱动器连接到芯扁平电缆将磁盘驱动器或光盘驱动器连接到主机系统上。一个主机系统上。一

14、个IDEIDE接口可连两个硬盘。接口可连两个硬盘。串行硬盘驱动器接口串行硬盘驱动器接口SATASATA（serial ATAserial ATA）非常小巧，仅为）非常小巧，仅为7 7针插座，针插座，在主板上标有在主板上标有SATA1SATA1、SATA2SATA2标志的标志的7 7针插座就是针插座就是SATASATA硬盘的数据线硬盘的数据线接口，通过扁平的接口，通过扁平的SATASATA数据线，即可与数据线，即可与SATASATA硬盘连接。硬盘连接。SATASATA采用采用点对点的连接方式，每个点对点的连接方式，每个SATASATA接口只能连接一块接口只能连接一块SATASATA硬盘。硬盘。S

15、ATASATA还有一大优势是支持热插拔。还有一大优势是支持热插拔。183.2 SCSI3.2 SCSI总线和总线和SASSAS总线总线 SCSISCSI是一个高速智能接口，可以作各种磁盘、光盘、磁带是一个高速智能接口，可以作各种磁盘、光盘、磁带机、打印机、扫描仪条码阅读器以及通信设备的接口。机、打印机、扫描仪条码阅读器以及通信设备的接口。SCSISCSI是是处于主适配器和智能设备控制器之间的并行输入输出接口，一处于主适配器和智能设备控制器之间的并行输入输出接口，一块主适配器可以连接块主适配器可以连接7 7台具有台具有SCSISCSI接口的设备。接口的设备。 SCSISCSI可以采用单级和双级两

16、种连接方式，单级连接方式最可以采用单级和双级两种连接方式，单级连接方式最大传输距离可达大传输距离可达6m6m；双级连接方式最大传输距离可达；双级连接方式最大传输距离可达25m25m。193.3 3.3 通用串行总线通用串行总线USBUSB USBUSB（universal serial busuniversal serial bus）是）是IntelIntel、DECDEC、CompaqCompaq、MicrosoftMicrosoft和和IBMIBM等公司等公司19961996年共同制定的串年共同制定的串行接口标准。行接口标准。 主要特点：主要特点： 速度快；速度快； 连接简单快捷，可进行热

17、插拔；连接简单快捷，可进行热插拔； 无须外接电源；无须外接电源； 扩充能力强；扩充能力强； 具有高保真音频；具有高保真音频； 良好的兼容性。良好的兼容性。203 3输入输出接口总线输入输出接口总线5 56 6PentiumPentium微型计算机系统微型计算机系统2 2总线概述总线概述PCPC主机结构及主板主机结构及主板4 4局部总线局部总线PCPC的外存储设备的外存储设备1 1214.14.1 北桥北桥- -南桥构建的南桥构建的PCIPCI总线型微型计算机系统总线型微型计算机系统224.24.2 北桥北桥- -南桥构建的专用总线型微型计算机系统南桥构建的专用总线型微型计算机系统234.34.

18、3 IOHIOH和和ICHICH芯片组构建的微型计算机系统芯片组构建的微型计算机系统244.44.4 单单芯片组构建的微型计算机系统芯片组构建的微型计算机系统253 3输入输出接口总线输入输出接口总线4 46 6PentiumPentium微型计算机系统微型计算机系统2 2总线概述总线概述PCPC主机结构及主板主机结构及主板5 5局部总线局部总线PCPC的外存储设备的外存储设备1 1265.15.1 PCPC机主机主机结构机结构微型计算机，或称微型计算机，或称PCPC机在不同场合，有不同的外围配置机在不同场合，有不同的外围配置，或因品牌不同而外型包装各异，但万变不离其宗。，或因品牌不同而外型包

19、装各异，但万变不离其宗。PCPC机机最主要核心部分只不过最主要核心部分只不过“三大件三大件”：主机箱、监控器：主机箱、监控器( (显显示器示器) )和键盘。再缩小点说，和键盘。再缩小点说，PCPC机只不过是一个主机箱。机只不过是一个主机箱。键盘和监控器是其外部设备，一个作为数据输入，一个作键盘和监控器是其外部设备，一个作为数据输入，一个作为数据输出并兼有监控作用。为数据输出并兼有监控作用。主机的主要部件是：电源、主机的主要部件是：电源、CPUCPU、（、（4 4条）内存条、（双条）内存条、（双）显卡、光驱和硬盘等，如下图所示。）显卡、光驱和硬盘等，如下图所示。275.15.1 主主机结构机结构

20、285.25.2 主板的主板的结构结构各种品牌的主板的基本组成都是相近的。主板上的器件很多，分布各各种品牌的主板的基本组成都是相近的。主板上的器件很多，分布各异，但都可以分解为下列几个部分：异，但都可以分解为下列几个部分：(1) CPU(1) CPU及其相关器件所组成的系统；及其相关器件所组成的系统；(2) (2) 总线扩展槽所形成的系统；总线扩展槽所形成的系统；(3) (3) 主板上的存储器系统；主板上的存储器系统；(4) (4) 芯片组芯片组(chipset)(chipset)及其他芯片；及其他芯片；(5) (5) 跳线跳线(jumper)(jumper)及各种辅助电路及各种辅助电路下图为

21、某下图为某PCPC机的主板的布局。从图可见，主板上有，机的主板的布局。从图可见，主板上有，CPUCPU插座、北桥插座、北桥芯片、南桥芯片、芯片、南桥芯片、4 4条内存插槽、条内存插槽、PCIPCI插槽、插槽、PCI-E 16xPCI-E 16x插槽、插槽、2 2条条PCI-E 1xPCI-E 1x插槽、插槽、6 6个个SATASATA接口、接口、IDEIDE插槽和外置输入输出接口等。插槽和外置输入输出接口等。295.25.2 主板的主板的结构结构305.3 5.3 常用的常用的CPUCPU及其在主板上的插座及其在主板上的插座IntelIntel公司生产的公司生产的CPUCPU型号至型号至804

22、8680486为止，此后生产的为止，此后生产的CPUCPU型号改为型号改为Pentium(Pentium(奔腾奔腾) )。计算机技术发展很快，现在已有。计算机技术发展很快，现在已有Pentium 4Pentium 4、双核、双核处理器处理器Pentium E5800Pentium E5800和和Cori 2Cori 2、四核处理器、四核处理器Cori i7Cori i7等。微型计算等。微型计算机常用的机常用的CPUCPU的主要性能如下表。的主要性能如下表。31主板与主板与CPUCPU通过通过CPUCPU插座连接在一起，插座连接在一起，CPUCPU插座目前常用的为插座目前常用的为SocketSo

23、cket型型插座和插座和LGALGA型插座。型插座。SocketSocket型插座的四周均匀地分布着插孔，其右边型插座的四周均匀地分布着插孔，其右边还有一根压杆。在插入还有一根压杆。在插入CPUCPU之前，先将压杆提起，插下之前，先将压杆提起，插下CPUCPU之后，再把之后，再把压杆压回原处，利用插座本身产生的挤压力将压杆压回原处，利用插座本身产生的挤压力将CPUCPU的引脚与插座牢牢的引脚与插座牢牢地接触，然后在地接触，然后在CPUCPU上安装一组散热片和风扇。拆卸上安装一组散热片和风扇。拆卸CPUCPU时，将压杆轻时，将压杆轻轻提起，压力即可解除，轻提起，压力即可解除，CPUCPU便可轻松

24、取出。便可轻松取出。SocketSocket插座大多根据插座大多根据CPUCPU引脚的多少进行编号。引脚的多少进行编号。LGALGA型插座没有插孔，只有一排排整齐排列的型插座没有插孔，只有一排排整齐排列的有弹性的金属圆点，因此有弹性的金属圆点，因此CPUCPU不能利用其引脚与插座孔的接触进行固不能利用其引脚与插座孔的接触进行固定，而是利用安装扣架固定，使定，而是利用安装扣架固定，使CPUCPU正确压在正确压在LGALGA插座上的金属圆点上。插座上的金属圆点上。LGALGA插座可以随时解开扣架，更换插座可以随时解开扣架，更换CPUCPU芯片。芯片。5.3 5.3 常用的常用的CPUCPU及其在主

25、板上的插座及其在主板上的插座325.4 5.4 主板上的芯片组主板上的芯片组芯片组在主板上的作用仅次于芯片组在主板上的作用仅次于CPUCPU，是主板的灵魂，它决定了主板，是主板的灵魂，它决定了主板性能的好坏和级别的高低，进而影响到整个计算机系统性能的发挥。性能的好坏和级别的高低，进而影响到整个计算机系统性能的发挥。目前的主板芯片组由北桥芯片和南桥芯片组成，芯片组的名称一般目前的主板芯片组由北桥芯片和南桥芯片组成，芯片组的名称一般以北桥芯片命名。北桥芯片不仅仅可以代表整块主板的名称，还能以北桥芯片命名。北桥芯片不仅仅可以代表整块主板的名称，还能代表整块主板的档次。北桥芯片是芯片组中起主导作用的芯

26、片，故代表整块主板的档次。北桥芯片是芯片组中起主导作用的芯片，故也称之为主桥也称之为主桥(host bridge)(host bridge)。其中北桥芯片的主要功能是控制内。其中北桥芯片的主要功能是控制内存，南桥芯片的主要功能是负责输入输出总线之间的通信。南桥芯存，南桥芯片的主要功能是负责输入输出总线之间的通信。南桥芯片负责的功能较稳定，所以不同芯片组中，可能存在南桥芯片是相片负责的功能较稳定，所以不同芯片组中，可能存在南桥芯片是相同的，不同的只是北桥芯片。同的，不同的只是北桥芯片。335.4 5.4 主板上的芯片组主板上的芯片组 主板的性能取决于北桥芯片，主板支持外设功能的多主板的性能取决于

27、北桥芯片，主板支持外设功能的多少则取决于南桥芯片。紧靠着少则取决于南桥芯片。紧靠着CPUCPU，上面覆盖着散热片的，上面覆盖着散热片的芯片就是北桥芯片。而距离芯片就是北桥芯片。而距离CPUCPU较远，在局部总线扩展插较远，在局部总线扩展插槽附近的芯片是南桥芯片，南桥芯片上面一般没有覆盖散槽附近的芯片是南桥芯片，南桥芯片上面一般没有覆盖散热片。热片。 IntelIntel公司的芯片组的命名规则是一个英文字母后跟公司的芯片组的命名规则是一个英文字母后跟两个数字，其中英文字母代表针对的市场，第两个数字，其中英文字母代表针对的市场，第1 1个数字代个数字代表芯片组系列，第表芯片组系列，第2 2个数字则

28、代表芯片组的功能。在同一个数字则代表芯片组的功能。在同一个系列中，且英文字母相同的情况下，数字大的芯片组的个系列中，且英文字母相同的情况下，数字大的芯片组的性能高于数字小的芯片组。性能高于数字小的芯片组。34PCIPCI总线扩展槽总线扩展槽 IntelIntel公司于公司于19921992年年7 7月推出的月推出的PCIPCI总线是为配合奔腾总线是为配合奔腾芯片而设计的。芯片而设计的。PCIPCI总线扩展槽如下图所示。总线扩展槽如下图所示。PCIPCI总线的优点如下：总线的优点如下：即插即用即插即用(plug and play)PCI(plug and play)PCI总线有自动将增加的总线有

29、自动将增加的PCIPCI卡配置到系统中去的能力。卡配置到系统中去的能力。可使用在多处理器环境中，还可支持多媒体及数据量非可使用在多处理器环境中，还可支持多媒体及数据量非常大的应用。它能支持更多的局部总线。常大的应用。它能支持更多的局部总线。PCIPCI总线可与早期的总线可与早期的ISAISA总线、总线、EISAEISA总线、总线、VESAVESA总线共存于总线共存于同一主板上。同一主板上。PCIPCI的扩展槽可以多达的扩展槽可以多达1010个。个。5.5 5.5 主板上的总线扩展插槽主板上的总线扩展插槽35 2. AGP2. AGP扩展槽扩展槽AGPAGP扩展槽如下图所示，每块主板只有扩展槽如

30、下图所示，每块主板只有1 1条条AGPAGP扩展槽，通常都是棕扩展槽，通常都是棕色的。色的。AGPAGP扩展槽结构也与扩展槽结构也与PCIPCI、ISAISA完全不同，它不与完全不同，它不与PCIPCI、ISAISA扩扩展槽展槽处于同一水平位置，而是内进一些，这使得处于同一水平位置，而是内进一些，这使得PCIPCI卡、卡、ISAISA卡不可卡不可能插得进去。随着显卡速度的提高，能插得进去。随着显卡速度的提高，AGPAGP扩展槽已经不能满足显卡扩展槽已经不能满足显卡传输数据的速度，目前传输数据的速度，目前AGPAGP显卡显卡已经逐渐淘汰，取代它的是已经逐渐淘汰，取代它的是PCI PCI Expr

31、essExpress显卡。显卡。5.5 5.5 主板上的总线扩展插槽主板上的总线扩展插槽365.5 5.5 主板上的总线扩展插槽主板上的总线扩展插槽 3. PCI-E3. PCI-E扩展槽扩展槽 目前，目前，PCI-E 1xPCI-E 1x和和PCI-Ex 16xPCI-Ex 16x是是PCI ExpressPCI Express的主流规格。的主流规格。芯芯片组片组厂商将在厂商将在南桥芯片南桥芯片当中添加对当中添加对PCI Express 1xPCI Express 1x的支持，在的支持，在北桥北桥芯片芯片当中添加对当中添加对PCI Express 16xPCI Express 16x的支持。用于取代的支持。用于取代AGPAGP接口的接口的PCI PCI ExpressExpress接口是接口是PCI-E 16xPCI-E 16x。 由于大多数的芯片组提供的由于大多数的芯片组提供的PCI-EPCI-E通道只有通道只有1818或或2020条，所以大条，所以大多数主板的多数主板的PCI-EPCI-E插槽都是一个插槽都是一个PCI-E 16xPCI-E 16x和两个和两个PCI-E 1x PCI-E 1x 。PCI-E PCI-E 1x1x和和PCI-E 16xPCI-E 16x插槽如下图所示。插槽如下图所示。375.6 5.6 主板上的内存条及内存条插槽主板上的内存条及内存