微型计算机：第10章 总线

10.1总线的概念10.1.1总线标准与总线组成1．总线标准总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范，包括硬件和软件两个方面，如总线工作时钟频率、总线信号线定义、总线系统结构、总线仲裁机构与配置结构、电气规范、机械规范和实施总线协议的驱动与管理程序。平时我们通常说的总线，实际上指的是总线标准不同标准的总线必须在以下几方面作出规定（1）物理特性：物理特性指总线物理连接的方式。包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚的排列方式等。（2）功能特性：功能特性描述总线中每一根线的功能。从功能上看，总线分为三组：数据总线、地址总线和控制总线。（3）电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围。一般规定送入CPU的信号叫输入信号IN，从CPU送出的信号叫输出信号OUT。（4）时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效，也就是每根线的时序。确保CPU与各部件准确无误地使用总线。2．总线的组成（1）数据总线：双向三态线，用于传送各种数据、状态、控制信息、数据线的位数即微机的字长，直接体现系统的数据处理能力。（2）地址总线：输出线，用于确定存储单元和I/O端口的地址。地址总线的多少直接体现了系统寻址能力的大小。（3）控制总线：包括时钟信号、中断信号、DMA控制信号、仲裁信号等各种复杂的管理及控制信号线。（4）电源：提供总线接口卡以及部分外设上的电源，决定总线使用的电源种类。10.1.2总线的层次与分类1．总线的层次结构图10-1典型微机系统中的总线层次结构ISA卡ISA卡ISA卡芯片组南桥芯片PCI卡PCI卡微处理器L2Cache显示卡显示器芯片组中北桥芯片内存AGP总线PCI总线ISA总线微处理器总线局部总线内存总线系统总线2．总线的分类（1）微处理器总线。主要由微处理器芯片引脚信号组成的总线，用来连接CPU和控制芯片。（2）局部总线。局部总线是介乎CPU总线和系统总线之间的一级总线。（3）系统总线。它是微机系统内部各部件（插板）之间进行连接和传输信息的一组信号线。系统总线是微机系统所特有的总线，由于它用于插板之间连接，故也叫底板总线。（4）外部总线。它是用来连接外部设备的总线，是系统之间或微机系统与外部设备之间进行通信的一组信号线，也称为通信总线。 10.1.3总线的操作过程1．总线请求和仲裁阶段需要使用总线的主模块提出要求，由总线使用的仲裁机构确定，把下一个传输周期的总线使用权分配给哪一个请求源2．寻址阶段取得使用权的主模块，通过地址总线发出本次要访问的从模块的存储器地址，或I/O端口地址及有关命令，让参与本次传输的从模块被选中并开始启动。3．传输阶段主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线传送到目的模块。4．结束阶段主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其他模块能继续使用。为了确保这四个阶段正确推进，必须施加总线操作控制10.1.4总线的性能指标1．总线宽度总线宽度又称总线位宽，指的是总线能同时传送数据的位数2．总线频率总线工作频率是总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。3．总线带宽总线带宽又称总线的最大数据传输速率，是指在一定时间内总线上可传送的数据总量，用每秒钟最大传送数据量来衡量。总线带宽或最大数据传输率＝（总线宽度/8位）×总线频率单位为MB/s（总线频率以MHz为单位）表10-1几种微型计算机总线的性能比较适用机型8086个人计算机80286，386486系列PC286,386,586系列PCZ-80,V20,V40IBM系列IBMPC机与工作站1486，PC/AT兼容机Pentium系列PC，PowerPC，AphaPentium系列PC，工作站和小型机Pentium系列PC，工作站Pentium系列PCPentium系列PC工业参考PC/XTndustryStandardArchitectureExtendedIndustryStandardArchitectureSTDBusMicrochannelArchitectureVESALocalBusPeripheralComponentInterconnectSmallComputerSystemInterfaceFireWireUniversalSerialBusAcceleratedGraphicsPort总线宽度（bit）

816328323232

或6464总线工作频率（MHz）

488.332833405033100-4001266以上最大传输频率（MB/S）

41633.3233

132或264（64）位

100-40012264或更高信号线数目6298143561099012050/686/44总线名称

PC/XTISAEISASTDMCA（32位）VL-BUSPCISCSI1394USBAGP

10.2系统总线10.2.1ISA总线1．ISA总线的主要特点和性能指标图10-2ISA总线插槽示意图外引脚B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12B13B14B15B16B17B18B19B20B21B22B23B24B25焊接面信号名称GNDRESETDRV+5VIRQ2－5VDRQ2－12VOWS+12VGNDMEMWMEMRIOWIORDACK3DRQ3DACK1DRQ1REFRESHCLKIRQ7IRQ6IRQ5IRQ4IRQ3引脚A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24A25元件面信号名称I/OCHCKD7D6D5D4D3D2D1D0I/OCHRDYAENA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6元件面引脚A26A27A28A29A30A31C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18信号名称A5A4A3A2A1A0SBHEA23A22A21A20A19A18A17MEMWMEMRD8D9D10D11D12D13D14D15引脚B26B27B28B29B30B31D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16D17D18焊接面信号名称DACK2T/CBALE+5VOSCGNDMEM16IO16IRQ10IRQ11IRQ12IRQ13IRQ14DACK0DRQ0DACK5DRQ5DACK6DRQ6DACK7DRQ7+5VMASTER16GND表10-2ISA总线接口信号2．ISA总线接口信号（1）地址线（2）数据线（3）控制线10.2.2其它系统总线1．EISA总线特点：开放式结构，EISA和ISA兼容，现有的ISA扩充板可以用于EISA插槽上；32位地址可直接寻址范围为4GB；32位数据宽度，工作频率为8.33MHz，最大数据传输速率为33.3MB/s。图10-3EISA总线插槽示意图靠里面靠外面A1A2A3A4A5A6A7A8……A25A26A27A28A29A30A31B1B2B3B4B5B6B7B8……B25B26B27B28B29B30B31F1F2F3F4F5F6F7F8……F25F26F27F28F29F30F31E1E2E3E4E5E6E7E8……E25E26E27E28E29E30E31D1D2D3D4……D17D18C1C2C3C4……C17C18H1H2H3H4……H17H18H19G1G2G3G4……G17G18G192．STD总线（1）高可靠性（2）小板结构（3）适应性强（4）采用开放式组态结构（5）可应用于分散型控制系统中，进入工业网络10.3PCI局部总线10.3.1PCI局部总线的特点1．高性能2．兼容性强3．可靠性和可操作性4．低成本5．自动配置10.3.2PCI总线的系统结构图10-4PCI总线系统结构PCI总线5PCI桥PCI总线4PCI设备PCI总线3PCI桥PCI桥标准总线2（ISA、EISA…）标准总线桥路设备标准总线1（ISA、EISA…）PCI设备PCI桥PCI设备标准总线桥路PCI桥路CPU存储控制器存储器CPU总线10.3.3PCI总线的信号定义（1）in表示输入信号。（2）out表示输出信号，为标准的图腾柱式输出驱动信号。（3）t/s

表示双向的三态输入/输出信号。（4）s/t/s

表示持续的且低电平有效的三态信号（5）o/d表示漏级开路，以逻辑的形式允许多个设备共同驱动和分享。C/BE(3~0)AD(63~32)C/BE(7~4)AD（31~0）图10-5PCI总线信号1．系统接口信号（1）CLKin：PCI系统总线时钟，对于所有的PCI设备均为输入。（2）in：复位信号。2．地址与数据接口信号（1）AD[31::00]t/s：地址、数据多路复用的输入/输出信号。（2）C/BE[3::0]t/s：总线命令和字节使能多路复用信号线（3）PARt/s：针对AD[31::00]和C/BE[3:0]进行奇偶校验的校验位，可被所有PCI设备或模块所使用3．接口控制信号（1）FRAMEs/t/s：帧周期信号（2）IRDYs/t/s：主设备准备好信号。（3）TRDYs/t/s：从设备准备好信号，该信号有效说明从设备已作好当前数据传输的准备工作，可以进行相应的数据传输。（4）STOPs/t/s：停止数据传送信号。（5）LOCKs/t/s：锁定信号（6）IDSELin：初始化设备选择信号（7）DEVSELs/t/s：设备选择信号4．仲裁信号（1）REQt/s：总线占用请求信号。（2）GNTt/s：总线占用允许信号。5．错误报告信号（1）PERRs/t/s：数据奇偶校验错误报告信号（2）SERRo/d：系统错误报告信号（3）SERR信号一般接至微处理器的NMI引脚上，如果系统不希望产生非屏蔽中断，就应该采用其它方法来实现SERR的报告6．中断接口信号7．其他接口信号（1）高速缓存支持信号（2）64位总线扩展信号10.3.4PCI总线的应用使用PCI总线不像ISA总线，在ISA总线系统中，I/O卡与主机的数据传送可用IN和OUT指令，只要指明地址即可通过INT1AH指令的AH=0B1H功能来得到PCI总线函数，其中包括PCI总线的总线和单元等信息，再据此对PCI总线控制器编程来实现数据传送功能。PCI局部总线可对32位数据/地址总线进行64位扩展，并提供了32位及64位PCI局部总线设备的向前和向后的兼容10.4外部总线10.4.1串行标准总线RS-232C1．RS-232C的信号定义图10-6DB-25型连接器78131211109654321DCDGNDDSRCTSRTSRxDTxD211814151716192025242322RIDTRBCDRxDTxDDTRGNDDSRRTSCTSRI图10-7DB-9型连接器123475689（1）传送信息信号①发送数据TXD（TransmittingData），由发送终端（DTE）向接收器（DCE）发送的信息，按串行数据格式，即先低位后高位的顺序发出。②接收数据RXD（ReceiveData），用来接收DTE发送端（或调制解调器）输出的数据，当收不到载波信号时（管脚8为负），这条线会迫使信号进入传号状态。（2）联络信号①请求传送信号RTS（RequestToSend），这是DTE向DCE发出的联络信号，当RTS为1时，表示DTE请求向DCE发送数据。②清除发送CTS（ClearToSend），这是DCE向DTE发出的联络信号。当CTS=1时，表示本地DCE响应DTE向DCE发出的RTS信号，且本地DCE准备向远程DCE发送数据。③数据准备就绪DSR（DataSetReady），这是DTE向DCE发送的联络信号。DSR将指出本地DCE的工作状态。当DSR=1时，表示DCE没有处于测试通话状态，这时DCE可以与远程DCE建立通道。④数据终端就绪信号DTR（DataTerminalReady）这是DTE向DCE发送的联络信号，DTR=1时，表示DTE处于就绪状态，本地DCE和远程DCE之间建立通信通道。而DTR=0时，将迫使DCE终止通信工作。⑤数据载波检测信号DCD（DataCarrierDetect），这是DCE向DTE发出的状态信息，当DCD＝1时，表示本地DCE接到远程DCE发来的载波信号。⑥振铃指示信号RI（RingIndication），这是DCE向DTE发出的状态信息。RI=1时，表示本地DCE收到远程DCE振铃信号。2．RS-232C信号线的连接和应用（1）使用MODEM连接（a）使用MODEM和专用线通信时信号线的连接专用电话线计算机2接口…8CTSRxDRTSTxDDSRSGDCD调制解调器调制解调器82…终端CTSTxDRxDRTSDSRSGDCD电话线调制解调器计算机接口2…82022TxDSGRxDRTSCTSDSRDCDDTRRI电话分机电话分机调制解调器TxDRxDRTSCTSDSRSGDCDDTRRI终端2…82022（b）使用MODEM和电话网通信时信号线的连接（2）直接连接信号地保护地接计算机口或终端123456207请求发送发送数据接送数据清除发送DCE就绪DTE就绪接计算机口或终端123456207发送数据接送数据请求发送清除发送DCE就绪DTE就绪图10-9使用RS-232C的直接连接法（3）三线连接法TXDRXDRTSCTSDSRDTRSGND接口23接口SGNDDTRDSRCTSRTSTXDRXD23信号地(a)RXDTXDRS-232-CSGND接口23TXDRXDRS-232-CSGND接口2377信号地(b)图10-10最简单的RS-232C连接方式3．RS-232C电气特性（1）EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平的规定：在TXD和RXD数据线上，使用负逻辑，逻辑1（MARK）为-3~-15V之间，逻辑0(SPACE)为+3~+15V之间。最高能承受±25V的信号电平；在RTS、CTS、DSR、DTR、CD等控制线上，信号有效（接通，ON状态）为+3~+15V，信号无效（断开，OFF状态）为-3~-15V。实际工作时，要求保证电平在±（5~15V）之间。（2）EIA-RS-232C与TTL转换1234567141312111098－15V+15V地&&&&(a)地1234567141312111098+5V(b)图10-11电平转换器MC1488和MC1489芯片

（a）MC1488(b)MC1489MC14888&&9+5V插座DB25型242073856TxDRTSDTRUART(8251)SGRxDDCDCTSDSR10&2564311&12133111251046981213MC1489图10-12EIA-RS-232C电平转换器连接图10.4.2通用串行总线USBUSB(UniversalSerialBus)是一种新型的外设接口标准，其基本思想是采用通用连接器、自动配置、热插拔技术和相应的软件，实现资源共享和外设的简单快速连接优势：（1）使用USB，用户不许要扩展插卡，无需了解DIP开关设置、跳线、中断IRQ设置、DMA通道及I/O地址等细节，无须开发底层设备驱动程序。（2）连接USB外设只需要简单地插上插座即可，甚至不需关闭电源，真正“即插即用”。（3）得到400多家大公司的支持，开发了USB电信产品、外设及软件。（4）传输波特率（即传输速率）为1.5Mb/s-12Mb/s（USB2.0速率达到480Mb/s），通过Hub最多可连接127个外设。1．USB的物理接口（1）电气特性最长为5mVBusD+D－GNDVBusD+D－GND图10-13USB电缆（2）机械特性1234正视图3412正视图图10-14USB连接器两种常见类型的正视图A系列插座B系列插座2．USB系统的组成和拓扑结构（1）USB的硬件①USB主控制器/根集线器（USBHostController/RootHub）②USB集线器（USBHub）③USB设备（2）USB的软件①USB设备驱动程序②USB驱动程序③USB主控制器驱动程序（3）USB的拓扑结构麦克风扬声器扬声器电话USB主控制器/根HabPCI总线宿主机高速高速高速显示器集线器高速高速高速高速键盘低速低速鼠标光笔低速=1.5Mb/s高速=12Mb/s图10-15USB的层次拓扑图3．主机和USB设备的连接USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，主板上也会安装有USB接口插座主机和USB设备之间的连接拓扑结构是星形连接USB连接器分A系列和利用A系列连接器与主机实现了连接的B系列。主机与要求全速传送的USB设备连接时，可利用级联方法延长连接距离，但最多只能支持五级最长扩展连接距离不得超过30m显示器接口、SCSI接口、IEEE1394接口以及电源线等，都是USB无法取代的10.4.3其他外部总线1．SCSI接口总线SCSI(SmallComputerSystemIn