《計(jì)算機(jī)組成原理》 課件 張基溫 第8、9章 總線與主板、未來計(jì)算機(jī)展望

第8章

總線與主板總線(bus)主板（mainboard)計(jì)算機(jī)組成原理教程（第10版）CompanyLogo2總線(bus)是能由多個(gè)部件分時(shí)共享的公共信息傳送線路，一個(gè)系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)決定了該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、便于組織多家專業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代、滿足不同用戶需求以及提高可維修性等，因而得以迅速發(fā)展。

在微型計(jì)算機(jī)中，總線以及所連接的部件都安放在主板（mainboard）上。計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)的部件和外部設(shè)備的控制都通過主板實(shí)現(xiàn)，主板的組成與布局也決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。8.1總線的概念

第6章總線與主板48.1.1總線及其規(guī)范總線是一組能為多個(gè)功能部件服務(wù)的公共信息傳送線路。采用總線結(jié)構(gòu)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是各部件可通過總線交換信息，相互之間不必單獨(dú)連線，減少了傳輸線的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性；二是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要擴(kuò)展功能時(shí)，只需把要擴(kuò)展的部件接到總線上，提高了微機(jī)的可擴(kuò)展性?？偩€的3個(gè)基本特性

共享分時(shí)規(guī)范

第6章總線與主板51。

機(jī)械規(guī)范CompanyLogo62。

電氣規(guī)范。電氣規(guī)范指總線的每一根線上信號(hào)的傳遞方向及有效電平范圍。3。規(guī)程規(guī)范。規(guī)程規(guī)范用以描述總線中每一根線的功能和信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)序要求。4.時(shí)間規(guī)范時(shí)間規(guī)范又稱為邏輯規(guī)范，指在總線操作過程中每一根信號(hào)線上信號(hào)什么時(shí)候有效，通過這種信號(hào)有效的時(shí)序關(guān)系約定，確保了總線操作的正確進(jìn)行。第6章總線與主板78.1.2總線的分類1.按照總線傳遞的信號(hào)分類按照總線傳遞的信息，可將其分為：·地址總線（AddressBus，AB），用來傳遞地址信息；·數(shù)據(jù)總線（DataBus，DB），用來傳遞數(shù)據(jù)信息；·控制總線（ControlBus，CB），用來傳遞各種控制信號(hào)。第6章總線與主板82.按照總線所處的位置分類總線所處的位置分為機(jī)內(nèi)總線和機(jī)外總線。機(jī)內(nèi)總線分為片內(nèi)總線和片外總線。片內(nèi)總線指CPU芯片內(nèi)部用于在寄存器、ALU以及控制部件之間傳輸信號(hào)的總線；片外總線指CPU芯片之外，用于連接CPU、內(nèi)存以及I/O設(shè)備的總線。機(jī)外總線指與外部設(shè)備接口的總線，實(shí)際上是一種外設(shè)的接口標(biāo)準(zhǔn)。目前在微型計(jì)算機(jī)上流行的接口標(biāo)準(zhǔn)有：IDE、SCSI、USB和IEEE1394等第6章總線與主板93.按照總線在系統(tǒng)中連接的主要部件分類按照總線在系統(tǒng)中連接的主要部件，可以將總線分為：·存儲(chǔ)總線：連接存儲(chǔ)器?！MA總線：連接DMA控制器。·系統(tǒng)總線：連接I/O通道總線以及各擴(kuò)展槽?！/O（設(shè)備）總線：連接外部設(shè)備控制芯片?！ぞ植靠偩€：通常是一種實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送的高性能總線，用來在高度集成的外設(shè)控制器器件、擴(kuò)展板和處理器/存儲(chǔ)器系統(tǒng)之間提供一種內(nèi)部連接機(jī)制。第6章總線與主板104.按照總線采用的通信方式分類按照總線采用的通信方式，可以分為串行總線并行總線。第6章總線與主板115.按照系統(tǒng)中使用的總線數(shù)量分類大多數(shù)總線都是以相同方式構(gòu)成的，其不同之處僅在于總線中數(shù)據(jù)線和地址線的數(shù)目，以及控制線的多少及功能。按照系統(tǒng)中使用的總線的條數(shù)可以分為單總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)。第6章總線與主板12單總線第6章總線與主板13以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)

第6章總線與主板14三總線結(jié)構(gòu)

第6章總線與主板15三級(jí)總線結(jié)構(gòu)

（分級(jí)三總線）第6章總線與主板16四級(jí)總線結(jié)構(gòu)

第6章總線與主板178.1.3總線的性能指標(biāo)（1）總線寬度：也稱傳送寬度，指一次總線操作中通過總線傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即數(shù)據(jù)總線的數(shù)量，用bit(位)表示，如總線寬度有8位、16位、32位、64位之分。（2）尋址能力：取決于地址總線的根數(shù)。例如，PCI總線的地址總線為32位，尋址能力達(dá)4GB。（3）總線帶寬（標(biāo)準(zhǔn)傳輸率）：在總線上每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)（Byte）量，用MB/s表示，即多少兆字節(jié)每秒。（4）總線工作的時(shí)鐘頻率：總線工作頻率越高，帶寬越寬。設(shè)總線的帶寬用Dr表示，總線的時(shí)鐘周期用表示，一個(gè)總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示，則帶寬的計(jì)算公式如下Dr=D/T=D×f若總線工作頻率33MHz，總線寬度32位，則最大傳輸率為Dr=4B×33×106/s=132MB/s第6章總線與主板18（5）是否支持突發(fā)傳送?？偩€上數(shù)據(jù)傳送方式分為兩種：·正常傳送——每個(gè)傳送周期先傳送數(shù)據(jù)的地址，再傳送數(shù)據(jù)。·突發(fā)傳送——支持成塊連續(xù)數(shù)據(jù)的傳送，只需給出數(shù)據(jù)塊的首地址，后續(xù)數(shù)據(jù)地址自動(dòng)生成。PCI總線支持突發(fā)傳送，ISA不支持。（6）負(fù)載能力，即總線上能夠連接的設(shè)備數(shù)。（7）總線控制方式：含有突發(fā)傳輸、并發(fā)工作、自動(dòng)配置、仲裁方式、邏輯方式、計(jì)數(shù)方式等項(xiàng)內(nèi)容。（8）PnP能力。PnP（Plug-and-Play，即插即用，也稱熱插拔）是由Microsoft提出的，意思是系統(tǒng)自動(dòng)偵測(cè)周邊設(shè)備和板卡并自動(dòng)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，做到插上就能用，無須人工干預(yù)，是Windows自帶的一項(xiàng)技術(shù)。所謂即插即用是指將符合PNP標(biāo)準(zhǔn)的PC插卡等外圍設(shè)備安裝到電腦時(shí)，操作系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。當(dāng)用戶安裝新的硬件時(shí)，不必再設(shè)置任何跳線器開關(guān)，也不必用軟件配置中斷請(qǐng)求(IRQ)、內(nèi)存地址或直接存儲(chǔ)器存取(DMA)通道，Windows會(huì)向應(yīng)用程序通知硬件設(shè)備的新變化，并會(huì)自動(dòng)協(xié)調(diào)IRQ、內(nèi)存地址和DMA通道之間的沖突。（9）其他指標(biāo)：除了以上幾項(xiàng)外，還有總線的同步方式、信號(hào)線數(shù)、是否具有多路復(fù)用、電源電壓高低和能否擴(kuò)展64位寬度等，也是十分重要的指標(biāo)。CompanyLogo198.1.4標(biāo)準(zhǔn)總線總線名稱開發(fā)者推出日期總線位寬(b)工作頻率（Hz）帶寬(B/s)負(fù)載能力PC-XTIBM198184M4M8ISAIBM1984168M16M8MCAIBM19873210M40M無限制EISACompaq等1988.9328.33M33M6PCIIntel\IBM等19913220M~33.3M133M/528M3VESAVESA19923266M266M6AGPIntel1996.73266.7M/133M266M/2.133GPCI-EIntel\IBM等2002.7串行2.5G/5G/10G點(diǎn)兌點(diǎn)：4G/16G雙向：8G/32G8.2總線工作原理

第6章總線與主板218.2.1總線的組成與

基本傳輸過程1.總線的組成(1)傳輸線?！さ刂肪€——決定直接尋址范圍?！?shù)據(jù)線——決定同時(shí)并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度。·控制、時(shí)序和中斷信號(hào)線——決定總線功能的強(qiáng)弱、適應(yīng)性好壞?！る娫淳€——決定電源電壓種類、地線分布以及它們的用法?！溆镁€——留給用戶進(jìn)行性能擴(kuò)充，滿足特殊需要。(2)接口邏輯。

總線與各部件并不是直接相連的，通常需要一些三態(tài)門（控制雙向傳送）和緩沖寄存器等作為它們之間的接口。(3)總線控制器。

總線要為多個(gè)部件共享。為了正確地實(shí)現(xiàn)它們之間的通信，必須有一個(gè)總線控制機(jī)構(gòu)，對(duì)總線的使用進(jìn)行合理的分配和管理。第6章總線與主板222.總線中信號(hào)的基本傳輸過程（1）請(qǐng)求總線。利用總線進(jìn)行信息傳送的主控模塊申請(qǐng)總線，以便取得總線控制權(quán)。（2）總線仲裁：多個(gè)主控模塊同時(shí)申請(qǐng)總線時(shí)，系統(tǒng)做出裁定，把總線的控制權(quán)賦予某個(gè)主控模塊。（3）目的尋址：某主控模塊取得總線控制權(quán)后，由該模塊進(jìn)行尋址，通知被訪問的模塊進(jìn)行信息傳輸。（4）信息傳輸：主控模塊與被訪問模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)讀寫方式確定信息流向。分兩種情形：?jiǎn)沃芷诜绞绞窃讷@得一次總線使用權(quán)后只能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)，如果需要傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)，就要多次申請(qǐng)使用總線；突發(fā)式是指獲得一次總線使用權(quán)可以連續(xù)進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸，在尋址過程中，主控模塊發(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(chǔ)上按一定的規(guī)則尋址，如：PCI總線支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式，這種方式下總線利用率高。（5）錯(cuò)誤檢測(cè)：最常用、最簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤檢測(cè)方法是奇偶檢驗(yàn)。錯(cuò)誤檢測(cè)結(jié)束后，主控模塊的有關(guān)信息均從系統(tǒng)總線上撤銷，讓出總線。第6章總線與主板238.2.2總線爭(zhēng)用與仲裁

總線同一時(shí)刻只允許在一對(duì)模塊之間進(jìn)行通信。當(dāng)多個(gè)主模塊同時(shí)要求使用總線時(shí)，總線控制機(jī)構(gòu)中的判優(yōu)和仲裁邏輯將按一定的判優(yōu)原則，來決定由哪個(gè)模塊使用總線。只有獲得了總線使用權(quán)的模塊，才能開始傳送數(shù)據(jù)。

主方持續(xù)控制總線的時(shí)間稱為總線占用周期。第6章總線與主板241。時(shí)間片劃分法2.集中控制的優(yōu)先權(quán)仲裁3.分布控制的優(yōu)先權(quán)仲裁第6章總線與主板251。時(shí)間片劃分法ABCABCABBCACT4T1T2T3T5T6T7T8T9（a）一條在不同時(shí)間片輪流接通三個(gè)設(shè)備的物理通道（b）相當(dāng)于三條邏輯通道第6章總線與主板262.集中控制的優(yōu)先權(quán)仲裁集中控制的優(yōu)先權(quán)仲裁方式有3種：鏈?zhǔn)讲樵?、定時(shí)查詢和獨(dú)立請(qǐng)求。

第6章總線與主板27（1）鏈?zhǔn)讲樵兎绞教攸c(diǎn)：1、BG串行的從一個(gè)I/O接口傳到下一個(gè)I/O接口。2、若該接口無請(qǐng)求，則繼續(xù)往下查詢；

若該接口有請(qǐng)求，則不再往下查詢，即獲得總線的控制權(quán)；3、離總線總裁器最近，優(yōu)先級(jí)最高。第6章總線與主板28（2）計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式

該方式采用一個(gè)計(jì)數(shù)器控制總線的使用權(quán)。它仍用一根請(qǐng)求線，當(dāng)總線控制器接到總線請(qǐng)求信號(hào)以后，若總線不忙（BS線為“0”），則計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各部件。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求使用總線設(shè)備的地址一致時(shí)，該設(shè)備獲得總線使用權(quán)，置忙線BS為“1”。同時(shí)中止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)及查詢工作。

第6章總線與主板29（3）獨(dú)立請(qǐng)求方式每一個(gè)共享總線的部件均有一對(duì)總線請(qǐng)求線BRi和總線同意線BGi。當(dāng)該部件要使用總線時(shí)，便發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，在總線控制部件中排隊(duì)?？偩€控制器可根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先響應(yīng)哪個(gè)部件的總線請(qǐng)求，以便向該部件發(fā)出總線的響應(yīng)信號(hào)BGi。該部件接到此信號(hào)就獲得了總線的使用權(quán)，開始傳送數(shù)據(jù).第6章總線與主板303.分布控制的優(yōu)先權(quán)仲裁分布式優(yōu)先權(quán)仲裁有如下特點(diǎn)。（1）將所有設(shè)備都具有預(yù)先分配的仲裁號(hào)。（2）仲裁器分布在各設(shè)備上。（3）任何時(shí)刻，每個(gè)設(shè)備都可以發(fā)出總線使用請(qǐng)求。（4）同時(shí)有兩個(gè)以上設(shè)備發(fā)出總線使用請(qǐng)求時(shí)，高優(yōu)先級(jí)別的設(shè)備贏得裁決。（5）一個(gè)設(shè)備使用總線時(shí)，要通過總線忙信號(hào)阻止其他設(shè)備請(qǐng)求。第6章總線與主板318.2.3總線通信中主存之間

的時(shí)序控制總線通信的控制大致有4種方式：同步通信異步通信半同步通信分離式通信其中最基本的是同步通信和異步通信。第6章總線與主板321.同步通信中的定時(shí)控制第6章總線與主板33

（1）

同步通信讀周期：T1：CPU將存儲(chǔ)器地址放到地址線上；同時(shí)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，指明控制信息和地址信息已經(jīng)出現(xiàn)在總線上。T2：CPU發(fā)出讀命令，存儲(chǔ)模塊識(shí)別地址碼；第6章總線與主板34

（1）

同步通信讀周期：T3：存儲(chǔ)模塊將數(shù)據(jù)和認(rèn)可信息放到總線上，準(zhǔn)備被CPU讀取。T4：CPU將數(shù)據(jù)讀入自己的寄存器；讀信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)結(jié)束；總線周期結(jié)束。同步定時(shí)適用于總線長(zhǎng)度較短、各功能模塊存取時(shí)間比較接近的情況。第6章總線與主板35

（2）

異步通信

異步通信方式也稱為應(yīng)答方式，在這種方式下，沒有公共的時(shí)鐘，也沒有固定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而是通過“請(qǐng)求”（request）和“應(yīng)答”（acknowledge）方式（或稱握手方式）來進(jìn)行同步控制用以實(shí)現(xiàn)不同速度模塊間的數(shù)據(jù)傳送配合。即主模塊先向從模塊發(fā)出“請(qǐng)求”信號(hào)，等收到從模塊的“應(yīng)答”信號(hào)后，才認(rèn)為可以開始通信。為此，在并行傳輸系統(tǒng)中除數(shù)據(jù)線之外，要增加請(qǐng)求和應(yīng)答兩條應(yīng)答線（或稱握手交互信號(hào)線）。

一般把異步應(yīng)答關(guān)系分為不互鎖、半互鎖和全互鎖3種類型：第6章總線與主板36狀態(tài)信號(hào)地址信號(hào)讀

命

令數(shù)據(jù)信號(hào)確認(rèn)信號(hào)CPU存儲(chǔ)器①①②③④⑤⑥⑥⑦第6章總線與主板37

（2）

異步通信讀周期：1、CPU發(fā)送地址信號(hào)，讀狀態(tài)信號(hào)到總線上。2、信號(hào)穩(wěn)定后，CPU發(fā)出讀命令，指示有效地址和控制信號(hào)出現(xiàn)。3、存儲(chǔ)模塊進(jìn)行地址譯碼；將數(shù)據(jù)放到總線上。第6章總線與主板38

（2）

異步通信讀周期：4、存儲(chǔ)模塊發(fā)出確認(rèn)有效信息，通知CPU數(shù)據(jù)可用；CPU讀取數(shù)據(jù)。5、CPU讀完數(shù)據(jù)后，撤銷讀信號(hào)，存儲(chǔ)器撤銷數(shù)據(jù)信號(hào)和確認(rèn)信號(hào)；確認(rèn)信號(hào)的撤銷使CPU撤銷地址信號(hào)?？偩€周期結(jié)束。第6章總線與主板392.異步通信中的應(yīng)答控制（1）全互鎖。過程如下：①主模塊發(fā)出“請(qǐng)求”信號(hào)，等待從模塊的“應(yīng)答”信號(hào)；②從模塊接到“請(qǐng)求”信號(hào)后，發(fā)出“應(yīng)答”信號(hào)——一次握手；③主模塊接到從模塊的“應(yīng)答”信號(hào)，就撤銷其“請(qǐng)求”信號(hào)——二次握手；④從模塊在獲知主模塊已撤銷“請(qǐng)求”信號(hào)后，隨即撤銷其應(yīng)答信號(hào)——三次握手。這樣，經(jīng)過三次握手在通信雙方建立了完全的互鎖關(guān)系。第6章總線與主板40（2）半互鎖。規(guī)則如下：主模塊的“請(qǐng)求”信號(hào)撤銷，取決于是否收到從模塊的“應(yīng)答”信號(hào)。收到從模塊的“應(yīng)答”信號(hào)，立即撤銷“請(qǐng)求”信號(hào)；而從模塊“應(yīng)答”信號(hào)的撤銷與否，完全由從模塊自主決定。第6章總線與主板41（3）不互鎖。規(guī)則如下：“請(qǐng)求“和“應(yīng)答”信號(hào)都有一定的時(shí)間寬度，主模塊發(fā)出“請(qǐng)求”信號(hào)，不等待接到從模塊的“應(yīng)答”信號(hào)，而是經(jīng)過一段時(shí)間后，撤銷其請(qǐng)求信號(hào)。從模塊接到“請(qǐng)求”信號(hào)后，在條件允許時(shí)發(fā)出“應(yīng)答”信號(hào)，并且經(jīng)過一段時(shí)間，自動(dòng)撤銷其應(yīng)答信號(hào)。這樣，“請(qǐng)求”信號(hào)的結(jié)束和“應(yīng)答”信號(hào)的結(jié)束不互鎖。第6章總線與主板423.半同步通信半同步的特點(diǎn)是：用系統(tǒng)時(shí)鐘同步，但對(duì)慢速設(shè)備可延長(zhǎng)傳輸數(shù)據(jù)的周期。方法是采用增加一條信號(hào)線（WAIT或READY）控制是否增加（插入）等待周期來延長(zhǎng)傳輸周期。

第6章總線與主板434.分離式通信上述三種通信方式的共同弊端是在一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期中，總線一直被兩個(gè)通信的模塊占用。而其中并非每一時(shí)刻都在使用總線：一部分時(shí)間是在進(jìn)行傳輸準(zhǔn)備。分離式通信的基本思想是區(qū)分傳輸準(zhǔn)備和傳輸，使設(shè)備在傳輸準(zhǔn)備階段不占用或少占用總線，以便是總線能被充分利用，提高其吞吐量?；痉椒ㄊ?，一個(gè)信號(hào)傳輸結(jié)束，立即釋放總線。

8.3幾種系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)第6章總線與主板4545

相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家生產(chǎn)的各功能部件在實(shí)現(xiàn)方法上幾乎沒有相同的,但各廠家生產(chǎn)的相同功能部件卻可以互換使用，其原因何在呢?

為了使不同廠家生產(chǎn)的相同功能部件可以互換使用，就需要進(jìn)行系統(tǒng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了很多總線標(biāo)準(zhǔn)，如PCI、ISA等。

采用標(biāo)準(zhǔn)總線的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新第6章總線與主板468.3.1ISA總線1.ISA-8ISA（IndustryStandardArchitecture:，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）是IBM公司1981年為微型計(jì)算機(jī)制定的8位總線標(biāo)準(zhǔn)，適用于CPU為8088的IBMPC/XT微機(jī)系統(tǒng)，也稱XT總線。它的62針分成A、B兩排，每排31針；其中：·數(shù)據(jù)線8針（D7~D0）；·地址線20針（A19~A0，最大尋址空間1M）；·控制線21針，可接受6路中斷請(qǐng)求，3路DMA請(qǐng)求，此外還包括時(shí)鐘、電源線和地線。第6章總線與主板472.ISA-161984年，IBM推出PC/AT系統(tǒng)，并把ISA從8位擴(kuò)充到16位，地址線從20條擴(kuò)充到24條，以適用于CPU為Intel80286的IBMPC、AT系統(tǒng)。ISA-16總線的主要性能和特點(diǎn)如下。

（1）具有比ISA-8（XT總線）更強(qiáng)的支持能力。它能支持：

．64KBI/O地址空間(0000H～FFFFH)。．16MB存儲(chǔ)器地址空間(000000H～FFFFFFH)。．8位或16位數(shù)據(jù)存取。．8MHz最高時(shí)鐘頻率和16MB/s最大穩(wěn)態(tài)傳輸率。．15級(jí)硬中斷。．7級(jí)DMA通道。（2）是一種多主控器(MultiMaster)總線，允許多個(gè)主控器共享系統(tǒng)資源。系統(tǒng)中除主CPU外，DMA控制器、DRAM刷新控制器和帶處理器的智能接口控制卡都可以成為ISA總線的主控設(shè)備。（3）可支持8種類型的總線周期：

．8位和16位的存儲(chǔ)器讀周期。．8位和16位的I/O讀周期。．8位和16位的存儲(chǔ)器寫周期。．8位和16位的I/O寫周期。．中斷周期(包括中斷請(qǐng)求周期和中斷響應(yīng)周期)。．DMA周期。．存儲(chǔ)器刷新周期。．總線仲裁周期。第6章總線與主板48（4）ISA-16芯片是在原ISA-8的62線基礎(chǔ)上，擴(kuò)充了一個(gè)36線的芯片。

第6章總線與主板49插槽被設(shè)計(jì)成為兩部分結(jié)構(gòu)，一部分是原ISA-8總線的62線插頭、插槽(分A、B兩面，每面31線)，另一部分是新增的36線插頭、插槽(分C、D兩面，每面18線)，新增的36線與原有的62線之間有一凹槽隔開。

圖4.11ISA-16插槽結(jié)構(gòu)第6章總線與主板50圖中的黑色插槽即為16位ISA總線插槽

第6章總線與主板513.EISA1988年，康柏、HP、NEC等9個(gè)廠商協(xié)同把ISA擴(kuò)展到32位，即EISA總線(ExtendedISA)。第6章總線與主板525.3.2PCI總線PCI（PeripheralComponentInterconnect，外部設(shè)備互連）總線是由Intel公司提出的一種獨(dú)立于處理器的的局部總線標(biāo)準(zhǔn)，于1992年6月和1996年6月頒布了V1.0（支持32位）和V2.1（支持64位）規(guī)范。第6章總線與主板531.PCI總線的性能特點(diǎn)（1）高性能。·PCI總線不同于ISA總線，其地址總線和數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的。·PCI總線是一種同步總線，除了中斷等少數(shù)幾個(gè)信號(hào)外，其他信號(hào)與總線時(shí)鐘的上升沿同步，潛伏期短并可以預(yù)測(cè)?！ぶС挚偩€主控技術(shù)。允許主控部件（智能設(shè)備或多處理器中任一處理器）取得總線控制權(quán)，加速數(shù)據(jù)傳輸。

第6章總線與主板54PCI總線的傳輸帶寬（MB/s）

位

寬（b）時(shí)鐘頻率（MHz）326433.313326666.6266532第6章總線與主板55（2）兼容性強(qiáng)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)總線（如ISA總線）實(shí)際上是CPU引腳的延伸，其信號(hào)是CPU信號(hào)的再驅(qū)動(dòng)，而PCI以獨(dú)特的中間緩沖器方式工作，從而可以獨(dú)立于CPU，并將CPU與I/O設(shè)備分開。PCI的工作頻率與處理器時(shí)鐘頻率無關(guān)，它除了適用于Intel公司的芯片外，還適用于其他型號(hào)（如DEC公司的Alpha）的處理器芯片。PCI與ISA，EISA，VL等總線兼容，能將PCI總線轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的ISA，EISA，MCA等，可以架起處理器與其他總線之間的橋梁。這些不僅提高了PCI的兼容性，還使它不會(huì)因處理器變化而變得過時(shí)。第6章總線與主板56（3）高可靠性和可操作性。PCI支持熱插拔，能自動(dòng)識(shí)別外設(shè)。它的的插件是通用的，可以插到任何一個(gè)有PCI總線的系統(tǒng)上。它的32位與64位擴(kuò)展板的部件都正反向兼容。PCI總線支持兩種電壓標(biāo)準(zhǔn)：5V和3.3V。3.3V電壓的PCI總線標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于便攜式微機(jī)和綠色計(jì)算機(jī)（greenPC）中。它采用了小型化設(shè)計(jì)，并允許超過電力負(fù)荷預(yù)算的最大值。第6章總線與主板572.PCI總線的應(yīng)用第6章總線與主板58PCI是外部設(shè)備與CPU之間的一個(gè)中間層，目的是為高速外部設(shè)備提供一個(gè)高速數(shù)據(jù)通道。驅(qū)動(dòng)PCI總線所需的全部控制全由PCI橋路實(shí)現(xiàn)。PCI橋路也可以看作是一個(gè)總線適配器，用于在CPU總線與PCI總線之間進(jìn)行適配與耦合。它在與CPU總線的接口中引入了FIFO緩沖器，使PCI總線與CPU總線的操作各自獨(dú)立，消除了相互影響，且可以并行工作，提高了系統(tǒng)的吞吐能力，第6章總線與主板59當(dāng)總線的驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，可以采用多層結(jié)構(gòu)，

北橋南橋第6章總線與主板603.PCI總線信號(hào)第6章總線與主板614.PCI總線周期第6章總線與主板62①總線周期由獲得總線控制權(quán)的主控設(shè)備啟動(dòng)，啟動(dòng)由FRAME#（總線周期信號(hào)）變?yōu)橛行щ娖介_始。②啟動(dòng)方將目標(biāo)設(shè)備的地址放在AD（地址/數(shù)據(jù)總線）上，命令放在C/BE#（總線命令/字節(jié)允許信號(hào)線）上。③經(jīng)一個(gè)時(shí)鐘周期，從地址總線上識(shí)別出目標(biāo)設(shè)備，啟動(dòng)方停止AD總線和C/BE#線上的信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)IRDY#（主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)線）為有效電平，表示已作好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。④經(jīng)一個(gè)時(shí)鐘周期，目標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)DEVSEL#（設(shè)備選擇信號(hào)線）為有效電平，通知主設(shè)備，從設(shè)備已被選中。同時(shí)將被請(qǐng)求的數(shù)據(jù)放在AD總線上，并將驅(qū)動(dòng)從TRDY#（設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)線）為有效電平，表示總線上的數(shù)據(jù)有效。⑤啟動(dòng)方讀數(shù)據(jù)。⑥經(jīng)一個(gè)時(shí)鐘周期，目標(biāo)設(shè)備還未準(zhǔn)備好傳送第二個(gè)數(shù)據(jù)塊，AD上還是數(shù)據(jù)1，故將TRDY#驅(qū)動(dòng)至無效電平，處于等待。⑦目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備好傳送第二個(gè)數(shù)據(jù)塊，TRDY#變?yōu)橛行щ娖?，啟?dòng)方再讀數(shù)據(jù)。⑧目標(biāo)方將第三個(gè)數(shù)據(jù)塊放到數(shù)據(jù)總線上，但啟動(dòng)方未準(zhǔn)備好，故因此將IRDY#驅(qū)動(dòng)至無效電平，等待。⑨啟動(dòng)方準(zhǔn)備好，但知道第三個(gè)數(shù)據(jù)塊是要傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)，故將FRAME驅(qū)動(dòng)至無效電平，準(zhǔn)備結(jié)束總線周期，同時(shí)將IRDY#驅(qū)動(dòng)至有效電平，進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作。⑩啟動(dòng)方讀完數(shù)據(jù)3，遂將IRDY#驅(qū)動(dòng)為無效電平，總線回到空閑狀態(tài)。第6章總線與主板63圖中白色的插槽即為32位PCI總線插槽

第6章總線與主板648.3.3AGP總線AGP總線（AcceleratedGraphicsPort，加速圖形端口），是一種為了提高視頻帶寬而設(shè)計(jì)的總線規(guī)范。推出AGP的目的是為了大幅度地提高高檔微型計(jì)算機(jī)處理圖形尤其是3D圖形的能力。進(jìn)行圖像處理時(shí)，儲(chǔ)存在顯示卡上顯示內(nèi)存中的不僅有影像數(shù)據(jù)，還有紋理數(shù)據(jù)、Z軸的距離數(shù)據(jù)以及alpha數(shù)據(jù)等，特別是紋理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，要描繪3D圖形，不僅需要大容量的顯存，要需要高速的傳輸速度。第6章總線與主板65AGP的性能特點(diǎn)

（1）AGP總線將視頻處理器與系統(tǒng)主存直接相連，避免了經(jīng)過PCI總線造成的系統(tǒng)瓶頸，提高了3D圖形數(shù)據(jù)傳輸速度。

（2）系統(tǒng)主存可以與視頻芯片共享，在顯存不足的情形下，可以調(diào)用系統(tǒng)主存用于存儲(chǔ)紋理數(shù)據(jù)。

（3）采用雙重驅(qū)動(dòng)術(shù)。采用新的低電壓規(guī)范，允許在一個(gè)66MHz的總線時(shí)鐘內(nèi)傳輸一次到兩次數(shù)據(jù)，即在AGP時(shí)鐘信號(hào)的上沿和下沿都進(jìn)行32位數(shù)據(jù)傳輸，從而將有效帶寬提高4倍，達(dá)到512Mb/s甚至1Gb/s。

（4）CPU訪問系統(tǒng)主存與AGP訪問顯存可以并行進(jìn)行，顯示帶寬也不與其他設(shè)備共享，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。

（5）數(shù)據(jù)讀寫采用流水線操作，減少了內(nèi)存等待時(shí)間，有助于提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

（6）采用帶邊信號(hào)傳輸技術(shù)，在總線上調(diào)制使地址信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)分離，來提高隨機(jī)內(nèi)存訪問速度。第6章總線與主板66AGP的性能特點(diǎn)

（1）AGP總線將視頻處理器與系統(tǒng)主存直接相連，避免了經(jīng)過PCI總線造成的系統(tǒng)瓶頸，提高了3D圖形數(shù)據(jù)傳輸速度。

（2）系統(tǒng)主存可以與視頻芯片共享，在顯存不足的情形下，可以調(diào)用系統(tǒng)主存用于存儲(chǔ)紋理數(shù)據(jù)。

（3）采用雙重驅(qū)動(dòng)術(shù)。采用新的低電壓規(guī)范，允許在一個(gè)66MHz的總線時(shí)鐘內(nèi)傳輸一次到兩次數(shù)據(jù)，即在AGP時(shí)鐘信號(hào)的上沿和下沿都進(jìn)行32位數(shù)據(jù)傳輸，從而將有效帶寬提高4倍，達(dá)到512Mb/s甚至1Gb/s。

（4）CPU訪問系統(tǒng)主存與AGP訪問顯存可以并行進(jìn)行，顯示帶寬也不與其他設(shè)備共享，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。

（5）數(shù)據(jù)讀寫采用流水線操作，減少了內(nèi)存等待時(shí)間，有助于提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

（6）采用帶邊信號(hào)傳輸技術(shù)，在總線上調(diào)制使地址信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)分離，來提高隨機(jī)內(nèi)存訪問速度。8.4幾種設(shè)備總線標(biāo)準(zhǔn)1.ATA1984年IBM公司在其開發(fā)的IBMPC（IBMpersonalcomputer）的基礎(chǔ)上，推出了IBMAT（advancedtechnology，高級(jí)技術(shù)）。在這個(gè)系統(tǒng)的磁盤中使用了一種磁盤接口技術(shù)，將之稱為ATA（ATAttachment，AT嵌入式接口）。其基本技術(shù)是將以前硬盤控制器與“盤體”分離改為直接結(jié)合，以減少硬盤接口的電纜數(shù)目與長(zhǎng)度，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘靡栽鰪?qiáng)，也使硬盤制造起來變得更容易。第6章總線與主板688.4.1ATA與SATA總線

版本使用時(shí)間引腳數(shù)纜芯數(shù)PIO模式DMA模式UDMA模式支持容量最高速率ATA-11986-199440/44400-20-136.9GB3.33MB/sATA-2199640/44400-40-2-8.4GB16.6MB/sATA-3199740/44400-40-2-

16.6MB/sATA-4199840/44400-40-20-2

33MB/sATA-51999至今40800-40-20-4136.9GB66MB/sATA-62000至今40800-40-20-5144.12PB100MB/sATA-7

40800-40-20-5

133MB/s第6章總線與主板69各種版本的ATA總線的技術(shù)參數(shù)第6章總線與主板702.UltraDMAUltraDMA也叫ATADMA是一種內(nèi)存與磁盤第直接傳送的ATA技術(shù)，有UltraDMA/33、UltraDMA/66和UltraDMA/100MHz等多種規(guī)格。

第6章總線與主板713.SATA2000年11月推出新的硬盤接口總線SATA（SerialATA，串行ATA）。它將ATA總線的并行傳輸方式改為串行傳輸方式，規(guī)避了并行總線在高速下的串?dāng)_和同步問題。SATA具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）同一時(shí)間點(diǎn)內(nèi)只有1b數(shù)據(jù)傳輸，從而大大減少了接口的針腳數(shù)，僅用4支針腳（分別用于連接電源、連接地線、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)）就完成了所有的工作。（2）具有嵌入式時(shí)鐘信號(hào)，具有更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，在很大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?）只要0.5V（500mV）的峰對(duì)峰值電壓（PATA為5V）即可操作于更高的速度之上，節(jié)省電力，減少發(fā)熱量，其驅(qū)動(dòng)IC的生產(chǎn)成本也較為便宜。（4）支持熱插拔。這是ATA不具備的。（5）可以使用更高的頻率提高傳輸帶寬。表8.6為3代SATA的性能參數(shù)。表8.6三代SATA的性能參數(shù)表第6章總線與主板72第6章總線與主板731.SCSI總線概述1986年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）在原SASI(美國(guó)Shugart公司的ShugartAssociatesSystemInterface)接口基礎(chǔ)上，經(jīng)過功能擴(kuò)充和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，制定出SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）標(biāo)準(zhǔn)。它最初主要為管理磁盤而設(shè)計(jì)，但很快就應(yīng)用于CD-ROM驅(qū)動(dòng)器、掃描儀和打印機(jī)等的連接，成為服務(wù)器和圖形工作站中被廣泛采用新寵。第6章總線與主板748.4.2SCSI與SAS總線

第6章總線與主板75第6章總線與主板76SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)的主要特性（1）SCSI是系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出總線接口，許多外部設(shè)備都采用了這一標(biāo)準(zhǔn)接口。（2）SCSI支持多任務(wù)并行操作，具有總線仲裁功能。SCSI上的適配器和控制器可以并行工作，在同一個(gè)SCSI控制器控制下的多臺(tái)外設(shè)也可以并行工作?？偩€上的主機(jī)適配器和SCSI外設(shè)的總數(shù)最大為8。（3）SCSI可以按同步方式或異步方式傳輸數(shù)據(jù)。（4）SCSI有兩種輸出方式：?jiǎn)味溯敵龇绞较碌倪B接長(zhǎng)度限制為6m；差分輸出方式下的連接長(zhǎng)度限制為25m。（5）SCSI總線上的設(shè)備沒有主從之分，雙方平等。驅(qū)動(dòng)設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備之間采用高級(jí)命令進(jìn)行通信，不涉及外部設(shè)備的物理特性。因此使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)，便于集成。第6章總線與主板77SCSI總線68個(gè)引腳第6章總線與主板78專門的SCSI控制器

在系統(tǒng)中應(yīng)用SCSI必須要有專門的SCSI控制器，也就是一塊SCSI控制卡，才能支SCSI設(shè)備，這與IDE硬盤不同。在SCSI控制器上有一個(gè)相當(dāng)于CPU的芯片，它對(duì)SCSI設(shè)備進(jìn)行控制，能處理大部分的工作，減少了中央處理器的負(fù)擔(dān)（CPU占用率）。在同時(shí)期的硬盤中，SCSI硬盤的轉(zhuǎn)速、緩存容量、數(shù)據(jù)傳輸速率都要高于IDE硬盤，第6章總線與主板79

SCSI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SCSI是一種特殊的總線結(jié)構(gòu)，可以對(duì)計(jì)算機(jī)中的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)分工操作，對(duì)于系統(tǒng)同時(shí)要求的多個(gè)任務(wù)可以靈活機(jī)動(dòng)的適當(dāng)分配，動(dòng)態(tài)完成。連接在SCSI總線上的適配器和設(shè)備控制器稱為SCSI設(shè)備。SCSI具有與設(shè)備和主機(jī)無關(guān)的高級(jí)命令系統(tǒng)；SCSI設(shè)備都是有智能的總線成員；設(shè)備間無主次之分，只有啟動(dòng)設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備之分。2.SAS接口SAS（serialattachedSCSI,串行連接SCSI）具有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）SAS的接口技術(shù)可以向下兼容SATA。（2）SAS系統(tǒng)的背板(Backplane)既可以連接具有雙端口、高性能的SAS驅(qū)動(dòng)器，也可以連接高容量、低成本的SATA驅(qū)動(dòng)器。所以SAS驅(qū)動(dòng)器和SATA驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)存在于一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)之中。（3）SAS依靠SAS擴(kuò)展器來連接更多的設(shè)備，目前的擴(kuò)展器以12端口居多，不過根據(jù)板卡廠商產(chǎn)品研發(fā)計(jì)劃顯示，未來會(huì)有28、36端口的擴(kuò)展器引入，來連接SAS設(shè)備、主機(jī)設(shè)備或者其他的SAS擴(kuò)展器。（4）SAS采取直接的點(diǎn)到點(diǎn)的串行傳輸方式，傳輸?shù)乃俾矢哌_(dá)3Gbps，估計(jì)以后會(huì)有6Gbps乃至12Gbps的高速接口出現(xiàn)。（5）SAS的接口也做了較大的改進(jìn)，它同時(shí)提供了3.5英寸和2.5英寸的接口，因此能夠適合不同服務(wù)器環(huán)境的需求。（6）由于采用了串行線纜，在實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的連接距離的的同時(shí)還能夠提高抗干擾能力，這種細(xì)細(xì)的線纜還可以顯著改善機(jī)箱內(nèi)部的散熱情況。第6章總線與主板80第6章總線與主板811.USB及其特點(diǎn)

通用串行總線。是UniversalSerialBus的縮寫，中文直接翻譯

“通用串行總線”接口，它是一種串行總線系統(tǒng)，誕生于1994年，由PC界的幾位“巨人”——康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在統(tǒng)一外設(shè)如打印機(jī)、外置Modem、掃描儀、鼠標(biāo)等的接口，以便于安裝使用，取代以往的串口、并口和PS/2接口，它不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。8.4.3USB總線第6章總線與主板82USB特點(diǎn)（1）USB采用差分信號(hào)傳輸（2）使用方便,可連多個(gè)設(shè)備,且熱插拔.軟件可自動(dòng)啟動(dòng).不涉及IRQ沖突.,用HUB可最多可連127個(gè).(3)獨(dú)立供電

存在問題

理論上能連127個(gè)設(shè)備,實(shí)際只能連3~4個(gè).

串聯(lián)時(shí),會(huì)出現(xiàn)電力不足的問題.第6章總線與主板83拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主控器具有根集線器功能,具有2~4個(gè)USB端口,采用”級(jí)聯(lián)”方式連接.主控器/根集線器集線器1集線器1功能集線器3功能功能功能…功能功能…功能或集線器USB端口2USB端口1第6章

總線與主板842.USB規(guī)范

第6章

總線與主板853.USB接口連接件類型1）標(biāo)準(zhǔn)USB第6章

總線與主板862）MiniUSB接口和MicroUSB接口第6章

總線與主板873）Type-C接口（1）不分正反，使用者可以隨意插入，可以承受1萬次的反復(fù)插拔。（2）支持更高的傳輸速率（可達(dá)10Gb/s）。（3）支持更強(qiáng)悍的電力傳輸（可達(dá)100W），并且支持雙向電力傳輸。（4）向后兼容。如USB4標(biāo)準(zhǔn)目前僅支持Type-C接口。第6章

總線與主板88第6章總線與主板89

客戶驅(qū)動(dòng)程序USB驅(qū)動(dòng)程序(USBD)通用主控驅(qū)動(dòng)程序(HCD)通用主控制器(HCD)USB設(shè)備通用主控制接口系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件USB系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)FC（fiberchannel，光纖通道）是由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（ANSI）的X3T11小組于1988年提出的高速串行傳輸總線，以解決并行總線SCSI遇到的技術(shù)瓶頸。第6章總線與主板908.4.4光纖總線FC光纖總線特點(diǎn)：(1)高帶寬：2G或4Gbps；(2)確定性低延遲：微秒級(jí)端到端延遲；(3)低誤碼率：小于10-12；(4)抗干擾能力強(qiáng)：對(duì)電磁干擾有天然的免疫力；(5)傳輸距離遠(yuǎn)：最長(zhǎng)達(dá)150m~50km8.4.5AMR和CNR

AMR（AodioandModemRiser）是一種支持主板集成的聲效、Modem等的新技術(shù)，CNR（CommunicationandNetworkingRiser）是一種支持主板集成的通信和網(wǎng)絡(luò)等的新技術(shù)，目前的主板都有一個(gè)AMR或CNR插槽，如圖2-18所示，它們?yōu)橹靼逭系穆曅?、Modem和網(wǎng)絡(luò)功能提供了一個(gè)安裝升級(jí)卡的插槽。第6章總線與主板91第6章總線與主板928.5微型計(jì)算機(jī)主板第6章總線與主板948.5.1主板的概念主板，又叫主機(jī)板(mainboard)、系統(tǒng)板(systemboard)和母板(motherboard)，是安裝在微型計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)的一塊電路板，通常為矩形，上面安裝了組成計(jì)算機(jī)的主要電路系統(tǒng)和集成電路，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制的開關(guān)接口、指示燈插接件、擴(kuò)充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。主板的組成和布局，決定了計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，直接影響到計(jì)算機(jī)的性能，所以主板是微型計(jì)算機(jī)最基本的也是最重要的部件之一。此外，主板提供的擴(kuò)展槽（大都有6-8個(gè)），體現(xiàn)了開放式結(jié)構(gòu)的理念，可以供外圍設(shè)備控制卡(適配器)插接以及更換，為計(jì)算機(jī)相應(yīng)子系統(tǒng)的局部升級(jí)提供了很大的靈活性。第6章總線與主板958.5.2主板的構(gòu)成USB總線北橋芯片(MCH/GMCH)南北橋總線南橋芯片(ICH)PCI/PCIe總線圖形通道內(nèi)存總線ATA/SATA/LAN接口等CPUL2AGP總線等BIOS、第6章

總線與主板96第6章總線與主板97主板的平面是一塊PCB（Printed

Circuit

Board，印刷電路板，在上面布置著一組芯片、一些擴(kuò)展槽、一些對(duì)外接口。只要插上有關(guān)部件，就可以組成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。圖4.27為一個(gè)典型的微型計(jì)算機(jī)主板簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。可以看出，主板的關(guān)鍵組成部分是北橋芯片和南橋芯片

第6章總線與主板98北橋芯片主要負(fù)責(zé)快速通道的控制，是主板的最重要的芯片，人們習(xí)慣稱之為主橋（HostBridge）。它連接了CPU、高速總線和內(nèi)存通道，也被簡(jiǎn)稱為MCH(memorycontrollerhub，內(nèi)存控制中樞)。此外還連接圖形通道，所以也簡(jiǎn)稱GMCH(GRAPHICSandmemorycontrollerhub，圖形與內(nèi)存控制中樞)。北橋芯片決定了主板的規(guī)格

第6章總線與主板99南橋芯片簡(jiǎn)稱ICH(inputoutputcontrollerhub，I/O控制中樞)，負(fù)責(zé)中慢速通道的控制，主要是對(duì)I/O通道的控制，包括USB總線、串行ATA接口（連接硬盤、光盤）、PCIe總線（連接聲卡、RAID卡、網(wǎng)卡等）和鍵盤控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器和高級(jí)電源管理等

第6章總線與主板100南北橋之間用高帶寬的南北橋總線連接，以便隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。第6章總線與主板1011.PCB第6章總線與主板1022.擴(kuò)展槽擴(kuò)展插槽是主板上用于固定擴(kuò)展卡并將其連接到系統(tǒng)總線上的插槽，也叫擴(kuò)展槽、擴(kuò)充插槽

主板上的主要擴(kuò)展槽有內(nèi)存插槽、AGP插槽、PCIExpress插槽、PCI插槽、CNR插槽等。第6章總線與主板103CPU插座第6章總線與主板104第6章總線與主板105第6章總線與主板1063.芯片組北橋和南僑FSB（FrontSideBus）即前部總線.BIOS（BasicInput∕OutputSystem,基本輸入∕輸出系統(tǒng)）芯片是一一塊方塊狀的存儲(chǔ)器，里面存有與該主板搭配的基本輸入輸出系統(tǒng)程序。能夠讓主板識(shí)別各種硬件，還可以設(shè)置引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)備，調(diào)整CPU外頻等。RAID控制芯片相當(dāng)于一塊RAID卡的作用，可支持多個(gè)硬盤組成各種RAID模式。目前主板上集成的RAID控制芯片主要有兩種：HPT372RAID控制芯片和PromiseRAID控制芯片。音效芯片、網(wǎng)絡(luò)芯片（集成網(wǎng)卡）、IEEE1394控制芯片、監(jiān)控芯片（CPU風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控及機(jī)箱風(fēng)扇監(jiān)控等）。第6章總線與主板107第6章總線與主板1084.設(shè)備接口主板上一般有如下一些設(shè)備接口：硬盤接口、軟驅(qū)接口、COM接口(串口)、PS/2接口（用于連接鍵盤和鼠標(biāo)。一般情況下，鼠標(biāo)的接口為綠色、鍵盤的接口為紫色）、USB接口、LPT接口(并口，一般用來連接打印機(jī)或掃描儀)、MIDI接口、SATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment，串行高級(jí)技術(shù)附件，一種基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行硬件驅(qū)動(dòng)器接口）接口、電源接口等

第6章總線與主板109主板上的SATA接口插座實(shí)例

第6章總線與主板110第6章總線與主板1115.供電模塊第6章總線與主板1126.電氣元件電氣元件是電路上不可或缺的部分，們包括各種電阻/電容/電位器/晶振等。這些電氣元件分布在主板的各個(gè)位置。第6章總線與主板1137.主板驅(qū)動(dòng)指使計(jì)算機(jī)識(shí)別主板上硬件的驅(qū)動(dòng)程序。主板驅(qū)動(dòng)主要包括：芯片組驅(qū)動(dòng)、集成顯卡驅(qū)動(dòng)、集成網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、集成聲卡驅(qū)動(dòng)、usb2.0驅(qū)動(dòng)（xp系統(tǒng)已含）。主板驅(qū)動(dòng)有的是集成在系統(tǒng)盤上的，自帶光盤，放入光驅(qū)即可安裝。第6章總線與主板1148.跳線和DIP開關(guān)第6章總線與主板115第6章總線與主板1168.5.3主板架構(gòu)及其進(jìn)展

1.AT主板和Babay主板

第6章總線與主板117第6章總線與主板118ATX型主板2.ATX主板3.NLX主板4.BTX主板第6章總線與主板119第6章總線與主板1208.5.3智慧型主板1.PnP功能2.STR3.網(wǎng)絡(luò)和Modem喚醒4.系統(tǒng)監(jiān)控與安全5.超頻性能6.防電磁輻射技術(shù)7.采用無跳線設(shè)計(jì)8.符合綠色環(huán)保EPA標(biāo)準(zhǔn)第6章總線與主板1218.5.4主板選擇參數(shù)1.按主板上使用的CPU分類2.按主板上I/O總線的類型分類3.按主板規(guī)格分類4.按特點(diǎn)分類5.按應(yīng)用環(huán)境分類6.其它主板分類方法8.5.6智慧型主板技術(shù)

1.PnP功能2.STR3.網(wǎng)絡(luò)和Modem喚醒4.系統(tǒng)監(jiān)控與安全(1)斷電自動(dòng)重置（PowerFailureResume）

（2）安全監(jiān)測(cè)。（3）新穎的故障檢測(cè)和顯示技術(shù)（4）BIOS抗病毒技術(shù)。

第6章總線與主板1225.超頻性能6.防電磁輻射技術(shù)7.無跳線設(shè)計(jì)8.符合綠色環(huán)保EPA標(biāo)準(zhǔn)第6章總線與主板123第9章新型計(jì)算機(jī)展望Neumann計(jì)算機(jī)的一些致命弱點(diǎn)(1)計(jì)算機(jī)硬件方面的研究表明，不管CPU和主存的吞吐能力有多高，也不管主存的容量有多大，在CPU和主存之間只有一條每次只能交換一個(gè)字的狹窄數(shù)據(jù)通道。J.Backus在1977年接受ACM圖靈獎(jiǎng)時(shí)所作的學(xué)術(shù)報(bào)告中，把這個(gè)通道稱為“Neumann瓶頸”。并行處理技術(shù)的采用，只不過是基于Neumann體系的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的改進(jìn)，隨著器件的物理性能接近極限，這些改進(jìn)所花費(fèi)的代價(jià)會(huì)越來越高。(2)按照“程序存儲(chǔ)控制”體系原理工作的Neumann計(jì)算機(jī)，只能解釋事先所存儲(chǔ)的程序，只要針對(duì)問題的性質(zhì)，提出相應(yīng)的算法，并編制有效的計(jì)算程序，即可對(duì)問題進(jìn)行求解。這種求解方法采用的是串行的信息處理過程，即每次從計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中取出其中的一個(gè)存儲(chǔ)信息加以計(jì)算，并進(jìn)行邏輯判斷，然后決定下一步應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行存儲(chǔ)器中的哪一條指令。由于它充分利用了計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力，因此，不管問題多么復(fù)雜，只要有算法，問題就可以求解。近半個(gè)世紀(jì)以來的實(shí)踐證明，它在高精度計(jì)算和一些可編程問題的求解以及過程模擬、過程控制等方面已經(jīng)取得了巨大的成功。但是反過來，它也同時(shí)帶來了問題的局限性，即對(duì)于那些還找不到有效計(jì)算算法和明確的計(jì)算方法的問題，例如在模糊識(shí)別、動(dòng)力學(xué)過程模擬等方面，就碰到了有限時(shí)間和空間的障礙。9.1人工智能與智能計(jì)算機(jī)9.1.1人工智能及其定義1.人工智能學(xué)科的誕生公元前5世紀(jì)左右，中國(guó)人從手算開始發(fā)明了算盤和算籌，使人的一部分腦力勞動(dòng)轉(zhuǎn)移到了工具上。公元前十世紀(jì)左右，中國(guó)農(nóng)村婦女發(fā)明了提花機(jī)，后經(jīng)逐步改造，將控制機(jī)器的程序記憶在花板之中，把人的部分記憶功能轉(zhuǎn)移到了工具上。1834年，英國(guó)學(xué)者巴貝奇在提花機(jī)的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)了分析機(jī)，不僅承擔(dān)了人的部分記憶功能、計(jì)算功能，還在計(jì)算程序中引入判斷，使之智力活動(dòng)的能力進(jìn)一步增強(qiáng)．1947年，著名的數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)艾倫·麥席森·圖靈（AlanMathisonTuring，1912—1954），在一次計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議上作了題為“智能機(jī)器”的報(bào)告，論述了他關(guān)于機(jī)器思維的設(shè)想。1956年夏季，數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)專家麥卡錫與數(shù)學(xué)家和神經(jīng)學(xué)家明斯基、IBM公司信息中心主任羅徹斯特、貝爾實(shí)驗(yàn)室信息部數(shù)學(xué)家和信息學(xué)家香農(nóng)等共同發(fā)起組織，邀請(qǐng)IBM公司的莫爾（More）和塞繆爾（Samuel）、美國(guó)麻省理工學(xué)院的塞爾夫里奇（Selfridge）和索羅蒙夫（Solomonff）、蘭德公司的紐厄爾（Newell）和卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的西蒙（Simon）共10人，在達(dá)特茅斯大學(xué)（DartmouthCollege）舉辦了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月的人工智能夏季研討會(huì)。第9章未來計(jì)算機(jī)展望2.人工智能的定義麥卡錫教授在1956年給出的定義是：人工智能就是要讓機(jī)器的行為看起來就像是人所表現(xiàn)出來的智能行為一樣。尼爾遜教授給出的定義是：人工智能是關(guān)于知識(shí)的學(xué)科——怎樣表示知識(shí)以及怎樣獲得知識(shí)并使用知識(shí)的科學(xué)。美國(guó)麻省理工學(xué)院的溫斯頓教授給出的定義是：人工智能就是研究如何使計(jì)算機(jī)去做過去只有人才能做的智能工作。第9章未來計(jì)算機(jī)展望3．圖靈測(cè)試第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.1.2人工智能研究學(xué)派與關(guān)注的內(nèi)容1.人工智能的研究學(xué)派1）符號(hào)主義學(xué)派符號(hào)主義（symbolicism）又稱為邏輯主義（logicism）、心理學(xué)派（psychlogism）或計(jì)算機(jī)學(xué)派（computerism），這是一批最早踏入人工智能領(lǐng)域的研究者的思想。符號(hào)主義學(xué)派的理論基礎(chǔ)與工具是數(shù)理邏輯．2）連接主義學(xué)派連接主義

connectionism)，又稱為仿生學(xué)派(bionicsism)或生理學(xué)派(physiologism)，是一個(gè)基于從人腦模型的角度進(jìn)入人工智能領(lǐng)域的學(xué)派．3）行為主義學(xué)派行為主義(actionism)，又稱為進(jìn)化主義(evolutionism)或控制論學(xué)派(cyberneticsism)，是一批從控制論思想角度研究人工智能領(lǐng)域的學(xué)派。第9章未來計(jì)算機(jī)展望2.人工智能研究的主要關(guān)注內(nèi)容1）認(rèn)知建模與知識(shí)表示2）知識(shí)搜索與推理3）數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)4）知識(shí)應(yīng)用5）機(jī)器感知、交流與互動(dòng)6）機(jī)器思維與自動(dòng)程序設(shè)計(jì)7）知識(shí)獲取與機(jī)器學(xué)習(xí)8）機(jī)器行為9）自我進(jìn)化10）智能系統(tǒng)構(gòu)建與層次化的智力社會(huì)模第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.1.3智能計(jì)算機(jī)1.智能計(jì)算機(jī)的提出“像人一樣會(huì)思考的計(jì)算機(jī)”．第9章未來計(jì)算機(jī)展望２.智能計(jì)算機(jī)的研制目標(biāo)(1)智能計(jì)算機(jī)的解題能力主要取決于知識(shí)。應(yīng)當(dāng)是以知識(shí)庫為中心的系統(tǒng)。它與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最大的不同之處在于，要變“程序存儲(chǔ)”為“知識(shí)存儲(chǔ)”，為此還要解決知識(shí)的表示問題。(2)知識(shí)是一個(gè)不斷積累的過程，這個(gè)過程稱為知識(shí)獲取。因此，智能計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)有知識(shí)獲取，即學(xué)習(xí)功能。(3)問題的求解過程是知識(shí)的應(yīng)用過程，是根據(jù)已有知識(shí)對(duì)問題進(jìn)行理解和推理過程，因此，理解與推理是智能計(jì)算機(jī)的核心部件。第9章未來計(jì)算機(jī)展望3.智能計(jì)算機(jī)模型第9章未來計(jì)算機(jī)展望1）智能機(jī)軟件系統(tǒng)的組成（1）基本知識(shí)庫。它包括3種知識(shí)庫。①一般知識(shí)庫②系統(tǒng)知識(shí)庫③應(yīng)用知識(shí)庫（2）基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)。它由3部分組成。①智能接口系統(tǒng)：提供智能接口所需知識(shí)，完成各項(xiàng)功能。②問題求解推理系統(tǒng)：提供知識(shí)庫推理機(jī)，便于推理機(jī)求解問題。③知識(shí)庫管理系統(tǒng)：提供知識(shí)給知識(shí)庫，并支持知識(shí)庫管理。（3）智能系統(tǒng)化支援系統(tǒng)。向用戶提供知識(shí)，支援用戶進(jìn)行各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而減輕人的腦力勞動(dòng)。它有3個(gè)支援系統(tǒng)。①用于處理程序的智能程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。②用于處理知識(shí)庫的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。③用于處理計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)。第9章未來計(jì)算機(jī)展望（4）智能使用系統(tǒng)。為用戶提供各種規(guī)程，幫助用戶構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)。它包含4種軟件。①傳遞系統(tǒng)：將程序式數(shù)據(jù)庫從現(xiàn)有機(jī)器中傳輸?shù)侥繕?biāo)機(jī)中去。②教學(xué)系統(tǒng)：說明智能機(jī)的功能及使用方法。③咨詢系統(tǒng)：為用戶提供使用規(guī)程。④故障診斷：系統(tǒng)維護(hù)，自動(dòng)檢查和恢復(fù)功能，指導(dǎo)維修。（5）基本應(yīng)用系統(tǒng)。提供基本應(yīng)用功能，如翻譯、問題回答、聲音應(yīng)用、圖像/圖形應(yīng)用、問題求解等，是各應(yīng)用系統(tǒng)的共享核心。（6）應(yīng)用系統(tǒng)。按用戶需要建立的具體應(yīng)用對(duì)象的系統(tǒng)，由基本應(yīng)用系統(tǒng)提供共享

資源。第9章未來計(jì)算機(jī)展望2）智能接口技術(shù)智能接口是智能計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要組成部分。智能接口技術(shù)包括視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、自然語言理解等研究領(lǐng)域。（1）視覺系統(tǒng)。用于模擬人的視覺功能。（2）聽覺系統(tǒng)。自然聽覺是人類通信的常用工具。其核心是語聲信號(hào)處理，包括詞的端點(diǎn)識(shí)別、詞的識(shí)別、語義分析等部分。它們分別用到系統(tǒng)建立的“語義字典”及“語言規(guī)則和背景知識(shí)庫”。（3）自然語言理解。自然語言理解可以使用戶能夠用普通的語言與計(jì)算機(jī)相互通信，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、操作更為方便。如果能達(dá)到下面的4條標(biāo)準(zhǔn)，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就具備了自然語言理解的能力。①能成功地回答語音提問的有關(guān)問題。②能對(duì)大量數(shù)據(jù)做出摘要。③能用自然語言語言復(fù)述這些問題。④能從一種語言轉(zhuǎn)譯到另一種語言。第9章未來計(jì)算機(jī)展望3）智能計(jì)算機(jī)解題過程第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.2量子計(jì)算機(jī)9.2.1量子計(jì)算機(jī)的基本原理1.量子疊加性與量子存儲(chǔ)qubit位數(shù)所具有的狀態(tài)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量1(0and1)212(0and1)and(0and1)22=43(0and1)and(0and1)and(0and1)23=8

300(0and1)and(0and1)and(0and1)and(0and1)…2300≈1090

qubit的存儲(chǔ)2.量子相干性與量子并行計(jì)算量子計(jì)算機(jī)對(duì)N個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行實(shí)施一次的運(yùn)算，實(shí)際上就是對(duì)2N個(gè)輸入數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。其效果相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)要重復(fù)實(shí)施2N次操作，或者相當(dāng)于用2N處理器實(shí)行并行操作。可見，量子計(jì)算機(jī)可以節(jié)省大量的運(yùn)算資源（如時(shí)間、記憶單元等）。第9章未來計(jì)算機(jī)展望3．量子退相干與量子編碼量子計(jì)算機(jī)不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，它會(huì)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導(dǎo)致量子相干性的衰減，即消相干（Quantumdecoherence。也稱退相干）。因此，要使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，一個(gè)核心問題就是克服消相干。目前找到的克服消相干最有效方法是量子編碼。第9章未來計(jì)算機(jī)展望4.量子糾纏與量子算法兩個(gè)疊加態(tài)的量子不管分別處于太空宇宙的哪個(gè)角落，如果一個(gè)量子改變了狀態(tài)，那么相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)量子必然也會(huì)同時(shí)改變狀態(tài)。第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.2.2量子比特與計(jì)算基1．單量子比特與計(jì)算基第9章未來計(jì)算機(jī)展望第9章未來計(jì)算機(jī)展望2.雙量子比特與計(jì)算基第9章未來計(jì)算機(jī)展望3.多量子比特與計(jì)算基第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.2.3量子比特門與量子線路圖量子比特門也稱量子邏輯門，簡(jiǎn)稱量子門，使用酉矩陣表示。酉矩陣的特征值都是模為1的復(fù)數(shù)，即分布在復(fù)平面的單位圓上，因此酉矩陣行列式的值為±1。常用的量子門可以以2×2或者4×4的酉矩陣表示第9章未來計(jì)算機(jī)展望第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.2.4量子算法量子算法是在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的解題思路。對(duì)于某些問題的求解，量子算法要?jiǎng)龠^最著名的經(jīng)典算法。這被稱為量子加速。1.Shor算法2.Grover搜索算法3.量子系統(tǒng)模擬第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.2.5量子編程語言第9章未來計(jì)算機(jī)展望9.3未來計(jì)算機(jī)的其他探索9.3.1數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、歸約機(jī)

和擬態(tài)計(jì)算機(jī)1.數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)1）數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中指令的執(zhí)行有如下5個(gè)特點(diǎn)。(1)異步性：只要本條指令所需要的數(shù)據(jù)齊備，指令便可以獨(dú)立地執(zhí)行，而不關(guān)心其他指令和數(shù)據(jù)的情況。（2）獨(dú)立性：計(jì)算結(jié)果直接在指令間傳遞。一條指令產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以被復(fù)制成多個(gè)副本，直接送其他需要的指令。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序中的數(shù)據(jù)保存在指令中，而不是保存在共享存儲(chǔ)器中。這些指令不需要用任何方式排定次序。(3)局部性：各指令間的數(shù)據(jù)傳送是直接的，不需將操作數(shù)作為“地址”變量，一條指令的輸出，同時(shí)指向使用它的一條或多條指令(目標(biāo)指令)，數(shù)據(jù)經(jīng)過一條指令執(zhí)行后隨即消失，不產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)或全局的影響。(4)并行性：只要有足夠的處理單元，凡是相互間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的指令都可以并行執(zhí)行。這種并行性是隱含的。(5)“單賦值”性：程序中的