微型計算機原理及應(yīng)用課件：第11章 總線技術(shù)

1、第11章 總線技術(shù)概述11.1ISA總線11.2EISA總線11.3其他總線11.411.1 概述總線：在模塊之間或者設(shè)備之間傳送信息、相互通信的一組公用信號線的集合，是系統(tǒng)在主控設(shè)備的控制下，將發(fā)送設(shè)備發(fā)出的信息準確地傳送給某個接收設(shè)備的信號載體或公共通路?？偩€的特點：公用性分時性總線規(guī)范11.1.1總線的分類11.1.2總線數(shù)據(jù)傳輸11.1.3公用性總線可以同時掛接多個模塊或設(shè)備?？偩€是構(gòu)成微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)的重要技術(shù)，總線設(shè)計的優(yōu)劣會直接影響整個微機系統(tǒng)的性能、可靠性和可擴展性。由于總線公用性的特點，它的應(yīng)用廣泛，必須解決物理連接技術(shù)和信號連接技術(shù)。物理連接包括電纜選擇與連接、用于緩沖的

2、驅(qū)動器、接收器的選擇與連接，還包括傳輸線的屏蔽、接地和抗干擾等技術(shù)。信號連接包括基本信號相互間的時序匹配和總線握手邏輯控制問題。分時性在同一時刻，總線上只能允許一對功能部件或設(shè)備進行信息交換。當有多個功能部件或設(shè)備都要使用總線進行信息傳輸時，只能采用分時使用總線的方式。系統(tǒng)中必須設(shè)置對總線的使用權(quán)進行仲裁管理的機構(gòu)，包括總線判決和中斷控制技術(shù)。11.1.1 總線規(guī)范(l)機械結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定模塊尺寸、總線的根數(shù)，總線插頭、插座形狀、引腳的排列等。(2)功能結(jié)構(gòu)規(guī)范確定引腳名稱與功能，以及其相互作用的協(xié)議。功能結(jié)構(gòu)規(guī)范是總線的核心，包括數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制邏輯線、時鐘線和電源線、地線以及總線主控

3、仲裁、握手聯(lián)絡(luò)等。 (3)電氣規(guī)范規(guī)定每一根線上的傳送方向、信號邏輯電平、負載能力、動態(tài)轉(zhuǎn)換時間等。不同的總線上代表邏輯信號的電平可能不同。對于距離不長的總線一般采用TTL兼容的電平。而對于距離較長的總線，為了信號傳輸時的衰減，并提高抗干擾的能力，常采用正負電平表示不同的邏輯信號，且可以用較高的電壓。用戶在擴展系統(tǒng)時，應(yīng)考慮總線總的負載能力，以及現(xiàn)有的實際負載，然后確定是否允許擴展。 11.1.2 總線的分類按總線所在位置分類1按信息傳送形式分類2按傳送信息的內(nèi)容分類31.按總線所在位置分類1)片內(nèi)總線片內(nèi)總線在集成電路芯片內(nèi)部，用來連按各功能單元的信息通路，例如CPU芯片的內(nèi)部，用于算術(shù)邏輯

4、單元ALU與各種寄存器或其它功能單元之間的連接。2)片總線又稱元件級總線或局部總線，它是用于各芯片之間連接的總線，是微機系統(tǒng)內(nèi)的重要總線。接口芯片與CPU芯片連接時就涉及到這樣的總線。它一般是CPU芯片引腳的延伸，往往需要增加鎖存、驅(qū)動等電路，以提高CPU引腳的驅(qū)動能力。3)內(nèi)總線又稱為微型計算機總線或板總線，一般稱為系統(tǒng)總線。它用于微機系統(tǒng)各插件板之間的連接，是微機系統(tǒng)的最重要的一種總線。4)外總線又稱通信總線。它用于微機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，微機系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的通信通道。這種總線數(shù)據(jù)傳輸方式可以是并行的(如打印機)或串行的。數(shù)據(jù)傳輸速率比片內(nèi)總線低。2.按信息傳送形式分類1)并行總線在微機系

5、統(tǒng)中，所傳送的信息一般都是由多位二進制碼表示的，傳送這些信息時，可以讓它的每一位固定占用一條線，即用多條線同時傳送多位二進制碼。并行總線利用空間實現(xiàn)全部信息的一次傳送，從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜，但換來了信息的快速傳送。并行總線適用于各部件分布距離較近的計算機內(nèi)部各部件連接中。2)串行總線它以多位二進制信息共用一條線進行傳輸?shù)姆绞焦ぷ鳌Ｗ屝畔⑽话匆欢ǖ拇涡蚺帕?，按時間先后依次通過總線。這種總線形式具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，因此，適用于所需連接的部件距離比較遠的計算機系統(tǒng)中。 3.按傳送信息的內(nèi)容分類1)地址總線它們是微機用于傳送地址的信號線，地址線的數(shù)目決定了尋址的范圍。如8086CPU，地址總線為2

6、0根，可尋址1MB地址空間。地址總線均為單向、三態(tài)總線，即信號只有一個傳輸方向，三態(tài)指可輸出高電平、低電平外還可處于斷開(高阻)狀態(tài)。2)數(shù)據(jù)總線它們是傳送數(shù)據(jù)和代碼的總線，一般是雙向、三態(tài)總線。數(shù)據(jù)總線由8條、16條發(fā)展至32條、64條。它們是一組并行總線，即同時可傳送8位、16位、32位或64位數(shù)據(jù)或代碼。3)控制總線它們是用于傳送控制信號的總線，用來實現(xiàn)命令、狀態(tài)傳送、中斷、直接存儲器傳送的請求和控制，以及提供系統(tǒng)使用的時鐘和復位信號等。 11.1.3 總線數(shù)據(jù)傳輸在利用總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送通信時，需要有一種控制一次通信起止的辦法，以保證信息傳輸?shù)恼_與可靠，這就是總線通信協(xié)議應(yīng)解決的問題。

7、對于只有一個總線主控設(shè)備的簡單系統(tǒng)，對總線無須申請、分配和撤除。而對于多CPU或含有DMA的系統(tǒng)，就要有總線仲裁機構(gòu)，來受理申請和分配總線控制權(quán)?？偩€上的主、從模塊通常采用的方式是用握手信號的電壓變化來指明數(shù)據(jù)傳送的開始和結(jié)束，用以下3種方式之一實現(xiàn)總線傳輸?shù)目刂疲和椒绞疆惒椒绞桨胪椒绞?)同步方式此方式用“系統(tǒng)時鐘”作為控制數(shù)據(jù)傳送的時間標準。在這種方式下，各部件的動作時間被嚴格限定。即一次數(shù)據(jù)傳送的每一步驟的起止時刻都是以系統(tǒng)時鐘來統(tǒng)一步伐的(按時鐘傳送，每次傳送用一個時鐘周期)。同步方式動作簡單，可以獲得較高的系統(tǒng)速度，但要解決各種速度的模塊的時間匹配。如將一個慢速的設(shè)備連接到快速的

8、同步系統(tǒng)上，則整個系統(tǒng)必須降低時鐘速率來遷就此慢速設(shè)備，反而降低了系統(tǒng)的速度。 2)異步方式異步方式是采用“應(yīng)答式”傳輸技術(shù)。用“請求”(REQ)和“應(yīng)答”(ACK)兩條信號線來協(xié)調(diào)傳輸過程，而不依賴于公共時鐘信號。它可以根據(jù)各部件的工作速度自動調(diào)整響應(yīng)時間，因此，可與任何工作速度的設(shè)備接口，而無需考慮與主、從部件的速度匹配問題。異步方式是以一個操作完全完成后才開始下一個動作的方式，表明其應(yīng)答關(guān)系完全互鎖，因此保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽窟M行。同時數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔皇枪潭ú蛔兊?，它可以根?jù)設(shè)備的實際情況，自由地調(diào)節(jié)總線上的工作速度，因而同一個系統(tǒng)中可以容納不同存取速度的設(shè)備，每個設(shè)備都能從其最佳可能的速

9、度來配合數(shù)據(jù)的傳輸。異步傳輸?shù)娜秉c是比較復雜，每次操作都必須經(jīng)過4個步驟：請求、響應(yīng)、撤消請求、撤消響應(yīng)，影響工作效率。 3)半同步方式半同步方式是對同步方式所存在缺陷的一種改進，是同步方式和異步方式相結(jié)合的混合式傳輸控制方式?？傮w而言，它仍然是一種同步系統(tǒng)。即對能按預定時刻，一步步完成地址、命令、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠郑耆赐椒绞絺鬏?。而對不能按預定時刻傳輸?shù)刂?、命令、?shù)據(jù)的慢速設(shè)備，則可請求延長操作時間，以協(xié)調(diào)主、從部件的數(shù)據(jù)傳輸。 11.2 ISA總線ISA(Industry Standard Architecture)工業(yè)標準總線是IBM公司為286/AT微型計算機制定的一種總線標準。也稱

10、為AT總線標準。ISA總線是在PC總線的基礎(chǔ)上擴展一個36位插槽形成的。同一槽線的插槽，分成62線和36線兩段，共計98線，如圖11.1所示。在62條基本信號線中，數(shù)據(jù)線8條，地址線20條，控制信號線22條，電源、地及其它信號線12條。在擴展的36條信號線中，數(shù)據(jù)地址線8條，高位地址線7條，控制信號線19條，電源和地線2條。ISA總線的主要性能指標圖11.1 ISA總線各信號線分布ISA總線的主要性能指標I/O地址空間0100H-03FFH24位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB8/16位數(shù)據(jù)線62+36引腳最大位寬16位(bit)最高時鐘頻率8MHz最大穩(wěn)態(tài)傳輸率16MB/s中斷功能DMA

11、通道功能開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源 11.3 EISA總線EISA(Extended Industry Standard Architecture)是擴展工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)總線的簡稱。由Compaq、HP、AST等多家計算機公司聯(lián)合推出的32位標準總線，數(shù)據(jù)傳輸率為33MB/s，適用32位微處理器。EISA總線是在ISA總線的基礎(chǔ)上，通過增加地址線、數(shù)據(jù)線和控制線來實現(xiàn)的。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線，如圖11.2所示。EISA總線的主要性能指標圖11.2 EISA總

12、線信號線分布 EISA總線的主要性能指標EISA插槽既與ISA插卡兼容，又與EISA插卡兼容。在插EISA卡時使用32位數(shù)據(jù)線，能達到33MB/s的傳輸率。EISA的主要性能指標與ISA相比，有以下優(yōu)點：開放式結(jié)構(gòu)。EISA和ISA兼容，現(xiàn)有的ISA擴充板可以用于EISA總線上32位地址域直接尋址范圍為4GB32位數(shù)據(jù)線最大時鐘頻率8.3MHz最大傳輸率 33MB/s 11.4 其他總線VL總線PCI總線AGP總線SCSI總線PCMCIA總線1) VL總線VL總線，又稱為VESA總線，它是1992年8月由VESA(視頻電子標準協(xié)會)公布的基于80486CPU的32位局部總線。VL總線支持166

13、6MHz的時鐘頻率，數(shù)據(jù)寬度為32位，可擴展到64位。與CPU同步工作，總線傳送速率最大為132MBps，需要快速響應(yīng)的視頻、內(nèi)存及磁盤控制器等部件都可通過VL局部總線連接到CPU上，使系統(tǒng)運行速度更快。VL總線是在CPU總線基礎(chǔ)上擴展而成的。這種總線使I/O速度可隨CPU的速度不斷加快而加快。它是與CPU類型相關(guān)的，因此開放性差。2) PCI總線PCI是Peripheral Component Interconnect的縮寫，即外圍元件互聯(lián)。PCI屬于高性能局部總線，可同時支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線工作獨立于處理器，為微處理器及高速外圍設(shè)備提供了一座橋梁，同時也是各類總線之間的高效協(xié)調(diào)

14、部件。獨立于微處理器的設(shè)計，可以保證其適應(yīng)微處理器的不斷升級換代。并可以和ISA等局部總線完全兼容。PCI局部總線的時鐘頻率為33MHz可擴展到66MHz，數(shù)據(jù)總線為32位可擴展到64位，可支持多組外圍部件。PCI提供了一套整體的系統(tǒng)解決方案，能提高網(wǎng)卡、硬盤的性能；可高效地配合視頻、圖形及各種高速外圍設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。PCI支持線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式。由于PCI能提供較快速的存取速度，能夠大幅度減少外圍設(shè)備取得總線控制權(quán)所需的時間，較好地解決了大批量高速傳輸過程中，由于處理不及時造成外設(shè)數(shù)據(jù)丟失的問題。 3) AGP總線AGP(Accelerated Graphics Port)即加速圖形端

15、口。它是一種為了提高視頻帶寬而設(shè)計的總線規(guī)范。它支持的AGP插槽可以插入符合該規(guī)范的AGP插卡。其視頻信號的傳輸速率可以從PCI的132MB/s提高到266MB/s(1模式)或者532MB/s(2模式)。Intel公司推出AGP的主要目的就是要大幅提高高檔PC機的圖形尤其是3D圖形的處理能力。嚴格說來，AGP不能稱為總線，因為它是點對點連接，即連接控制芯片和AGP顯示卡。AGP在主內(nèi)存與顯示卡之間提供了一條直接的通道。采用AGP的目的是為了使3D圖形數(shù)據(jù)越過PCI總線，直接送入顯示子系統(tǒng)。這樣就能突破由PCI總線形成的系統(tǒng)瓶頸，從而實現(xiàn)了以相對低價格來達到高性能3D圖形的描繪功能。 4) SC

16、SI總線SCSI是Small Computer System Interface的縮寫，即小型計算機系統(tǒng)接口。它用于計算機與磁盤機、掃描儀、通信設(shè)備和打印機等外部設(shè)備的連接。目前廣泛用于微型計算機中主機與硬盤和光盤的連接，成為最重要、最有潛力的新總線標準。SCSI是一種低成本的通用功能的計算機與外部設(shè)備并行傳送的外總線，可以采用異步傳送，當采用異步傳送8位的數(shù)據(jù)時，傳輸速度可達1.5MBps。也可以采用同步傳送，速率達5MBps。其下一代SCSI-2(fast SCSI)速度為10 MBps，Ultra SCSI傳輸速度為20MBps，Ultra-Wide SCSI(即數(shù)據(jù)為32位寬)傳輸速率高達40MBps。SCSI是一種連接很方便的通用接口，也是一種智能接口。總線上最多可掛接8臺總線設(shè)備(包括適配器和控制器)