《外部總線接口技術(shù)》課件

外部總線接口技術(shù)本課程將介紹外部總線接口技術(shù)，包括總線結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和常見接口標(biāo)準(zhǔn)等。課程目標(biāo)了解外部總線接口技術(shù)的基本概念掌握常見外部總線接口的結(jié)構(gòu)和工作原理能夠分析不同總線的優(yōu)缺點什么是總線總線是連接計算機(jī)系統(tǒng)中各個部件的一組公共通路，可以傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號?？偩€就像高速公路，連接計算機(jī)系統(tǒng)中不同的部件，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯示器等。總線的特點1共享性總線是多個設(shè)備共享的通信路徑。2并行性總線可以同時傳輸多個數(shù)據(jù)位。3異步性總線傳輸數(shù)據(jù)不需要統(tǒng)一的時鐘信號。4擴(kuò)展性總線可以方便地擴(kuò)展，以連接更多的設(shè)備?？偩€的分類按傳輸方式分類串行總線和并行總線按用途分類系統(tǒng)總線、外部總線和內(nèi)部總線按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類總線型、星型和環(huán)型外部總線的概念連接部件外部總線連接計算機(jī)系統(tǒng)中的不同組件，例如CPU、內(nèi)存、硬盤和外設(shè)。擴(kuò)展插槽通過外部總線的擴(kuò)展插槽，可以連接額外的設(shè)備和組件。數(shù)據(jù)傳輸外部總線用于在各個組件之間傳輸數(shù)據(jù)，例如指令、數(shù)據(jù)和控制信號。外部總線的作用連接設(shè)備外部總線提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式來連接各種類型的外部設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器和打印機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸它們?yōu)閿?shù)據(jù)在CPU、內(nèi)存和其他外設(shè)之間傳輸提供了一個通用通道，支持各種數(shù)據(jù)類型和傳輸速度。資源共享允許多個設(shè)備共享系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存和I/O端口，提高系統(tǒng)效率和資源利用率。外部總線的分類1按總線結(jié)構(gòu)分類單總線、多總線、層次總線2按總線用途分類系統(tǒng)總線、外部總線、通信總線3按總線信號類型分類并行總線、串行總線4按總線傳輸方式分類同步總線、異步總線PCI總線PCI總線(PeripheralComponentInterconnect)是用于連接計算機(jī)內(nèi)部各個組件的標(biāo)準(zhǔn)接口。PCI總線提供了一種高速、靈活的通信方式，可以連接各種類型的設(shè)備，例如硬盤、聲卡、顯卡等。PCI總線在20世紀(jì)90年代中期開始普及，并成為當(dāng)時計算機(jī)的主流總線接口。PCI總線的結(jié)構(gòu)PCI插槽PCI總線采用插槽連接方式，提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，方便設(shè)備插拔。橋接器橋接器連接PCI總線與其他總線，如ISA總線、AGP總線等，實現(xiàn)不同總線之間的通信。總線控制器總線控制器負(fù)責(zé)PCI總線的管理和控制，包括地址分配、數(shù)據(jù)傳輸、中斷處理等。PCI總線的工作原理1總線周期讀寫操作2地址譯碼識別設(shè)備3數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)交換PCI總線的仲裁機(jī)制1總線仲裁協(xié)調(diào)多個設(shè)備共享總線2集中式仲裁由總線控制器管理3分布式仲裁設(shè)備之間協(xié)商PCI總線采用集中式仲裁機(jī)制，由總線控制器負(fù)責(zé)管理總線的訪問權(quán)限?？偩€控制器根據(jù)每個設(shè)備的優(yōu)先級和請求時間來決定哪個設(shè)備可以訪問總線。PCI總線的配置過程1總線枚舉系統(tǒng)啟動時，PCI總線控制器會枚舉連接的設(shè)備，并獲取設(shè)備信息。2資源分配系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)備信息分配資源，例如內(nèi)存地址、I/O地址、中斷號等。3驅(qū)動加載系統(tǒng)會為每個設(shè)備加載相應(yīng)的驅(qū)動程序，使設(shè)備能夠正常工作。PCI-E總線PCI-E(PeripheralComponentInterconnectExpress)總線是當(dāng)前主流的外部總線接口技術(shù)之一，它取代了傳統(tǒng)的PCI總線，并具有更高的帶寬、更低的延遲以及更高的擴(kuò)展性。PCI-E總線的結(jié)構(gòu)PCI-E總線采用點對點串行通信方式，每個設(shè)備都擁有獨立的通道，通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它包含兩部分：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的封裝和解封裝，以及流量控制和錯誤檢測。物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號的傳輸，包括時鐘信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號。PCI-E總線的工作原理串行傳輸PCI-E使用串行傳輸方式，數(shù)據(jù)以連續(xù)流的形式傳輸。點對點連接每個PCI-E設(shè)備都直接連接到PCI-E總線，而不是共享總線帶寬。數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，包含目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度等信息。流量控制PCI-E使用流量控制機(jī)制，確保數(shù)據(jù)包的順利傳輸和避免沖突。PCI-E總線的仲裁機(jī)制優(yōu)先級仲裁根據(jù)設(shè)備優(yōu)先級分配總線訪問權(quán)。輪詢仲裁按順序輪流分配總線訪問權(quán)。競爭仲裁多個設(shè)備同時競爭總線訪問權(quán)，通過快速響應(yīng)時間來分配。PCI-E總線的配置過程1枚舉系統(tǒng)啟動時，PCI-E總線控制器會枚舉所有連接的設(shè)備。2配置分配資源，例如內(nèi)存地址、I/O端口等。3初始化設(shè)備初始化，并準(zhǔn)備開始工作。USB總線USB（UniversalSerialBus，通用串行總線）是一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，由英特爾和康柏公司于1994年共同推出，其目的是為各種外設(shè)提供一種統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，方便計算機(jī)與外設(shè)之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸。USB總線的結(jié)構(gòu)USB接口USB接口是連接電腦與外設(shè)的關(guān)鍵部件，它通常由Type-A和Type-B兩種類型。USB集線器USB集線器可以將一個USB端口擴(kuò)展為多個端口，方便連接多個設(shè)備。USB控制器USB控制器是電腦主板上的芯片，負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸。USB總線的工作原理1數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB總線采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)以比特流的形式在總線上流動。2主機(jī)控制主機(jī)負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)傳輸，并管理連接的設(shè)備。3地址分配主機(jī)為每個連接的設(shè)備分配唯一的地址，以便識別和訪問。4數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，每個數(shù)據(jù)包包含數(shù)據(jù)、地址、控制信息等。USB總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB總線采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以主機(jī)為中心，通過集線器連接外設(shè)。集線器可以擴(kuò)展USB總線的連接數(shù)量，每個集線器可以連接多個外設(shè)，最大連接數(shù)為127個。USB總線還支持菊鏈?zhǔn)竭B接，多個集線器可以級聯(lián)連接，形成樹狀結(jié)構(gòu)。USB總線的設(shè)備管理設(shè)備枚舉USB設(shè)備連接到主機(jī)后，需要進(jìn)行枚舉，識別設(shè)備類型和功能，并分配資源。驅(qū)動加載根據(jù)設(shè)備類型，主機(jī)加載相應(yīng)的驅(qū)動程序，實現(xiàn)與設(shè)備的通信。用戶交互用戶可以通過操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序與USB設(shè)備進(jìn)行交互，訪問設(shè)備的功能。IEEE1394總線IEEE1394總線，也稱為**火線**（FireWire），是一種高速串行總線。它支持熱插拔，并提供高帶寬和低延遲的連接。IEEE1394廣泛應(yīng)用于視頻和音頻設(shè)備，例如攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)和音頻接口等。IEEE1394總線的結(jié)構(gòu)接口連接器IEEE1394總線采用**6針**或**4針**連接器，支持**熱插拔**。總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持**樹形**和**菊花鏈**拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供靈活的連接方式。協(xié)議層包含**物理層**、**數(shù)據(jù)鏈路層**、**傳輸層**等，確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。IEEE1394總線的工作原理1串行傳輸數(shù)據(jù)以串行方式傳輸2自定時每個數(shù)據(jù)包包含定時信息3多點傳輸支持多臺設(shè)備同時連接4熱插拔設(shè)備可以隨時插拔IEEE1394總線的應(yīng)用數(shù)字視頻IEEE1394總線廣泛用于數(shù)字視頻設(shè)備，例如攝像機(jī)、視頻編輯器和電視。音頻設(shè)備它支持高保真音頻傳輸，常用于音頻錄制、混音和播放設(shè)備。存儲設(shè)備IEEE1394總線可用于連接外部硬盤、光驅(qū)和閃存驅(qū)動器。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備它可以用于構(gòu)建小型局域網(wǎng)，連接計算機(jī)、打印機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?？偩€接口技術(shù)發(fā)展趨勢更高速度總線速度不斷提高，以滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，例如PCIe5.0的速度已經(jīng)達(dá)到32GT/s。更高帶寬隨著設(shè)備數(shù)據(jù)量不斷增加，總線帶寬需要不斷提升，例如PCIe5.0的帶寬已經(jīng)達(dá)到64GB/s。更低功耗低功耗設(shè)計是總線技術(shù)發(fā)展的另一個重要趨勢，例如USB-C接口的PD協(xié)議可以實現(xiàn)更高效的充電。更強(qiáng)兼容性總線接口技術(shù)需要不斷兼容新的設(shè)備和協(xié)議，例如Thunderbolt接口可以支持