2章计算机总线

2020/1/29计算机控制技术1第二章计算机总线技术BusTechnologyofComputer2020/1/29计算机控制技术2计算机及总线2020/1/29计算机控制技术33.1总线的基本概念3.2常用内部总线3.4现场总线3.3常用外部总线本章主要内容STD、ISA、PCI、AGP…IEEE488、RS232、USB…PROFIBUS、FF、HART…总线分类、性能指标、标准、控制…2020/1/29计算机控制技术43.1总线的基本概念•总线的分类•总线的主要性能指标•总线的标准与规范•总线控制与总线传输2020/1/29计算机控制技术53.1总线的基本概念•总线的定义–总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信。•总线的特点–规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性–为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路–采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性2020/1/29计算机控制技术63.1总线的基本概念----总线的分类•按总线内部信息传输性质：–数据总线(DataBus):用于传送数据信息–地址总线(AddressBus):用于传送地址信息–控制总线(ControlBus):用于传递控制信息–电源总线(PowerBus):用于向系统提供电源2020/1/29计算机控制技术73.1总线的基本概念----总线的分类数据总线是双向三态总线，数据总线位数是计算机的重要指标，通常与微处理器字长一致，决定设备能并行传输的数据量大小。地址总线是单向三态总线，只能从CPU传向I/O端口或存储器，地址总线位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，注意IO设备与内存的独立编址和统一编址。控制总线包括控制、时序和中断信号线，单双向都有，对总线性能起关键作用。2020/1/29计算机控制技术83.1总线的基本概念----总线的分类•按总线在系统结构中的层次位置：–片内总线(On-ChipBUS)集成电路内部，用来连接各功能单元的信息通路如CPU芯片内部连接ALU、寄存器、控制器等部件的信息通路–内部总线（InternalBus)用于计算机内部模块（板）之间通信如主板上连接CPU、存储器、I/O接口等各种芯片的信息通路包括STD、ISA、MCA、PCI、PCI-Express等–外部总线（ExternalBus)用于计算机之间或计算机与外部设备之间通信包括IEEE488、RS232、RS485、USB等2020/1/29计算机控制技术93.1总线的基本概念----总线的分类计算机总线层次结构图片内总线计算机内部2020/1/29计算机控制技术10PC总线的发展历程XT总线以8088/8086为CPU的IBM/XT机ISA总线以80286为CPU的IBM/AT机MCA总线以80386为CPU的计算机EISA总线以80486为CPU的计算机PCI-Express总线PCI总线奔腾系列计算机2020/1/29计算机控制技术113.1总线的基本概念----总线的分类•按总线数据传输方式：–并行总线(ParallelBUS)每个信号都有自己的信号线传输速度快、接口简单使用电缆线数多–串行总线（SerialBus)多个信号复用少量信号线电缆线数少，便于远距离传播信号传输慢，接口复杂2020/1/29计算机控制技术123.1总线的基本概念----总线的性能指标•总线频率：–即总线工作时钟频率，单位为MHz–是影响总线传输速率的重要因素之一•总线宽度：–总线可同时传输的数据位数，单位为bit（位）–总线宽度越大，在同一时刻就能够传输更多数据•总线带宽：–即总线传输率，表示在总线上每秒传输字节多少，单位是MB/S–总线带宽(MB/s)=1/8×总线宽度×总线频率2020/1/29计算机控制技术133.1总线的基本概念----总线的性能指标•同步方式：–分为同步方式和异步方式–同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的，严格按照系统时钟来进行模块间的传输操作–异步方式通过握手实现•总线控制方式：–传输方式、仲裁方式、中断分配、设备自动配置等•总线复用：–通常数据总线和地址总线是物理上分开的–为提高利用率，可以将总线分时复用2020/1/29计算机控制技术14几种微型计算机总线性能参数名称ISAEISASTDMCAPCI适用机型80286,386,486系列机386,486,586IBM系列机Z-80，IBM-PC系列机IBM个人机与工作站586个人机,PowerPC,Alpha工作站最大传输率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s总线宽度8/16位32位8/16位32位32位总线频率8MHz8.33MHz2MHz10MHz20～33MHz同步方式半同步同步同步异步同步地址宽度2432243232/64负载能力86无限制无限制3信号线数981435610912064位扩展不可无规定不可可可2020/1/29计算机控制技术153.1总线的基本概念----总线的标准与规范•总线标准：–所谓总线标准就是对总线的插座尺寸、引线数目、信号和时序所作的统一规定•总线标准主要包括以下几方面的特性：–机械特性：规定模板尺寸、插头、连接器的形状、尺寸等规格位置–电气特性：规定信号的逻辑电平、最大额定负载能力、信号传递方向及电源电压等–功能特性：规定每个引脚名称、功能、时序及协议–时间特性：规定总线中任一根线在什么时间内有效2020/1/29计算机控制技术163.1总线的基本概念----总线的标准与规范•总线的模板化结构：–按功能划分计算机的各个部件，并按总线标准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等•总线模板化结构的优点：–增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性–为系统的维修提供了方便2020/1/29计算机控制技术173.1总线的基本概念----总线控制与总线传输•总线控制：–设备按有无控制功能可分为主设备和从设备–主设备对设备有控制权，从设备只能接收数据–只有获得总线使用权的主设备才能传送数据–总线可能同时有多个设备申请占用总线，为保证某一时刻只有一个设备获得总线使用权，需设置设备优先级2020/1/29计算机控制技术183.1总线的基本概念----总线控制与总线传输•总线传输：–总线上的数据在主模块的控制下进行传送–总线在完成一次传输周期时，一般可分为四个阶段2寻址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流入目的模块主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权1申请分配阶段需要使用总线的主模块提出申请，经总线仲裁机构决定在下一传输周期是否能获得总线使用权取得使用权的主模块通过总线发出打算访问的从模块存储地址或设备地址及有关命令，启动参与传输的从模块3数据传输阶段4结束阶段2020/1/29计算机控制技术193.2内部总线•STD总线•PC系列总线本节主要内容2020/1/29计算机控制技术201978年美国PRO-LOG公司推出的一种工业标准微型计算机总线，STD是STANDARD缩写1987年，被定名为IEEE961，1989年开发出STD32STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址16M空间的16位总线3.2.1STD总线•STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构,尺寸为165×114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构兼容式总线结构，拥有丰富的I/O功能，广泛适用于工业控制小模板结构，模板尺寸小,可减少冲击和震动的影响2020/1/29计算机控制技术2156根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五类(1)逻辑电源线6根(引线1～6)(2)数据总线8根(引线7～14)(3)地址总线16根(引线15～30)(4)控制总线22根(引线31～52)(5)辅助电源线4根(引线53～56)•STD总线的信号分配2020/1/29计算机控制技术222020/1/29计算机控制技术232020/1/29计算机控制技术24总线低位地址A0～A12直接连接到各存储器芯片存储器译码器A13-A15A0-A12MEMRQWRRDMEMEXD0-D7STD总线与存储器的连接•STD总线与存储器连接方法–高位地址A13～A15用来选片（可选64K基本存储器，通过扩展，可增至128K）2020/1/29计算机控制技术25地址码的低位字节连接到总线译码器,形成6根选板信号和2根选口信号,选通I/O端口工作IO板卡译码器A5-A7A0-A1WRRDIOEXPD0-D7STD总线与IO板的连接译码器译码器A2-A4选板信号选口信号选板信号•STD总线与I/O的连接方法–（可选256个口，扩展后可增至512个口）2020/1/29计算机控制技术26ISA总线MCA：微通道体系结构EISA总线PCI局部总线3.3.2PC系列总线2020/1/29计算机控制技术27最早的PC总线-----S1001975年，一家位于美国新墨西哥镇，名为MITS的公司，由EdRoberts以8080微处理器设计安装了全球第一台PC-Altair单板机系统。正如世界上许多重大发明人们在其必然性之后总是谈论其偶然性一样，PC总线的出现也有偶然性：这个全球第一台PC不幸在运输中丢失，Roberts只好重新开始设计，正是他利用了面向总线技术，较快回忆起并重新做出Altair，在其结构中，制成了全球第一条PC扩展总线，当把Altair总线推向世界并被制造商接受后，便有了一个名字：S100，后来基于S100型总线得到了IEEE认可，被命名为IEEE696总线标准。1981年，IBM公司推出PC／XT总线3.3.2PC系列总线2020/1/29计算机控制技术28PC系列总线的发展2020/1/29计算机控制技术29技嘉965P-DS3CPU种类：Core2Extreme/赛扬D/奔腾4/Core2Duo/PentiumD总线频率：FSB1333MHz显卡插槽：PCI-E16XPCI插槽：3条PCI插槽,3条PCI-E1X硬盘插槽：IDE1个，SATAII2个2020/1/29计算机控制技术30从1982年以后，逐步确立的IBM公司工业标准体系结构，简称ISA（IndustryStandardArchitecture）总线，有时也称为PC／AT总线问世较早，是8位、16位数据传输总线的工业标准最高传输速率8Mbps寻址空间为16MB将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器•ISA总线2020/1/29计算机控制技术312020/1/29计算机控制技术32一块基于ISA总线的声卡2020/1/29计算机控制技术33–强大的CPU处理能力与低性能系统总线形成瓶颈–1987年，IBM在推出386时提出–数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力–数据传输速率33Mbps–配有总线仲裁机构，可支持16个总线主控制器–在电气及物理上与ISA不兼容，不支持ISA外设–IBM没有公布标准•MCA总线（MicroChannelArchitechure）2020/1/29计算机控制技术34–1989年，康柏公司等9家公司联合推出–32位数据总线，支持32位地址通路–数据传输速率为33Mbit/s–总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器–与ISA兼容，支持多个主模块–可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换–支持多总线主控模块–扩展卡的安装十分容易，可根据配置文件自动配置系统和扩展板•EISA总线（ExtensionIndustryStandardArchitecture）2020/1/29计算机控制技术35–EISA并没有重复ISA的辉煌，它的成本过高，且速度潜力有限；另外在还没有来得及成为正式工业标准的时候，更先进