第5章总线技术.

第五章总线技术教学目的和要求通过本章的学习，使学生掌握微机总线的基本概念，掌握总线的分类方法及主要的性能指标。掌握几种主要的总线技术。熟悉PCI总线、PC104总线以及USB总线的结构、原理和开发方法，为今后开发及应用相应总线技术奠定良好的基础。重点与难点本章重点总线的基本概念PCI总线、PC104总线、USB等几种典型总线RS-232C及RS485串行通信接口基础知识本章难点PCI总线结构PC104总线的结构USB的系统组成、传输类型、交换的包格式其他总线的组成与原理本章主要内容§5.3常用外部总线§5.2常用内部总线§5.1总线的基本概念总线技术应用十分广泛，从芯片内部各功能部件的连接，到芯片间的互联，再到由芯片组成的板卡模块的连接，以及计算机与外部设备之间的连接，甚至现在工业控制中应用十分广泛的现场总线，都是通过不同的总线方式实现的。由于应用的场合不同，计算机总线采用的技术也不尽相同。本章主要讨论总线分类及主要技术，并介绍几种常用的总线。§5.1总线的基本概念介绍总线的分类方法及不同种类总线的定义及原理。介绍总线的定义和主要背景及应用。建立起评价总线的主要指标，了解总线标准与规范，介绍总线的一般控制与传输方法。预备知识总线分类总线标准基本概念微型计算机自诞生以来一直采用总线结构。1970年DEC公司PDP-11小型计算机首次采用总线技术。在微型计算机系统中常把总线作为一个独立的部件看待。微机系统中的I/O接口本质上是I/O设备与微机系统总线的接口。基本概念总线的定义总线就是一组线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信。总线的特点规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性§5.1.1总线的分类按照总线内部信息传输的性质，总线可分为：数据总线:DB用于传送数据信息地址总线:AB是专门用来传送地址的控制总线:CB控制总线包括控制、时序和中断信号线电源总线:PB用于向系统提供电源§5.1.1总线的分类按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为:片内总线(On-ChipBUS)•在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。•受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构内部总线（InternalBus)•也称作系统总线或板级总线；•用于计算机内部模块（板）之间通信；•内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线等。•相对于一台完整的微型计算机来说，各种板/卡只是一个子系统，是一个局部，故又把片总线称为局部总线，如PCI、AGP总线。§5.1.1总线的分类计算机总线结构示意图微处理器内存储器I/O接口I/O设备地址总线AB数据总线DB控制总线CB内部总线外部总线外部总线（ExternalBus)：又称通信总线•用于计算机之间或计算机与设备之间通信；•外部总线本质上应该算作主机与外设的接口•如：IEEE-488、RS-232C、RS-485、USB、1394等。§5.1.1总线的分类根据总线的数据传输方式，总线可分为：并行总线：每个信号都有自己的信号线•优点是信号线各自独立，接口简单；•缺点是电缆数多；•如：IEEE-488总线为并行总线串行总线：所有信号复用一对信号线•优点是电缆线数少，便于远距离传送；•缺点是接口复杂；•RS-232-C、RS-485、USB等总线为串行总线。§5.1.2总线主要性能指标总线频率即总线工作时钟频率，单位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。例：PCI总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为64位的情况下，总线数据传输率为266MB/s。总线宽度又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。总线带宽又称总线传输率，表示在总线上每秒传输字节的多少，单位是MB/S。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一般的，总线带宽（MB/S）=1/8×总线宽度×总线频率§5.1.2总线主要性能指标同步方式可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的，就可达到很高的总线带宽。在异步方式下，采用应答式传输技术，允许从模块自行调整响应时间，即传输周期是可以改变的，故总线带宽减少。总线复用采用多路复用技术，可以减少总线的数目。信号线数表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址总线、控制总线和电源总线的总和。信号线数与总线性能不成正比，但一般与复杂度成正比。总线控制方式包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。(PC-AT)EISASTDMCAPCI适用机型80286,386,486系列机386,486,586IBM系列机Z-80，IBM-PC系列机IBM个人机与工作站P5个人机,PowerPC,Alpha工作站最大传输率8MB/s33MB/s2MB/s33MB/s133MB/s总线宽度8/16位32位8/16位32位32位总线频率8MHz8.33MHz2MHz10MHz20～33MHz同步方式半同步同步同步异步同步地址宽度2432243232/64负载能力86无限制无限制3信号线数981435610912064位扩展不可无规定不可可可多路复用非非非是§5.1.3总线标准与规范总线标准定义•所谓总线标准就是对系统总线的插座尺寸、引线数目、信号和时序所作的统一规定。特性•机械特性：规定模板尺寸、插头、连接器的形状、尺寸等规格位置，如插头与插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等。•电气特性：规定信号的逻辑电平、最大额定负载能力、信号传递方向及电源电压等。•功能特性：规定每个引脚名称、功能、时序及适用协议，如地址总线用来指出地址；数据总线传递数据；控制总线发出控制信号等。•时间特性：指总线中的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号，互相存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时序图来描述。§5.1.3总线标准与规范模板化结构•按功能划分计算机的各个部件，并按总线标准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等模板化结构的优点•增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性•为系统的维修提供了方便§5.1.4总线控制与总线传输总线的隔离与驱动总线上可连接多个部件，具有扩展的灵活性，但总线上能连接多少部件，是受总线的驱动能力限制的。通常一个模块或一个部件限制在1～2个负载以内。当总线连接多个负载时，数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件，如果原有的驱动能力达不到驱动要求，这时候需要总线驱动器提高总线的驱动能力。在总线上挂接的设备，同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上，不操作时需要将连接到总线上的功能部件与之相隔离。在总线操作过程中，有些数据还需要进行数据的缓冲处理，这需要总线能够提供锁存能力。§5.1.4总线控制与总线传输总线的隔离与驱动三态门是具有三种输出状态的电路，在计算机系统中常用作总线驱动器，根据三态门的输出特性及控制方式，常用的三态门有六种，下图表示了6种三态门的逻辑符号。ABOEABOEABOEABOEABG1&G2BG1&G2G1G2B10AX1浮空0X浮空G1G2B00A1X浮空01浮空§5.1.4总线控制与总线传输总线的隔离与驱动可以利用三态门设计单向总线或双向总线，以及单向总线缓冲器或双向总线缓冲器。其典型实现是总线缓冲器和总线控制器。总线缓冲器在总线传输中起到数据缓冲的作用，它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有了总线缓冲器，就可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。由于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。§5.1.4总线控制与总线传输总线的隔离与驱动总线缓冲器的典型芯片有74LS244和74LS245。74LS244是一种8位的三态总线缓冲器，可以用来进行总线的单向传输控制。74LS245是一种8位的双向传输的三态缓冲器，可以用来进行总线的双向传输控制，也称作总线收发器。§5.1.4总线控制与总线传输总线控制集中式前者将控制逻辑集中在一处(如在CPU中)。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，常见的集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。分布式将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。§5.1.4总线控制与总线传输总线仲裁在总线上有多个总线主模块同时请求使用总线时，决定由哪个模块获得总线控制权。实现总线仲裁的机构（或电路），称为总线仲裁器。（如总线仲裁器8289）总线仲裁方式：基本的总线仲裁方式有两种：•串行的总线仲裁方式（链形优先级结构）•并行的总线仲裁方式（独立请求）§5.1.4总线控制与总线传输串行的总线仲裁方式总线允许总线请求总线忙模块I总线访问逻辑模块II总线访问逻辑模块N总线访问逻辑……控制器§5.1.4总线控制与总线传输主要特点：越靠近控制器的模块，优先级越高；链形优先级存在传播延迟，这种延迟与模块数成正比，所以判优速度较慢，一般只接少量（几个）模块；链形结构，一个故障，链失效；结构较简单，造价较低。串行的总线仲裁方式§5.1.4总线控制与总线传输并行的总线仲裁方式……模块N总线访问逻辑模块II总线访问逻辑模块1总线访问逻辑……控制器（仲裁器）总线请求1总线允许1总线请求2总线允许2总线请求N总线允许N§5.1.4总线控制与总线传输工作原理：每个模块有一块独立的“总线请求”和“总线允许”信号线，每对信号线有其相应的优先级；控制器中有一个优先级编码器和优先级译码器，用以选择优先级最高的请求，并产生出相应的“总线允许”信号；当“总线忙”信号有效时，表示有的模块正在使用总线，因此请求使用总线的模块必须等待；直至“总线忙”信号变为无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出“总线请求”信号，总线仲裁器仅向优先级最高的模块发出“总线允许”信号。并行的总线仲裁方式主要特点：判优速度快，且与模块数无关；所需“请求线”和“允许线”较多，N个模块需要2N条。§5.1.4总线控制与总线传输总线传输总线上的数据在主模块的控制下进行传送。一般的，总线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段：申请分配阶段由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请，经总线仲