计算机总线技术

第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术1第3章计算机总线技术第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术2•随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。•芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、CoreConnect、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。•工业控制的PROFIBUS，FF等现场总线技术。•总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据可达528MB/s，PCI-X可达1GB/s，系统总线传输速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术3第3章计算机总线技术•总线的基本概念•内部总线•外部总线第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术43.1总线的基本概念总线就是一组信号线的集合，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。•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•总线的定义•总线的特点第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术5•按照总线内部信息传输的性质，总线可分为3.1.1总线的分类•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DBABCBPB第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术6•按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为总线的分类（续）•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•内部总线（InternalBus)用于计算机内部模块（板）之间通信•外部总线（ExternalBus)：又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术7•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•串行总线：所有信号复用一对信号线总线的分类（续）第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术8计算机总线结构示意图总线的分类（续）第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术9在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。总线的分类（续）•片内总线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，这有利于芯片集成度和成品率的提高，而对于内部数据传送速度要求较高的，也可采用双总线或三总线结构。ASIC技术的出现，用户也可以按照自己的要求，借助于适当的EDA工具，设计自己的芯片。第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术10–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总线等总线的分类（续）•内部总线：系统总线或板级总线–按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、和电源总线PB第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术11数据总线D：用于传递数据信息总线宽度：数据信号线的根数。决定设备获得最大性能影响计算机系统性能地址总线宽度：地址线的根数决定直接寻址能力避免IO地址与内存地址的重叠地址总线A：用于传递地址信息控制总线C：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息，决定了总线的性能好坏电源总线P：提供电源第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术12•如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等•外部总线总线的分类（续）第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术133.1.2总线主要性能指标又称总线传输率，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•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。•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。•总线带宽第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术14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。•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。•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•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。第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术15几种微型计算机总线性能参数名称ISA(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第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术163.1.3总线的模板化结构–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第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术17•总线控制3.1.4总线控制与总线传输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。将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。分布式集中式第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术18•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：由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请，经总线仲裁机构决定在下一传输周期是否能获得总线使用权；取得了使用权的主模块，通过总线发出本次打算访问的从模块(或从设备)的存储地址或设备地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块；主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块；主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。申请分配阶段寻址阶段数据传输阶段结束阶段第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术193.2内部总线•STD总线•PC系列总线本节主要内容第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术20•STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址16M空间的16位总线3.2.1STD总线•STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构,尺寸为165×114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构兼容式总线结构，拥有丰富的I/O功能，广泛适用于工业控制小模板结构，模板尺寸小,可减少冲击和震动的影响第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术2156根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类(1)逻辑电源线6根(引线1～6)(2)数据总线8根(引线7～14)(3)地址总线16根(引线15～30)(4)控制总线22根(引线31～52)(5)辅助电源线4根(引线53～56)•STD总线的信号分配第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术22–总线低位地址A0～A12直接连接到各存储器芯片存储器译码器A13-A15A0-A12MEMRQWRRDMEMEXD0-D7STD总线与存储器的连接•STD总线与存储器连接方法–高位地址A13～A15用来选片（可选64K基本存储器，通过扩展，可增至128K）第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术23–地址码的低位字节连接到总线译码器,形成6根选板信号和2根选口信号,选通I/O端口工作IO板卡译码器A5-A7A0-A1WRRDIOEXPD0-D7STD总线与IO板的连接译码器译码器A2-A4选板信号选口信号选板信号•STD总线与I/O的连接方法–（可选128个口，扩展后可增至256个口）第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术24–ISA总线3.2.2PC系列总线–MCA：微通道体系结构–EISA总线–PCI局部总线第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术25–问世较早，是8位、16位数据传输总线的工业标准–最高传输速率8Mbps–寻址空间为16MB–将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器–98根总线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线•ISA总线第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术26–IBM在推出386时提出–数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力–数据传输速率33Mbps–在电气及物理上与ISA不兼容–IBM没有公布标准•MCA总线（MicroChannelArchitechure）第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术27–89年，推出486时提出–32位数据总线，支持32位地址通路–总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器–与ISA兼容，支持多个主模块–可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换–支持多总线主控模块–扩展卡的安装十分容易，可根据配置文件自动配置系统和扩展板•EISA总线第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术28–PCI(PeripheralComponentInterconnect，设备部件互连)总线是一种高性能局部总线，它是92年由Intel公司带头制定的设备总线标准–支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式–具有即插即用功能(PnP)–最高传送数据132Mbps–兼容性强、成本低•PCI局部总线第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术29•PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用户提供了简便的使用方法。•PCI局部总线已形成工业标准。它的高性能总线体系结构满足了不同系统的需求，低成本的PCI总线构成的计算机系统达到了较高的性能/价格比水平。因此，PCI总线被应用于多种平台和体系结构中。•PCI总线的组件、扩展板接口与处理器无关，在多处理器系统结构中，数据能够高效地在多个处理器之间传输。与处理器无关的特性，使PCI总线具有很好的I/O性能，最大限度地使用各类CPU/RAM的局部总线操作系统、各类高档图形设备和各类高速外部设备，如SCSI、HDTV、3D等。第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术30PCI总线结构处理器CacheDRAM声卡视频卡桥/存储控制器PCI局部总线网卡图像卡扩展总线桥基本I/O设备SCSI卡其它总线显示器硬盘硬盘第3章计算机总线技术2020/1/29计算机控制技术313.3外部总线•外部总线又称为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量