2总线与接口芯片

计算机接口与通信第2章总线与接口芯片1、总线概述2、总线的仲裁、定时和数据传送模式3、常用总线标准及其主要参数4、I/O端口编址与译码5、8254可编程定时器/计数器计算机接口与通信总线概述1.总线定义：总线就是各种信号线的集合，总线是计算机中传输数据信号的通道，即是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。2总线特点：分时、共享。计算机接口与通信总线的分类1.按相对于CPU或其它芯片的位置，总线可分为：片内总线(InternalBus)片外总线(ExternalBus)。前者是CPU内部寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线，即芯片内部的总线；后者是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路。计算机接口与通信按功能分类2.按总线的功能可分为：地址总线（ABus）、数据总线（DBus）、控制总线（CBus）。地址总线上传送地址信号，总线主控用地址信号指定其需要访问的部件（如外设、存储器单元）。总线主控发出地址信号后，总线上的所有部件均感受到该地址信号，但只有经过译码电路选中的部件才接收主控的控制信号，并与之通信。地址总线是单向的，即地址信号只能由总线主控至从控。地址总线也是三态的，非主控部件不能驱动地址总线。计算机接口与通信数据总线数据总线上传送数据信息，数据总线是双向的，数据信息可由主控至从控（写），也可由从控至主控（读）。数据总线是三态的，未被地址信号选中的部件，不驱动数据总线（其数据引脚为高阻）。数据总线的根数称为总线的宽度。16位总线，指其数据总线为16根。计算机接口与通信控制总线控制总线上传送一个部件对另一个部件的控制信号。在总线上，可以控制其他部件的部件称为总线主控或主控(busmaster)，被控部件称为从控(slave)根据不同的使用意义，有的为双向,有的为三态，有的非三态计算机接口与通信按层次结构分类3.按总线的层次结构可分为：(1)CPU总线，包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCD)，它用来连接CPU和控制芯片。(2)存贮总线，包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCD)，用来连接存储控制器和DRAM。(3)系统总线，也称为I/O通道总线，包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB)（即数据总线、地址总线和控制总线）(4)外部总线：用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。计算机接口与通信按位置分类4.按总线在微机系统中的位置可分为：(1)机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。(2)机外总线（PeripheralBus—外设总线）:指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。计算机接口与通信微机系统总线PC系列机上采用的总线标准：ISA工业标准体系结构(IndustrialStandardArchitecture)EISA扩展工业标准体系结构(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)VESA视频电气标准协会(又称VL-bus)(VideoElectronicsStandardsAssociation)PCI外部设备互连(PeripheralComponentInterconnect)USB通用串行总线(UniversalSerialBus)AGP图形加速端口(显卡专用线)(AcceleratedGraphicsPort)计算机接口与通信ISA、EISA、PCI总线比较ISA总线·24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB·8/16位数据线·最大位宽16位(bit)·最高时钟频率8MHz·最大稳态传输率16MB/sEISA总线·32位地址域直接寻址范围为4GB·32位数据线·最大时钟频率8.3MHz·最大稳态传输率33MB/sPCI总线·32位/64位地址/数据复用·总线时钟频率33.3MHz/66MHz·最大数据传输速率133MB/s·时钟同步方式·与CPU及时钟频率无关·总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）计算机接口与通信其他总线简介由于目前的一些新型接口标准，如USB、IEEE1394等，允许同时连接多种不同的外设，因此也把它们称为外设总线。此外，连接显示系统的新型接口AGP，由于习惯上的原因（原来的显示卡插入ISA或者PCI总线插槽中），也被称为AGP总线，但是实际上它应该是一种接口标准。计算机接口与通信IEEE1394总线IEEE1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把计算机、外部设备、各种家用电器非常简单地连接在一起。从IEEE1394可以连接多种不同外设的功能特点来看，也可以称为总线，即一种连接外部设备的机外总线。IEEE1394的原型是运行在AppleMac电脑上的FireWire(火线)，由IEEE采用并且重新进行了规范。它定义了数据的传输协定及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强电脑与外设（如硬盘、打印机、扫描仪），与消费性电子产品（如数码相机、DVD播放机、视频电话等）的连接能力。计算机接口与通信IEEE1394总线由于要求相应的外部设备也具有IEEE1394接口功能才能连接到1394总线上，所以直到1995年第3季度Sony推出的数码摄像机加上了IEEE接口后，1394才真正引起广泛的注意。机外总线将改变当前电脑本身拥有众多附加插卡、连接线的现状，它把各种外设和各种家用电器连接起来。电脑也成为一种普通的家电。计算机接口与通信USB总线USB(UniversalSerialBus)称为通用串行总线，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NT(北方电讯)七大公司共同推出的新一代接口标准。它和IEEE1394一样，也是一种连接外围设备的机外总线。根据USB规范，USB传送速度可达12Mb/s(每秒12兆位)，除了可以与键盘、鼠标、MODEM等常见外设连接外，还可以与ISDN(综合业务数据网)、电话系统、数字音响、打印机/扫描仪等低速外设连接。从性能上来看，USB在很多方面不如IEEE1394，但是由于USB有着IEEE1394无法比拟的价格优势，在一段时间内USB将与IEEE1394共存，分别管理低速和高速外设。有关UBS更详细内容将在串行接口章节中介绍。计算机接口与通信AGP（AcceleratedGraphicsPort）AGP是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，因此严格说来，AGP不能算是总线，而是一种接口标准，它在主内存与显示卡之间提供了一条直接的通道，使得3D图形数据不通过PCI总线，而直接送入显示子系统。这样就能突破由于PCI总线形成的系统瓶颈，从而实现了以相对低价格来达到高性能3D图形的描绘功能以提高计算机对图像的处理能力。目前的主板产品大多支持AGP。本章第三节将进一步介绍AGP的有关技术指标。计算机接口与通信总线的主要参数1.总线的带宽总线的带宽指的是一定时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每秒钟传送多少MB(兆字节)的最大稳态数据传输率。2.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。3.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。总线位宽越宽、总线工作时钟频率越高则总线带宽越大。当然，单方面提高总线的位宽或工作时钟频率都只能部分提高总线的带宽，并容易达到各自的极限。只有两者配合才能使总线的带宽得到更大的提升。计算机接口与通信总线应用举例例如ISA总线,传送数据宽度是8/16位（1/2字节），总线时钟频率固定为8.33MHz，每2个时钟周期完成一次数据的传送。总线的带宽(最大稳态数据传输率)=8.33MHz×2Bytes÷2Cycles=8.33MB/S最大数据传输速率：=总线时钟频率×数据字节数=8.33MHz×2Bytes=16MB/S计算机接口与通信总线的仲裁连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。如CPU模块，它在不同的时间可以用做主方，也可用做从方；而存储器模块只能用做从方。主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方的请求。每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方。除CPU模块外，I/O功能模块也可提出总线请求。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。例如，在多处理器系统中对各CPU模块的总线请求采用公平的原则来处理。对I/O模块的总线请求采用优先级策略。被授权的主方在当前总线业务一结束，即接管总线控制权，开始新的信息传送。主方持续控制总线的时间称为总线占用期。计算机接口与通信(1)链式查询方式主要特点是：总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询。这意味着该I/O接口就获得了总线控制权。排列在链首的设备具有最高优先级，在链末的设备优先级越低。因此，链式查询是通过安排接口设备的先、后位置来实现优先级排队的。计算机接口与通信链式查询方式的优缺点只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，并且这种链式结构很容易扩充设备。缺点1：对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。缺点2：优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，那么优先级较低的设备可能长期不能使用总线。计算机接口与通信计数器定时查询方式工作原理：总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备将BS线置“1”，获得了总线使用权，此时中止计数查询。计算机接口与通信计数器定时查询方式的优缺点优点：每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的次序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。计数器的初值也可用程序来设置，这就可以方便地改变优先次序缺点：增加了连线数量计算机接口与通信独立请求方式每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。计算机接口与通信独立请求方式的优缺点优点1：仲裁请求响应时间快。优点2：对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BRl次之……BRn最低；也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。当代总线标准普遍采用独立请求方式。计算机接口与通信分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消本身的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。是以优先级仲裁策略为基础的一种仲裁方式。计算机接口与通信总线的定时1．同步定时2．异步定时3．半同步定时4．分离方式定时计算机接口与通信同步定时在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。总线周期是固定的，每次传送一旦开始，主、从设备都必须严格按照时间规定完成相应的动作。计算机接口与通信同步定时的优缺点现代微机中的PCI总线就是同步方式总线。全部系统模块由单一时钟信号控制。优点1：电路设计比较简单；优点2：完成一次传输的时间