总线技术

第六章总线技术6.1总线技术概述6.2系统总线6.3局部总线6.4外设总线6.5通信总线6.6AGP总线本章学习目标ISA总线和EISA总线的性能特点和基本参数PCI总线的性能特点、功能结构和主要用途USB总线和IEEE1394总线的性能特点、功能结构和主要用途AGP总线的性能特点和功能结构6.1总线技术概述总线在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线。总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范，包括硬件和软件两个方面。6.1.1总线分类按总线功能或信号类型划分按功能划分数据总线地址总线控制总线按层次划分片内总线局部总线系统总线通信总线按层次结构划分总线宽度又称总线位宽，是总线能同时传送数据的位数。总线频率反映总线工作速度,工作频率越高,传送速度越快。总线带宽又称总线的数据传输率，是指在一定时间内总线上可传送的数据总量。(总线宽度/8位)×总线频率单位为MB/S（总线频率以MHz为单位）6.1.2总线的主要性能参数1．物理特性:2．功能特性:3．电器特性:4．时间特性:总线物理连接方式(电缆式、蚀刻式），总线根数、插头和插座形状，引脚排列等。描述一组总线中每一根线的功能。定义每根线上信号的传递方向以及有效电平范围。定义每一根线在什么时候有效，和总线操作的时序有关。6.1.3总线标准的特性6.1.4总线仲裁与传输•总线仲裁是指在总线上有多个总线主模块同时请求使用总线时，决定由哪个模块获得总线控制权。•“总线主模块”是具有总线控制能力的模块，在获得总线控制权之后能启动数据信息的传输，如CPU或DMA控制器。•“总线从模块”是指能够对总线上的数据请求作出响应，但本身不具备总线控制能力的模块，如并行接口电路8255A、中断控制器8259A等。总线传输的4个阶段1．总线请求和仲裁阶段：主模块向总线仲裁机构提出总线使用申请，总线仲裁机构决定使用总线的主模块。2．寻址阶段：拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，该从模块被选中并启动。3．数据传送阶段：主模块和从模块间进行双（单）向数据传送。4．结束阶段：主、从模块均撤出总线。按层次划分片内总线系统总线局部总线通信总线ISAEISAVLPCIUSB6.2常用总线系统总线—ISA总线•20世纪80年代初期，IBM在推出IBMPC/XT时，定义了一种总线结构，称为XT总线。这是8位数据宽度的总线。•随着IBM采用80286CPU，推出IBMPC/AT微机系统，又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线。•ISA总线(IndustrialStandardArchitecture)即AT总线，它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。局部总线是PC体系结构的重大发展，它打破了数据输入输出的瓶颈，为高速外设提供了更宽、更快的“高速公路”。PCI总线(PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出，是一种先进的局部总线，已成为当今微型计算机中都采用的局部总线标准。局部总线—PCIPCI主要特点1)独立于处理器2)传输效率高3)多总线共存4)支持突发传输5)支持总线主控方式6)采用同步操作7)支持两种电压下的扩展卡8)具有即插即用功能9)合理的管脚安排10)预留扩展空间ISA插槽PCI插槽PCI插卡CPU存储器CPU总线CPU总线/PCI总线桥（北桥）PCI总线/ISA总线桥（南桥）PCI图形适配器PCI网卡PCI硬盘控制器PCI插槽ISA总线键盘/鼠标控制器BIOSROM总线结构框图PCI总线ISA插槽通用串行总线（UniversalSerialBus）USB是一种新型的外设接口标准，采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应的软件,实现资源共享和外设的简单快速连接。USB是以Intel公司为主,Compaq,IBM，DEC以及NEC等公司共同开发的,96年公布了USB1.0版本,目前是USB2.0。由于微软在Windows98和Windows2000中内置了USB接口模块，加上USB设备日益增多，因此使USB成为目前流行的外设接口。使用USB,用户不需要扩展插卡,无须了解BIP开关设置、跳线、中断IRQ设置、DMA通道及IO地址等细节,无须开发底层设备驱动程序，有400多家大公司的支持,开发了USB电信产品、外设及软件。6.4外设总线6.4.1USB总线6.4.1(1)使用方便：可以连接多个不同的设备，支持热插拔。(2)速度加快：USB1.1最高传输率可达12Mbps，比串口快了整整100倍，比并口也快了十几倍。USB2.0的速度提高到480Mbps以上。(3)连接灵活：连接方式既可以使用串行连接也可以使用中枢转接头(Hub)，把多个设备连接在一起USB；理论上可以连接127个USB设备。每个外设线缆长度达5米。USB能智能识别USB链上外围设备的接入或拆卸。(4)独立供电：USB接口提供了内置电源。USB电源能向低压设备提供5V的电源。(5)支持多媒体：可支持异步以及等时数据传输，使电话可与PC集成，共享语音邮件，高保真音频及其他特性。1、USB的主要特点（1）USB主机——USB总线——USB设备物理结构是层迭式星形拓扑（USB拓扑结构）主机设备根集线器设备设备设备设备集线器集线器设备设备设备6.4.12、USB总线拓扑（2）USB设备6.4.12、USB总线拓扑USB主控制器/根集线器主控制器负责将并行数据转换成串行，并将数据传给根集线器。根集线器控制USB端口的电源，激活和禁止端口，识别与端口相连的设备，设置和报告与每个端口相连的状态事件。USB集线器(USBHub)完成USB设备的添加（扩展）、删除和电源管理等。USB设备HUB设备和功能设备（外设），外设含一定数量独立的寄存器端口（端点）。外设有一个惟一的地址。通过这个地址和端点号，主机软件可以和每个端点通信。数据的传送是在主机软件和USB设备的端点之间进行的。6.4.13.USB的软件USB设备驱动程序在USB外设中，通过I/O请求包将请求发送给USB设备。USB驱动程序在设备设置时读取描述器以获取USB设备的特征，并根据这些特征，在请求发生时组织数据传输。USB驱动程序可以是捆绑在操作系统中，也可以是以可装载的驱动程序形式加入到操作系统中。USB主控制器驱动程序完成对USB交换的调度，并通过根Hub或其他的Hub完成对交换的初始化。ＵＳＢ接口插座１２３４１２３４端子号信号典型电缆颜色1VBUS红色2D-白色3D+绿色4GND黑色外皮屏蔽管线USB连接器的管脚分配电气特性：USB总线通过一条四芯电缆传送电源和数据，电缆以点到点方式在设备之间连接。机械特性：A系列USB连接器主机B系列USB连接器USB设备6.4.14、USB机械电气特性6.4.15、USB数据流类型和传输类型◆USB数据流类型有四种：控制信号流、块数据流、中断数据流、实时数据流。◆USB有4种基本的传输类型批传输：单/双向，用于大批数据传输，要求准确，出错重传。时间性不强。控制传输：双向，用于配置设备或特殊用途，发生错误需重传。每个设备必须要用端点0完成USB主机检测时和主机交换信息的控制传送。中断传输：单向入主机，用于随机少量传送。采用查询中断方式，出错下一查询周期重新传。等时传输：单/双向，用于连续实时的数据传输，时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。6、USB交换的包格式标志包数据包握手包一次交换（事务处理）等时传输无握手包交换完毕，进入帧结束间隔区发送方把D+和D-上的电压降低到0.8V以下，并保持2个位的传输时间，然后维持1个位传输时间的J状态表示包结束，之后进入闲置状态。每次交换均由主机发起，对中断传输，亦由主机发送查询包取得中断信息。帧结束间隔区6.4.1包的一般格式SYNCPID包特定信息CRC8位8位n位5位或16位SYNC：同步序列PID：包标识别，发送从低位到高位所有数据发发送都时从低位开始向高位发送数据为10000000bPID0PID1LSbPID2PID3PID0#PID1#PID2#PID3#MSbPIDPID的反码6.4.16、USB交换的包格式◆包的种类及格式：标记包(1)帧开始包（SOF）（一帧持续时间为1ms）SYNCPIDFRAMENUMBERCRC8位帧开始包格式8位11位5位编码数据0000000110100101LSbMSb6、USB交换的包格式6.4.1SYCNPIDADDRENDPCRC8位接受和发送包的格式8位7位4位5位(2)接受包(3)发送包接受交换包括了全部4种传输类型接受交换:根Hub广播接受包目标设备返回数据包根发握手包（等时传输无握手包）发送交换:根Hub广播发送包根发数据包目标设备发握手包（批传输才有握手包）发送交换包括了除等时传输外的其他3种传输类型6、USB交换的包格式6.4.1数据包DATACRCSYNCPID8位USB1.1数据包格式8位0~1023位16位SYNCPIDDATACRC8位USB2.0数据包格式8位0~8192位16位(4)设置包控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或多个IN或OUT交换，或只包含一个从端点传到主机的状态。6、USB交换的包格式6.4.1SYCNPID8位握手包的格式8位握手包特殊包数据接受方发向数据发送方•只有SYNC和PID组成•主机希望与低速设备进行低速传输的时候发此包•PID域应该高速（全速）发送。•PID之后，在低速数据包传输之前要延迟4个高速字节时间•低速设备只支持控制传输与中断传输•与低速设备交换数据只有8字节6、USB交换的包格式6.4.16.4.2IEEE1394总线IEEE1394接口又称火线（FireWire）接口，是IEEE标准化组织制定的一项具有视频数据传输速度的串行接口标准。1、IEEE1394主要特点•通用性强采用树形或菊花链结构，以级联方式在一个接口上最多可以连接63个不同种类的设备。•传输速率高IEEE1394a支持100Mb/s,200Mb/s及400Mb/s的传输速率。•实时性好高传输率加上同步传送方式•总线提供电源可向被连接的设备提供4~10V和1.5A的电源•系统中各设备之间关系平等任何两个该接口的设备可以直接连接而不需要通过PC机的控制•连接方便采用设备自动配置技术，允许热插拔和即插即用。6.4.22、IEEE1394拓扑结构CPU内存I/OIEEE1394桥接器扫描仪CPU驱动器打印机数码相机CDROM驱动器内部总线连接并行总线IEEE1394总线线缆连线IEEE1394总线系统结构3、IEEE1394的主要技术规范6.4.2(1)IEEE1394数据传输方式IEEE1394支持异步和同步(等时)两种数据传输方式。(2)IEEE1394电缆及连接VP135246TPB*TPA*VGTPBTPA5.4mm11mm246VGTPBTPA135VPTPB*TPA*11.3mm6.2mm图3.20六针插头及插座插头插座43215.35mm3.45mm3.45mm5.45mm插头插座四针插头和插座1234561234561234123412341234566针连6针4针连4针4针连6针各种插头之间的连接6.5通信总线6.5.2IEEE488总线IEEE-488总线是并行总线接口标准。1、IEEE488总线的主要规定（1）数据传输速度不超过1MB/S。（2）连接在总线上的设备（包括作为主控器的微型机）不超过15个。（3）设备间的最大距离不超过20m。（4）整个系统的电缆总长度不超过220m。（5）所有数据交换都必须数字化。（6）使用24线的组合插头座，并且采用负逻辑，即用小于+0.8V的电平表示逻辑“1”；用大于2V的电平表示逻辑“0”。6.5.2{可以是串行连接或者星形连接。在IEEE488系统中的每一台设备都可以按3种方式工作：（1）“听者”方式：是一种接受器，从数据总线上接收数据。（2）“