第三章总线

1第３章总线【内容提要】总线是计算机各部件之间传送信息的公共通路。计算机利用总线结构可以方便的实现CPU与内存、外设之间的数据传送与通讯。本章首先介绍了总线的基本概念，然后围绕着总线的基本功能，论述了总线基本工作原理。最后介绍了总线中的系统总线和通讯总线，以加深我们对总线的进一步了解和认识，为最终掌握总线以及正确使用总线打下良好的基础。【重点难点提示】本章的重点是在理解总线的基本概念的基础上，结合第二章总线操作时序，掌握总线的基本功能和工作原理，掌握常用系统总线和通讯总线的工作特点和使用方法。在众多的微机总线中，PCI总线、AGP总线及USB总线是当前总线中的主流，因此，这三种总线更是我们必须要掌握的内容。在本章，总线的基本组成、总线操作时序、总线基本工作原理是难点，需要在学习中在理解的基础上加以掌握。§3.1总线的基本概念3.1.1总线的定义微型计算机是由若干系统部件组成，这些系统部件连在一起工作才能形成一个完整的计算机系统。总线是连接计算机硬件的钮带，是计算机各功能模块之间传递信息的公共通路。连接在总线上的各个部件通过分时共享总线，来实现各模块间的信息传递和通讯。因此，总线是计算机系统中的一个非常重要的部件，是计算机系统硬件结构的基础，总线的设计在很大程度上影响系统配置的灵活性、可靠性、成本和性能。由于总线在系统中的重要地位，微机系统的设计和开发人员先后推出许多种总线标准，各个部件生产厂商按照总线标准独立设计其不同特色的各个板卡组件，微机用户通过选择对应总线的部件并挂接到总线上，就可以很方便的构成一台计算机。图3-1就是在总线方式下的微型计算机的典型结构图。2图3-1总线方式下的微型计算机的典型结构3.1.2总线的作用微型计算机是由若干系统部件组成，这些系统部件连接在一起相互协调工作，才能形成一个完整的计算机系统，才能为用户服务。总线在计算机系统的组成和工作中主要起两个作用：一是连接纽带作用。通过总线上留出的总线接口，可以很方便地实现计算机各部件间的连接。微机采用总线结构，不仅便于硬件连接，而且便于系统扩展。二是信息传递的作用。总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路，连接在总线上的各个部件通过分时共享总线这个信息公共通路资源，来实现各模块间的信息传递与通讯，计算机工作的过程，实质就是数据流通过总线在各个部件间流动过程。3.1.3总线的特点总线是一组能为多个部件公时共享的公共信息线路，因此，分时和共享是总线的两个特点。共享：是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线路传送。总线上的部件有的是用于向总线上发送信息的，这个部件就为发送部件；有些部件是用于从总线上接收信息的，这些部件就为接收部件；有些部件既可作为发送部件用，也可作为接收部件用，但只能分时进行。发送部件将信息送往总线，总线再将信息传送到需要接收信息的部件。由于挂接在总线上的发送部件和接收部件很多，因此总线上信息的发送和接收要通过CPU发出的控制信号来控制。中央处理器CPU存储器地址总线AB数据总线DA控制总线CB输入/输出接口输入/输出接口……3分时：是指同一时刻总线上只能传递一个部件的信息。也就是，系统中如果有多个发送部件，它们是不能同时向总线发送信息的，而只能分时向总线发送信息。究竟哪个发送部件发送，哪些部件接收，是由总线中设置的总线仲裁器来对总线的使用进行合理的分配和管理的。3.1.4总线的组成总线有多种类型。如早期使用的、现在已经被淘汰的ISA总线、EISA总线、VESIA总线，以及现在正在使用的AGP、PCI、USB总线，还有用于工业控制的STD总线等。但不管何种总线，按照总线上传递的信息内容划分，都是由数据总线、地址总线、控制总线和电源线四种类型组成。⒈数据总线计算机的基本功能就是对数据的加工与处理，计算机工作的过程就是数据流在各个部件中加工处理和流动的过程。用于实现数据在各部件间流动的就是总线中的数据总线。数据总线用于传递数据信息，总线中数据线的根数就称为数据总线宽度，总线的数据总线宽度基本上表示总线数据传输的能力，反映了该总线的性能。如STD总线是8位总线，ISA主线是16位总线，PCI总线为32位总线，均指的是数据总线的宽度，它们的大小反映了总线的数据传输能力。⒉地址总线总线中用于传输地址信息的一组线称为地址总线。地址总线上传送的地址通常指存储器的存储单元地址或外设的I/O端口地址。地址总线的宽度，表明了该总线的寻址范围，即决定了该总线上可以直接寻址的存储器单元个数的多少及I/O端口寄存器个数的多少。例如PCI总线有32条地址线，寻址能力达到4G字节，可以构成相当大的计算机系统。⒊控制总线控制总线用于传递各种控制信号，总线操作各项功能都是由控制总线控制完成的。控制信号是总线中种类最多、变化最大、功能最强的信号，也是最能体现总线特色的信号。一种总线标准与另一标准相比较最大的不同之处就在于控制总线。不同类型的微机中的控制信号不同，所使用的控制线的条数也不同。⒋电源线电源+5V、-5V、+12V、-12V是系统必备总线，其中-5V用的比较多，+5V要求最大。PCI总线还有3.3V电源信号，这表明了计算机系统的电压向低压发展的趋势，电源品种具有3.3V、2.5V、1.7V等。总之，微型计算机总线主要由数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分组成。其中，数据总线看宽度，它表示构成计算机系统的计算能力和计算规模；地址总线看位数，它决定系统寻址能力，表明构成计算机系统的规模；而控制总线则代表总线的特色，表示总线的设计思想、控制技巧。4§3.２总线标准化3.2.1总线标准化定义所谓总线标准是指国际上公认的总线的一些约定和互连标准。它规定了连接到总线上各插作的尺寸大小、信号线的数目、各信号的定义以及时序和信号的电平标准等等。通过这些严格的电气和结构规定，各种模块便可实现标准连接。各生产厂家可以根据这些标准规范生产各种插件或系统，而用户则可以根据自己的需要购买这些插件或系统来构成所希望的应用系统或者扩充原来的系统。总线标准化的目的是为连接到总线上的各个部件提供标准的信息通路。微机系统中的总线分为芯片级的芯片总线、插件级的总线和系统级的外总线。芯片级总线指在CPU内部连接各寄存器和运算部件的总线。芯片总线的标准化目前尚未得到妥善解决，这主要是由于不同厂家生产的LSI芯片没有一个标准化的规范，因而很难通过简单的连接提供芯片之间的标准信息通路。插件级总线为用于插件内各芯片之间互连的总线，又称芯片级总线或局部总线。而系统总线是计算机系统内各功能部件之间相互连接的总线。目前，人们已经在插件级和系统级形成了各种标准总线。目前总线标准有两类。一类是IEEE（美国电气及电子工程师协会）标准委员会定义与解释的标准。如IEEE－488总线和RS－232C串行接口标准等，这类标准现已有20多个，这些标准都定义了总线的物理结构、尺寸、等信号定义、地址空间、传输速率以及总线协议和仲裁协议等内容。另一类是广泛流行并被大家接受与公认的标准。如S－100总线、IBMPC总线、ISA总线、EISA总线、STD总线和串行电流回路接口标准等。对于标准总线的使用，不同的总线标准可以用于不同的微机系统或者同一系统的不同位置。3.2.2标准总线的优越性微型计算机自从诞生以来，围绕着提高计算机性能，主要是速度性能的提高，人们采用了许多先进的技术和措施，而总线技术就是其中采用的一门很重要的技术。计算机系统结构采用总线结构在系统设计、生产使用和维护上有很多优越性，主要有以下几点：⒈便于采用模块结构设计方法，简化了系统设计。现代电脑采用了模块化结构技术，每一模块都具有自己的结构和功能。人们甚至不需要深入了解它们的原理和构造，就可以象砌房子那样组装成电脑。所有这些，都得益于微机采用了标准总线结构设计方法。设计者只需要按照总线信号的规定设计各电路插件板，如显卡、声卡、网卡等外设接口板及CPU板、ROM板、RAM板等，将这些插件分别调试好，插在规定的总线上，就可构成微型计算机系统。5⒉标准总线可得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件。各生产厂家为了扩大其产品应用面，都采用了开放式设计策略，这样各厂家设计自己的插件或插板时不需要了解其它部件的结构，只需要按同一总线标准大批量生产各自的插件、插槽，就可以保证其产品具有互换性和通用性。⒊便于系统的扩充和升级。微机系统设计者在设计系统时，在总线上设计有多个总线插槽，这样，用户在需要规模扩充时，只需往总线上多插几块同类型的插件；在功能扩充时，只需插入符合该总线标准的所需插件；在系统更新或升级时，一般只需要更换新的插件或系统板，即可完成系统的扩充和升级。⒋便于故障诊断和维修，同时降低了成本。由于总线信号是统一标准，很容易检测故障部位，这样，在维修时，最简便的办法是立即购买相同总线标准的任何厂家生产的电路板插在标准总线上即可正常工作。如果要维修插板，由于硬件的标准总线信号及模块化结构，可以将它插在任何相同标准总线上进行测试，使维护人员能更快地判断故障部位。因此，从维修角度说，采用标准总线，对提高系统可靠性也很有意义。§３.３总线上信息的传送方式计算机中的信息是通过总成进行传送的，信息在总成上有3种传送方式：串行传送、并行传送和并串行传送。⒈串行传送当信息以串行方式传送时，只使用一条传输线，且用脉冲传送。即在一根传输线上按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位的脉件信号，每次一位，通常以第1个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲表示数码的最高有效位。如图3-2(a)所示。至于如何确定发送脉冲是0是1，以及几个0几个1，通常采用位时间，以脉冲信号为高电平表示1，低电平表示0来确定的。（a）（b）图3-2串行传送和并行传送源目的8T0110101001010110010101108位数据线6（a）串行传送（b）并行传送“位时间”，即一个二进制位在传输线上占用的时间长度。例如：在8个位时间里如果接收设备在第2个位时间和第6个位时间分别接收到一个脉冲，而其余的6个位时间没有收到脉冲，那么就表示收到的二进制信号是00100010。如下图，目的设备收到的二进制信息为10101010。串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行“并行一串行”变换，而在接收部件又需要进行“串行一并行”变换。串行传送的主要优点是只需要一条传输线，不管传输的数据是多少，因此成本体低廉，但传输数据速率低，适合远距离传送，故串行传送是外总线中常用的传送方式。⒉并行传送并行传送采用多条传输线，同时传输多位二进制信息。并行传送一般采用电位传送，由于所有的位同时传送，所以并行传送方式的速度比串行传送的时间快的多，但带来的是成本提高，且由于电信号的损耗，适合近距离，故并行传送是微机系统内部常用的传送方式。如图3-2（b）：有8根传输线组成扁平电缆，最上面的线代表最高有效位，最下面的线代表最低有效位，则在一个位时间里并行传送可以传送8位二进制位01001010⒊并串行传送并串行传送方式是并行传送方式与串行传送方式的结合。当信息在总线上以并串行方式传送时，如果一个数据字由2个字节组成，那么传送一个字节时采用并行方式，而字节之间采用串行方式。例如：8088CPU是准16位微处理器，即CPU中的数据采用16位并行运算，而由于8088CPU芯片引脚数的限制，CPU对应只有8根数据线，这样，当8088CPU与外设进行I/O时，以字节为单位，采用并串方式进行传送。§3.4总线的分类微型计算机从其诞生以来就采用了总成结构。CPU通过总线实现读取指令，并实现与内存、外设之间的数据交换。随着电子元器件的不断发展和计算机新技术的不断应用，计算机的性能得到了长足的提高，而总成此时却成了影响计算机系统的瓶颈，总线速度变成制约计算机整体性能的关键，因此在微型计算机二十多年的发展过程中，人们对总线结构也进行了不断的改进，出现了各种类型的总线。不同的微机系统具有不同的总线，且同一系统的不同层次也具有不同的总线。对于各种各样的总线，从不同的角度有多种分类的方法：⒈按照总线传送信息的类型分类