微机原理与接口技术ppt 第5章 系统总线

同济大学电信学院第5章系统总线5.1概述5.2PC总线5.3ISA总线5.4PCI总线5.5USB总线同济大学电信学院掌握总线组成掌握总线的交换掌握PC、ISA总线了解PCI总线和USB总线主要知识点同济大学电信学院5.1概述微型计算机系统大都采用总线结构。这种结构的特点是采用一组公共的信号线作为微型计算机各部件之间的通信线，这种公共信号线就称为总线。同济大学电信学院小系统单板计算机各芯片之间，组成微型计算机的插件板之间，微型计算机系统之间，都有各自的总线。这些总线把各部件组织起来，组成一个能彼此传递信息和对信息进行加工处理的整体。因此总线是各部件联系的纽带，在接口技术中扮演着重要的角色。随着微型计算机硬件的发展，总线也不断地发展与更换。5.1概述同济大学电信学院5.1.1总线的分类1.总线的分类根据所处的位置不同，总线可以分为：(1)片内总线片内总线位于微处理器芯片的内部，用于算术逻辑单元ALU与各种寄存器或者其他功能单元之间的相互连接。同济大学电信学院(2)局部（片）总线片总线又称元件级总线或局部总线，是一台单板计算机或一个插件板的板内总线，用于各芯片之间的连接。它是微型机系统内的重要总线，在连接接口芯片与CPU时就涉及这样的总线。片总线一般是CPU芯片引脚的延伸，往往需要增加锁存、驱动等电路，以提高CPU引脚的驱动能力。5.1.1总线的分类同济大学电信学院(3)系统（内）总线内总线又称为微型计算机总线或板级总线，一般称为系统总线，用于微型计算机系统各插件板之间的连接，是微型计算机系统的最重要的一种总线。一般微型计算机总线，指的就是这种总线。5.1.1总线的分类同济大学电信学院(4)外总线外总线又称通信总线，用于系统之间的连接，如微机系统之间，微机系统与仪器、仪表或其他设备之间的连接。常用的外总线有RS232C、IEEE488、USB、IEEE1394、SCSI、SATA等总线。5.1.1总线的分类同济大学电信学院5.1.1总线的分类同济大学电信学院1.总线特性总线必须在以下几方面做出规定：(1)物理特性物理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的根数、总线的插头、插座是什么形状的、引脚是如何排列的等。例如，IBMPC／XT的总线共62根线，分两列编号。5.1.2总线的组成同济大学电信学院(2)功能特性功能特性描写的是这一组总线中，每一根线的功能是什么。从功能上划分，总线分为三组(即三总线)：地址总线、数据总线和控制总线。5.1.2总线的组成同济大学电信学院(3)电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围。一般规定送入CPU的信号称作输入信号(IN)，从CPU送出的信号称作输出信号(OUT)。5.1.2总线的组成同济大学电信学院(4)时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效，也就是每根线的时序。5.1.2总线的组成同济大学电信学院2.总线组成总线大体可以分成以下部分组成：（1）传输线1)地址总线地址总线是微型计算机用来传送地址的信号线。地址线的数目决定了直接寻址的范围。8088(8086)CPU有20根地址线，可寻址1MB。80286有24根地址线，可寻址16MB。80386CPU以上的芯片有32根地址线可寻址4GB。5.1.2总线的组成同济大学电信学院P6以上处理器有36根地址线，可寻址64GB。目前，正在开发64位CPU，其寻址范围就更大了。地址总线均为单向、三态总线，即信号只有一个传送方向，三态是指除了可输出高电平或低电平外，还可处于断开(高阻)状态。5.1.2总线的组成同济大学电信学院2)数据总线数据总线是传送数据和代码的总线，一般为双向信号线，既可输入也可输出。数据总线也采用三态逻辑。数据总线已由8条、16条、32条，扩展为64条。5.1.2总线的组成同济大学电信学院3)控制总线控制总线是传送控制信号的总线。用来实现命令、状态的传送，中断、直接存储器传送的请求与控制信号的传送，以及提供系统使用的时钟和复位信号等。5.1.2总线的组成同济大学电信学院4)电源线和地线电源线和地线决定了总线使用的电源种类以及地线的分布和用法。5)备用线备用线留作功能扩充和用户的特殊要求使用。5.1.2总线的组成同济大学电信学院（2）接口逻辑就是连接物理导线的发送器和接收器以及数据交换的定时逻辑。（3）总线控制器主要用于决定总线的使用权，总线的申请及应答等。5.1.2总线的组成同济大学电信学院总线还要定义连接器，系统总线一般都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚都连在一起，总线就连到这些引脚上。总线接口引脚的定义、传输速率的设定、驱动能力的限制、信号电平的规定、时序的安排以及信息格式的约定等。外总线则使用标准的接口插头，其结构和通信约定也都是标准的。5.1.2总线的组成同济大学电信学院系统总线上的数据传输是在主控模块的控制下进行的，主控模块是有控制总线能力的模块，例如CPU、DMA控制器。总线从属模块则没有控制总线的能力,它可以对总线上传来的信号进行地址译码，并且接受和执行总线主控模块的命令信号。总线完成一次数据传输周期，一般分为以下四个阶段：5.1.2总线的操作同济大学电信学院(1)申请阶段当系统总线上有多个主控模块时，需要使用总线的主控模块提出申请，由总线仲裁部件确定把下一传输周期的总线使用权授给哪个模块。若系统总线上只有一个主控模块，就无需这一阶段。5.1.2总线的操作同济大学电信学院(2)寻址阶段取得总线使用权的主控模块通过总线发出本次打算访问的从属模块的地址及有关命令，以启动参与本次传输的从属模块。5.1.2总线的操作同济大学电信学院(3)传数阶段主控模块和从属模块之间进行数据传输，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。(4)结束阶段主控模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线。5.1.2总线的操作同济大学电信学院主控模块和从属模块之间的数据传送有以下几种传输方式：5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院(1)同步式传输此方式用“系统时钟”作为控制数据传送的时间标准。主设备与从设备进行一次传送所需要的时间(称为传输周期或总线周期)是固定的，其中每一个步骤的起止时刻，也都有严格的规定，都以系统时钟来统一步伐。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院同步传输要求主模块严格地按系统时钟规定的时刻发出地址、命令，也要求从模块严格地按系统时钟的规定读出数据或完成写入操作。主模块和从模块之间的时间配合是强制同步的。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院同步传输优点：同步传输动作简单，但要解决各种速率的模块的时间匹配，控制简单。同步传输缺点：当把一个慢速设备连接至同步系统上，就要求降低时钟速率来迁就此慢速设备，灵活性较差，可靠性差。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院(2)异步式传输异步式传输采用“应答式”传输技术。用“请求REQ(Request)”和“应答ACK(Acknowledge)”两条信号线来协调传输过程，而不依赖于公共时钟信号。它可以根据模块的速率自动调整响应的时间，接口任何类型的外围设备都不需要考虑该设备的速度，从而避免同步式传输的上述缺点。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院异步式传输，利用REQ和ACK的呼应关系来控制传输过程，其主要特点是：①应答关系完全互锁，即REQ和ACK之间有确定的制约关系，主设备的请求REQ有效，由从设备的ACK来响应；ACK有效，允许主设备撤消REQ；只有REQ已撤消，才最后撤消ACK；只有ACK已撤消，才允许下一个传输周期的开始。这就保证了数据传输的可靠进行。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院②数据传送的速度不是固定不变的，它取决于从模块的存取速度。因而同一个系统中可以容纳不同存取速度的模块，每个模块都能以其最佳可能的速度来配合数据的传输。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院异步传输的缺点是不管从模块存取时间的快、慢，每次都要经过4个步骤：请求、响应、撤消请求、撤消响应。因此影响效率。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院(3)半同步式传输此种方式是前两种方式的折衷。仍用系统时钟来定时，利用某一时钟脉冲的前沿或后沿判断某一信号的状态，或控制某一信号的产生或消失，使传输操作与时钟同步。但是，它又不像同步传输那样传输周期固定。对于慢速的从模块，其传输周期可延长时钟脉冲周期的整数倍。其方法是增加一条信号线(WAIT或nREADY)。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院nREADY信号线无效时，表示选中的从设备尚未准备好数据传输(写时，未作好接收数据的准备；读时，数据未放至数据总线上)。系统用一适当的状态时钟检测此线，若nREADY为无效，系统就自动地将传输周期延长一个时钟周期(通过插入等待周期来实现)，强制主模块等待。5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院5.1.2总线的数据传输同济大学电信学院在多微处理机系统和带有DMA控制器的单处理器系统中，对中线的控制权在同一时刻只能被一个部件所拥有，因此，必需有一个仲裁机构对在有多个部件提出总线请求时，仲裁总线给那个部件使用。1.链式查询方式2.计数定时查询方式3.平行方式5.1.3总线仲裁同济大学电信学院从微型计算机系统的第一条标准总线S-100出现至今，微机系统发展了多种总线系统。1.S-100S-100是16位总线，该总线首先是由MITS公司提出的，后被定为国际标准IEEE696。5.1.4标准总线同济大学电信学院2.Multibus分为MultibusI和MutilbusII，前者为16位总线，后者为32位总线，有Intel公司提出，后定为国际标准IEEE1296，MultibusI传输速率10MB/s，MutilbusII传输速率40MB/s。5.1.4标准总线同济大学电信学院3.STDbusSTD最早为8位总线，由美国PROLOG公司提出，是一个高靠性工业控制总线，国际标准为IEEE961。后发展为16位，1989年又升为32位总线STD32。5.1.4标准总线同济大学电信学院4.PCbus在第一代个人计算机上使用的系统总线，是8位总线，是IBM在PC/XT上使用的总线。5.ISAbus在第二代个人计算机上使用的系统总线，是16位总线，是IBM在PC/AT上使用的总线。5.1.4标准总线同济大学电信学院6.EISAbusEISAbus是32位总线，用在服务器上的，由COMPAQ、HP、AST、AT&T等9家公司提出。7.VISAbusVISAbus是32位总线，是针对486CPU设计的，由视频电子协会（VESA）提出，用于486的个人计算机上。5.1.4标准总线同济大学电信学院8.PCIbusPCIbus是32位总线，可扩展到64位，由Intel、IBM、COMPAQ、APPLE、DEC等公司提出，独立于微处理器。5.1.4标准总线同济大学电信学院一、标准总线规范标准总线规范包含如下几个方面。1.机械结构规范确定模板尺寸，总线插座，连接器等。2.功能规范确定每个引脚信号的名称与功能，对他们相互作用的协议进行说明。5.1.4标准总线同济大学电信学院3.电气规范规定信号工作室的高低电平，转换时间，负载能力及最大额定值。各类总线在线数上有差异，但大致可分为：（1）数据传输包括地址线、数据线、读写控制线及按传输方式的应答线等。5.1.4标准总线同济大学电信学院（2）中断中断请求线、中断应答线。（3）仲裁总线请求线、总线应答线。（4）其他系统时钟、复位及电源线等。5.1.4标准总线同济大学电信学院二、标准总线的性能指标总线的主要功能是部件间的通信，因而总线能否保证部件间的通信通畅是衡量总线性能的关键指标。1.总线的定时协议总线的通信方式时同步、异步或半同步。5.1.4标准总线同济大学电信学院2.总线频宽总线能达到的最高传输率MB/s。频宽取决于：（1）总线驱动器和接收器性能；（2）总线长度；（3）连接在总线上的部件数