第10章微型計算機總線課件

1、第10章 微型計算機總線 10.1 總線技術概述 10.2 ISA總線 10.3 PCI總線與PCI-Express總線 10.4 USB總線 10.1 總線技術概述 10.1.1 總線的標準 總線標準主要包括以下幾個部分：機械結構規(guī)范：模塊尺寸、總線插頭、邊沿聯(lián)接器插座等規(guī)格及位置。性能規(guī)范：總線每根線（引腳）信號名稱與功能，它們相互作用的協(xié)議（例如定時關系）。電氣規(guī)范：每根信號線工作時的有效電平、動態(tài)轉換時間、負載能力、各電氣性能的額定值及最大值。 10.1.2 總線的指標1. 總線寬度同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)位數(shù)越多，一次傳輸?shù)男畔⒕驮蕉郔SA總線寬度16位，EISA:16位，PCI:32位，

2、PCI-2:64位。2. 總線頻率總線通常都有一個基本時鐘，總線上其他信號都以這個時鐘為基準這個時鐘的頻率也是總線工作的最高頻率。時鐘的頻率越高，單位時間內傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大。ISA總線、EISA總線的時鐘頻率為8MHz，PCI總線為33.3MHz，PCI-總線2可達66MHz。 總線帶寬與總線數(shù)據(jù)傳輸速率帶寬：總線上單位時間內傳輸信息的總量，等于總線寬度乘上總線頻率。B（ISA）= 2(字節(jié)數(shù)據(jù)寬)8(MHz)= 16MB/sB（PCI）=4(字節(jié)數(shù)據(jù)寬)33.3(MHz) = 133MB/s數(shù)據(jù)傳輸速率：總線上單位時間內傳輸數(shù)據(jù)信號的總量，等于帶寬除以每個數(shù)據(jù)傳輸使用的總線周期數(shù)。 數(shù)據(jù)傳

3、輸速率(ISA)= 16MB/s 2= 8MB/s 數(shù)據(jù)傳輸速率(PCI)= 133MB/s 1= 133MB/s10.1.3 總線的分類1. 系統(tǒng)總線初期微型計算機的結構比較簡單，它的總線連接了微處理器、存儲器、接口電路和輸入/輸出設備，構成了完整的“計算機系統(tǒng)”，這樣的總線稱為“系統(tǒng)總線”。這種系統(tǒng)總線實際上就是微處理器芯片總線（片內總線）的延伸。圖10-12 局部總線大量設備連接到系統(tǒng)總線上時:“爭用”總線的可能性增加，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸“瓶頸效應”，總線性能下降總線連接設備多，負載重，也會增加傳輸延遲為了解決這個矛盾，在CPU高速外設之間增加了一條直接通路，該通路稱為“局部總線”使用局部

4、總線后，系統(tǒng)內有多條不同級別的總線，形成了“分級總線結構”。不同傳輸要求的設備“分類”連接在不同性能的總線上，合理地分配系統(tǒng)資源，滿足不同設備的不同需要。局部總線信號獨立于CPU, 處理器的更換不會影響系統(tǒng)結構。 3. 通信總線（外總線）通信總線又稱為外總線，用于微機系統(tǒng)與微機系統(tǒng)，微機與外部設備（如打印機、硬盤設備）、儀器儀表之間的通信通道。這種總線的數(shù)據(jù)傳輸可以是并行的（如打印機），也可以是串行的，數(shù)據(jù)傳輸速率低于系統(tǒng)內部的總線。有多種不同的通信總線標準，例如，串行通信的RS232C、USB總線，用于硬磁盤接口的IDE、SCSI總線，用于連接儀器儀表的IEE-488、VXI，用于并行打印機

5、的Centronics等。 10.1.4 總線的數(shù)據(jù)傳輸信息是在兩個或兩個以上模塊（或稱為設備）之間傳送的傳送信息的主動方稱為主模塊，傳送信息的被動方稱為從模塊。除了特殊情況外，信息的傳送都是在主模塊與一個從模塊之間進行?？偩€上同一時刻僅有一個主模塊占用著總線。 1. 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程一次總線傳輸過程劃分為若干階段： 總線申請與總線裁決:主模塊申請總線，以便取得總線的控制權。 多個主模塊同時申請總線使用權時，根據(jù)某種算法作出裁定，把總線的控制權賦予某個設備，這一任務由總線控制器完成。 尋址:主模塊取得總線控制權后，由該模塊進行尋址（目的地址），通知被訪問的從模塊進行信息傳輸。 傳送數(shù)據(jù):根據(jù)

6、讀寫方式確定信息流向，一次傳輸可以傳送一個數(shù)據(jù)，也可以傳送多個數(shù)據(jù)。 錯誤檢測 2. 總線傳輸?shù)亩〞r方式在總線上進行信息傳送必須使得信息傳送雙方（主與從）相互同步。每一位的信息從什么時間開始每一個數(shù)據(jù)從哪一位開始每一個數(shù)據(jù)塊從哪一個數(shù)據(jù)開始有三種定時方法： 同步傳輸異步傳輸半同步傳輸（1）同步傳輸信息傳送在一個公共時鐘的控制下進行總線所有事件都在時鐘周期的開始時發(fā)生，而不是由發(fā)送方或接收方?jīng)Q定。同步方式要求總線上的所有設備都能按照嚴格的時間關系實施數(shù)據(jù)傳輸。 （2）異步傳輸 為了能用不同速度的模塊組成系統(tǒng)，有時也采用異步方式控制數(shù)據(jù)傳輸。異步傳輸沒有統(tǒng)一的時鐘信號，它通過一對握手（Handsh

7、aking）信號線（請求Request，響應Acknowledge）在發(fā)送方和接收方之間進行聯(lián)絡。主設備發(fā)出傳輸請求，從設備準備就緒后發(fā)出應答信號，此后傳輸開始。異步方式的數(shù)據(jù)傳輸時間隨著設備響應速度的不同而變化。CPU對存儲器傳統(tǒng)的讀寫是一種異步傳輸方式。CPU（主模塊）將存儲器地址放到地址總線上，發(fā)出讀信號。存儲器從模塊識別地址，在延遲若干時間后，將數(shù)據(jù)和應答信號放到總線上。 異步傳輸下的讀傳輸時序圖10-2（3）半同步傳輸進行半同步傳輸時，各信號仍以公共時鐘為基準，數(shù)據(jù)的開始時間由時鐘信號和握手信號共同確定。總線上各操作之間的時間間隔可以變化，但僅允許為公共時鐘周期的整數(shù)倍。半同步方式在

8、同步的前提下，允許設備的某些不一致性，具有較大的靈活性，因此得到了廣泛的使用。ISA總線屬于這種類型。3. 數(shù)據(jù)傳輸類型總線上的數(shù)據(jù)傳輸有單周期方式和突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸（Burst）兩種方式。單周期方式在獲得一次總線使用權后只能傳送一個數(shù)據(jù)，如果需要傳輸多個數(shù)據(jù)，就要多次申請使用總線。突發(fā)方式下，獲得一次總線使用權可以連續(xù)進行多個數(shù)據(jù)的傳輸：尋址階段主設備發(fā)送數(shù)據(jù)塊的首地址，后續(xù)的數(shù)據(jù)在首地址的基礎上按一定的規(guī)則（如自動加1）尋址。這種傳輸方式總線的利用率高PCI總線支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式。4. 錯誤檢測由于外界或者自身存在著各種隨機出現(xiàn)的干擾因素，總線上傳輸?shù)男畔⒖赡墚a(chǎn)生錯誤。需要錯誤檢測電路發(fā)現(xiàn)或

9、糾正出現(xiàn)的錯誤，由專用的總線信號來報告出現(xiàn)的錯誤。最常用也是最簡單的錯誤檢測方法是奇偶校驗。總線進行高速和大批量信息傳輸時，常采用循環(huán)冗余校驗（Cycle Redundancy Checking, CRC）的錯誤校驗方式。 10.2 ISA總線 ISA（Industrial Standard Architecture, 工業(yè)標準體系結構）總線起源于IBM-PC微型計算機的出現(xiàn)。 ISA 插槽由基本的62線8位插槽和擴展的36線插槽兩部分組成。ISA總線主要的性能指標：24位地址線，可直接尋址的內存容量為16MB，I/O地址空間0100H03FFH； 8/16位數(shù)據(jù)線，62+36引腳；工作頻率8

10、MHz，帶寬16MB/s，數(shù)據(jù)傳輸速率8MB/s；中斷功能及DMA功能；10.2.1 ISA總線信號 10.2.2 ISA總線擴展卡由于ISA總線的開放特性，許多廠商設計制造了各種ISA總線的I/O接口，比如AD數(shù)據(jù)采集卡。為了避免地址發(fā)生沖突，ISA卡設計時采用跳線開關（switch），允許對卡的I/O起始地址（BASE）進行選擇。圖10-4為ISA PCL818接口卡的部分地址設定。用戶必須自己調整好switch，使BASE位于所使用計算機I/O的空閑位置，然后根據(jù)BASE地址訪問該ISA卡各種資源。 圖10-410.3 PCI總線與PCI-Express總線 PCI總線的英文全稱是 Pe

11、ripheral Component Interconnect，即外部設備互連。 1991年下半年首先由Intel公司提出。對高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笸苿恿薖CI的產(chǎn)生。PCI總線支持64位數(shù)據(jù)傳輸、多總線主控和線性突發(fā)方式（Burst），數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/s。10.3.1 PCI的特點1 突發(fā)總線傳輸PCI支持突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，滿足新型處理器高速緩沖存儲器（Cache）與內存之間的讀寫。線性突發(fā)傳輸能夠更有效地運用總線的帶寬去傳輸數(shù)據(jù)，以減少無謂的尋址操作。 2 支持總線主控方式和同步操作掛接在PCI總線上的設備有“主控”和“從控”二類。PCI總線允許多處理器系統(tǒng)中任何一個處理器或其他有

12、總線主控能力的設備成為總線主控設備。PCI允許微處理器和總線主控制器同時操作，微處理器內部的操作和總線操作可以同時進行。3 獨立于處理器PCI是一種獨立于處理器的總線標準，支持多種處理器，適用于多種不同的系統(tǒng)。在PCI總線構成的系統(tǒng)中，接口和外圍設備的設計是針對PCI而不是CPU的，當CPU因為過時而更換時，接口和外圍設備仍然可以正常使用。4 即插即用PCI具有即插即用（Plug and Play） 、自動配置的功能?？偩€的接口卡上都設有“配置寄存器”，系統(tǒng)加電時用程序給這些設備分配端口地址等系統(tǒng)資源，可以避免它們使用時發(fā)生沖突。新推出的PCI 2.2版支持熱插拔（Hot Plug）。5 適合

13、于各種機型PCI局部總線不僅為桌面（臺式）電腦提供合理的局部總線設計，同時也適用于便攜式電腦和服務器。支持3.3V的電源環(huán)境，延長電池壽命，為電腦小型化創(chuàng)造了良好的實現(xiàn)條件。6 多總線共存PCI總線通過“橋”芯片進行不同標準信號之間的轉換。使用“Host-PCI”橋連接處理器和PCI總線使用“PCI-ISA/EISA”橋連接PCI和ISA/EISA。這一特點使得多種總線可以共存于一個系統(tǒng)中。 10.3.2 PCI總線系統(tǒng)結構“Host-PCI”橋實現(xiàn)了PCI總線的全部驅動控制，主要解決I/O設備同CPU的連接問題。另一類“橋”用于生成“多級總線”結構，例如“PCI-ISA/EISA”、“PCI

14、-USB”、“PCI-PCI”等。多級總線把不同傳輸速度，不同傳輸方式的設備分門別類地連接到各自“適合”的總線上，使得不同類型的設備共存于一個系統(tǒng)，合理地分配資源，協(xié)調地運轉。 圖10-510.3.3 PCI總線信號PCI信號線分為必備的和可選的兩大類主設備至少需要49條必備信號從設備需要47條必備信號信號類型定義：IN 輸入，是一標準的只作輸入的信號。OUT 輸出，是一標準的輸出驅動信號。T/S 雙向的三態(tài)輸入/輸出信號。S/T/S 持續(xù)的并且低電平有效的三態(tài)信號。在某一時刻只能屬于一個主設備并被其驅動。OD 漏極開路，以線或形式允許多個設備共同驅動。 圖10-61. 系統(tǒng)信號CLK IN：

15、時鐘信號，最高33MHz/66MHz，為所有PCI傳輸提供時序基準；RTS# IN：復位信號。2. 地址和數(shù)據(jù)信號AD 31: 0，T/S，地址和數(shù)據(jù)分時復用信號。地址期：FRAME#有效，發(fā)送32位物理地址；數(shù)據(jù)期：IRDY#和TRDY#同時有效，32位數(shù)據(jù)信號；C/BE 3: 0 #，T/S，總線命令和字節(jié)有效復用信號線，傳輸命令或字節(jié)選擇信號。PAR，T/S， 對AD 31: 0 和C/BE 3: 0 # 的奇偶校驗位。 3. 接口控制FRAME #，S/T/S，F(xiàn)RAME #有效預示總線傳輸?shù)拈_始，由當前主設備驅動IRDY #，S/T/S，主設備準備好信號TRDY#，S/T/S，從設備

16、準備好信號STOP#，S/T/S， STOP#有效表示當前從設備要求主設備停止數(shù)據(jù)傳送LOCK #，S/T/S，LOCK#有效時，當前的主、從設備將獨占總線資源IDSEL ，IN，初始化設備選擇，參數(shù)配置讀寫時，用作片選信號DEVSEL # ，S/T/S，設備選擇，它有效表示總線上某一從設備已被選中 4. 仲裁信號REQ#，T/S，請求信號，任何主設備請求占有總線必須發(fā)出該請求，由PCI主控制器仲裁。每個PCI總線主設備都有一根獨用的REQ#信號。GNT#，T/S，允許信號，PCI主控制器批準主設備請求后，發(fā)回給主設備。與REQ#信號一樣，每個PCI總線主設備都有一根獨用的GNT#信號。5.

17、出錯報告信號PERR#，S/T/S，奇偶校驗錯信號，由數(shù)據(jù)接收設備發(fā)出。SERR#，O/D，系統(tǒng)錯誤信號，報告地址奇偶錯等可能引起災難性后果的系統(tǒng)錯誤。 6. 中斷信號INTA#，O/D，中斷請求信號，該信號允許與時鐘信號不同步。INTB#, INTC#, INTD#，O/D，多功能設備的中斷請求信號。10.3.4 PCI總線周期和地址空間1. PCI總線周期PCI上基本的總線傳輸機制是突發(fā)成組傳輸一個突發(fā)分組傳輸由一個地址期和多個數(shù)據(jù)期組成圖10-7一次典型的讀操作過程： （1）主設備獲得總線使用權后：將FRAME#置為有效，在C/BE#上發(fā)送PCI總線命令在AD031上發(fā)送地址信號，PCI

18、總線進入“地址期”將IRDY#信號置為有效，表示主設備已經(jīng)就緒在BE#03上發(fā)送字節(jié)選擇命令 （2）從設備：從C/BE#獲知主設備的讀命令在地址期中從AD上得到存儲器或IO地址被選中的設備發(fā)出DESEL#有效信號表示響應同時，從設備內部的讀操作開始進行要求的數(shù)據(jù)讀出后，將TRDY#置為有效，將讀出的數(shù)據(jù)送往AD信號線，PCI總線進入“數(shù)據(jù)期”。主設備在主時鐘信號的控制下，從AD上讀入需要的數(shù)據(jù)。 （3）如果主設備需要執(zhí)行突發(fā)總線周期（默認方式），則將FRAME#和IRDY#信號保持有效。從設備在這二個信號的控制下，將下一組數(shù)據(jù)送往AD信號線，進入下一個數(shù)據(jù)期。如果從設備不能在下一個時鐘周期如期

19、送出數(shù)據(jù)，則將TRDY#信號置為無效，數(shù)據(jù)傳輸將產(chǎn)生停頓。（4）主設備在發(fā)出最后一組數(shù)據(jù)的讀命令之后：將FRAME#信號置為無效，表示數(shù)據(jù)傳輸即將結束。在最后一項數(shù)據(jù)傳輸后，主設備撤銷IRDY信號從設備撤銷TRDY#和DEVSEL#信號，一次PCI突發(fā)總線傳輸結束?？偩€控制器發(fā)現(xiàn)FRAME#信號結束后，開始下一次總線仲裁?？偩€的仲裁和總線上的數(shù)據(jù)傳輸是同時進行的。 2. PCI的地址空間PCI總線定義了三個物理地址空間：內存地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。PCI總線的每個設備都有自己的地址譯碼電路，不需要進行統(tǒng)一譯碼。PCI支持正向和負向兩種類型的地址譯碼：正向譯碼：每個設備都監(jiān)聽地址

20、總線，判斷訪問地址是否落在它的地址范圍，如果是，使DELSEL#有效以示應答，響應速度較快。負向譯碼：沒有一個設備作出響應時，由一個指定的設備（負向譯碼設備）作出響應。它要等到總線上其他所有設備都拒絕之后才能行動，速度較慢。10.3.5 PCI配置空間1. PCI頭標區(qū)信息1. PCI頭標區(qū)信息PCI配置空間是長度為256字節(jié)的一段內存空間，前64個字節(jié)包含PCI接口的信息，64255的地址空間存放設備特定的一些信息。（1）制造商標識（vendor ID）：由PCI 組織給PCI設備制造廠家的惟一編碼，子系統(tǒng)制造商標識（subsystem vendor ID）也由該組織給出。（2）設備標識（d

21、evice ID）：生產(chǎn)廠對這個產(chǎn)品的編號，類似的還有子系統(tǒng)標識（subsystem ID）。操作系統(tǒng)根據(jù)子系統(tǒng)制造商標識和子系統(tǒng)標識識別設備類型，裝載對應的驅動程序。 （3）分類碼（class code）：代表該卡上設備的功能，如網(wǎng)卡、硬盤卡、擴展橋、多媒體卡等，它們都對應一個惟一的編碼。（4）基地址寄存器05（base address registers）：第0位是只讀位，為0表示申請存儲器空間，用12位表示存儲空間的類型。第0位為1時表示申請IO空間。第431位用來表示申請地址空間的大小，用其中可讀寫的位數(shù)表示。存儲空間的大小由基地址寄存器的可讀寫位數(shù)指定，分配的位置則由系統(tǒng)統(tǒng)一安排。由

22、于有6個基地址寄存器，PCI設備最多可以申請6段地址空間。 圖10-9例：申請32位地址空間內1MB存儲空間：位3120為可讀寫寄存器（寫入分配到存儲空間地址高位）位194為只讀寄存器，內容固定為零位21為00（只讀），表示申請32位地址空間內的存儲空間位0為0 （只讀） ，表示申請存儲器空間當一塊PCI卡上具備一個以上功能時，應指定為多功能卡，每個功能都要有一個自己的配置空間。每個功能可以是不同的設備標識（device ID）、功能類型、存儲器和I/O地址空間及中斷資源。配置空間的頭類型（header type）用于指明是單功能卡或多功能卡。頭類型的第七位為1時代表多功能卡。訪問配置空間時，

23、3位地址用于指定功能號，因此每塊卡最多可支持8個功能部件。由于PCI總線上只有4條中斷請求線，因而多功能卡最多只能有4個中斷源。 2. 訪問配置空間 通過BIOS調用“INT 1AH”可以獲取PCI的配置信息，AH置為功能號0B1H，AL中為子功能號：（1） PCI _BIOS _PRESENT功能：查看PCI BIOS是否存在，若存在，版本號為多少。入口：AL=01H出口：EDX=“PCI”ASCII字符串 AH=存在狀態(tài) 00= 存在 01=不存在 BX=版本號（2） FIND_PCIDEVICE查找指定廠商和設備號的PCI板卡的位置。調用該函數(shù)后，用戶可以利用該函數(shù)返回的總線號去調用RE

24、AD _CONFIG和WRITE_CONFIG函數(shù)訪問設備配置空間。入口：AL=02H CX=設備ID值（065535） DX=廠商ID值（065534） SI=索引號（0n）出口：AH=返回代碼：SUCCESSFUL(=0) , DEVICE_NOT_FOUND, BAD_VENDOR_ID BH=總線號（0255） BL=設備號（高5位），功能號（低3位） CF=完成狀態(tài)，1=錯誤， 0=成功。 （3） FIND_PCI_CLASS_CODE入口：AL=03H查找指定類代碼和索引的PCI設備的位置。在其后可調用READ_CONFIG和WRITE_CONFIG函數(shù)去訪問設備配置空間。（4）G

25、ENERATE_SPECIAL_CYCLE在PCI總線上產(chǎn)生特殊的周期入口： AL=06H BH=總線號（0255） EDX=特殊周期的數(shù)據(jù)出口： AH=返回代碼：SUCCESSFUL(=0)，F(xiàn)UNCTION_NOT_SUPPORTED CF=完成狀態(tài)，1=錯誤， 0=成功。 （5） READ_CONFIG_BYTE按字節(jié)讀取配置空間數(shù)據(jù)。入口：AL=08H BH=總線號（0255） BL=設備號（高5位），功能號（低3位） DI=寄存器號（0255）出口：AH=返回代碼（SUCCESSFUL=0） CX=讀到的字節(jié) CF=完成狀態(tài)，1=錯誤， 0=成功。 （6) READ_CONFIG_W

26、ORD/READ_CONFIG_DWORD按字/雙字讀取配置空間入口： AL=09H / 0AH BH=總線號（0255） BL=設備號（高5位），功能號（低3位） DI=寄存器號(0, 2, 4, 254)/(0, 4, 8, 252)出口：AH=返回代碼：SUCCESSFUL(=0), BAD_REGISTER_NUMBER CX/ECX=讀取的字/雙字 CF=完成狀態(tài)，1=錯誤， 0=成功。（7）WRITE_CONFIG_BYTE/ WRITE_CONFIG_WORD/ WRITE_CONFIG_DWORD對設備的配置空間按字節(jié)/字/雙字進行寫入口： AL=0BH/0CH/0DH BH=

27、總線號（0255） BL=設備號（高5位），功能號（低3位） DI=寄存器號 （0255） CL/CX/ECX=要寫字的字節(jié)/字/雙字出口：AH=返回代碼：SUCCESSFUL, BAD_REGISTER_NUMBER CF=完成狀態(tài)，1=錯誤， 0=成功。 希望自己編程訪問本機PCI接口卡數(shù)據(jù)時，可以首先用如下程序得到該卡的I/O地址： （假設設備標識為0440H，生產(chǎn)廠標識為5333H ）MOV AH, 0B1H;MOV AL, 02H;MOV CX, 0440H; DEVICE ID,顯卡設備標識MOV DX , 5333H; VENDOR ID,生產(chǎn)廠商標識MOV SI, 0;INT

28、1AH; 得到總線號,設備號,功能號JC ERROR; 錯誤時轉ERRORMOV AH, 0B1H;MOV AL, 09H;MOV DI, 10H; PCI基址寄存器INT 1AH;AND AH, AH;JNZ ERRORAND CX, 0FFF0H ; D3D0為標志位MOV AX, CX;ERROR : ; 出錯處理10.3.6 PCI總線設備開發(fā)及S5933為了推廣PCI總線，降低PCI的使用難度，PCI SIG提供了一套PCI系統(tǒng)開發(fā)工具，許多元件制造商也紛紛推出PCI協(xié)議控制芯片，AMCC公司生產(chǎn)的S5933X就是這類芯片。S5933X是在PCI總線與用戶應用電路之間完成PCI協(xié)議轉

29、換的芯片，使用戶能像ISA總線那樣輕松完成接口電路設計。它提供了3個物理總線接口：PCI總線接口、外加總線接口和可選的NV（非易失）存儲器接口。數(shù)據(jù)傳送可以在PCI總線與外加總線之間進行，也可以在PCI總線與NV存儲器之間進行。PCI總線與外加總線之間的數(shù)據(jù)傳送可以按以下三種方式進行。PASSTHRU：用戶可將PCI板上的I/O空間和存儲空間映射到系統(tǒng)中。PASS-THRU方式不支持主控(Master)，僅支持從控方式(Slaver)。MAILBOXES：供PC機與PCI板上微處理器之間傳輸參數(shù)用，速度很低。FIFO：先進先出隊列及控制電路，數(shù)據(jù)寫入FIFO后，按寫入的先后順序讀出，供PCI板

30、上進行大量數(shù)據(jù)傳輸用，S5933也用該功能模塊來支持主控DMA。 PCI規(guī)范允許PCI設備自帶一個ROM，在系統(tǒng)上電（POST）訪問配置空間時，將該擴展ROM拷貝入RAM并加以執(zhí)行。S5933的NV存儲器接口提供了這類功能。 10.3.7 PCI-Express總線在PCI總線長達十幾年的使用過程中，PC機的應用領域不斷擴大、外圍設備性能與工作速度迅速提升，而PCI總線本身的性能卻停滯不前，使得PCI已經(jīng)不能滿足新一代高性能PC機的需要。在物理層面上，PCI Express總線以差分信號和串行傳輸為其基本模式，在軟件層面上卻又與原有的PCI總線兼容。由于PCI Express總線的優(yōu)異性能，它

31、正在成為新一代主流總線。 1PCI-Express總線信號（1）采用差分信號PCI Express總線采用差分信號傳輸，用一對（2根）信號線傳遞一位二進制信息，峰峰值為0.8V1.2V。差分信號可以有效地克服 “共模干擾”的影響。采用差分信號后，信號線上的電壓降低了，信號“翻轉”所花費的時間相應縮短，數(shù)據(jù)傳輸速度得到提高。低電位信號同時還減少了信號之間的相互干擾和信號自身對外部的干擾。 （2）全雙工通訊 PCI Express用兩對（4根）信號線實現(xiàn)一位二進制信息的“全雙工”數(shù)據(jù)傳送。（3）采用點對點連接 PCI Express采用點對點連接方式，每個設備都有自己的專用連接，比起PCI總線的共

32、享并行方式，它不存在設備對信道的競爭，不需要進行總線仲裁，簡化了總線管理（4）串行/并行靈活組合的傳送方式 使用2對信號線時，PCI-Express可以進行一位二進制的“全雙工”串行通訊，稱為PCI-Express1。 允許對信號線的數(shù)目進行擴充，使用兩組（4對/8根）信號線時，可以同時進行2位二進制信號的“并行”雙向通訊，帶寬比1增加了一倍。 信號線可以擴充為2/4/8/12/16/32組，分別稱為PCI Express2、4、8、12、16及32，靈活地實現(xiàn)串行/并行組合式的數(shù)據(jù)通訊。 PCI-Express1的單向信號傳輸速率為2.5Gbps，除去編碼損耗，實際帶寬約為250MBps，雙

33、向可達500MBps，比33MHz PCI總線的速度快一倍左右。PCI Express16單向就能夠提供4GBps的帶寬，遠遠超過AGP 8X的2.1GB/S的帶寬。即將推出的PCI-Express2.0規(guī)范將時鐘信號頻率提高為5Gbps，數(shù)據(jù)傳輸速率進一步得到提升。 目前臺式PC機中提供的PCI Express總線有1和16兩種。16可以取代AGP供連接顯卡使用。 2PCI-Express的層次結構 PCI Express總線采用分層設計，與PCI總線的尋址方式兼容，現(xiàn)有的應用程序和驅動程序可以不加改變地在PCI Express總線上使用。 PCI-Express從下到上分別為：物理層（Ph

34、ysical Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（Link Layer）、處理層（Transaction Layer）和軟件層（Software Layer）。 物理層決定總線接口的物理特性，如點對點串行連接、差分信號驅動、熱撥插、可配置帶寬等。使用信號的跳變來同步，不需要使用單獨的同步時鐘信號。 數(shù)據(jù)鏈路層的主要職責就是確保數(shù)據(jù)包的完整性，確保數(shù)據(jù)包可靠、正確地傳輸。它在數(shù)據(jù)包前添加序列號和在數(shù)據(jù)包后添加冗余校驗碼。 處理層的作用主要是接收從軟件層送來的讀、寫請求，建立一個請求包傳送到數(shù)據(jù)鏈路層。處理層同時接收從數(shù)據(jù)鏈路層傳來的響應包，并與原始的軟件請求關聯(lián)。 處理層包括4個地址空間，其中3個是PCI

35、接口原有的，如內存、I/O和配置地址空間，另外一個是PCI Express接口新增加的，它就是信息空間。 3使用交換器實現(xiàn)設備互連 由PCI Express總線構建的系統(tǒng)包括根組件（Root Complex）、交換器（Switch）和各種終端設備。 根組件可以集成在存儲控制中心（MCH）芯片中，用于處理器和內存子系統(tǒng)與I/O設備之間的連接。 在PCI Express架構中新增加的設備是交換器（Switch），它取代了原有架構中的I/O橋接器，用來連接各種設備或PCI Express擴展插槽。交換器可以提供2個或多個端口，每個端口可以連接一個PCI Express設備，實現(xiàn)多個設備的互連。 4支

36、持與PCI兼容的地址空間 PCI Express支持與PCI相同的內存、I/O和配置地址空間，而且還將PCI的配置空間從256B擴大到4KB。原有的應用程序和PCI設備的驅動程序，不加修改地就可以在PCI Express總線系統(tǒng)中運行。 PCI Express總線提供了一個新的信息地址空間，這可以使PCI Express設備相互交換信息。一部分信息是PCI Express的標準信息，用來出錯報告、中斷以及電源管理中的信息交換。而另一部分的信息由設備開發(fā)商定義。 10.4 USB總線 10.4.1 概述傳統(tǒng)的接口電路，每增加一種設備，就需要為它準備一種接口或插座，還要為它們準備各自的驅動程序。這

37、些接口、插座、驅動程序各不相同，給使用和維護帶來了困難。由Intel等公司開發(fā)的USB總線（Universal Serial BUS，通用串行總線）采用通用的連接器，使用熱插拔技術以及相應的軟件，使得外設的連接、使用大大地簡化，受到了普遍的歡迎，已經(jīng)成為流行的外設接口。 USB協(xié)議版本及傳輸速度 USB協(xié)議目前的版本是USB2.0，它允許三種傳輸速度：高速（HIGH-SPEED）480Mb/s 全速（FULL-SPEED）12Mb/s低速（LOW-SPEED）1.5Mb/s后兩種傳輸速度兼容USB1.1標準（1.1版本中的“高速”在2.0版本中改稱為“全速”）。不同傳送速度的設備可以相互通信。

38、 2. 接口信號及電氣特性USB總線使用一個4針的標準插頭支持熱插拔（Hot Plug In）和即插即用（Plug &Play）為低功耗裝置提供電源，+5V時最大可提供500mA的電流。差分方式傳輸信號，半雙工方式。管腳信號名稱導線顏色1VBUS紅2D-白3D+綠4GND黑外殼屏蔽多股線傳輸類型 （1）控制傳輸： 一個USB設備接入總線后，USB主機詢問該設備的類型，為該設備分配地址，這個“配置”設備的過程稱為控制傳輸。 （2）中斷傳輸 鍵盤、鼠標等低速設備的數(shù)據(jù)傳輸是“斷續(xù)”進行的，這些設備的信號傳輸使用“中斷傳輸”方式。 USB主機通過定時查詢的方法了解這些設備有無傳輸要求。通過設置查詢時

39、間間隔，可以把對設備響應的延遲控制在允許范圍之內。中斷傳輸僅僅使用于輸入設備， 這里的“中斷”與第6章所敘述的外部設備中斷在含義上是不同的，USB設備沒有主動向主機申請“中斷”的權利。 （3）批量傳輸 供打印機、數(shù)碼相機、掃描儀等中高速設備使用。這些設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常是“成批”的，而且是不定期的。 （4）實時傳輸 主要用于視頻、音頻等對傳輸速度有嚴格要求的外部設備。對于這一類設備來說，傳輸?shù)摹皩崟r”性比“正確”性更顯得重要。為了“快”，它寧可部分地犧牲傳輸?shù)摹罢_”性。 傳輸類型低速全速高速控制24/8832/8,16,32,6415872/64中斷0.8/1864/16424576/1102

40、4批量不支持1216/8,16,32,6453248/512實時不支持1023/1102324576/11024表10-4 各種傳輸類型的速度/數(shù)據(jù)包大小 4. USB的特點 USB容易使用。用戶將USB設備連接到計算機上后，系統(tǒng)會自動檢測該設備，安裝相應的驅動程序。只有當系統(tǒng)找不到適當?shù)尿寗映绦驎r，才會要求用戶提供驅動程序。系統(tǒng)安裝驅動程序時，用戶不用設置任何選項； USB支持熱插拔，用戶不用關閉計算機就可插拔USB設備； 不同的USB設備使用相同的接口。USB接口的價格低、能耗低并且穩(wěn)定性好； USB的特點 USB總線可以提供5V最大500mA的電源給USB設備，大部分的USB設備可不用自

41、帶電源； 傳輸速度快，USB提供三種傳輸速度，最高速度可達480Mb/S； 富有彈性，USB有四種傳輸類型，可以滿足不同特點外部設備的需要；10.4.2 USB 總線的構成1. USB硬件（1）USB主控制器/根集線器USB主控制器是硬件、固件和軟件的聯(lián)合體。主控制器負責USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸，進行數(shù)據(jù)格式的轉換。根集線器集成在主系統(tǒng)中，提供多個接入端口。根集線器檢測外設的連接和斷開，執(zhí)行主控制器發(fā)出的請求并在設備和主控制器之間傳遞數(shù)據(jù)。USB主控制器和根集線器合稱為USB主機（HOST）。USB主機的作用： 檢測USB設備的加入或去除狀態(tài)；管理主機與USB設備之間的數(shù)據(jù)流；管理主機與USB設

42、備之間的控制流；收集USB設備的狀態(tài)與活動屬性。除了根集線器，USB總線上還可以連接附加的集線器。每個集線器可以提供2個、4個或7個接入點，連接更多的USB設備。可以把集線器與外部設備集成在一起，更方便地擴充系統(tǒng)。（2） USB設備（Device）為主機提供單個功能的設備稱為“功能件”（FUNCTION）?！肮δ芗焙虷ub都稱為USB“設備”。復合的“設備”有一個Hub和一個或多個“功能件”。每個集線器和“功能件”都有惟一的地址（1127）。允許最多連接5層集線器，總共127個外設和集線器（包括根集線器）。2. USB 總線拓撲結構 USB的物理連接是一個層次型的星形結構，集線器（Hub）位

43、于每個星型結構的中心。星形結構的每一段都是主機、集線器或某一功能件之間的連接。圖10-133.設備地址和端點 USB總線上的每個設備都有一個由主機分配的惟一地址，用7位二進制表示。一個新的USB設備連接到系統(tǒng)時，使用默認的0號地址與USB主機通訊。配置過程結束后，由主機分配一個1127之內的地址，USB設備和集線器（包括根集線器）的總數(shù)不能超過127個。 每個設備還有一個或多個端點（Endpoint），端點編號在015之間，用4位二進制表示。USB設備用不同的端點號代表對該設備不同類型的傳輸要求。4.管道 管道是主機軟件和設備端點之間的一個邏輯連接，是主機和設備交換數(shù)據(jù)的通道。一個設備可以同時

44、使用多個管道，設備移除后，與該設備所連的所有管道也被移除。 USB總線為多個設備所共享，因此，不同設備和主機軟件傳輸?shù)男畔⒃诳偩€上會交織在一起，但某一管道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只屬于連接該管道兩端的主機軟件和設備端點所擁有。 5. 總線信號和數(shù)據(jù)編碼 USB總線采用NRZI-0（Non Return to Zero Invert-0，不歸零翻轉-0）編碼對二進制數(shù)字信號進行“調制”。它定義電壓跳變?yōu)椤?”，電壓保持不變?yōu)椤?”。NRZI-0編碼最終在D+，D-信號線上以差分的形式傳輸 總線狀態(tài)信號電平D+D-MaxMinMaxMin全速低速差分 13.62.80.30.0全速低速差分00.30.03.6

45、2.8高速 差分 10.440.360.01-0.01高速 差分 00.01-0.010.440.36低速空閑0.83.62.7全速空閑2.70.8高速空閑0.01-0.010.01-0.01復位0.30.3包結束標志（EOP）0.30.310.4.3 USB事務與USB幀 USB主機與設備之間的一次基本的信息傳送過程稱為“事務（Transaction）”。有三種類型的事務：設置事務：USB主機對新接入的設備進行詢問、分配設備地址等操作；輸入事務：USB設備把數(shù)據(jù)/信息送往主機； 輸出事務：USB設備接收來自主機的數(shù)據(jù)/信息。 1事務的組成每個事務通常需要在USB主機和設備之間先后傳輸以下三種

46、類型的“包”： 令牌包（Token，也稱作標志）：令牌包是一個事務的第一個包，由主機發(fā)往需要與它通訊的從設備。令牌包包含有從設備的地址、端點號、傳輸方向和本次事務的類型。數(shù)據(jù)包：根據(jù)事務的不同類型，數(shù)據(jù)包可以由主機發(fā)往從設備，也可以由從設備發(fā)往主機。數(shù)據(jù)包最大長度為1024B，如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過1024B，則需要劃分為幾個事務來完成。握手包（Handleshake）：數(shù)據(jù)包傳送結束后，由數(shù)據(jù)接收方向數(shù)據(jù)發(fā)送方回送一個握手包，提供數(shù)據(jù)是否正常接收的反饋信息。如果有錯誤，需要重發(fā)。不同類型傳輸?shù)慕M成傳輸類型階段（Stage）相位(Phase，包)傳輸類型階段(Stage，事務）相位(Phase

47、，包）控制設置標志（TOKEN，令牌）批量數(shù)據(jù)(輸入或輸出）標志數(shù)據(jù)（Data）數(shù)據(jù)握手(Handshake)握手數(shù)據(jù)(輸入或輸出）標志中斷數(shù)據(jù)(輸入或輸出）標志數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)握手握手狀態(tài)（輸入或輸出）標志實時數(shù)據(jù)(輸入或輸出）標志數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)握手2USB幀 USB主機把總線時間劃分為一個個等長的的時間片，每一個時間片稱為幀（低速和全速）或微幀（高速）。幀的長度為1ms，微幀的長度為125s。每個幀由SOF（Start Of Frame）包引導，然后多個連續(xù)的事務。 USB主機負責管理總線上的數(shù)據(jù)傳輸，它每隔1ms就發(fā)送一個SOF信息包，以此來控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸。高速傳輸時，再將一幀分隔成8個125s

48、的微幀。低速設備收不到SOF包。 USB幀/USB微幀3USB包格式USB包是是數(shù)據(jù)傳送的基本方式，USB共有三種類型的包:標志包：USB的傳輸總是首先由主機發(fā)出標志包開始。標志包中有設備地址碼、端口號、傳輸方向和傳輸類型等信息。數(shù)據(jù)包：其次是數(shù)據(jù)源向數(shù)據(jù)目的地發(fā)送的數(shù)據(jù)（Data）包或者發(fā)送無數(shù)據(jù)傳送的指示信息，數(shù)據(jù)包可以攜帶的數(shù)據(jù)最多為1023B。握手包：最后是數(shù)據(jù)接收方向數(shù)據(jù)發(fā)送方回送一個握手包，提供數(shù)據(jù)是否正常接收的反饋信息。如果有錯誤，需要重發(fā)。除了同步傳輸之外，其他傳輸類型都需要握手（Handshake）包。幾個不同目標的包可以合在一起，共享總線。 圖10-16 USB包格式包類型

49、名字PID3: 0PID7: 0描 述令牌OUT000111100001主機到設備事務的端點地址IN100101101001設備到主機事務的端點地址SOF010110100101幀開始標記和幀編號SETUP110100101101主機到設備的setup事務的端點地址數(shù)據(jù)DATA0001111000011有偶同步位的數(shù)據(jù)包DATA1101101001011有奇同步位的數(shù)據(jù)包DATA2011110000111實時傳輸數(shù)據(jù)包使用（高速）MDATA111100001111實時、中斷高速傳輸時使用握手（交換）ACK001011010010接收器接收到無錯誤數(shù)據(jù)包NAK101001011010接收器不能接

50、收數(shù)據(jù)或者發(fā)送者不能發(fā)送數(shù)據(jù)STALL111000011110一個控制請求不支持或端點被終止特殊PRE110000111100主機發(fā)送的先導，允許到低速設備的下游通信PID碼 （1） 令牌包格式 在SETUP、OUT及IN令牌包中，包標識（PID）各不相同，其余部分格式相同。這些包均由主機發(fā)往指定設備的指定端點。 主機需要設置設備時，發(fā)送SETUP令牌包到指定設備及端點，開始一次控制傳輸。主機需要向設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，先向設備發(fā)送OUT令牌包，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而向設備發(fā)送數(shù)據(jù)。主機需要接收設備數(shù)據(jù)時，先向設備發(fā)送IN令牌包，設備接收到IN包后，向主機發(fā)送數(shù)據(jù)包，完成設備向主機的數(shù)據(jù)傳輸。 圖10

51、17 令牌包格式 （2） 數(shù)據(jù)包格式 DATA0和DATA1數(shù)據(jù)包除標識（PID）不同外，其余格式相同。一次數(shù)據(jù)傳輸中需要多個數(shù)據(jù)傳輸事務時，則交替使用DATA0和DATA1數(shù)據(jù)包。根據(jù)不同的傳輸方式，數(shù)據(jù)包的發(fā)送方可能是主機，也可能是設備。 數(shù)據(jù)包中既沒有地址和端點的信息，也沒有數(shù)據(jù)傳輸方向的信息，這些都要依賴于數(shù)據(jù)包前的令牌包中的相關內容，這也就是為什么一次事務中的包必需連續(xù)傳送，而不能被中斷的原因。令牌包數(shù)據(jù)包握手包10.4.4 批量傳輸、中斷傳輸和實時傳輸 1 批量傳輸 批量傳輸使用在對傳輸速度沒有嚴格要求的場合，只有全速和高速設備才可以使用批量傳輸。批量傳輸可以傳送大量的數(shù)據(jù)而不會阻

52、塞總線，它可以讓其他類型的傳輸先執(zhí)行。圖10-20 批量或中斷輸入事務 （1）主機如果無錯誤地收到設備發(fā)來的數(shù)據(jù)包，則向設備回復一個確認包（ACK），一次輸入事務完成。所要求的數(shù)據(jù)量已經(jīng)傳輸完、或者一個數(shù)據(jù)包的信息少于最大數(shù)據(jù)、或收到一個零長度的數(shù)據(jù)包時，批量傳輸結束。 （2） 如果主機收到的數(shù)據(jù)錯誤，則不向設備回復任何信息。設備收不到主機的確認包，會產(chǎn)生超時狀態(tài)，輸入事務處理結束。稍后主機可能會重新啟動一次新的輸入事務來讀取數(shù)據(jù)。 （3）如果設備忙，不能返回數(shù)據(jù)時，回送非確認包（NAK）。 (4) 設備進入錯誤狀態(tài)，不能返回數(shù)據(jù)時，發(fā)送停止包（STALL）。圖10-21 批量或中斷輸出事務

53、2 中斷傳輸 中斷傳輸用于要求在規(guī)定時間內完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊?，傳輸結構和批量傳輸相同。中斷傳輸以查詢方式工作，主機要不斷地查詢USB設備有無傳輸要求。中斷傳輸能夠保證最大延遲，即事務之間的時間。查詢周期為：高速125s4s；全速1ms255ms；低速10ms255ms。3 實時傳輸 實時傳輸也稱為同步傳輸，它要求以固定速率或者在限定時間內傳輸數(shù)據(jù)，并且可以容忍偶爾的傳輸錯誤。例如，傳輸實時聲音和視頻信號時，為了聲音和和圖像的連續(xù)播放，需要保證一定的傳輸速度，并且不能中斷，偶有錯誤也不會影響收聽和收看。 10.4.5 控制傳輸 1 設置階段 設置階段主機向設備發(fā)出一個設備請求。過程：主機向設備發(fā)

54、出SETUP令牌包，然后發(fā)出DATA0數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含一個8字節(jié)的請求；設備收到數(shù)據(jù)包后回答主機一個確認包，設置階段結束。2 數(shù)據(jù)階段 數(shù)據(jù)階段用來傳輸具體的數(shù)據(jù)，如設備的描述符、設備的報告等?？梢詻]有數(shù)據(jù)階段，或者有一個或多個數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)輸出事務。數(shù)據(jù)階段的第一個數(shù)據(jù)包使用DATA1，以后交替使用DATA0和DATA1數(shù)據(jù)包。3 狀態(tài)階段 數(shù)據(jù)階段的接收方回應數(shù)據(jù)發(fā)送方一個應答信號。 狀態(tài)階段報告整個控制傳輸是否成功的信息。 使用和數(shù)據(jù)階段相反方向的事務。狀態(tài)階段使用DATA1數(shù)據(jù)包。 10.4.6 USB設備的檢測和配置 1 描述符 記錄USB設備特性的一組信息稱為“描述符”，這些信息按照規(guī)定的格式表示和存儲。 每個設備的特性通過一組“描述符”反映出來。所有的USB設備都必須對標準的USB請求碼中USB描述符請求作出響應。2 USB設備的檢測和配置過程 （1）集線器的D+和D-線上各有一個15K的下拉電阻，沒有USB設備連上時，D+和D-線都為低電平。全速和高速設備在D+