qs微机原理第05章

BUPT第五章微机总线主要内容微机总线基本概念总线仲裁和总线握手常用微机总线（标准）2学时BUPT5.1概述微机系统采用总线结构。系统中主要部件通过系统总线相互连接、实现数据传输.总线：是指计算机中传送信息的一组通讯线，它将各部件连接成一个整体。总线可以按其性质、功能和层次位置分类。BUPT5.1概述总线分类1、按传输信号的性质分类总线按其信号线上传输的信息性质可分为三组：①数据总线，一般情况下是双向总线；②地址总线，单向总线，是微处理器或其他主设备发出的地址信号线；③控制总线，微处理器与存储器或接口等之间控制信号。通常这部份线的含义和特性最复杂.BUPT5.1概述2、按信号的功能分类①基本信息总线，包括地址线、数据线及内存和I/O的读写控制信号线等。②数据握手总线，又称联络总线，是控制启动和停止总线操作、实现数据传送同步的信号线，是为保证总线上能容纳各种存取速度的设备而设计的信号线。③判决总线，包括总线判决（总线请求、总线确认线）和中断判决线（中断请求线、中断响应线）等。BUPT5.1概述3、按照层次位置分类①片内总线：片内总线位于微处理器或I/O芯片内部。例如CPU芯片中的内部总线，它是ALU单元和控制器等之间的信息通路。②片总线（元件级总线、芯片总线）：在印刷电路板上连接各芯片之间的公共通路（如微机主板上连接各芯片的总线）。③系统总线（内总线、板级总线）：微机系统内部连接各个功能模块的总线，主要用于微机系统中各插件板之间的信息传输。④外部总线（设备总线、通信总线）：用于系统之间的连接，如微机、与外设或仪器之间的连接。如通用串行总线RS-232C、智能仪表总线IEEE-488、并行打印机总线Centronics、并行外部设备总线SCSI和通用串行总线USB。一般计算机用户接触比较多的是系统总线和外部总线。本章主要讨论系统总线。BUPT5.1概述系统总线的主要性能指标总线宽度：系统总线的数据线的数目。早期只有8位或16位，现在都是32位或64位。总线宽度越宽，同时传输的数据就越多，吞吐量就越大。总线时钟频率：总线传输需要在时钟控制下进行。时钟频率越高，每秒在每条数据线上传输的信息就越多。时钟频率的单位为MHz。（有时以总线传输率作为指标，单位是Mbit/s，是指每秒在一条数据线上传输的数据量，数值上和时钟频率相同）。BUPT系统总线的主要性能指标总线带宽：总线所有数据线每秒可以传输的数据量，也就是最大传输率。单位为MB/s。前三个指标之间的关系：总线带宽=总线宽度×总线时钟频率/8单位是MB/s。总线电源电压：早期总线单元电压为5V。现在随着总线性能的提高，单元电压趋于降低，有使用3.3V，甚至2.2V的电源电压。BUPT总线的体系结构1、单总线结构在微型计算机中只有一种总线，所有部件，包括CPU、存储器、外部设备的接口等，都连接到同一种总线。•优点：简单。增加和减少部件都很容易，便于系统的扩充。•缺点：对于所有的部件都使用相同的传输速度。BUPT总线的体系结构2、双总线结构：系统总线+局部总线将一些需要高速数据传输的外设如网络适配器、GUI图形板、多媒体接口等，直接通过局部总线与CPU相连，使之与高速CPU相匹配。BUPT总线的体系结构3、多总线结构：具有三种以上总线的结构多总线结构可以有多种不同的情况：可以是同一种总线的重复。例如，采用PCI总线的系统，由于直接连接到PCI总线的设备数是有限制的，如果需要连接的设备很多，可以采用多层PCI总线。可以是多种不同类型的总线结合在一个系统里。下图就是既有PCI总线，又有ISA总线的系统。需要不同总线性能的外部设备可以分别连接到PCI总线或者ISA总线。BUPT总线的体系结构BUPT总线的体系结构现代微型计算机都是多总线结构，下图是采用Pentium4处理器的多总线结构：BUPT采用总线结构的优点简化结构，降低成本：部件之间的连接线减少许多、结构简单、成本降低、可靠性也提高了。统一标准，便于制造：采用总线结构，指定总线标准，可以推进计算机部件制造的标准化。只要符合总线标准的产品，不论是哪个厂家生产的，都可以选择使用。扩充灵活，方便使用：外部设备的增加和减少都十分方便，只是一些接口板的插拔。用户可以根据自己的需要，选择使用外部设备。BUPT采用总线结构的缺点部件传输的分时性：任何时刻，只能一个部件向总线发送信息（可以允许多个部件同时接受相同的信息）。不同部件之间的传输只能分时进行。这种总线传输的分时性限制了微型计算机操作的并发性。传输控制的复杂性：总线上的模块的性能差别很大，但都要在统一的时钟控制下工作，如何协调，是必须解决的问题，这就是将要讨论的总线握手。总线的竞争问题：总线上的设备都有可能向总线发送信息，如果几个模块同时发送信息，冲突就会发生，必须解决不同模块对于总线的竞争，避免冲突的发生。这就是将要讨论的总线仲裁。BUPT5.2总线仲裁和握手技术总线仲裁和总线握手是在总线传输过程中的两个主要问题。连接到总线上的设备对于总线的控制能力是不一样的。发起和控制总线数据传输的设备称为总线主设备（如CPU、DMA控制器等）。接受主设备的要求，并在主设备的控制下，接收主设备传送过来的数据（或者把数据传送给主设备）的设备称为总线从设备（如RAM模块）。BUPT总线仲裁总线仲裁的目的是防止因为多个主设备同时传输数据而产生的冲突。当总线上有多个总线主设备并且同时要求控制总线时，须决定将总线控制权交给哪一个主设备。也即裁决哪个主设备可以控制总线。取决于总线类型的不同，总线仲裁的方法可以有多种不同的方法。基本的处理方法，是由总线仲裁器来裁决哪个主设备可以控制总线。有时候，总线仲裁也称为总线判定。BUPT总线仲裁实现方法举例BR：“总线请求”信号；BG：总线仲裁器发出的“总线响应”信号。BB：“总线示忙”信号，当仲裁器把总线控制权交给一个总线主设备后，就发出该“忙”信号，标识总线已经被占用。主设备在请求控制总线前，先测试BB信号，如果“忙”，就推迟请求控制和使用总线。BUPT总线优先级仲裁算法须满足的要求每一时刻只能有一个设备作为总线主控器；先请求者先响应，且在一个总线操作周期之内不被打断；同一时刻有几个设备发出请求时，按优先级排序响应。BUPT总线握手总线上的主设备和从设备在工作速度上可以有较大的差别。如果主设备发送数据的速度快，从设备接收数据的速度慢，就会造成数据的丢失。因此，必须对于总线的数据传输进行控制（通过总线握手的方式实现）。总线握手的基本方式有：同步方式、异步方式和半同步方式。BUPT总线握手-同步方式采用同步传输控制方式的总线称为同步总线。采用同步方式时，发送地址和数据的时间是固定的，总线主、从设备严格按照一定的时序进行数据的读写操作（8088/8086CPU的基本时序就是采用同步传输控制方式：例如总线读周期）。主、从设备在同一时钟的控制下进行传送，一般要求总线的主、从设备的工作速度基本一致。当总线的主、从设备工作速度不一致的时候，系统时钟的速率要按速度低的设备来调整。同步方式的适应能力差，特别是在不同的总线设备具有不同工作速度的时候，不便于使用。BUPT总线握手–异步方式没有统一的时钟，总线主设备和从设备可以具有不同的工作速度。在主、从设备之间增加了一条请求线Req，一条应答线Ack。也即采用请求-应答的握手方式，来进行传输控制。异步方式又可以分为非互锁方式和互锁方式。非互锁方式：首先是主设备发出Req信号，从设备收到后，发出Ack信号，表示应答，然后就开始数据传输。互锁方式：主设备发出Req信号，从设备收到后，发出Ack信号，表示应答；主设备在收到应答Ack后，通过改变Req信号的值，向从设备表示收到应答信号Ack。从设备在收到主设备肯定收到Ack的消息后，停止Ack的发送。等到双方互相确认都已经准备好以后，才开始数据收发过程。异步方式可以适应工作速度差别很大的总线主、从设备的通信，灵活性较高。BUPT总线握手–半同步方式类似于同步方式，有统一的时钟，但是增加了一条WAIT信号线。主设备在接收数据前，先检测WAIT信号线。如果WAIT信号是有效电平，则意味着需要等待，其将继续在下一个时钟周期检测WAIT信号，一直到WAIT信号为无效电平时，才开始正式的数据传输。半同步方式比同步方式增加了灵活性，对于主、从设备工作速度的不一致有一定的适应能力。8088/8086时序中的READY相当于WAIT信号。READY等于高电平表示“准备好”不需要等待。反之，READY信号等低电平时，需要增加等待周期。BUPT5.3常用微机总线一、ISA工业标准总线ISA是工业标准体系结构(IndustrialStandardArchitecture)的缩写.1．8位ISA总线主要用在早期的IBMPC/XT计算机的底板上。常称为IBMPC总线或PC/XT总线。有62条信号线，用双列插槽连接，分A面（元件面）和B面（焊接面),引脚间隔为2.54mm实际上是8088CPU核心电路总线的扩充和重新驱动与最大组态下的8088总线相似BUPT引脚：D0～D7A0～A19ALE:地址锁存允许MEMR:存储器读MEMW:存储器写IOR:I/O读IOW:I/O写I/OCHRDY:I/O通道准备好I/OCHＣＫ:通道检测NMIAEN：地址允许，高有效，由DMAC发出，指示正处于DMA总线周期．AEN用于I/O端口译码器的控制（此时AEN需为低）．…BUPT2．16位ISA总线1984年IBM公司推出286机（AT机）时，将原来8位的ISA总线扩展为16位的ISA总线，它保持原来8位ISA总线的62个引脚信号，以便原先的8位ISA总线适配器板可以插在AT机的插槽上。同时为使数据总线扩展到16位，地址总线扩展到24位，而增加一个延伸的36引脚插槽.5.3常用微机总线BUPT在16位ISA总线中，新增加的信号:地址线高位A20~A23，使原来的1M字节的寻址范围扩大到16M字节高位数据线D8~D15。增加了IRQ10~IRQ15中断请求输入信号…许多制造商纷纷开发这种基于16位ISA总线的兼容机，因而形成当时的工业标准体系结构ISA。16位ISA总线能实现1６位数据传送，寻址能力达16MB，工作频率为8MHz。数据传输率最高可达8MB/s。5.3常用微机总线BUPT3．MCA微通道结构总线（也称为PS/2总线）随着80386CPU的推出，为了解决低性能总线与高性能CPU之间的矛盾，IBM公司率先在他们设计的一台386微机上，设计了一种完全不同于ISA总线的微通道体系结构，即MCA总线体系结构，并且其与ISA总线不相兼容。MCA分为16位和32位两种。16位的MCA总线与ISA总线处理能力基本相同，只是在总线上增加了一些辅助扩展功能而已。而32位MCA则是一种全新的系统总线结构，它支持186针插接器的适配器板，系统总线上的数据宽度为32位，可同时传送4字节数据。有32位地址线，提供4GB的内存寻址能力。此外，MCA还提供一些ISA总线所没有的功能，如地址线均匀分布而减少电磁干扰等。5.3常用微机总线BUPT二、EISA总线1988年9月COMPAQ公司联合HP，AST，AT&T，TANDY，NEC等9家计算机公司，宣布研制一种新的总线标准，这种总线不仅具有MCA的功能，而且与ISA结构完全兼容。EISA总线出现在32位微机中，具有32位的数据线，支持8位、16位或32位的数据存取，支持数据突发式传输；地址线支持32位寻址，可寻址4GB存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。EISA总线的数据传输速率可达33MB/s。5.3常用微机总线BUPT三、VESAVL总线（局部总线）局部总线仅仅属于一个子系统，在局部总线上挂有局部存储器和局部的I/O接口，而系统总线上挂有全局的公共存储器和公共的I/O接口。这样可把很大一部分数据传输通过局部总线来完成，减轻了系统总线的负担。5.3常用微机总线B