第5章 微机系统总线技术

普通高等教育“十一五”国家级规划教材（高职高专教育）微机原理（第四版）米昶孙杰苑伟编著大连理工大学出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）第5章微机系统总线技术（目录）5.1概述5.1.1总线技术简介5.1.2总线的分类5.1.3总线的主要参数5.1.4总线操作与通信协议5.1.5总线的标准化5.2微机系统内部总线及接口标准5.2.1ISA5.2.2EISA5.2.3PCI总线5.2.4AGP5.2.5PCIExpress（PCI-E）普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）第5章微机系统总线技术（目录）5.3微机系统外部总线及接口标准5.3.1RS-2325.3.2通用串行总线USB5.3.3高性能串行总线IEEE1394本章小结习题普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）第5章微机系统总线技术5.1概述5.1.1总线技术简介总线是一种数据通道，是计算机中两个或两个以上的模块(部件或子系统)之间相互连接与通信的公共通路。总线不仅仅是一组传输线，还包括一整套管理数据传输的规则(协议)。在计算机系统中，总线可以看成一种具有独立功能的组成部件。微型计算机系统采用总线结构主要有以下优点:简化系统结构简化硬件、软件的设计方便系统功能扩充或性能更新普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.1总线技术简介根据工作特征，总线通常由一组信号线组成，构成总线的主要信号线有：数据线：用于传送数据信息，其数目的多少决定了一次能够传送数据的位数。地址线：用于传送地址信息，其数目的多少决定了系统能够直接寻址的地址范围。控制、时序和中断信号线：这一类信号线决定了总线功能的强弱以及适应性的好坏。性能良好的总线应该是控制功能强、时序简单、使用方便。电源线和地线：这一类线决定了电源的种类及地线的分布和用法。备用线：这一类线是厂商和用户作为性能扩充或作为特殊要求预留或使用的。这些总线信号有三种可能的输出状态：逻辑0、逻辑1及高阻状态。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.2总线的分类按照使用范围、功能来分，总线可分为以下几种类型：1.片内总线片内总线是指位于集成电路芯片内部的总线。2.片总线片总线也称元件级总线或局部总线，是各种板、卡上的芯片与芯片之间连接的总线，是为芯片提供的标准信息接口。3.内总线内总线又称为系统总线或板级总线，即通常所说的微型计算机总线，是微型计算机内最重要的总线。比如PC总线、ISA总线、PCI总线等等。4.外总线外总线也称为通信总线，用于系统间的连接与通信。外总线不属于某个微型计算机特有，是微型计算机应用系统中才涉及的一种总线。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.2总线的分类微型计算机中各类总线的位置与相互关系如图5.1所示。它一般由三部分构成：数据总线、地址总线和控制总线图5.1微型计算机系统中的各类总线关系普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.3总线的主要参数总线的性能指标有如下几方面：总线宽度指数据总线一次能同时传送的数据位数，用位(bit)表示。总线宽度一般以字节的倍数为单位，如8位、16位、32位、64位等。总线带宽(标准传输速率)指在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传输数据量来表示。总线的数据传输率的计算公式是：总线的数据传输速率=(总线宽度÷8位)×总线频率，单位是MB/s。如PCI总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为32位，其数据传输率为133MB/s。总线的工作时钟频率指总线的工作频率，以MHz为单位。总线工作频率越高，工作速度越快，总线带宽就越宽。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.4总线操作与通信协议1、总线操作微型计算机系统中的各种操作，包括从CPU把数据写入存储器、从存储器把数据读到CPU、从CPU把数据写入端口、从输入端口把数据读到CPU、CPU中断操作等，其本质都是通过总线来实现的，这些通过总线进行的信息交换统称为总线操作。一个总线操作周期，一般分为四个阶段：总线请求和仲裁阶段寻址阶段数据传输阶段结束阶段普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.4总线操作与通信协议2、总线仲裁连接到总线上的模块按照对总线的控制能力可分为：总线主设备和总线从设备。总线主设备是具有控制总线能力的模块，通常是CPU或者以CPU为中心的逻辑模块；总线从设备是能够对总线上的数据请求做出响应，但本身不具备总线控制能力的模块。总线控制的方法通常有以下三种：①是在总线上设置令牌，以避免出现总线争用的情况。②是采用CSMA/CD(具有冲突检测的载波侦听多路访问)技术来解决总线争用问题，即允许出现总线冲突，每个主设备只要检测到总线空闲就可以使用总线进行数据传输。③是介于前两种方法之间，即允许出现总线争用，不允许总线冲突，也就是说同时申请总线的主设备可以多于一个，但获得使用总线的主设备却只有一个，这是应用最广泛的总线仲裁的方法。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.4总线操作与通信协议按照对各主模块优先权的仲裁确定方式不同，常用的总线仲裁方法有：串行仲裁、并行仲裁。⑴串行仲裁图5.2给出了该仲裁方法的原理示意图，串行仲裁一般需要三根控制线，它们是：①BS：总线忙信号，有效时表示总线正在被某一主模块占用。②BR：总线请求，有效时表示总线至少有一个主模块请求使用总线。③BG：总线响应(允许)，有效时表示总线控制部件当前正在响应某个主模块的总线请求。图5.2串行总线仲裁示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.4总线操作与通信协议⑵并行仲裁并行仲裁适用于多个主模块的系统。图5.3给出了该仲裁方法的原理示意图。在并行仲裁方法中，每个主模块各有自己独立的总线请求线BRi和总线响应信号线BGi，它们分别与总线仲裁器相连，模块之间没有任何控制关系。图5.3并行总线仲裁示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.4总线操作与通信协议3、总线通信协议⑴同步总线协议这是最简单易行的一种握手技术。它的控制源只有一个时钟振荡器，时钟脉冲的前沿和后沿分别指明一个总线操作周期的开始和结束。总线上的所有模块都是在同一时钟源的控制下步调一致地工作，从而实现整个系统工作的同步。在同步总线协议中，由于采用了公共时钟，每个模块什么时候发运或接收信息都有统一的时钟规定，通信时不需要附加时间标志或应答。所以，同步总线协议具有较高的传输速率。⑵异步总线协议异步总线协议允许总线上的模块有各自的时钟，在模块之间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信息时同时发出该部件的时间标志信号或由应答方式来进行。异步总线协议多采用应用最广、也最可靠的全互锁异步协议。所谓“全互锁”，就是总线上的主控器和受控器完全采用一问一答的方式工作。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.5总线的标准化总线是计算机系统模块化的产物，为了获得广泛的法规支持和生产厂商的响应，对总线有这样一些要求：支持众多的性能不同的模块。支持批量生产，并要质量稳定、价格低廉。要可替换、可组合。这就要求解决总线的标准化问题，使用标准总线。标准总线的种类很多，如在PC机中有ISA总线、EISA总线，MCA总线、PCI总线等。与其他计算机标准一样，总线标准的形成有3种途径：⑴先由厂商推出一种总线，在推广中逐步被公认，形成事实上的总线标准或称工业标准。如IBM的PC总线、DEC的UniBus和QBus。⑵先作为一项专利提出，然后经专家评价和修改，进而纳入国家或国际标准。如英特尔公司的MultiBus、S-100总线等，⑶在国家或国际标准化组织的主持下，由专家小组进行开发和制定。如FutureBus，FastBus等。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.1.5总线的标准化每个总线标准都必须有具体和明确的规范说明，最常见的有以下几个方面的技术规范或特性：⑴物理特性指总线物理连接的方式，包括总线的根数、总线的插头和插座的具体形状以及引脚的排列等。⑵功能特性指总线中每一根信号线的名称及功能定义。⑶电气特性规定总线信号的逻辑电平、传递方向、噪声容限以及负载能力等。⑷时间特性对各总线信号的动作过程和时序关系进行说明。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.2微机系统内部总线及接口标准5.2.1ISA为了充分地发挥80286CPU的优良性能，同时又要最大限度地与PC/AT总线兼容，ISA总线在原XT总线的基础上，将数据总线扩展为16位，地址总线扩展为24位，将中断的数目从8个扩充到15个，并提供了中断共享功能，DMA通道也由4个扩充到8个。ISA总线的插槽由两部分组成以实现8位、16位兼容，见图5.5。图5.5微型计算机主板上的ISA插槽普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.2.2EISACompaq、HP、AST、Epson、NEC等9家公司联合推出了一种与ISA兼容的总线标准，称为增强的工业标准体系结构EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）。EISA总线的主要特点是：总线时钟保持为8MHz，最大数据传输速率可达33MB/s（ISA为16MHz）；支持新一代智能总线主控技术，使外设控制卡可以控制系统总线；可以实现32位内存寻址，实现对CPU、DMA和总线控制器的32位数据传送，支持猝发式传输访问；支持电子触发中断方式、多CPU和自动配置等。EISA总线与ISA总线保持向下兼容，其插槽与ISA插槽的物理尺寸完全一致，ISA标准插卡能直接插入EISA总线插槽内。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.2.3PCI总线PCI总线(PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线)，是于1991年，由Intel公司首先提出，并由PCISIG(SpecialInterestGroup，PCI特殊兴趣工作小组)发展和推广的一种总线。该组织1992年6月推出了PCI1.0版；在1993年5月发布了PCI2.0；1995年6月又发布了支持64位数据通道、66MHz工作频率的PCI2.1；1999年发布了PCI2.2；2002年发布了PCI2.3。PCI总线具有独特的设计思想和优异的性能：PCI总线是一种中间性的总线，既相对独立于CPU，又与主内存相连。PCI总线的即插即用功能PCI总线上的设备可以取得总线的控制权，直接传输数据。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.2.3PCI总线PCI是位于CPU的局部总线与标准扩展总线之间的一种总线结构，其结构如图5.6所示。图中给出的是一个由CPU总线、PCI总线及ISA总线组成的三层总线结构。PCI总线/ISA总线桥（南桥）PCI图形适配器PCI网卡PCI硬盘控制器PCI总线ISA总线ISA卡…………ISA卡CPU存储器CPU总线CPU总线/PCI总线桥（北桥）图5.6PCI总线结构普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.2.3PCI总线概括地说，PCI总线有如下几方面突出的特点：高性能兼容性好且易于扩展支持“即插即用”低成本规范严格PCI总线上的设备类型：主控（Initiator）在PCI总线系统中，如果总线上的设备取得了总线的控制权就称其为“主控”或“主设备”或总线“主控设备”。目标（Target）在PCI总线上被主控选中（寻址）以进行通信的设备称为“目标”、“从设备”或“目标设备”。普通高等教育“十一五”国家级规划教材微机原理（第四版）5.2.3PCI总线完整的PCI总线标准共定义了100条信号线。PCI总线的定义和分类如图5.7所示。各组引脚功能如下：系统信号地址和数据信号接口控制信号总线仲裁信号错误报告信号中断信号其它可选信号PCI总线