第10章总线技术

1、第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社第10章 总线技术10.1 总线技术概述10.2 几种常用的总线 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社10.1 总线技术概述10.1.1 总线的基本概念 总线是一组信号线的集合，是一种在各模块间传送信息的公共通路。它由传送信息的物理介质和相应的管理信息传输的协议构成。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 依据总线在系统结构中的层次位置，可分为： 1、片内总线； 2、片总线：I2C总线，SPI总线，SCI总线，CAN总线； 3、内部总线：系统总线，如PCI总线、AG

2、P总线 ； 4、外部总线：如USB总线 ； 10.1.2 总线的分类第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社图10-1 计算机总线结构示意图第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社1 1总线标准总线标准 总线对总线插坐的尺寸、引线数目、各引线信号的含义、时序和电气参数等作明确规定，这个规定就是总线标准。主要包括如下规范： 机械规范 功能规范 电气规范 时间规范10.1.3 总线标准及性能参数第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 PC系列机上采用的总线标准主要有： IBM PC/XT BUS ISA 工业标准

3、体系结构( Industrial Standard Architecture) EISA 扩展工业标准体系结构(Extended Industrial Standard Architecture) VESA 视频电气标准协会(Video Electronics Standards Association又称VL-bus ) PCI 外部设备互连 (Peripheral Component Interconnect) USB 通用串行总线 (Universal Serial Bus) AGP 图形加速端口 (Accelerated Graphics Port) PCI Express IEEE1

4、394 高速串行总线第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社2 2总线的性能总线的性能 （1）总线的位宽 总线的位宽指的是总线能同时传送的数据位数，即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽则总线每秒数据传输率越大，也即总线带宽越宽。 （2）总线的工作时钟频率 总线的工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则总线工作速度越快，也即总线带宽越宽。 （3）总线的带宽 总线的带宽即总线的传输率，指的是一定时间内总线上可传送的数据量，即每秒传输的最大字节数：MB/s。总线带宽=总线频率总线位宽/8，如32位PCI总线工作频率是33MHz、总线宽度为32位，则

5、最大传输率是132MB/s。 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社1、数据传输的基本方式 计算机总线中，有两种基本的数据传输方式：串行传输和并行传输。 （1）串行传输 串行总线的数据在数据线上按位进行传输，只需要一根数据线，线路成本低，一般适合于远距离的数据传输。 （2）并行传输 并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线。并行传输比串行传输速度要快得多，但需要更多的传输线。 衡量并行总线速度的指标是最大数据传输率，即单位时间内在总线上传输的最大信息量。一般用每秒多少兆字节（MB/s）来表示。 10.1.4 总线的数据传输过程第第1010章

6、章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社2. 数据传输过程 完成一次数据传输要经历以下4个阶段： （1）总线请求和仲裁(Bus request & Arbitration)阶段 （2）寻址(Addressing)阶段 （3）数据传送(Data Transferring)阶段 （4）结束(Ending)阶段第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 采用总线结构的主要优点是： （1）便于采用模块化结构设计方法，简化了硬件的设计。 （2）标准总线得到各厂商的支持，便于开发相互兼容的硬件板卡和软件。 （3）简化了系统结构。整个系统结构清晰，连线少，底板连线可以

7、印制化。 （4）模块结构便于系统扩充和升级。 （5）便于故障诊断和维修。10.1.5 总线的优点及发展趋势第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社10.2 几种常用的总线10.2.1 ISA总线 ISA (Industrial Standard Architecture，工业标准体系结构)是Intel公司、IEEE和EISA集团，在62线的PC总线的基础上经过扩展成98线而开发的一种系统总线。因为开始时是应用在IBM PC/AT机上，所以又称为PC /AT总线。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 ISA总线的主要性能指标： 24位地

8、址线，可直接寻址内存容量为16MB； I/O地址空间为0100H03FFFH ； 8/16位数据线； 62+36个引脚； 工作频率8MHz，最大传输率16MB/s ； 具备中断和DMA传送功能。10.2.1 ISA总线（续）第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社10-2 ISA槽示意图外第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社1 18 8位位 ISA(ISA(即即XT)XT)总线定义总线定义 IBM-PC及XT使用的总线称为PC总线，它是为配置外部I/O适配器和扩充存储器专门设计的一组I/O总线，又称为I/O通道，共有62条引线，全部引

9、到系统板上8个62芯总线的扩展槽J1J8上，可插入不同功能的插件板，用以扩展系统功能。 62根总线按功能可分为电源线、数据总线、地址总线、控制总线四类。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社216位ISA(即AT)总线定义 AT总线在XT总线基础上增加了一个36引脚的插槽， 同一槽线的插槽分成62线和36线两段，共计98条引线。这样也就构成了16位ISA总线。 除了一些特殊工业使用以外，ISA已经不再使用了，而且现在的主板都不带ISA接口。但以它为基础的其他总线依然被应用。如PC/104，一种派生自ISA的扩展接口，目前仍被用于工业和嵌入式系统。第第1010章章

10、总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 I n t e l 公 司 首 先 提 出 了 P C I（Peripheral Component Interconnect ，外设互联标准）的概念，于1992年6月22日，发表 PCI 1.0 标准，该标准仅限于组件级规范。1993年4月30日，PCI-SIG (外围部件互连专业组)发表了 PCI 2.0 标准，这个标准第一次建立了连接器与主板插槽间的标准。目前PCI总线已广泛用于微机、工作站以及便携式计算机中。10.2.2 PCI总线第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社1 1、PCIPCI总线结构总线结构

11、 PCI总线是一种树型结构，并且独立于CPU总线，可以和CPU总线并行操作。PCI总线上可以挂接PCI设备和PCI桥片，PCI总线上只允许有一个PCI主设备，其他的均为PCI 从设备，而且读写操作只能在主从设备之间进行。从设备之间的数据交换需要通过主设备中转。 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社2 2、PCIPCI总线的主要特点总线的主要特点 (1) (1) 独立于处理器独立于处理器 (2) (2)高性能。实现了高性能。实现了33 MHz33 MHz和和66 MHz66 MHz的同步总的同步总

12、线操作，传输速率从线操作，传输速率从132 MB/s(33 MHz132 MB/s(33 MHz时钟、时钟、3232位位数据通路数据通路) )可升级到可升级到528 MB/s(66 MHz528 MB/s(66 MHz、6464位数据通位数据通路路) )。支持突发工作方式，能真正实现写处理器。支持突发工作方式，能真正实现写处理器/ /存存储器子系统的安全并发储器子系统的安全并发 (3) (3) 良好的兼容性良好的兼容性 (4) (4) 支持即插即用，自动识别与配置外设支持即插即用，自动识别与配置外设 (5) (5) 支持多主设备能力支持多主设备能力 (6) (6) 相对的低成本与优良的软件兼容

13、性相对的低成本与优良的软件兼容性 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社3 3、PCIPCI总线信号定义总线信号定义第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社4 4、PCIPCI总线操作总线操作 PCI总线的数据传输采用突发（burst）方式，每次传输由一个地址周期和一个或多个数据周期组成。 PCI总线的读操作 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 随着新的技术和设备层出不穷，特别是游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI 的工作频率和带宽都已经

14、无法满足需求。此外，PCI 还存在IRQ 共享冲突，只能支持有限数量设备等问题。Intel 在2001年，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代I/O 技术，最后却被正式命名为PCI-Express ，简称PCI-E。Express 意思是高速、特别快的意思。10.2.3 PCI-E总线第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社1、PCI Express规范与各型接口 2002年7月23日，PCI-SIG 正式公布了PCI Express 1.0 规范，并且根据开发蓝图，在2006年的时候正式推出PCI Express2.0规范。第第1010章章 总线技术总线技术微机原

15、理与接口技术-中南大学出版社 PCI Express接口分为PCI ExpressX1、X2、X4、X8、X16，其中PCI ExpressX16是专为显卡所设计的。PCI-E插槽是可以向下兼容的，比如PCI-E X16插槽可以插X8、X4、X1的卡。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社2 2、PCI ExpressPCI Express的硬件协议的硬件协议 PCI Express的连接是创建在一个双向的串行的（1-bit）点对点连接基础之上，这称之为“传输通道”。与PCI 连接形成鲜明对比的是

16、PCI是基于总线控制，所有设备共同分享的单向32位并行总线。PCI Express是一个多层协议，由一个对话层，一个数据交换层和一个物理层构成。物理层又可进一步分为逻辑子层和电气子层。逻辑子层又可分为物理代码子层（PCS）和介质接入控制子层（MAC）。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社3 3、PCI ExpressPCI Express的技术特点的技术特点 （1）点对点串行互联 （2）双通道数据传输 （3）支持通道合并及拆分 （4）支持设备热插拔和热交换 （5）灵活扩展性 （6）其它特点第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 IE

17、EE 1394，别名火线（FireWire）接口，是由苹果公司领导的开发联盟开发的一种串行数据传输高速传送接口。广泛用于各类消费电子产品、电子及外围设备、通讯设备、家庭娱乐系统、局域网络系统，以及汽车、航空、船舶等多个领域。 正在形成中的IEEE 1394无线连接标准，将IEEE 1394与IEEE 802.11结合，在传输距离及传输速度等方面，其性能优于蓝牙技术。10.2.4 IEEE1394高速串行总线第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 IEEE1394传输的稳定度和效率都相当地高。和USB2.0相比，对于CPU的负担也较低。通过IEEE 1394连接的各

18、种设备可以采用任何一种拓扑结构。 IEEE1394的连接方式一为菊链式（Mode daisy chain），另一种为接点树状分枝式，两者可以混合使用。IEEE 1394网络使用的是对等网结构，不需要设置专门的服务器。并不适合在距离较长的广域网中使用。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社1 1、IEEE 1394IEEE 1394的发展历史的发展历史 IEEE1394-1995：最早的火线接口标准。数据传输速率为100Mbps,，200Mbps和400Mbps。 IEEE1394a-2000：和IEEE 1394-1995几乎相同，改良数个地方之后制定的新规格，又

19、称FireWire 400。 IEEE1394b-2002（FireWire 800）：理论最高速为800Mbps，兼容IEEE 1394a，但是接头的形状从IEEE 1394a的6 芯变成9芯，又称FireWire 800。 IEEE1394c-2006（FireWire S800T）：FireWire S800T发布于2007年6月8日，新的接头规格和RJ45相同，并使用CAT-5（5类双绞线）和相同的自动协议，可以使用相同的端口来连接任何IEEE 1394设备或IEEE 802.3（1000BASE-T以太网双绞线）的设备。 IEEE1394-2008： 兼容以上所有版本，提供最高160

20、0Mbps和3200Mbps数据传输速率。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社2、IEEE1394的主要性能特点的主要性能特点 （1）支持“热插拔”与即插即用 （2）具有高速数据传输能力 （3）支持点对点（peertopeer）连接 （4）采用“级联”方式连接各个外部设备 （5）支持即时数据传输( Real-Time Data Transfer) （6）能够向被连接的设备提供电源 （7）总线仲裁有优先权仲裁、均等仲裁和紧急仲裁等三种方式 （8）通用 I/ O 接口，兼容性好 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社3、IEEE 139

21、4总线拓扑结构第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社4 4、IEEE 1394IEEE 1394的接口规范的接口规范 IEEE 1394接口由物理层、链路层、事务层和串行总线管理四部分组成。物理层和链路层由硬件构成，而事务层主要由软件实现。 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 物理层提供了1394的电气和机械接口，它的功能是重组字节流并将它们发送到目的节点上去。同时，物理层为链路层提供服务，解析字节流并发送数据包给链路层。 链路层提供了给事务层确认的数据包服务，包

22、括：寻址、数据组帧以及数据校验。链路层还提供直接面向应用的服务，包括产生125 s的同步周期。链路层支持两种传输模式。 事务层为应用提供服务。它定义了3种基于请求响应的服务，分别为read、write和lock。事务层只支持异步传输，同步传输服务由链路层提供。 串行总线管理( Serial Bus Management) 提供全部总线的控制功能，包括确保向所有总线连接设备的电力供应，优化定时机制，分配同步通道 ID，以及处理基本错误提示等 第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社5 5、IEEE 1394IEEE 1394电缆与连接电缆与连接 火线现在有三种连接线缆

23、：四针 (4-pin)、六针 (6-pin) 及套用于FireWire 800的九针 (9-pin) 线缆。常用的FireWire的6针接口如下：第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社图10-15 IEEE 1394两个设备互连两个设备互连 IEEE 1394采用两对双绞线传输数据，分别用来发送和接收数据，实现了真正的全双工通信。插头1、2点 分别是电源和地，3、4点为数据发送端，5、6点为接收端，两对数据线在端头之间是交叉的。 4针省略了电源和地。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社 通用串行总线USB（universal ser

24、ial bus）是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。10.2.5 通用串行总线USB第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社1 1、USBUSB的发展历史的发展历史 USB 1.0：1996年1月发布。速度只有1.5Mb/s USB 1.1：1998年9月发布。有

25、二种传输速率（两种模式）：低速（Low Speed）1.5Mbps, 全速(Full Speed)12Mbps。 USB 2.0： 2000年4月发布。2002年12月修订。有低速（Low Speed）1.5Mbps、全速(Full Speed)12Mbps、高速（High Speed，理论值480Mbps）三个标准。向后兼容 USB1.0 和USB1.1 。这是当前使用得最广泛的版本。 USB 3.0：2008年11月发布。理论上最大传输速率高达5.0Gbps，也就是625MBps 称之为“超速（Super Speed） ”。 能够实现真正意义上的全双工通信，目前新的微机主板大多配置了USB

26、 2.0和USB 3.0二种接口，能够同时支持二种USB标准。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社2 2、USB USB 的主要特点的主要特点 （1）支持热插拔和即插即用技术。 （2）实现了单一的数据通用接口。 （3）整个的USB的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。 （4）在设备供电方面提供了灵活性。 （5） 提供低速1.5Mbps、全速12Mbps、高速480Mbps、超速5.0Gbps等不同的速率来适应各种不同类型的外设。 （6）有控制传输、块数据传输、中断数据传输和同步数据传输四

27、种不同的数据传输类型。 （7）端口具有很灵活的扩展性。 （8）不需要系统资源。 （9）错误检测和恢复。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社3 3、USBUSB体系结构体系结构 （1）USB设备 USB总线系统中的设备有USB主机、 USB 集线器、 USB总线设备三种类型第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社（2 2）USBUSB拓扑结构拓扑结构 USB协议定义了在USB系统中主控制器Host与USB设备间的连接和通信，其物理拓扑结构是金字塔型的层层向上方式，允许最多连接127个设备。第第1010章章 总线技术总线技术微机原理与接口技术-中南大学出版社（3 3）USBUSB的传输方式的传输方式