微机原理与接口技术 第7章

第7章输入/输出系统CPU系统总线总线插槽ABABDBDBCBCBCPU总线地址锁存缓冲器数据锁存缓冲器总线控制逻辑I/O接口存储器系统I/O接口PC系列微机系统采用开放式的多总线结构地址总线经地址锁存、缓冲器（三态输出）,数据总线经总线收发器，控制总线经总线控制逻辑之后形成的总线，称为系统总线。（连接主存储器和一般的I/O接口）I/O接口电路有一部分在主板上，另一部分通过总线插槽扩充。7.132位微处理器的外部引脚（教材P.27)1.数据线及控制信号数据线：D63~D0共64位奇偶校验信号：DP7~DP0,每个字节产生1个校验位读校验错：PCHKPentium处理器的外部引脚2.地址线及控制信号七一A31~A3：高29位地址线BE7~BE0：字节允许信号（存储体选中信号）外围电路对BE7~BE0译码以产生A2~A0信号Pentium处理器的外部引脚3.系统控制信号1.时钟输入CLK2.可屏蔽中断请求INTR3.非屏蔽中断请求NMI4.系统复位信号RESET系统复位后，程序运行的地址为:FFFFFFF0H实模式CS:F000H,IP:0FFF0HPentium处理器的外部引脚系统时钟是微处理器内部与外部操作的同步时基信号，由时钟（CLK）输入信号来提供。CLK时钟周期：T状态：就是指时钟周期TPentium处理器的外部引脚M/IO：=1,表明该总线周期,CPU与存储器交换信息=0,表明该总线周期,CPU与I/O接口交换信息W/R：=1,表明该总线周期,CPU进行写操作=0,表明该总线周期,CPU进行读操作D/C：=1,表明该总线周期,传输的是数据=0,表明该总线周期,传输的是指令代码这三个信号的组合，决定当前总线周期所完成的操作Pentium处理器的外部引脚4.总线周期定义信号(输出)“周期”是一段时间CPU通过总线与存储器、I/O交换一个数据所需要的时间称为总线周期T1CLKT3T2T48086总线周期Pentium处理器的外部引脚总线周期定义的操作M/IOD/CW/R操作000中断001中止/专用周期010I/O读011I/O写100微代码读101保留110存储器读111存储器写Pentium处理器的外部引脚5.总线控制信号(ADS,RDY)与32位微处理器典型时序(教材P.36)ADS：地址选通信号(输出)该信号由1→0，表明地址线和总线定义信号(M/IO,W/R,D/C)均为有效可用。Pentium处理器的外部引脚LOCK：总线锁定信号LOCK=0，通知外围电路，不允许外部信号打断当前的总线周期。当一条指令有.LOCK前缀时，该引脚输出为0。RDY：准备就绪信号(输入)该信号由外电路产生→X86RDY=0，表明外部电路(存储器、I/O接口)已经做好数据W/R的准备，能在规定时间内完成数据的读写。RDY=1，表明存储器或I/O不能在规定时间内完成数据的读/写，请CPU延长总线周期。Pentium处理器的外部引脚以下为X86的基本总线周期时序图（以pentium为例)Pentium处理器的外部引脚CLKADSADDRM/IO、D/CW/RRDYD0~D31PCHK读读写Pentium非流水线式读写周期时序图(无等待)T1T2T1T2T1T2CLKADSBE0~BE3A2~A31M/IO、D/CW/RRDYD0~D31读写有等待状态总线周期T1T2TWT1T2TWT1Pentium处理器的外部引脚6.总线仲裁信号(1)HOLD：总线保持请求（输入）(2)HLDA：总线保持响应（输出）ABDBCBX86DMAC高速I/O接口HOLDHLDAPentium处理器的外部引脚7.2总线与总线标准1.总线分类按所传输信号的性质分为：地址总线、数据总线、控制总线计算机系统按系统层次分有许多模块，这些模块位于系统的不同层次上，整个系统按模块化构建。按总线连接的对象和所处系统的层次来分：芯片级总线、系统总线、局部总线和外部总线总线分类CPU与连接到系统板上的外设打交道须经过芯片级总线、局部总线、（系统总线）和外部总线这样三到四级总线。芯片级总线：用于模块内芯片级的互连，是该芯片与外围支撑芯片的连接总线。如连接CPU及其周边的协处理器、总线控制器、总线收发器等的总线称为CPU总线，连接存储器及其支撑芯片的总线成为存储器总线。总线分类系统总线：连接计算机内部各个模块的一条主干线，是连接芯片级总线、局部总线和外部总线的纽带。系统总线又称底版总线、主板总线、扩展总线，它把微机系统各插件板与主板连在一起。系统总线符合某一总线标准，具有通用性，是计算机系统模块化的基础。由于经过缓冲器驱动，负载能力较强总线分类局部总线：系统总线连接局部总线、外部总线和外部设备与所连接的CPU和外部设备相比，系统总线发展滞后、速度缓慢、带宽较窄，成为数据传输瓶颈。为了打破这一瓶颈，将一些高速外设从系统总线上卸下，通过控制和驱动电路直接挂到CPU局部总线上，使高速外设能按CPU速度运行。这种直接连接CPU和高速外围设备的传输通道就是局部总线。局部总线一端与CPU连接，另一端与高速外设和系统总线连接，好象在系统总线和CPU总线之间又插入一级外部总线：又称设备总线，是连接计算机与外部设备的总线。外部总线经总线控制器挂接到系统总线上。总线分类•总线插槽是主板和I/O接口之间的连接器,为了连接众多类型的接口电路,主板一般都配有几种类型的总线。•PC系列机主板上的总线标准有：XT总线、AT（ISA）总线、EISA总线、VESA总线和PCI总线。总线分类2.ISA(AT)总线（P.171)•ISA总线是16位总线,始于286机型。之后在386~奔腾机上都有ISA总线。（实际上由8位发展到16位，甚至32位（EISA，后来消失替代于VESA、PCI），当今的主板上都留有插槽）ISA总线由62芯+36芯两个插槽组成Industrystandardarchitecture工业标准结构2.ISA(AT)总线（P.171)主要特性：•数据传输率最高为8MB/S•24根地址线，可寻址16MB存储空间•64KB个可寻址的I/O端口（16根地址线）•一次可进行16位或8位数据存取•15级中断控制•7个DMA通道•可产生I/O等待状态•支持多个主控器（XT总线中只有CPU是唯一的主控设备，而ISA总线可使CPU释放总线由其它主控、器（如DMAC、DRAM刷新控制器等）占用总线）ISA(AT)总线GNDRESETDRVB1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12B13B14B15B16B17B18B19B20B21B22B23B24B25B26B27B28B29B30B31A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A20A19A22A21A23A24A25A26A27A28A29A30A31D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16D17D18C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18+5VIRQ9-5VDRQ2-12V0WS+12VGNDSMEMWAT总线插槽引脚分配SMEMRIOWIORDACK3DRQ3DRQ1DACK1REFRESHCLKIRQ7IRQ5IRQ6IRQ4IRQ3DACK2T/CBALE+5VOSCI/OCHCKGNDSD7SD6SD5SD4SD3SD2SD1SD0I/OCHRDYAENSA19SA18SA17SA16SA15SA14SA13SA12SA11SA10SA9SA8SA7SA6SA5SA4SA3SA2SA1SA0MEMCS16I/OCS16IRQ10IRQ11IRQ12IRQ15IRQ14DACK0DRQ0DACK5DACK6DACK7MASTERMEMRMEMWDRQ5DRQ6DRQ7+5VGNDSBHELA23LA22LA21LA20LA19LA18LA17SD8SD9SD10SD11SD12SD13SD14SD15ISA(AT)总线(1).数据线:SD15~SD8,SD7~SD0(2).地址线:SA19~SA0(3).控制线:AEN:地址允许信号。AEN=0,表明CPU控制系统3总线。AEN=1,表明DMAC控制系统3总线。应用:用AEN=0参与端口地址译码。IOR:I/O读命令。IOR=0,把选中的端口寄存器内容→数据线。应用:用IOR=0读取I/O端口。ISA(AT)总线IOW:I/O写命令。IOW=0,把数据线上信息→选中的端口寄存器。应用:用IOW=0对端口进行写操作。中断请求线。IRQ3~7,IRQ9~12,IRQ14~15DMA请求/应答。DRQ0~DRQ3/DACK0~DACK3,DRQ5~DRQ7/DACK5~DACK7ISA(AT)总线使用ISA总线接口的以太网卡ISA(AT)总线PCI总线为高速的I/O子系统（图形显示适配器、网络接口控制器、磁盘控制器等）提供了更好的性能。即插即用特性Peripheralcomponentinterconnect外围部件连接(1)PCI总线3.其他重要的总线PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。32位数据宽度运行，最大传输速度133MB/S；64位数据宽度运行，最大传输速度528MB/SPCI总线主板上的PCI插槽PCI总线(2)AGP（AccelerateGraphicsPort)图形加速接口P.189AGP接口是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，AGP不能称为总线，它与PCI总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，但在习惯上我们依然称其为AGP总线。最初传输速度266MB/S（AGP1X）,最高传输速度2.1GB/S(AGP8X)主板上的AGP插槽AGP图形加速接口(3)USB总线(通用串行总线)P.181USB1.1传输速度最高12MB/SUSB2.0传输速度最高480MB/SUSB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。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，USB支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘等，几乎所有的外部设备。USB接口USB接口(4)并行I/O接口(硬盘接口)P.180IDE(IntegratedDriveElectronics)ATAIDE即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。主板IDE接口硬盘IDE接口IDE接口SCSI(SmallComputerSystemInterface)SCSI是同IDE（ATA）完全不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如IDE硬盘般普及，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。传输速度40MB/S~320MB/S支持硬盘转速达15000RPM硬盘SC