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2020/4/18计算机接口技术1第2章总线技术本章主要内容总线的组成和作用、性能参数、标准总线传输操作过程现代微机系统总线新技术ISA总线PCI总线2.1总线的作用与组成2020/4/18计算机接口技术2微机体系结构的重要组成部分系统中传递各类信息的通道系统中各模块间的物理连接数据总线地址总线控制总线电源线和地线作用组成2.2总线的性能参数2020/4/18计算机接口技术3反映总线工作速率数据总线的位数总线上可传输的数据总量总线传输率＝（总线宽度÷8位）×总线频率同步和异步2020/4/18计算机接口技术4地址线和数据线能共用一条物理线，如PCI一般采用“可连接的扩增电路板的数量”来表示数据线、控制线和地址线的总和如传输方式、设备配置方式、中断分配和仲裁方式等2.3总线传输操作过程总线传输是指在主控器（如CPU、DMAC等）控制下通过各级总线进行的信息传送（数据读写）操作。总线完成一次数据传输操作，一般经过四个阶段。2020/4/18计算机接口技术51.申请与仲裁阶段2.寻址阶段3.传输阶段4.结束阶段2.4总线标准与总线插槽总线标准是指微机系统的各成员之间利用总线进行信息传输时应遵守的协议和规范。包括信号线定义、电气特性、机械特性、插头/插座等一系列规定。有内总线与外总线之分。内部总线标准：如ISA、EISA、PCI-X、PCIE等外部总线标准：如RS-232C、RS-485、USB、SPI、IEEE-488、GPIB/VXI等2020/4/18计算机接口技术6总线插槽是将总线的每根信号线都分配一个总线引脚，并按一定的顺序排列做成一个个插槽，把这种插槽叫做系统总线插槽。如图2.1所示的PCI总线的标准插槽。2020/4/18计算机接口技术7图2.1PCI总线标准插槽2.5现代微机系统总线的新技术1.多总线技术在一个微机系统中同时存在几种性能不同的总线，并按其性能的高低分层次构成总线系统的技术多总线技术大大增强了系统的兼容性。2.总线结构层次化技术将总线按性能高低分层组织，主要有三个层次。总线结构层次化技术直接促成接口分层次概念2020/4/18计算机接口技术8提供系统的数据、地址，控制命令等，速度最快提供高速外设与CPU间的数据通路提供系统与一般速度或慢速设备的连接现代微机系统的多总线的层次化结构如图2.2所示。2020/4/18计算机接口技术9图2.2总线的层次化结构2020/4/18计算机接口技术103．总线桥（1）总线桥的概念总线桥是不同总线之间的转换器和控制器。桥的内部包含有一些相当复杂的兼容协议及总线信号和数据的缓冲电路，以便把一条总线映射到另一条总线上。实现“即插即用”的配置空间也放在桥内。桥与I/0设备接口之不同，一是所连接的对象不一样，二是传递信息的方法不同。桥是间接传递信息，桥两端的信息是一种映射的关系，因此可动态改变。接口是直接传递信息，接口两端的信息通过硬件直接传递信息，是一种固定的关系。实现桥两端信息映射关系的是桥内的配置空间，它既不是I/O空间，也不是存储器空间，而是专门用于为两种总线之间进行资源动态配置的特殊地址空间，正是由于这种资源的可动态分配，才使现代微机的即插即用技术得以实现。（2）PCI总线芯片组实现这些总线桥功能的是一组大规模集成专用电路，称为PCI总线芯片组或PCI总线组件。4.多级总线结构中，设备与总线的连接2020/4/18计算机接口技术11低速IO设备，扩展存储器与本地总线（ISA）连接高速外设通过其内部的总线桥直接挂在PCI总线上高速主存储器通过自身的总线桥直接连到Host桥多级总线结构中设备与总线的连接如图2.3所示2020/4/18计算机接口技术12图2.3现代微机多级总线与各类外设接口的连接2.6ISA总线2.6.1ISA总线在多总线结构中的作用早期ISA总线作为16位微机系统的系统总线，现代微机系统中作为本地或用户总线。PCI高速总线出现后ISA总线作为用户总线连接一些低速设备。在现代微机系统中，ISA总线还在使用，只是不用做系统总线了，而用于低速设备，处在总线层次结构中的最底层。2020/4/18计算机接口技术132.6.2ISA总线的信号线和插槽ISA总线标准共有98根信号线，分别是地址线、数据线、控制线、时钟和电源线。主要信号线定义如表2.1所示。2020/4/18计算机接口技术14信号线名称功能定义SA0～SA19(出)地址线，传输20位地址SD0～SD15(双向)数据线传输16位数据AEN(出)地址允许AEN=1DMA传输；AEN=0，非DMA传输IOR(出)I/O读命令IOW(出)I/O写命令SMEMR(出)存储器读命令SMEMW(出)存储器写命令表2.1ISA总线主要信号线定义接上表2020/4/18计算机接口技术15信号线名称功能定义MEMCS16(出)16位存储器片选信号I/OCS16(出)16位I/O设备片选信号SBHE(出)总线高字节允许信号IRQ2～IRQ7(入)INTR中断请求线，连到主中断控制器IRQ10～IRQ15(入)INTR中断请求线，连到从中断控制器DRQ1～DRQ3(入)DMA请求线,连到主DMA控制器DRQ5～DRQ7(入)DMA请求线,连到从DMA控制器DACK1~DACK3(出)主DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期DACK5~DACK7(出)从DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期MASTER(入)请求占用总线，由有主控能力的I/O设备卡驱动接上表2020/4/18计算机接口技术16信号线名称功能定义RSTDRV(出)系统复位信号,复位和初始化接口和I/O设备I/OCHCK(出)I/O通道检查信号，当I/O奇偶校验错时，产生NMI中断I/OCHRDY(入)I/O通道就绪信号，当该信号变低，请求插入等待状态周期OWS(入)零等待状态信号，该信号为低电平时，无需插入等待周期OSC/CLK(入)时钟±12V、±5V(入)电源ISA总线引脚插槽分布如图2.4所示。2020/4/18计算机接口技术172.6.3ISA总线的特点及应用1.ISA总线的特点2020/4/18计算机接口技术18特点支持16MB存储器地址的寻址能力和64KBI/O端口地址的访问能力支持8位和16位数据读/写能力支持15级外部硬件中断处理和7级DMA传输能力支持8/16I/O、存储器读/写周期，中断周期和DMA周期2.ISA总线的应用I/O设备接口与ISA总线的连接如图2.5所示。2020/4/18计算机接口技术19图2.5ISA（用户）总线与I/O设备接口的连接使用ISA总线需要注意的问题2020/4/18计算机接口技术20确定实际使用的总线数目总线的隔离与驱动对一些有特殊要求的总线的使用2.7PCI总线PCI(PeripheralComponentInterconnect)的含义是外围器件互连。随着PCI总线技术的不断发展,继PCI总线之后又有PCI-X总线和PCIExpres总线。2020/4/18计算机接口技术21计算机接口技术21采用分离事物处理方式，大幅度地提高了总线的利用率。PCIExpres总线基于串行差动传输、高带宽、点对点的总线技术，适用于高速设备。PCI-X总线2.7.1PCI总线的主要特点：2020/4/18计算机接口技术22特点独立于微处理器多总线共存支持突发传输支持即插即用支持三类地址空间访问2.7.2PCI总线的信号线PCI主设备和从(目标)设备：取得了总线控制权的设备称为主设备。被主设备选中进行数据交换的设备称为从(目标)设备。必须信号线和可选信号线：对于必须信号线，主设备有49条，从设备有47条。对于可选信号线，有51条，主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等。2020/4/18计算机接口技术23PCI总线信号线如图2.6所示：2020/4/18计算机接口技术24图2.6PCI总线信号线1.地址和数据信号地址期当FRAME#有效时的第1个时钟，AD[31∷00]上传输的是地址信号。数据期当IRDY#和TRDY#同时有效时，AD[31∷00]上传输的为数据信号。在地址期，这4条线上传输的是总线命令（代码）。在数据期，它们传输的是字节允许信号，用来指定在整个数据期中，AD[31∷00]上哪些字节为有效数据。2020/4/18计算机接口技术25AD[31∷00]地址和数据复用的输入/输出信号，分为地址期和数据期C/BE#[03∷00]总线命令和字节允许复用信号2.接口控制信号2020/4/18计算机接口技术26FRAME#帧周期信号，由当前主设备驱动,表示一次传输的开始和持续。IRDY#主设备准备好信号TRDY#从设备准备好信号IDSELIN初始化设备选择信号DEVSEL#设备选择信号3.仲裁信号2020/4/18计算机接口技术27REQ#总线占用请求信号。GNT#总线占用允许信号4.中断信号2020/4/18计算机接口技术28PCI有4条中断线，分别是INTA#、INTB#、INTC#、INTD#。中断申请触发方式，电平触发，低电平有效。中断线使用，单功能设备只有一条中断线，并且只能使用INTA#，多功能设备最多可以使用4条中断线。5PCI总线命令PCI总线命令由获得总线控制权的主设备发出，确定主从设备之间进行数据传输的类型。地址周期在C/BE[3:0]上。1.中断响应命令是一个读命令，让PCI运行一个中断响应周期；2.特殊周期命令是发送广播命令；3.I/O读写命令是总线从一个I/O地址空间读写数据的命令。┉┉┉6PCI总线协议•PCI总线既支持单存储周期的传送方式，也支持成组的传送方式。单存储周期：2个时钟周期对数据字进行读/写操作；成组的传送方式：一个地址周期和多个数据周期，即第一个时钟周期提供地址信息，后续每个时钟周期内访问的都是数据信息。•PCI总线数据传输使用的3个控制信号。（1）FRAME#:主设备驱动，数据传输周期的开始和结束。（2）IRDY#:主设备驱动，主设备已经做好数据传输的准备。（3）TRDY#:从设备驱动，从设备已经做好数据传输的准备。注意：数据有效时，数据源设备必须无条件设置IRDY#（写操作有主设备）和TRDY#（读操作有从设备）信号，接收方适当时候发出相应准备好的信号。FRAME#信号有效后第一个时钟周期是地址周期，传送的是地址信息和总线命令，下一个时钟周期开始时一个或多个数据传输周期。IRDY#和TRDY#同时有效时就是主从设备进行数据传输，这个期间主从设备通过设置IRDY#和TRDY#的无效来插入等待周期。只要数据传送开始，当前的数据期结束之前，主从设备都不能撤销命令，而且必须完成本次数据传输。进行最后一次数据传输时，主设备应撤销FRAME#信号，表示主设备已经做好最后一次数据传输的准备，等从设备发出TRDY#信号后，进行最后一次数据传输后，FRAME#和IRDY#均被撤销，总线开始等待。PCI总线的传输控制遵循的管理规则:主设备：FRAME#和IRDY#定义了总线的忙/闲状态。从设备：TRDY#（读）从设备准备好与否。01等待10最后一个数据00数据11空闲(1)FRAME#和IRDY#信号决定了总线的忙与闲，其中之一有效就是忙；(2)一旦FRAME#信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置。(3)除非设置IRDY#信号，一般情况下不能设置FRAME#信号无效，只有在IRDY#有效的前提下才可以设置撤除FRAME#信号。(4)一旦主设备设置了IRDY#信号，直到当前数据期结束为止，主设备一般不能改变IRDY#信号和FRAME#信号的状态。(5)完成最后一个数据周期后，主设备必须使得IRDY#无效7设备选择注意:DEVSEL#由从设备驱动,可在第1个时钟之后的2,3个时钟周期处有效。一旦有效,必须维持到最后一个数据期完成后才能撤除。所以DEVSEL#与TRDY#同时撤销一个设备是否被选中有DEVSEL#的状态来标识8PCI总线数据传输过程交换期从设备提供8最后读4读数据6读数据等待等待等待（1）总线上的读操作8最后5,6,7等待3,4写数据（