接口技术第三章 总线

1、第三章第三章 总总 线线2011/10 2011/10 东北大学东北大学 计算机系统研究所计算机系统研究所第三章第三章 总总 线线3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 IBM PC 总线总线3.3 ISA 总线总线习习 题题3.4 PCI 总线总线3.5 PCI Express总线总线总线的优点总线的优点：模块化结构设计方法，简化系统设计；模块化结构设计方法，简化系统设计；各厂商的产品互相兼容；各厂商的产品互相兼容；便于系统扩充和升级；便于系统扩充和升级；便于故障诊断和维修。便于故障诊断和维修。3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念总线的分类总线的分类：片内总线，元件级总线片内总线

2、，元件级总线(内总线）内总线），插件板级总线（系统总线），设备级总线（外总插件板级总线（系统总线），设备级总线（外总线）。线）。 内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连备进行信

3、息与数据交换，它用于设备一级的互连。 3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念*前端总线（前端总线（FSB）：）：是将是将CPUCPU连接到北桥连接到北桥芯片的总线。通常指外频芯片的总线。通常指外频( (以前指系统总以前指系统总线的频率），如线的频率），如266MHz266MHz、333MHz333MHz、400MHz400MHz、533MHz533MHz、800MHz800MHz、1066MHz1066MHz、1333MHz1333MHz几种，代表着几种，代表着CPUCPU与内存之间的数据传输量（与内存之间的数据传输量（* *数据位数据位/8/8）。）。 * *FSB=FSB=外频外频*

4、 *4 4（IntelIntel）/ /外频外频* *2 2（AMDAMD） 3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念总线的组成总线的组成：数据总线：数据总线DB，地址总线，地址总线AB，控，控制总线制总线CB。（电源线和地线）。（电源线和地线）。总线的规范总线的规范：机械规范，功能规范，电气规范。机械规范，功能规范，电气规范。3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念总线的性能指标总线的性能指标：总线的定时协议总线的定时协议 同步，异步，半同步同步，异步，半同步总线频宽总线频宽 总线本身所能达到的最高数据总线本身所能达到的最高数据 传输速率。传输速率。总线传输率总线传输率 系统在一定方

5、式下总线所能达系统在一定方式下总线所能达到的数据传输速率。到的数据传输速率。3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率（单位是Hz）。CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率，时钟周期的倒数。？指令周期：取指周期和执行周期。第三章第三章 总总 线线3.3 ISA 总线总线习习 题题3.4 PCI 总线总线3.5 PCI Express总线总线3.2 IBM PC 总线总线3.1 总线的基本概念总线的基本概念IBM PC 总线总线82848088808782828286828882598237A1916AD70A190D70PC BUSIRQ70DR

6、Q30DACK30IOR/IOWMEMR/MEMWCLKAEN I/O CHCK I/OCHRDY 为什么有多个地线和电源线？为什么有多个地线和电源线？3.2 IBM PC 3.2 IBM PC 总线总线第三章第三章 总总 线线3.2 IBM PC 总线总线习习 题题3.4 PCI 总线总线3.5 PCI Express总线总线3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.3 ISA总线总线IBM PC 总线总线8228480286802878259x28237x2A230AD160A230D160ISA BUSIRQ150DRQ73,1,0DACK73,1,0IOR/IOWMEMR/MEMWCLK

7、AEN I/O CHCK I/OCHRDY 如何保持兼容？如何保持兼容？3.3 ISA 3.3 ISA 总线总线锁存锁存器器收发收发器器总线总线控制控制器器SBHE PC总线总线：8位位DB，20位位AB，62Pin，适用于适用于8086/8088。ISA总线总线：16位位DB，24位位AB，98Pin，适用于适用于80286，在，在80386及及以后的以后的CPU的主板上应用了很长时间，目前正逐渐被淘汰。向下兼的主板上应用了很长时间，目前正逐渐被淘汰。向下兼容，即容，即PC总线上的设备也可以用在总线上的设备也可以用在ISA总线上。总线上。A1A31B1B31C1D1C18D18PC 总线总线

8、ISA 总线总线接口插板布线图接口插板布线图C、DA、B3.3 ISA 3.3 ISA 总线总线EISA总线总线：32位位DB，32位位AB，188Pin，适用于适用于 8086/80486，同样也向下兼容，即原，同样也向下兼容，即原AT机上的各种机上的各种插板也可以插在插板也可以插在EISA总线上。总线上。A1A31B1B31C1D1C18D18EFHGA、BE、FG、HC、D接口插板布线图接口插板布线图* * EISA EISA 总线总线第三章第三章 总总 线线3.2 IBM PC 总线总线习习 题题3.3 ISA 总线总线3.5 PCI Express总线总线3.1 总线的基本概念总线的

9、基本概念3.4 PCI总线总线局部局部总线总线：速度更快，介于速度更快，介于CPU和和ISA之间。适用于之间。适用于80486以上的以上的CPU的主板。如的主板。如VL总线，总线，PCI总线。与其总线。与其它总线不兼容。它总线不兼容。CPUMEMISA总线控制器总线控制器硬盘适配器硬盘适配器CRT适配器适配器ISA总线总线局部总线控制器局部总线控制器ISA总线控制器总线控制器CPUMEM网络适配器网络适配器CRT适配器适配器FAX适配器适配器打印机适配器打印机适配器ISA总线总线PCI总线总线3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线PCIPCI总线的特点总线的特点支持一种线性突发数据传输模式，

10、即由一个地支持一种线性突发数据传输模式，即由一个地址顺序读写大量数据。址顺序读写大量数据。总线主控，任何一个有处理能力的外设都可暂总线主控，任何一个有处理能力的外设都可暂时接管总线。时接管总线。同步操作功能，确保同步操作功能，确保CPU与总线同步操作。与总线同步操作。PCI芯片将大量系统功能高度集成，而且芯片将大量系统功能高度集成，而且AB和和DB多路复用。多路复用。PCI总线与总线与CPU时钟频率无关，以其独特的中时钟频率无关，以其独特的中间缓冲器，独立于间缓冲器，独立于CPU ，不必担心外设在不同，不必担心外设在不同时钟频率下引起性能冲突。时钟频率下引起性能冲突。自动设置参数（自动设置参数

11、（I/O端口，中断号等），即端口，中断号等），即PnP。3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线PCIPCI总线的系统结构总线的系统结构Processor桥/RAM控制器DRAMCache扩展总线桥 网卡显卡. 声卡IDE卡. 3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线PCIPCI总线的接口信号总线的接口信号在在PCI应用系统中，有主设备和从设备，主设备需要应用系统中，有主设备和从设备，主设备需要49根信号根信号线，从设备至少需要线，从设备至少需要47根根 系统接口信号系统接口信号:CLK、RST。 地址数据接口信号：地址数据接口信号：AD031/3263、C/BE03/47、PAR。 接口控制

12、信号：接口控制信号：FRAME、IRDY、TRDY、STOP、LOCK、IDSEL、DEVSREL 总裁信号：总裁信号：REQ、GNT。 错误报告信号：错误报告信号：PERR、SERR、 中断接口信号：中断接口信号：INTA、INTB、INTC、INTD 其它接口信号：其它接口信号：SBO、SDONE3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线PCIPCI总线的配置空间总线的配置空间设备ID厂商ID状态命令类别代码版本IDBIST头部类型延时定时器Cache行大小基地址寄存器卡总线CIS指针子系统ID子系统厂商ID扩展ROM基地址寄存器保留保留中断引脚中断请求线Max_LatMin_Gnt0151

13、63100H04H08H0CH10H24H28H2CH30H34H38H3CH性能指针3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线PCIPCI总线的配置空间总线的配置空间00H01H:厂商标识，厂商标识，R/W，从扩展从扩展ROM装入。装入。02H03H：设备标识，：设备标识，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。04H05H：PCI命令，命令，W/R，未用。，未用。06H07H：PCI状态，状态，R，未用。，未用。08H：版本标识，：版本标识，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。09H0BH：设备类别码，：设备类别码，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。0CH：高速缓存行大小，：高速缓存行大小，R

14、，未用。，未用。3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线0DH：延时定时器，：延时定时器，W/R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。0EH：首区类型，：首区类型，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。0FH：内建自测区，：内建自测区，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。PCIPCI总线的配置空间总线的配置空间10H27H:基地址寄存器，高位基地址寄存器，高位R/W，低位低位R，从扩展从扩展ROM装入。装入。28H2FH：保留。：保留。30H：扩展：扩展ROM基地址，从扩展基地址，从扩展ROM装入。装入。34H3BH：保留。：保留。3CH：中断线寄存器，：中断线寄存器，R/W，从扩展，从扩展ROM装

15、入。装入。3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线3DH：中断引脚寄存器，：中断引脚寄存器，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。3EH：最小允许，：最小允许，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。3FH：最大延时，：最大延时，R，从扩展，从扩展ROM装入。装入。40HFFH ：保留。：保留。基 地 址 寄 存 器PCIBUS奇 偶 校 验命 令 状 态 寄 存 器基 地 址 寄 存 器EPROM延 迟 定 时 器中 断 寄 存 器初 始 化 器目 标 设 备PARPERRSERRAD0AD31FRAMEIRDYREQGNTTRDYDEVSELSTOP图图3-19 PCI接口基本结构接口基本结构

16、3.4 PCI 3.4 PCI 总线总线第三章第三章 总总 线线3.2 IBM PC 总线总线3.4 PCI总线总线3.3 ISA 总线总线习题习题3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.5 PCI Express总线总线PCI ExpressPCI Express链路链路3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express总线总线PCI Express 链路：链路：2个低电压差分信个低电压差分信号对组成，分别完成发送和接收。数据号对组成，分别完成发送和接收。数据时钟信号采用时钟信号采用8b/10b编码。编码。PCI ExpressPCI Express拓扑结构拓扑结构3.5 PC

17、I -Express3.5 PCI -Express总线总线根组件：用于处理器、内存和根组件：用于处理器、内存和I/O设备之间的连接。设备之间的连接。交换器：取代桥接器，为交换器：取代桥接器，为I/O总线提供转发。总线提供转发。终端设备：总线事务的发送者、执行者或完成者，分为传终端设备：总线事务的发送者、执行者或完成者，分为传统终端设备和统终端设备和PCI Express设备设备。PCI Express终端设备根组件PCI Express 终端设备CPUPCI Express-PCI 桥存储器交换器PCI Express 终端设备Legacy 终端设备Legacy 终端设备PCI Expres

18、sPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI Express交换器交换器3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express总线总线 多个虚拟多个虚拟PCI-PCI桥设备的逻辑组合，使用桥设备的逻辑组合，使用PCI桥机制传递事务，只能在桥机制传递事务，只能在2个下游端口个下游端口之间进行点对点的传输。之间进行点对点的传输。PCI ExpressPCI Express体系结构体系结构3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express总线总线物理层、数据链

19、路层、事务层。物理层、数据链路层、事务层。PCI ExpressPCI Express体系结构体系结构3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express总线总线物理层物理层:决定总线的物理特性，如点对点串行连接、决定总线的物理特性，如点对点串行连接、差分信号驱动、热插拔、可配置带宽。包括所有的差分信号驱动、热插拔、可配置带宽。包括所有的接口电路，如驱动器接口电路，如驱动器/缓冲器、串缓冲器、串/并转换、锁相和并转换、锁相和阻抗匹配等。阻抗匹配等。数据链路层：确保数据包可靠正确的传输数据链路层：确保数据包可靠正确的传输事务层：对事务层数据包的封装和解封。事务层：对事务层数据包的封装

20、和解封。第三章第三章 总总 线线3.2 IBM PC 总线总线3.4 PCI总线总线3.3 ISA 总线总线3.5 PCI Express总线总线3.1 总线的基本概念总线的基本概念习习 题题 解释下列名词：解释下列名词：ISA EISA PCI AGP PCMCIA ISA EISA PCI AGP PCMCIA 。 总线分为那些类？总线的参数有哪些？总线分为那些类？总线的参数有哪些？ 什么是总线的频宽？什么是总线的频宽？ 什么是总线的传输率？什么是总线的传输率？ ISAISA总线如何与总线如何与PCPC总线保持兼容？总线保持兼容？ ISAISA总线如何与总线如何与PCPC总线保持兼容？总线

21、保持兼容？ ISAISA总线的总线的I/OI/O及及MEMMEM的可寻址范围？的可寻址范围？ 利用利用ISAISA总线制作一块总线制作一块I/OI/O扩展卡，其扩展卡，其I/OI/O地址范围地址范围如何如何 选择？设定选择？设定4 4个个I/OI/O端口地址，并设计译码电路？端口地址，并设计译码电路？习习 题题 PCIPCI总线的特点？总线的特点？ PCIPCI总线的命令有哪些？总线的命令有哪些？ PCIPCI总线中有哪几种地址空间？总线中有哪几种地址空间？ 配置寄存器的头空间由哪些部分组成？配置寄存器的头空间由哪些部分组成？ 何为信号的多路复用？采用多路复用方法的优缺点？何为信号的多路复用？

22、采用多路复用方法的优缺点？习习 题题AGP-AGP-加速图形端口加速图形端口主要目的是配合主要目的是配合DIB双重独立总线技术和双重独立总线技术和MMX多媒体技多媒体技术，提高图形尤其是术，提高图形尤其是3D图形的显示能力。图形的显示能力。图（图（A）表示用软件对表示用软件对MPEG2影像数据解压，然后通过影像数据解压，然后通过PCI总线将数据传送到显卡。总线将数据传送到显卡。图图2（B）表示将数据通过表示将数据通过AGP传送到显卡。传送到显卡。CPU芯片组内存显卡IDE CPU芯片组内存显卡IDE（A）（B）PCIPCIAGP* * AGP AGP 总线总线AGP-加速图形端口* * AGP

23、 AGP 总线总线AGP（Accelerated Graphics Port）加速图形端口）加速图形端口是在是在PCI图形接口的基础上发展而来的。随着图形接口的基础上发展而来的。随着3 D游游戏做得越来越复杂，使用了大量的戏做得越来越复杂，使用了大量的3 D特效和纹理，特效和纹理，使原来传输速率为使原来传输速率为133MB/S的的PCI总线越来越不堪重总线越来越不堪重负，因此高带宽的负，因此高带宽的AGP才得以浮出水面。这是一种与才得以浮出水面。这是一种与PCI总线迥然不同的图形接口，它完全独立于总线迥然不同的图形接口，它完全独立于PCI总总线之外，直接把显卡与主板控制芯片联在一起，使得线之外

24、，直接把显卡与主板控制芯片联在一起，使得3D图形数据省略了越过图形数据省略了越过PCI总线的过程，总线的过程，从而很好地解决了低带宽从而很好地解决了低带宽PCI接口造成的接口造成的系统瓶颈问题。可以说，系统瓶颈问题。可以说，AGP代替代替PCI成成为新的图形端口是技术发展的必然。为新的图形端口是技术发展的必然。AGP-AGP-加速图形端口加速图形端口* * AGP AGP 总线总线AGP 8X作为新一代作为新一代AGP并行接口总线，在数据传输频并行接口总线，在数据传输频宽上和它的先辈宽上和它的先辈AGP 4X一样都是一样都是32bit，但总线速度将，但总线速度将达到史无前例的达到史无前例的66

25、MHz8=533MHz，在数据传输带宽，在数据传输带宽上也会达到上也会达到2.1GB/s的高度，这些都是原来的的高度，这些都是原来的AGP并行并行接口无法企及的。它的推出正好适应了现今接口无法企及的。它的推出正好适应了现今CPU和和GPU（图形工作站）的飞速发展。随着（图形工作站）的飞速发展。随着CPU主频的逐步提升主频的逐步提升以及以及GPU的性能的日新月异，系统单位时间内所要处理的性能的日新月异，系统单位时间内所要处理的的3D图形和纹理越来越多，大量的数据要在极短的时间图形和纹理越来越多，大量的数据要在极短的时间内频繁地在内频繁地在CPU和和GPU之间反复交换，这使之间反复交换，这使原来运

26、行频率为原来运行频率为66MHz的的AGP接口已越来越接口已越来越跟不上它们交换的速度，系统的性能因此而跟不上它们交换的速度，系统的性能因此而大受影响，正像当年大受影响，正像当年AGP取代取代PCI总线一样，总线一样，AGP 8X终于走上了时代的舞台。终于走上了时代的舞台。AGP-AGP-加速图形端口加速图形端口* * AGP AGP 总线总线 最初的显示设备是采用最初的显示设备是采用PCI总线，工作频率为总线，工作频率为33MHz，数，数据模式为据模式为32bit，传输带宽为，传输带宽为133MB/s。随着。随着AGP 1.0规范的规范的推出，推出，AGP 1x和和2x显示设备成为主流。显示设备成为主流。1X模式的工作频率达模式的工作频率达到到PCI总线的两倍总线的两倍66MHz，传输带宽理论上可达到，传输带宽理论上可达到266MB/s。2X工作频率同样为工作频率同样为66MHz，但