第5章 微型计算机的总线技术

1本章主要教学内容总线的基本概念；常用的系统总线特点和功能；常用的局部总线特点和功能;外部设备总线的特点和功能第5章微型计算机的总线技术2本章教学目的及要求通过学习，应该理解总线的基本概念，熟悉微机总线的组成结构，掌握常用系统总线、局部总线、外部设备总线以及USB总线的结构和引脚特性，并侧重其应用。第5章微型计算机的总线技术3第5章5-1总线技术概述总线是微型计算机系统中多个部件之间公用的一组连线，由它构成芯片、插件或系统之间的标准信息通路。它是系统中各个部件信息交换的公共通道，各部件之间的联系都是通过总线实现的。微型计算机采用总线技术的目的是为了简化硬、软件的系统设计，在硬件方面，设计者只需按总线规范设计插件板，保证它们具有互换性与通用性，支持系统的性能及系列产品的开发；在软件方面，接插件的硬件结构带来了软件设计的模块化。用标准总线连接的计算机系统结构简单清晰，便于扩充与更新。微型计算机的总线技术4第5章按各类总线的结构和连接对象及范围的不同，可分为3类：1.微处理器片内总线是指在微处理器芯片内部各单元之间传输信息的总线，它主要用于芯片级的互连。有时也称其为局部总线。2.内总线用以实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接。内总线有时也称为板极总线或系统总线。3.外部总线是微机之间或微机与外部设备之间进行通信的总线，主要用于设备级的互连。外部总线也称为通信总线。微型计算机的总线技术5图5-1所示即为常见的微型计算机总线层次的典型结构。扩充存储器打印机接口通信接口网络接口仪表接口计算机打印机智能仪表局域网络ROMRAMI/O接口CPU内总线芯片总线外总线主机板图5-1微型计算机总线层次结构示意图64.标准总线的特点标准总线具有简化系统设计、简化系统结构、易于系统扩展、便于系统更新以及便于系统调试和维修等特点。标准总线不仅在电气上规定了各种信号的标准电平、负载能力和定时关系，也在结构上规定了插件的尺寸规格和引脚定义，各模块可实现标准连接。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；另一类是因广泛应用而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、PCI总线等。第5章微型计算机的总线技术7第5章总线的性能主要体现在：（1）总线宽度：是指可以同时传输的数据位数，位数越多，一次传输的信息就越多。（2）总线频率：总线通常都有一个基本时钟，总线上其它信号都以这个时钟为基准，这个时钟的频率也是总线工作的最高频率。时钟频率越高，单位时间内传输的数据量就越大。随着微型计算机的发展，总线技术也在不断地发展与完善，并且已经出现了一系列的标准化总线，这些标准化总线的广泛使用，对微型计算机系统在各个领域的普及和应用起到了积极的推动作用。微型计算机的总线技术8第5章5-2系统总线系统总线是微机主板上微处理器和外部设备之间进行通讯时所采用的数据通道，可支持各种端口、处理器、RAM和其他部件。微机的系统总线从性能上可分为低端总线和高端总线。低端总线一般支持8位、16位的微处理器，主要功能是进行I/O处理，总线信号依赖微处理器芯片，有的总线实际上就是微处理器引脚的延伸，比如ISA总线、STD总线等。高端总线可以支持32位、64位微处理器，它提高了数据传输率和处理能力，对微处理器的依赖性在减小，同时具备良好的兼容性、支持高速缓存Cache、支持多微处理器、可自动配置等特点，比如EISA总线、VESI总线、PCI总线等。微型计算机的总线技术9第5章5-2-1STD总线STD（Standard）总线是用于工业控制微机的标准系统总线，以其优越的性能和强大的生命力在工业控制领域中受到了广泛的欢迎并得到迅速的发展，被定名为IEEE961。STD总线开始推出时是针对当时的8位微型计算机，经过不断修订和改进，利用复用技术在原来定义的56个总线信号之下实现了支持20位地址、寻址1MB的直接寻址能力。在保证现有I/O插件板兼容的条件下，提供全16位数据的传输能力。1989年美国EAITECH公司开发出了32位的STD32，为高档的STD微型计算机系统的发展提供了有利的条件。微型计算机的总线技术10第5章1.STD总线的特点具有较好的兼容性，可以向上或向下兼容STD总线的电路板采用小板结构，高度模块化，开发周期短采用一整套高可靠性措施，可以长期可靠地工作在恶劣环境之下。结构简单，并且能够支持多微处理器系统系统模板品种齐全，价格低廉，性能良好，易于选用微型计算机的总线技术11第5章2.STD总线信号定义STD总线总计56条信号，其中电源线10条，地址线24条，数据线16条，控制线22条，地址线与数据线采用分时复用方式进行工作。3.STD总线的优先级控制STD总线支持多微处理器系统，更广义的说是支持多总线控制器系统。当STD系统总线上有多个总线控制器时，必须保证在每一时刻要将总线让给提出请求的优先级最高的总线控制器使用。微型计算机的总线技术12第5章利用以下串、并联两种总线优先级的安排可以实现STD总线的优先级控制。（1）串联总线优先级控制：这种方式是在每一个总线控制器模板上，建立总线优先级逻辑电路。【例5.1】采用串联优先级控制链的形式进行总线的优先级控制。如图5-2所示，在STD总线上用3个优先级逻辑电路和相应控制线组成。微型计算机的总线技术13优先级逻辑BAOBAIBRQ优先级逻辑BAOBAIBRQ优先级逻辑BAOBAIBRQ主机板BUSAKBUSRQSTDBUS...图5-2STD的串联总线优先级控制14第5章（2）并联总线优先级控制：这种方法是将优先级控制逻辑电路放在单独一块模板上，其他各个总线控制器均通过这块模板提出总线请求。【例5.2】总线的并联优先级控制分析。并联总线优先级控制如图5-3所示。微型计算机的总线技术15BAIBRQ主机板BUSAKBUSRQSTDBUSBAIBRQ外设接口1并行优先级控制板外设接口2图5-3STD的并联总线优先级控制16第5章5-2-2ISA总线ISA（IndustryStandardArchitecture工业标准体系结构）总线是早期比较有代表性的总线。IBM公司推出PC/XT和PC/AT个人计算机后，IEEE（InstituteofElectronicandElectronicEngineers电气电子工程师协会）在1987年定义了工业标准体系结构（ISA），将PC/XT总线定义为8位ISA，将PC/AT总线定义为16位ISA。微型计算机的总线技术17第5章ISA总线具有以下特点：既支持8位数据操作，也支持16位数据操作；可以将PC/AT总线和PC/XT总线的运行速度提升至8MHz；提供了1KB的I/O空间、15级的硬件中断、7级的DMA通道、8个设备的负载能力；总线中的地址、数据线采用非多路复用形式，使系统的扩展设计更为简便；是一种多主控设备总线，除主CPU外，DMA控制器、DRAM刷新控制器、带处理器的智能卡都可成为ISA的主控设备；由于IBMPC机广泛流行，可供选择的ISA插件卡品种较多，这有利于用户根据需要快速构成相应的微型计算机应用系统。微型计算机的总线技术18第5章1.8位ISA总线8位ISA总线是最早的PC机系统总线，也叫作PC总线。它支持8位数据传输和10位寻址空间，其特点是把CPU视为总线的惟一总控设备，其余外围设备均为从属设备。8位ISA总线是一种开放式的结构总线，在总线母板上有8个系统插槽，用于I/O设备和PC机的连接。由于该总线具有价格低、可靠性好、使用灵活等特点，并且对插板兼容性好，因此，有许多厂家生产该总线的兼容产品，品种范围比较广泛，供用户选择的余地较大。最初的ISA总线产品主要用于办公自动化，随着使用的推广，其产品很快扩大到实验室及工业环境下的数据采集和控制。微型计算机的总线技术19第5章8位ISA总线引脚信号总共有62条。通过一个31脚分为A、B两面的连接插槽来实现，其中，A面为元件面，B面为焊接面。符合ISA总线标准的接插件可以方便的插入，以便对微型计算机系统进行功能扩展。8位ISA总线引脚信号具有20条地址线、8条数据线、若干控制信号线、电源、接地等接口信号线。微型计算机的总线技术20第5章2.16位ISA总线PC/AT总线在PC/XT62引脚总线的基础上增加了一个36引脚的插槽，形成前62引脚和后32引脚的两个插座，构成16位ISA总线。可以利用前62引脚的插座插入与PC/XT总线兼容的8位接口电路卡，也可以利用整个插座插入16位接口电路卡。16位ISA总线中新增加的36引脚插槽信号扩展了8位数据线、7位地址线、存储器和I/O设备的读写控制线、中断和DMA控制线、电源和地线等。微型计算机的总线技术21第5章3.ISA总线的体系结构在利用ISA总线构成的微机系统中，当内存速度较快时，通常采用将内存移出ISA总线并转移到自己的专用总线——内存总线上的体系结构，如图5-5所示。微型计算机的总线技术22内存CPUPIC系统DMACISA卡ISA卡ISA卡ISA总线局部总线（内存总线）图5-5ISA体系结构23第5章5-2-3EISA总线EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture扩展的工业标准体系结构）总线是扩展的ISA总线。1989年，以Compaq公司为代表的9家公司，在ISA总线的基础上，联合推出了EISA总线。在当时，尽管数据总线宽度被增加到32位，但EISA总线的时钟速度仍然维持在8MHz，这导致了这种互连结构标准逐渐地被减少使用。但是，更新以后的VESA局部总线和PCI总线均工作在更高的速度之下，它们现在可以在33MHz的频率下工作。微型计算机的总线技术24第5章1.EISA总线的特点（1）用于32位微机中，可寻址4GB的存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。（2）具有32位数据线，保证了系统性能的提高，使最大数据传输速率达33MB/S。（3）支持多处理器结构，支持多主控总线设备，具有较强的I/O扩展能力和负载能力。（4）具有自动配置功能，可以根据配置文件自动地初始化，配置系统板和多扩展卡。（5）扩展了DMA的范围和传输速度，支持7个DMA通道，DMA数据传输既可在ISA方式下也可在EISA方式下进行。（6）采用同步数据传送协议，可支持常规的一次传送，也可支持突法方式即高速分组传送。微型计算机的总线技术25第5章2．EISA总线的主要信号及其功能EISA插槽与ISA插卡和EISA插卡均兼容，采用了双层结构，上面一层包含了ISA的全部信号，信号的排列、引脚间的距离、信号的定义规定与ISA完全一致；下层包含全部新增加的EISA信号。微型计算机的总线技术26第5章5-3局部总线5-3-1VESA总线VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation视频电子标准协会）总线是一种32位接口的局部总线，通常称为VL总线。微型计算机的总线技术27第5章VESA局部总线工作频率可以达到33MHz，常用在需要高速数据传输的系统。与EISA总线一样，VESA局部总线也是ISA总线的扩展，不同之处在于VESA局部总线没有在16位ISA总线连接器上增加任何器件，而是在16位ISA总线连接器的后面增加了第3个连接器，即VESA连接器。VESA局部总线上的连线与EISA总线卡非常相似，VESA局部总线还包括一个32位地址和数据总线，用于将存储器和I/O设备连接到微处理器上。微型计算机的总线技术288位ISA16位ISAVESAVESA局部总线卡图5-6VESA局部总线连接器和接口卡29第5章5-3-2PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect外部组件互连）总线是目前最常用的系统总线。该总线是专门为Pentium系列芯片设计的。PCIV2.0版本支持32/64位数据总线，总线时钟