大学《接口与通信》

第2章总线与接口芯片§2.1总线概述•计算机系统上存在多种形式的总线。•1.总线定义：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。总线就是各种信号线的集合，总线是计算机中传输数据信号的通道，即是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。•2总线特点：分时、共享。•3.实体形式：一组传送线与相应控制逻辑•一、总线的分类•1.按相对于CPU或其它芯片的位置，总线可分为：•片内总线(InternalBus)•片外总线(ExternalBus)。•前者是CPU内部寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线，即芯片内部的总线；后者是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路。2.按总线的功能可分为：地址总线（ABus）、数据总线（DBus）、控制总线（CBus）。3.按总线的层次结构可分为：(1)CPU总线，包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCD)，它用来连接CPU和控制芯片。(2)存贮总线，包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCD)，用来连接存储控制器和DRAM。（3）系统总线，也称为I/O通道总线，包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB)（即数据总线、地址总线和控制总线）（4）外部总线：用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器。包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。4.按总线在微机系统中的位置可分为：(1)机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。(2)机外总线（PeripheralBus—外设总线）:指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。二、微机系统总线简介我们要讨论的总线主要是系统总线。PC机上的系统总线又可分为ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等多种标准。1.ISA(IndustryStandardArchitecture)总线IBM公司为286/AT电脑制定的总线工业标准。也称为AT标准。传送数据宽度是16位，工作频率为8MHz，数据传输率最高可达8MB/S目前正淡出市场。2.MCA(MicroChannelArchitecture)总线IBM公司专为其PS/2系统开发的微通道总线结构。由于执行的是使用许可证制度，因此未能得到有效推广。3.EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)总线EISA集团(1988年由Compaq、HP、AST、NEC、Olivetti、Zenith、Tandy等组成)为32位CPU设计的总线扩展工业标准。本章第三节将进一步介绍EISA的有关技术指标。•4.VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation)总线•VESA组织(1992年由IBM、Compaq等发起，有120多家公司参加)按LocalBus(局部总线)标准设计的一种开放性总线,简称为VL(VESAlocalbus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器,但应用并不是很广泛。5.PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线PCI总线是由SIG(SpecialInterestGroup)集团推出的总线结构。1992年起，先后有Intel、HP、IBM、Apple、DEC、Compaq、NEC等著名的厂商加盟重新组建。该结构是解决外部设备接口的总线，传送数据宽度为32位，可以扩展到64位，最高工作频率为66MHz，数据传输率可达132MB/S。目前正广泛使用着。本章第三节将进一步介绍PCI的有关技术指标。表2.1.1ISA、EISA、PCI总线比较ISA总线·24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB·8/16位数据线·最大位宽16位(bit)·最高时钟频率8MHz·最大稳态传输率16MB/sEISA总线·32位地址域直接寻址范围为4GB·32位数据线·最大时钟频率8.3MHz·最大稳态传输率33MB/sPCI总线·32位/64位地址/数据复用·总线时钟频率33.3MHz/66MHz·最大数据传输速率133MB/s·时钟同步方式·与CPU及时钟频率无关·总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）•上表中这些参数说明了PCI是当前规格最高的总线。PCI总线目前最高版本是2.2版，在理论上达到66MHz的时钟频率。Intel还推出了新一代PCI总线规范（称为PCI－X），它主要适用于133MHz总线时钟频率的台式计算机机主板。三、其他总线简介由于目前的一些新型接口标准，如USB、IEEE1394等，允许同时连接多种不同的外设，因此也把它们称为外设总线。此外，连接显示系统的新型接口AGP，由于习惯上的原因（原来的显示卡插入ISA或者PCI总线插槽中），也被称为AGP总线，但是实际上它应该是一种接口标准。•1.IEEE1394总线•IEEE1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把计算机、外部设备、各种家用电器非常简单地连接在一起。从IEEE1394可以连接多种不同外设的功能特点来看，也可以称为总线，即一种连接外部设备的机外总线。•IEEE1394的原型是运行在AppleMac电脑上的FireWire(火线)，由IEEE采用并且重新进行了规范。它定义了数据的传输协定及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强电脑与外设（如硬盘、打印机、扫描仪），与消费性电子产品（如数码相机、DVD播放机、视频电话等）的连接能力。•由于要求相应的外部设备也具有IEEE1394接口功能才能连接到1394总线上，所以直到1995年第3季度Sony推出的数码摄像机加上了IEEE接口后，1394才真正引起广泛的注意。•机外总线将改变当前电脑本身拥有众多附加插卡、连接线的现状，它把各种外设和各种家用电器连接起来。电脑也成为一种普通的家电。•2.USB总线•USB(UniversalSerialBus)称为通用串行总线，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NT(北方电讯)七大公司共同推出的新一代接口标准。它和IEEE1394一样，也是一种连接外围设备的机外总线。根据USB规范，USB传送速度可达12Mb/s(每秒12兆位)，除了可以与键盘、鼠标、MODEM等常见外设连接外，还可以与ISDN(综合业务数据网)、电话系统、数字音响、打印机/扫描仪等低速外设连接。•从性能上来看，USB在很多方面不如IEEE1394，但是由于USB有着IEEE1394无法比拟的价格优势，在一段时间内USB将与IEEE1394共存，分别管理低速和高速外设。•有关UBS更详细内容将在串行接口章节中介绍。•3.AGP（AcceleratedGraphicsPort）•AGP是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，因此严格说来，AGP不能算是总线，而是一种接口标准，它在主内存与显示卡之间提供了一条直接的通道，使得3D图形数据不通过PCI总线，而直接送入显示子系统。这样就能突破由于PCI总线形成的系统瓶颈，从而实现了以相对低价格来达到高性能3D图形的描绘功能以提高计算机对图像的处理能力。目前的主板产品大多支持AGP。•本章第三节将进一步介绍AGP的有关技术指标。•4新型总线和I／O技术介绍•PCI总线因为提供了远高于ISA总线的数据传输带宽而沿用至今。•而当今PC系统已经发生了很大的变化：微处理器频率已突破2GHz，内存数据带宽达到3.2GBps甚至更高。目前32位的运作于33.3MHZ、数据传输率只有132MBps的PCI总线显然成为了系统速度的瓶颈。因此，出现了各种各样的希望取代PCI的新型总线和I／O技术方案，主要包括PCI-X，InfiniBand、HyperTransport和3GIO。四、典型的微机系统总线结构下面我们将通过了解微机系统结构，从而对总线在计算机系统中的作用和地位有一个较直观的认识。随着微处理器和操作系统的变化，用户对微机处理的高速性提出了新的要求，为了提高处理器与各部件及部件与部件之间传输信息的整体效率，微机系统中采用了十分明确的总线分级结构，在这种结构中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近设备模块使用同—类总线。各级总线结构即为：CPU总线、局部总线（PCI总线）、系统总线（ISA总线）结构。连接各级总线的是一些高集成度的多功能桥路芯片，它们可以起到信号速度缓冲、电平转换和协议转换的作用。按照芯片组功能和连接方法的划分，可分为南北桥结构和中心结构。•1．南北桥结构。南北桥结构如图2.1所示，在该结构中，各级总线主要通过两片桥芯片进行连接。一片称为北桥的用于连接CPU总线和PCI总线，另一片称为南桥，用于连接PCI总线和ISA总线。常用的芯片组有Intel公司的440系列，如440BX。其北桥芯片为82443BX，集成有CPU总线接口，支持单、双处理器，双处理器可以组成对称多机处理机（SMP）结构。同时，82443BX还集成了主存控制器、PCI总线接口，PCI仲裁器及AGP接口，并支持系统管理模式（SMM）和电源管理功能，它作为CPU总线与PCI总线的桥梁。其南桥芯片为82371EB，集成了PCI-ISA连接器、IDE控制器、USB控制器、2个增强型DMA控制器、2个8259中断控制器、8253/8254定时器/计数器、电源管理逻辑和可选用的I/OAPIC等。它作为PCI总线与ISA总线的桥梁•以PentiumⅡ个人计算机系统为例，说明各级总线的作用。•（1）CPU总线，也称CPU—存储器总线，此总线可连接4～128MB的主存。主存扩充容量是以内存条形式插入主板有关插座来实现的。CPU总线还接有L2级cache。主存控制器和cache控制器用来管理CPU对主存和cache的存取操作。CPU是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制权（如在DMA方式中）。从传统的观点看，可以把CPU总线看成是CPU引脚信号的延伸。•（2）PCI总线，用于连接高速的I／O设备模块，如图形显示器适配器、网络接口控制器、硬盘控制器等。同时，通过“桥”芯片，上面与更高速的CPU总线相连，下面与低速的ISA总线相接。主板上一般有3个PCI总线扩充槽。•（3）ISA总线，PentiumⅡ个人机使用该总线与低速的I／O设备连接。主板上一般留有3～4个ISA总线扩充槽，以便使用各种16位／8位适配器卡。该总线支持7个DMA通道和15级可屏蔽硬件中断。另外，ISA总线控制逻辑还通过主板上的片级总线与实时时钟／日历、ROM、键盘和鼠标控制器(8042微处理器)等芯片相连接。•这种通过桥将两类不同的总线“粘合”在一起的技术特别适合于系统的升级换代。这样，每当CPU芯片升级时，只需改变CPU总线和北桥芯片，其他原有的外围设备可自动继续工作。•2．中心结构。•目前使用ISA总线的慢速外围设备已经越来越少，新型的设备都使用了高速的PCI总线，在PC’99规范中已经取消了ISA总线，故ISA总线已经不是必要的部件了。另外，在南北桥结构中，南北桥芯片之间交换信息要通过PCI总线，使PCI总线呈现一定的拥挤，为了克服这个问题，同时也为了进一步加强PCI总线的作用，Intel公司从810芯片组开始就抛弃了南北桥结构，而采用了中心结构。•在中心结构微机中，芯片组由三个芯片组成：存储控制中心MCH(MemoryControllerHub)、I/O控制中心ICH(I/OControllerHub)和固件中心FWH(FirmwareHub)。•MCH用于提供高速AGP接口