第8章 總線技術(shù)

第8章總線技術(shù)主要內(nèi)容8.1總線的基本概念8.28288總線控制器8.38289總線裁決器8.4常用系統(tǒng)總線學(xué)習(xí)目標(biāo)了解：總線的主要性能參數(shù)和總線標(biāo)準(zhǔn)。理解：常用的系統(tǒng)總線的基本原理。應(yīng)用：掌握本章所介紹的總線的分類、體系結(jié)構(gòu)及操作、總線仲裁及傳輸方式等，并能夠在實踐中靈活運用。8.1總線的基本概念總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互連機構(gòu)，是多個功能部件之間進行信息傳送的公共通路。主機的各個部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統(tǒng)。借助于總線連接，在各系統(tǒng)功能部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭用資源的基礎(chǔ)上進行工作。8.1.1總線的分類和特性在微機系統(tǒng)中，有多種類型的總線，這些總線可以從不同的層次和角度進行分類。1.按照總線在系統(tǒng)中的層次結(jié)構(gòu)和位置劃分，一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為四類：(1)內(nèi)部總線：連接CPU內(nèi)部控制器、運算器及各寄存器的總線。(2)存儲總線：連接CPU、存儲控制器及內(nèi)存的總線。(3)系統(tǒng)總線：也稱為I/O通道總線，是CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件，如外存儲器、通道等互相連接的總線。也可用來連接擴充插槽上的各擴充板卡。系統(tǒng)總線有多種標(biāo)準(zhǔn)，如ISA、EISA、PCI、AGP等。(4)外部通信總線：也稱為外部設(shè)備總線，用來連接外設(shè)控制芯片，以及中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線。目前在微機中流行的外部通信總線接口標(biāo)準(zhǔn)有IDE、EIDE、SCSI、IEEE488、USB和IEEE1394等。前三種主要是與硬盤、光驅(qū)等IDE設(shè)備接口，后面三種外部總線可以用來連接多種外部設(shè)備。具體內(nèi)容將在8.4節(jié)詳細介紹。2.按照總線的功能劃分，大致分為三類：(1)數(shù)據(jù)總線（DataBus）：用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，它既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I／O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。(2)地址總線（AddressBus）：用于傳送地址信息。由于地址只能從CPU傳向存儲器或I／O接口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2n字節(jié)。(3)控制總線（ControlBus）用于傳送控制信號和時序信號?？刂菩盘栔?，有的是CPU送往存儲器和I/O接口電路的，如讀/寫信號、片選信號、中斷響應(yīng)信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復(fù)位信號、總線請求信號、設(shè)備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的?？刂瓶偩€的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。3.按照總線傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分，可以分為兩類：(1)串行總線：在串行總線中，二進制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的部件。常見的串行總線有SPI、I2C、USB及RS232等。(2)并行總線：在并行總線中，數(shù)據(jù)線有多根，可同時將多個數(shù)據(jù)位發(fā)送到目的部件。4.按照總線時鐘信號是否獨立劃分，可以分為兩類：(1)同步總線：同步總線的時鐘信號獨立于數(shù)據(jù)。如SPI、I2C是同步串行總線，(2)異步總線：異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的。如RS232采用異步串行總線。8.1.2總線的主要性能指標(biāo)和總線標(biāo)準(zhǔn)1.總線的主要性能參數(shù)總線的主要性能參數(shù)有總線帶寬、總線位寬和總線工作頻率。總線帶寬（總線數(shù)據(jù)傳輸速率）：指的是單位時間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，是衡量總線性能的重要指標(biāo)，單位兆字節(jié)每秒(MB/s)?？偩€位寬：指總線能同時傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。如ISA總線位寬為16位，EISA總線位寬為32位，PCI-2總線位寬64位?？偩€的位寬越寬，每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸率越大，總線的帶寬越寬?？偩€位寬通常不會超過微處理器外部數(shù)據(jù)總線的寬度。總線工作頻率：即總線的工作時鐘頻率，它以MHz為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬越寬。上述三個性能參數(shù)密切，總線帶寬、總線位寬和總線工作頻率之間的關(guān)系為：總線帶寬＝總線工作頻率*總線位寬/82.總線的標(biāo)準(zhǔn)化通過總線，計算機各部件間可進行各種數(shù)據(jù)和命令的傳送，為使不同廠家生產(chǎn)的同類功能部件能夠互換使用，給用戶更多的選擇，就必須使連接到總線上的各部件遵守相同的技術(shù)規(guī)范，這就是總線的標(biāo)準(zhǔn)化。采用標(biāo)準(zhǔn)化的總線除了易于使不同部件之間實現(xiàn)互連，還可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，便于各個部件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性以及擴充和更新的能力。8.28288總線控制器1.最大模式下的工作方式

8086/8088有兩種工作模式：

最小模式：所有總線控制信號均由CPU產(chǎn)生，適用于單個處理器系統(tǒng)。

最大模式：由外部的總線控制器8288根據(jù)CPU輸出的狀態(tài)信號產(chǎn)生相應(yīng)的總線控制信號，適用于多處理器系統(tǒng)。微機采用的是最大模式。當(dāng)8086CPU的引腳接＋5V電壓時，系統(tǒng)處于最小模式。當(dāng)引腳接地(0V電壓)時，系統(tǒng)處于最大模式。最大模式是相對最小模式而言的。在最大模式下，系統(tǒng)中大部分的總線控制信號都不是直接由8086CPU產(chǎn)生，而是由系統(tǒng)中另外接入的總線控制器Intel8288產(chǎn)生的。8086的最大模式典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。圖8-18086最大模式典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因此，在最大模式下可分為兩種工作方式：協(xié)處理器模式：8086＋8288（總線控制器）＋8087/8089此時的系統(tǒng)總線由一個8086獨占，8288工作于“I/O總線工作方式”。多處理器模式：8086（＋8087/8089）＋8288（總線控制器）＋8289（總線裁決器）此時的系統(tǒng)總線由多個8086共享，控制對共享資源進行訪問的8288工作于“系統(tǒng)總線工作方式”。2.最大模式下8086重新定義的24-31引腳在最大模式下，許多總線控制信號是通過總線控制器8288產(chǎn)生的，而不是8086直接產(chǎn)生的。這樣，8086在最小模式下提供的總線控制信號的引腳就可以重新定義，改作支持多處理器系統(tǒng)之用。8086重新定義的控制信號見下頁圖中帶括號的定義。8086重新定義了24-31共8個引腳的名稱及功能，詳細說明請見教材。3.總線控制器8288引腳及功能

8288是20引腳的雙列直插式封裝芯片(DualIn-linePackage，縮寫為DIP)，所有信號為TTL電平兼容，其引腳圖如圖8-2所示。圖8-28288引腳圖8288除電源Vcc和地線GND之外，余下的18個引腳，按功能可分為四大類，分別為處理器狀態(tài)輸入信號、控制輸入信號、總線命令輸出信號、控制輸出信號。具體名稱及功能如表8-2所示。輸入信號中，最重要的是三個狀態(tài)信號S0、S1、S2，8288就是根據(jù)這三種狀態(tài)信號的組合，輸出相應(yīng)的總線控制信號的。S0、S1、S2來自于8086CPU，它們與具體的總線操作功能及8288輸出的控制信號之間的對應(yīng)關(guān)系如表8-3所示。從圖8-1中可以看到：8288接收8086執(zhí)行指令時提供的狀態(tài)信號S0、S1、S2，在時鐘發(fā)生器的CLK信號控制下，譯碼產(chǎn)生時序性的各種總線控制信號和命令信號，并且也提高了控制總線的驅(qū)動能力。盡管最大方式一般用于多處理器系統(tǒng)，但在一些單處理器系統(tǒng)中，由于此優(yōu)點，也使用了8288。4.總線控制器8288的工作時序8288的工作時序如圖8-3所示。圖8-38288的工作時序8.38289總線裁決器1.總線仲裁概述總線上可以連接多個主模塊，它們均可占用總線傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)多個主模塊申請占用總線時，要進行仲裁，將總線控制權(quán)交給一個主模塊?？偩€仲裁的主要方法有分布式仲裁與集中式仲裁兩種方法。為了解決多個設(shè)備同時競爭總線控制權(quán)的沖突，必須具有總線仲裁部件，以某種方式選擇其中一個設(shè)備作為總線的下一次主方。2.總線裁決器8289引腳及功能總線裁決器8289是為構(gòu)成中、大規(guī)模的8086/8088系統(tǒng)而設(shè)計的。在最大模式下，系統(tǒng)中有多個微處理器，包括主處理器8086/8088、數(shù)值運算協(xié)處理器8087、輸入／輸出協(xié)處理器8089。這些處理器需要分時占用總線，共享總線上的資源，為防止總線競爭產(chǎn)生的沖突，就必須使用總線裁決器8289來確定每一時刻總線控制權(quán)的歸屬，以保證能依據(jù)各處理器的優(yōu)先級有條不紊地安排對系統(tǒng)總線的使用。8289進行總線仲裁時可有多種仲裁方法（集中式、菊花鏈等）。8289是20引腳的雙列直插式封裝芯片，所有信號為TTL電平兼容，其引腳圖如圖8-4所示。圖8-48289引腳圖8289除電源Vcc和地線GND之外，余下的18個引腳，按功能可分為四大類，分別為處理器狀態(tài)輸入信號、控制與組合選擇輸入信號、多總線接口信號、系統(tǒng)信號。具體名稱及功能如表8-4所示。3.總線裁決器8289的工作方式8289根據(jù)RESB和IOB輸入電平不同可組成四種工作方式，它們與各工作方式之間的對應(yīng)關(guān)系如表8-5所示。RESBIOB工作方式00IOB方式01單總線方式10IOB與RESB混合方式11RESB方式表8-58289工作方式4.總線裁決器8289優(yōu)先級控制構(gòu)成系統(tǒng)的處理器都要通過主控器總線來共享總線上的資源。在某一時刻，只允許一個處理器使用主控系統(tǒng)總線。利用8289可以實現(xiàn)優(yōu)先級控制。8289主要有兩種優(yōu)先級控制。

并行優(yōu)先級控制：將各裁決器的BREQ接到優(yōu)先級編碼器上。優(yōu)先級編碼器的3個輸出信號的編碼代表優(yōu)先級最高的BREQ輸入。優(yōu)先級編碼信號經(jīng)3－8譯碼器輸出，使提出請求的優(yōu)先級最高的8289獲得主控系統(tǒng)總線。當(dāng)優(yōu)先級低的8289正在使用總線而具有更高優(yōu)先級的8289又提出請求時，后者并不能立即獲得總線，待當(dāng)前正在工作的8289現(xiàn)行總線傳送完成才獲得總線。8289獲得總線，會將BUSY置為低電平。串行優(yōu)先級控制：由1號8289到3號8289的優(yōu)先級依次降低。在這種方式下，信號是逐級串行通過的，每通過一級都要對信號造成延遲。因此，芯片制造廠家推薦在BCLK為10MHZ時，8289不要超過3個。8.4常用系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線是與I/O擴充插槽相連的，I/O插槽中可插入各式各樣的擴充板卡，作為各種外設(shè)的適配器與外設(shè)連接。系統(tǒng)總線必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以便按照這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計各類適配卡。在本節(jié)將要介紹微型計算機中常用的各種系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)。8.4.1ISA總線1.ISA總線概述

ISA（IndustryStandardArchitecture）總線又稱AT總線，它是IBM公司為PC/AT微機制定的擴展系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

ISA總線工作頻率8MHz，位寬16位，最大數(shù)據(jù)傳輸率16MB/s，有98個信號線，工作電壓±5V和±12V，兼容8位的PC/XT總線。由于ISA總線的開放性以及PC系列機的廣泛使用，全世界的PC機制造商紛紛采用該總線標(biāo)準(zhǔn)。ISA總線在80286至80486時代應(yīng)用非常廣泛，以至于在一些奔騰機主板中還保留有ISA總線插槽。現(xiàn)在的微機主板都不再使用ISA接口。但以ISA總線為基礎(chǔ)的其他總線依然被應(yīng)用于工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)。8.4.2PCI總線1.PCI總線概述在ISA總線之后，先后出現(xiàn)了EISA和VESA總線。EISA是ISA的擴充，VESA是一種解決CPU與顯卡之間快速數(shù)據(jù)傳輸問題的總線，但它們都沒有從根本上解決總線對系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С謫栴}。PCI(PeripheralComponentInterconnect)是外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)的縮寫，是為了滿足外設(shè)間以及外設(shè)與主機間高速數(shù)據(jù)傳輸而提出來的。在數(shù)字圖形、圖像和語音處理，以及高速實時數(shù)據(jù)采集與處理等對數(shù)據(jù)傳輸率要求較高的應(yīng)用中，采用PCI總線來進行數(shù)據(jù)傳輸，可以解決原有的標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)傳輸率低帶來的瓶頸問題。PCI總線已成為局部總線的主流標(biāo)準(zhǔn)。2.PCI總線的主要性能和特點(1)數(shù)據(jù)傳輸率高最早提出的PCI總線工作頻率為33MHz，總線位寬為32位，總線帶寬達到了132MB/s(即33MHz×32bit/8)，基本上滿足了當(dāng)時處理器的發(fā)展需要。隨著對更高性能的要求，1993年又提出了位