第5章 处理器总线时序与系统总线

1、第五章第五章 处理器总线时序和系处理器总线时序和系统总线统总线College of physicsHunan University of Science and Technology第五章第五章 处理器总线时序和系统总线处理器总线时序和系统总线5.1 有关总线的基本概念有关总线的基本概念5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法5.3 总线握手方法总线握手方法5.4 Pentium处理器的典型总线操作时序处理器的典型总线操作时序5.5 PC系列微机中的常用标准总线系列微机中的常用标准总线5.1 有关总线的基本概念有关总线的基本概念5.1.1 总线与总线模块总线与总线模块5.1.2 总线操作及控制总线操作

2、及控制5.1.3 总线的功能和性能指标总线的功能和性能指标5.1.4 总线周期与指令周期、时钟周期的关系总线周期与指令周期、时钟周期的关系5.1.1 总线与总线模块总线与总线模块 总线总线是在模块与模块之间或者设备与设备是在模块与模块之间或者设备与设备之间传送信息的一组公用信号线，是系统在主之间传送信息的一组公用信号线，是系统在主控器控器( (模块或设备模块或设备) )的控制下，将发送器的控制下，将发送器( (模块模块或设备或设备) )发出的信息准确地传送给某个接收器发出的信息准确地传送给某个接收器( (模块或设备模块或设备) )的信号通路。的信号通路。 总线的特点总线的特点在于其公用性，即它

3、同时挂接在于其公用性，即它同时挂接多个模块或设备。多个模块或设备。总线按其信号线性质不同一般可分为：总线按其信号线性质不同一般可分为：读写控制线读写控制线数据传输握手线数据传输握手线总线仲裁线总线仲裁线中断控制线中断控制线DMA控制线控制线控制总线控制总线CB：地址总线地址总线AB：数据总线数据总线DB：5.1.1 总线与总线模块总线与总线模块1. 总线分组总线分组用于把数据送入或送出用于把数据送入或送出MPU，为双，为双向总线。向总线。 用于指定数据送往或来自何处，为用于指定数据送往或来自何处，为MPU发出的单向总线。发出的单向总线。 因因MPUMPU型号的不型号的不同而不同，正是同而不同，

4、正是CBCB的不同特性决的不同特性决定了各种定了各种MPUMPU不不同的接口特点。同的接口特点。总线的另一种分组法：总线的另一种分组法：基本信息总线基本信息总线仲裁总线仲裁总线数据握手总线数据握手总线数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB存储器与存储器与I/O读写控制线读写控制线总线仲裁线总线仲裁线中断仲裁控制线中断仲裁控制线DMA仲裁控制线仲裁控制线保证在总线操保证在总线操作期间基本信作期间基本信息总线上信息息总线上信息的正常传送。的正常传送。5.1.1 总线与总线模块总线与总线模块2. 2. 总线模块总线模块 总线主模块总线主模块 总线从模块总线从模块 主从模块主从模块连接在总线上的模块

5、（设备）有三种：连接在总线上的模块（设备）有三种： 工作于主控方式，可以工作于主控方式，可以控制和管理总线。控制和管理总线。 工作于受控方式，只能在工作于受控方式，只能在主模块控制下工作主模块控制下工作 。 有时工作于主控方式，有有时工作于主控方式，有时工作于受控方式时工作于受控方式 。 5.1.1 总线与总线模块总线与总线模块 微机系统中的各种操作本质上都是通过微机系统中的各种操作本质上都是通过各级总线进行的信息交换，统称为各级总线进行的信息交换，统称为总线操作总线操作。5.1.2 总线操作及控制总线操作及控制 同一时刻，总线上只能允许一对模块进同一时刻，总线上只能允许一对模块进行信息交换。

6、当有多个模块都要使用同一总行信息交换。当有多个模块都要使用同一总线进行信息传输时，只能采用分时方式，即线进行信息传输时，只能采用分时方式，即将总线时间分成很多段，每段时间可以完成将总线时间分成很多段，每段时间可以完成模块之间一次完整的信息交换，通常称之为模块之间一次完整的信息交换，通常称之为一个一个数据传输周期数据传输周期或或一个总线操作周期一个总线操作周期。 一个总线操作周期一一个总线操作周期一般要分成般要分成4 4个阶段：个阶段：5.1.2 总线操作及控制总线操作及控制n总线请求和仲裁阶总线请求和仲裁阶段段n寻址阶段寻址阶段n传数阶段传数阶段n结束阶段结束阶段总线请求和仲裁阶总线请求和仲裁

7、阶段段 需要使用总线的主需要使用总线的主模块提出请求，由总模块提出请求，由总线使用的仲裁机构确线使用的仲裁机构确定把下一个传输周期定把下一个传输周期的总线使用权分配给的总线使用权分配给哪一个请求源。哪一个请求源。 一个总线操作周期一一个总线操作周期一般要分成般要分成4 4个阶段：个阶段： 取得使用权的主模取得使用权的主模块通过总线发出本次块通过总线发出本次要访问的从模块的存要访问的从模块的存储器地址或储器地址或I/O I/O 端口端口地址及有关命令，让地址及有关命令，让参与本次传输的从模参与本次传输的从模块开始启动。块开始启动。5.1.2 总线操作及控制总线操作及控制n总线请求和仲裁阶总线请求

8、和仲裁阶段段n传数阶段传数阶段n结束阶段结束阶段 一个总线操作周期一一个总线操作周期一般要分成般要分成4 4个阶段：个阶段： 主模块和从模块进主模块和从模块进行数据交换。在主模行数据交换。在主模块发出的控制信号作块发出的控制信号作用下，数据由源模块用下，数据由源模块发出，经数据总线传发出，经数据总线传送到目的模块。送到目的模块。 5.1.2 总线操作及控制总线操作及控制n总线请求和仲裁阶总线请求和仲裁阶段段n寻址阶段寻址阶段n结束阶段结束阶段 一个总线操作周期一一个总线操作周期一般要分成般要分成4 4个阶段：个阶段： 主从模块的有关信息主从模块的有关信息均从系统总线上撤除，均从系统总线上撤除，

9、让出总线，以便其他模让出总线，以便其他模块能继续使用。块能继续使用。 5.1.2 总线操作及控制总线操作及控制n总线请求和仲裁阶总线请求和仲裁阶段段n寻址阶段寻址阶段n传数阶段传数阶段 为了确保这为了确保这4 4个阶段正确推进，必个阶段正确推进，必须施加总线操作控制。包括两个层面须施加总线操作控制。包括两个层面的控制：的控制： 总线仲裁总线仲裁 总线握手总线握手 总线操作控制与总线操作控制与总线操作四阶段的关系：总线操作四阶段的关系：总线请求与仲裁总线请求与仲裁寻址寻址传数传数结束（撤出总线）结束（撤出总线）总线总线操作操作四阶四阶段段总线握手总线握手总线仲裁总线仲裁5.1.2 总线操作及控制

10、总线操作及控制1. 1. 总线的功能总线的功能5.1.3 总线的功能和性能指标总线的功能和性能指标基本功能：基本功能： 数据传送数据传送 占用仲裁占用仲裁 传输握手传输握手辅助功能：辅助功能：p 收发缓冲收发缓冲p 出错处理出错处理 2. 总线的性能指标总线的性能指标 总线的主要性能指标有总线的主要性能指标有: : 总线带宽总线带宽 总线位宽总线位宽 总线工作频率总线工作频率5.1.3 总线的功能和性能指标总线的功能和性能指标 总线带宽总线带宽指的是单位时间内指的是单位时间内总线上可传送的数据量，又称总线上可传送的数据量，又称总线最大传输率。总线最大传输率。 总线位宽总线位宽指的是总线上能同指

11、的是总线上能同时传送的数据位数。时传送的数据位数。 总线工作频率总线工作频率指的是用于控指的是用于控制总线操作周期的时钟信号频制总线操作周期的时钟信号频率，所以也叫总线时钟频率。率，所以也叫总线时钟频率。 三者关系：三者关系：总线带宽总线带宽= =总线位宽总线位宽总线工作频率总线工作频率5.1.4 总线周期与指令周期、时钟周期的关总线周期与指令周期、时钟周期的关系系 时钟周期时钟周期是处理器中处理动作的最小时间单是处理器中处理动作的最小时间单位，通常称之为一个位，通常称之为一个T T状态状态。 总线周期总线周期是指是指CPUCPU对存储器或对存储器或I/OI/O端口完成一端口完成一次读次读/

12、/ 写操作所需要的时间，它是微处理器完写操作所需要的时间，它是微处理器完成一步完整操作的最小时间单位。成一步完整操作的最小时间单位。 指令周期指令周期是指一条指令从取指开始至执行完是指一条指令从取指开始至执行完毕所需要的时间，通常要经历若干个总线周期。毕所需要的时间，通常要经历若干个总线周期。不同指令或同一指令寻址方式不同时，其指令不同指令或同一指令寻址方式不同时，其指令周期也不同。周期也不同。 时钟周期是计算机定时工作的基本时间单元，时钟周期是计算机定时工作的基本时间单元，一个总线周期通常包括几个时钟周期，而一个一个总线周期通常包括几个时钟周期，而一个指令周期通常又包括几个总线周期。指令周期

13、通常又包括几个总线周期。 时钟周期时钟周期 总线周期总线周期 ( (机器周期机器周期) ) 指令周期指令周期 三者关系三者关系 总线仲裁总线仲裁又叫总线判决，其目的就是合理地控制和又叫总线判决，其目的就是合理地控制和管理系统中需要占用总线的请求源，在多个源同时提出管理系统中需要占用总线的请求源，在多个源同时提出总线请求时，以一定的优先算法仲裁哪个应获得对总线总线请求时，以一定的优先算法仲裁哪个应获得对总线的占用权。的占用权。如果没有总线仲裁，很容易产生总线冲突。如果没有总线仲裁，很容易产生总线冲突。 总线冲突总线冲突是指在总线上同时有两个或两个以上的模是指在总线上同时有两个或两个以上的模块要传

14、送相互矛盾的信息时引起的冲突，冲突的表现形块要传送相互矛盾的信息时引起的冲突，冲突的表现形式后果因驱动总线的逻辑器件类型而异。式后果因驱动总线的逻辑器件类型而异。 因此总线仲裁就是要确保任何时刻总线上最多只有因此总线仲裁就是要确保任何时刻总线上最多只有一个模块发送信息，而决不出现多个主控器同时占用总一个模块发送信息，而决不出现多个主控器同时占用总线的现象。线的现象。5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法常见的总线仲裁协定有：常见的总线仲裁协定有：5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法1. “菊花链菊花链”仲裁仲裁(串行仲裁串行仲裁)2. 并行仲裁并行仲裁3. 并串行二维仲裁并串行二维仲裁 1) 三线菊花链

15、判决原理三线菊花链判决原理动画演示动画演示1.1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 三线菊花链仲裁原理图三线菊花链仲裁原理图总线总线总线总线仲裁器仲裁器BGBGIN1BRBBC1BGOUT1BGIN2C2CnBGOUT2BGINnBCLK( (总线时钟总线时钟) )5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法2)判决定时图判决定时图BRBGBBC1C2C1C2C1 1.1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法3)这种菊花链仲裁协定的要点：这种菊花链仲裁协

16、定的要点： 每时刻只有一个模块作为总线通每时刻只有一个模块作为总线通信的实际主控模块；信的实际主控模块； 先请求者先响应，且在一个总线先请求者先响应，且在一个总线操作周期之内不被打断；操作周期之内不被打断； 同一时刻几个模块请求者，按优同一时刻几个模块请求者，按优先级排序响应。先级排序响应。1.1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法4)总线时钟线总线时钟线(BCLK)的作用：的作用： 控制总线交换速度控制总线交换速度 限制了链路上允许串入的限制了链路上允许串入的CiCi个数个数N N：NNT TBCL

17、KBCLKttT TBCLKBCLK 为总线时钟周期为总线时钟周期tt为每个主控模块的平均传输延时为每个主控模块的平均传输延时1.1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法5)菊花链仲裁的优缺点菊花链仲裁的优缺点 逻辑和物理实现都很简单逻辑和物理实现都很简单; ;优点：优点： 链路上任一环节发生故障，将阻止链路上任一环节发生故障，将阻止其后面的设备获得总线控制权。其后面的设备获得总线控制权。 链路连好后，优先级结构不能改变，链路连好后，优先级结构不能改变，容易出现容易出现 饱饿饱饿 不均。不均。 响应速度

18、较慢，系统中能容纳的主响应速度较慢，系统中能容纳的主控设备数受时钟频率限制控设备数受时钟频率限制缺点：缺点： 易于扩充。易于扩充。1.1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法也叫独立请求仲裁也叫独立请求仲裁 1)1)特点：特点：每个每个CiCi均有自己独立的均有自己独立的BRBR、BGBG线与总线仲裁器相连。线与总线仲裁器相连。并并行行判判决决机机构构示示意意图图总总线线仲仲裁裁器器总线总线BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLKC1C2Cn1.“1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁

19、并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法并行仲裁并行仲裁2)2)判决原理：判决原理：判决器直接识别各判决器直接识别各CiCi请求请求, ,仲裁后直接向仲裁后直接向选中的选中的CiCi发发BGiBGi；CiCi用完后用完后, ,撤消撤消BBi,BBi,判决器撤消判决器撤消BGiBGi，为，为下次判作准备。下次判作准备。CiCi撤消撤消BRiBRi，升起，升起BBiBBi，使，使BBBB有效；有效；总总线线仲仲裁裁器器总线总线BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLKC1C2Cn5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法3)3)判决器仲裁算法：判决器仲裁算法

20、：4)4)优缺点优缺点优点：优点：响应速度快，适于实时性要求响应速度快，适于实时性要求高的多处理机系统使用。高的多处理机系统使用。缺点：缺点：控制线较多，逻辑复杂，不易控制线较多，逻辑复杂，不易扩充，故主控器较多时不适用。扩充，故主控器较多时不适用。 固定优先级算法固定优先级算法 循环优先级算法循环优先级算法5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法1.“1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 二维总线仲裁系统兼具有串链法和二维总线仲裁系统兼具有串链法和并行法的优越性，既有较好的灵活性、并行法的优越性，既有较好的灵活性、可扩展性，又可容纳较多的

21、设备而不使可扩展性，又可容纳较多的设备而不使结构过于复杂，还有较快的响应速度。结构过于复杂，还有较快的响应速度。 5.2 总线仲裁方法总线仲裁方法1.“1.“菊花链菊花链” 仲仲 裁裁2.2.并行仲裁并行仲裁3.3.并串行二并串行二 维维 仲仲 裁裁 二维总线仲裁机构原理图二维总线仲裁机构原理图总总线线仲仲裁裁器器BR1BG1BR2BG2INOUTINC1C2C3C4去下一去下一台设备台设备去下一去下一台设备台设备OUTOUTININOUTBCLKBB二维总线仲裁机构原理图二维总线仲裁机构原理图总总线线仲仲裁裁器器BR1BG1BR2BG2INOUTINC1C2C3C4去下一去下一台设备台设备去

22、下一去下一台设备台设备OUTOUTININOUTBCLKBB5.3 总线握手总线握手 总线握手主要解决主模块取得总线占用权总线握手主要解决主模块取得总线占用权后，如何在主模块和从模块之间实现可靠的寻后，如何在主模块和从模块之间实现可靠的寻址和数据传输的问题。址和数据传输的问题。常见的总线握手方法：常见的总线握手方法：1. 同步总线协定同步总线协定2. 异步总线协定异步总线协定3. 半同步总线协定半同步总线协定 这是最简单、最易实现的一种总线这是最简单、最易实现的一种总线握手技术。握手技术。1)1)特点：特点： 总线系统中只用一个时钟信号源总线系统中只用一个时钟信号源作为同步控制源作为同步控制源

23、; ;5.3 5.3 总线握手总线握手 模块间通过总线进行一次数据传模块间通过总线进行一次数据传送的时间是固定的，每次传送一旦开送的时间是固定的，每次传送一旦开始，主从模块都必须按严格的时间规始，主从模块都必须按严格的时间规定完成相应的动作。定完成相应的动作。1.1.同步协定同步协定2.2.异步协定异步协定3.3.半半 同同 步步 协协 定定CLKT4T3T2T1T4T3T2T1A0A19D0D7存储器读周期存储器读周期存储器写周期存储器写周期地址地址地址地址数据数据数据数据MEMRMEMW2)2)定时时序举例（定时时序举例（PC/XTPC/XT同步总线）同步总线）1.1.同步协定同步协定2.

24、2.异步协定异步协定3.3.半半 同同 步步 协协 定定 T T1 1周期，周期，CPUCPU发出访问存储发出访问存储器的地址器的地址 T T2 2周期，周期，CPUCPU发出存储器读发出存储器读操作命令操作命令T T3 3周期周期, ,被选中被选中的存储单元把的存储单元把数据送上总线数据送上总线 T T4 4周期周期, ,主从模块主从模块撤消读命令和总线撤消读命令和总线上的数据、地址、上的数据、地址、结束总线周期结束总线周期5.3 5.3 总线握手总线握手3)3)优缺点优缺点 为解决这一矛盾，较好的办法是为解决这一矛盾，较好的办法是采用异步总线握手技术。采用异步总线握手技术。 简单、容易实现

25、简单、容易实现 完成一次总线操作只需一个来完成一次总线操作只需一个来回行程回行程( (读读) )或一个单程或一个单程( (写写) )，操，操作时间短，适于高速运行需要。作时间短，适于高速运行需要。优点：优点：适应性较差适应性较差。只能按最坏的可能只能按最坏的可能性来确定总线周期的时间性来确定总线周期的时间，而且，而且一旦设计好后，总线上不能再接一旦设计好后，总线上不能再接更低速的设备。更低速的设备。缺点：缺点：1.1.同步协定同步协定2.2.异步协定异步协定3.3.半半 同同 步步 协协 定定5.3 5.3 总线握手总线握手常用的是全互锁异步协定。常用的是全互锁异步协定。1)1)特点：特点：

26、主控器和受控器采用一问一答的主控器和受控器采用一问一答的方式工作。因此要求主、受控器分别方式工作。因此要求主、受控器分别要发出至少一个控制信号，通过两者要发出至少一个控制信号，通过两者互为因果的交替变化、一问一答来保互为因果的交替变化、一问一答来保证可靠传输。证可靠传输。1.1.同步协定同步协定2.2.异步协定异步协定3.3.半半 同同 步步 协协 定定5.3 5.3 总线握手总线握手主控主控M M受控受控S S数据数据地址地址写周期写周期读周期读周期2)2)定时时序：定时时序：启动受控器启动受控器接收数据接收数据通知主控器通知主控器数据接受完毕数据接受完毕通知受控器通知受控器信号已撤消信号已

27、撤消受控器撤消信号受控器撤消信号传输周期结束传输周期结束启动受控器启动受控器准备数据准备数据通知主控器通知主控器数据已准备好数据已准备好通知受控器通知受控器数据已接受数据已接受受控器撤消信号受控器撤消信号传输周期结束传输周期结束q 适应性好适应性好q 数据传输高度可靠数据传输高度可靠优点：优点：缺点：缺点：每次总线操作要经每次总线操作要经2 2个来回行程，传个来回行程，传输延迟是同步协定的输延迟是同步协定的2 2倍。倍。5.3 5.3 总线握手总线握手1.1.同步协定同步协定2.2.异步协定异步协定3.3.半半 同同 步步 协协 定定 综合同步、异步协定两者的优点而综合同步、异步协定两者的优点

28、而产生的一种混合式总线握手协定。产生的一种混合式总线握手协定。 本质上，是按同步总线的原理工作本质上，是按同步总线的原理工作的。总线操作过程只在时钟脉冲一个的。总线操作过程只在时钟脉冲一个信号控制下完成。信号控制下完成。 但它又不象同步总线那样总线周期但它又不象同步总线那样总线周期固定，它通过设置一根固定，它通过设置一根“等待等待”（WAITWAIT）或）或“就绪就绪”（READYREADY）信号）信号线，可以使总线周期延长整数个时钟线，可以使总线周期延长整数个时钟周期。周期。1.1.同步协定同步协定2.2.异步协定异步协定3.3.半半 同同 步步 协协 定定5.3 5.3 总线握手总线握手5

29、.4 Pentium的基本总线操作时序的基本总线操作时序 Pentium Pentium与与8048680486一样，支持多种多样的总一样，支持多种多样的总线传输，以满足高性能系统的需要。但无论哪线传输，以满足高性能系统的需要。但无论哪种总线传输，均采用种总线传输，均采用半同步握手协定半同步握手协定来控制其来控制其传送操作的进行。较典型的有：传送操作的进行。较典型的有： 非流水线式读非流水线式读/ /写周期的总线时序写周期的总线时序 突发式读突发式读/ /写周期的总线时序写周期的总线时序 流水线式读流水线式读/ /写周期的总线时序写周期的总线时序5.4 Pentium5.4 Pentium的基

30、本总线操作时序的基本总线操作时序1.1.非流水线式读非流水线式读/ /写周期的总线时序写周期的总线时序T1T2TiT1T2TiT1T2T2TiT2T2无效无效无效无效CLKADDRADSCACHEW/RNABRDYDATAPCHK有效有效有效有效有效有效无效无效有效有效T1T2基本的基本的2-22-2周期周期带等待态的总线周期带等待态的总线周期读读写写写写读读等待等待等待等待CLKADDRADSCACHEW/RKENBRDYDATAPCHK2.2.突发式读突发式读/ /写周期的总线时序写周期的总线时序5.4 Pentium5.4 Pentium的基本总线操作时序的基本总线操作时序读读写写T1T

31、2T2T2T2TiT1T2T2T2T2Ti有效有效有效有效流水线突发式读周期流水线突发式读周期3.流水线式读流水线式读/写周期的总线时序写周期的总线时序5.4 Pentium5.4 Pentium的基本总线操作时序的基本总线操作时序流水线式读写周期流水线式读写周期3.流水线式读流水线式读/写周期的总线时序写周期的总线时序5.4 Pentium5.4 Pentium的基本总线操作时序的基本总线操作时序5.5 PC系列微机中的常用标准总线系列微机中的常用标准总线5.5.1 标准总线概述标准总线概述 5.5.2 目前常用目块级内部扩展总线目前常用目块级内部扩展总线 5.5.3 目前常用系统级外部总线

32、目前常用系统级外部总线 5.5 PC系列微机中的常用标准总线系列微机中的常用标准总线5.5.1 标准总线概述标准总线概述 所谓所谓总线标准总线标准是指国际工业界正式公布或推是指国际工业界正式公布或推荐的连接各个模块的总线规范，是把各种不同的荐的连接各个模块的总线规范，是把各种不同的模块或设备组成计算机系统或计算机应用系统时模块或设备组成计算机系统或计算机应用系统时必须遵循的连接规范。必须遵循的连接规范。 总线按其在系统中的位置及功能不同，一般总线按其在系统中的位置及功能不同，一般可分为三级：可分为三级：q芯片级总线：芯片级总线：利用它把芯片连成模块利用它把芯片连成模块q模块级总线：模块级总线：

33、利用它把主板和主板上各模块连成微机利用它把主板和主板上各模块连成微机q系统级总线：系统级总线：利用它把多台微机或设备连成微机系统利用它把多台微机或设备连成微机系统 从微机应用角度看，最关心的是从微机应用角度看，最关心的是模块级和系统模块级和系统级级总线。总线。5.5.1 标准总线概述标准总线概述 无论哪种总线标准，尽管在设计细节和适应范无论哪种总线标准，尽管在设计细节和适应范围上有很多不同，各有特点，但从总体原则上看，围上有很多不同，各有特点，但从总体原则上看，每种总线设计所要解决的问题是大体相同的，其每种总线设计所要解决的问题是大体相同的，其总线规范（总线规范（SpecificationSp

34、ecification）一般都应包括如下几）一般都应包括如下几部分：部分： 机械结构规范机械结构规范 功能规范功能规范 电气规范电气规范5.5.1 标准总线概述标准总线概述 5.5.2 目前常用模块级内部扩展总线目前常用模块级内部扩展总线 ISA总线总线(AT总线总线) PCI总线总线 AGP AGP总线总线 PCMCIA PCMCIA总线总线 1. ISA总线总线(AT总线总线) ISA ISA总线是对总线是对XTXT总线的扩展，以适应总线的扩展，以适应8/168/16位数据总线的位数据总线的要求。常见的要求。常见的286286、386386、486486等微机都采用了这种标准总线。等微机都

35、采用了这种标准总线。(1) (1) ISAISA总线的主要特点：总线的主要特点： 64K I/O 64K I/O地址空间（地址空间（0000H0000HFFFFHFFFFH）；）； 24 24根地址线，支持根地址线，支持16M16M存储器地址空间；存储器地址空间； 8/16 8/16位数据线，支持位数据线，支持8 8位或位或1616位数据存取；位数据存取； 最高时钟频率为最高时钟频率为8MHz8MHz； 最大传输率为最大传输率为16MB/S16MB/S； 15 15级硬件中断；级硬件中断； 7 7级级DMADMA通道；通道； 开放式总线结构，允许多个开放式总线结构，允许多个CPUCPU共享系统

36、资源。共享系统资源。5.5.2 目前常用目块级内部扩展总线目前常用目块级内部扩展总线 (2) ISA总线信号总线信号 ISAISA总线共包含总线共包含9898根信号线，它们是在原来的根信号线，它们是在原来的8 8位位XTXT总线总线6262线的基础上再扩充线的基础上再扩充3636线而成的。其扩展线而成的。其扩展I/OI/O插槽插槽也在原来也在原来XTXT总线的总线的6262线连接器的基础上，附加了一个线连接器的基础上，附加了一个3636线的连接器，如下图所示。线的连接器，如下图所示。 C18C1D18D1A31B31A1B15.5.2 目前常用目块级内部扩展总线目前常用目块级内部扩展总线 2.

37、 PCI总线总线 PCI PCI总线是一种高性能的总线是一种高性能的3232位局部总线，可同时支持位局部总线，可同时支持多组外围设备，且不受制于微处理器，并能兼容现有的多组外围设备，且不受制于微处理器，并能兼容现有的ISAISA、EISAEISA、MCAMCA等总线，与它们共存于等总线，与它们共存于PCPC系统中。系统中。1)PCI1)PCI总线的主要特点：总线的主要特点：性能优良性能优良灵活性、兼容性好灵活性、兼容性好自动配置，有自动配置，有 即插即用即插即用 功能，使用方便功能，使用方便发展前途好发展前途好价格较低价格较低5.5.2 目前常用目块级内部扩展总线目前常用目块级内部扩展总线 2

38、)PCI总总线线信信号号5.5.2 目前常用目块级内部扩展总线目前常用目块级内部扩展总线 CPUCPU3)PCI总线系统总线系统结构结构PCIPCI总线总线5 5PCIPCI总线总线4 4PCIPCI总线总线3 3PCIPCI设备设备PCIPCI桥桥PCIPCI桥桥标准总标准总线桥路线桥路设备设备PCIPCI桥桥存储控制器存储控制器存存 储储 器器CPUCPU总线总线PCIPCI桥路桥路标准总线桥路标准总线桥路PCIPCI设备设备PCIPCI桥桥PCIPCI设备设备PCIPCI总线总线1 1PCIPCI总线总线2 2标准总线标准总线2 2(ISA(ISA、EISAEISA、)标准总线标准总线1

39、 1(ISA(ISA、EISAEISA、)5.5.2 目前常用目块级内部扩展总线目前常用目块级内部扩展总线 (2) ISA总线插槽和总线插槽和PCI总线插槽总线插槽5.5.3 目前常用系统级外部总线目前常用系统级外部总线 Centronics总线总线 IEEE 488总线总线 CAMAC总线总线 ATA/IDE总线总线 SCSI总线总线 RS-232-C总线总线 USB总线总线 IEEE1394总线总线USB 总线总线u由由Intel、Compaq等等7家公司联合制定的家公司联合制定的新型通用串行总新型通用串行总线标准线标准。USB1.0版于版于1995年年1月正式提出，月正式提出，1998年

40、和年和1999年又相继推出了年又相继推出了USB1.1版和版和USB2.0版。它主要用于低速版。它主要用于低速设备（键盘、鼠标等）和中速设备（设备（键盘、鼠标等）和中速设备（U盘、扫描仪、盘、扫描仪、Modem、数字相机等）与、数字相机等）与PC机连接。机连接。u主要性能特点：主要性能特点：u设备连接简单，具有设备连接简单，具有即插即用即插即用和和热插拔热插拔的功能；的功能；u具有适合传送多媒体数据的传输方式；具有适合传送多媒体数据的传输方式；u由电缆提供由电缆提供+5V电源，但提供的电源功率十分有限，最大电源，但提供的电源功率十分有限，最大为为100mA电流；电流；u数据传输速率高，采用屏蔽

41、线可达数据传输速率高，采用屏蔽线可达12Mb/s，无屏蔽的最，无屏蔽的最高速率为高速率为1.5Mb/s；u两设备间的最大传输距离为两设备间的最大传输距离为4-5m；u最多可挂接最多可挂接127台台USB设备（用设备（用8位地址码区分）。位地址码区分）。USB 系统的硬件组成系统的硬件组成nUSB主机控制器主机控制器/根集线器根集线器 (Host Controller / Root Hub)nUSB集线器集线器(USB Hub)nUSB设备设备(USB Device)USB 总线总线高速设备高速设备中速设备中速设备低速设备低速设备USB 系统的硬件组成系统的硬件组成(续续)USB 总线总线主处理

42、器主处理器北北 桥桥DRAM南桥南桥/USB控制器控制器HDHDUSB设备设备图形图形控制器控制器显示器显示器PCI 总线总线ISA总线总线IDE总线总线USB总线总线USB主机控制器在系统中的位置主机控制器在系统中的位置USB的传输方式的传输方式n根据根据USB设备的使用特点及其对系统资源需求的不同，在设备的使用特点及其对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：规范中规定了四种不同的数据传输方式：n等步传输方式等步传输方式(Isochronous)：用于连接需连续传输，且：用于连接需连续传输，且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备；对数据的正确性要求不高而

43、对时间极为敏感的外部设备；以固定的传输速率不断地传输数据；以固定的传输速率不断地传输数据；n中断传输方式中断传输方式(Interrupt)：传送的数据量很小，但需及：传送的数据量很小，但需及时准确处理；时准确处理；n控制传输方式控制传输方式(Control)：用于传送控制信号，包括设备：用于传送控制信号，包括设备控制指、设备状态查询及确认命令等，数据量小，且实控制指、设备状态查询及确认命令等，数据量小，且实时性要求不高；时性要求不高；1.成批传输方式成批传输方式(Bulk)：用来传送数据量大，且要求正确：用来传送数据量大，且要求正确无误，但对实时性要求不高的数据无误，但对实时性要求不高的数据U

44、SB 总线总线USB的连接方法与连接器的连接方法与连接器nUSB采用的树型连接方法，采用的树型连接方法，USB系统必有一个根系统必有一个根集线器在集线器在PC机内与主总线相接，以它为根节点最机内与主总线相接，以它为根节点最多可分成多可分成6层对外设进行树型连接，最多可接层对外设进行树型连接，最多可接127个设备。个设备。nUSB的连接电缆插头分为的连接电缆插头分为A型型和和B型型两种，两种，A型插型插头用于头用于“向下向下”连接，连接，B型插头用于型插头用于“向上向上”连连接。接。n无论无论A型型还是还是B型型插头，都具有插头，都具有4根信号引脚，引根信号引脚，引脚脚1和和4分别为分别为+5V

45、电源线和地线，引脚电源线和地线，引脚2和和3则分则分别为串行位数据传送线，为支持热插拔功能，引别为串行位数据传送线，为支持热插拔功能，引脚设计为脚设计为1和和4引脚长，引脚长， 2和和3引脚短。引脚短。USB 总线总线USB 总线总线USB的连接方法与连接器的连接方法与连接器USB 总线总线USB的连接方法与连接器的连接方法与连接器USB 总线总线Host ComputerHub1Hub2设备设备设备设备Hub3Hub4设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备主机主机(根根)第一层第一层第二层第二层第三层第三层第四层第四层USB的树型连接结构的树型连接结构 IEEE1394总线总线nI

46、EEE1394是是1995年批准和发布的一种最新的高性能串行年批准和发布的一种最新的高性能串行总线标准，它与总线标准，它与USB有很多相似之处，但是它是针对高速有很多相似之处，但是它是针对高速I/O设备提出的，其设备提出的，其I/O速度是速度是USB最高速度的最高速度的8倍以上。倍以上。nIEEE1394的主要性能特点：的主要性能特点：n数据传输速率高，数据传输速率高，传输率分传输率分100、200、400Mb/s三档，三档，特别适合于新型高速硬盘以及多媒体数据传送；特别适合于新型高速硬盘以及多媒体数据传送；n数据传送实时性强，数据传送实时性强，对于多媒体数据可保证图像和声对于多媒体数据可保证图像和声音不失真；源于两点，一是除异步传送外，还提供等步音不失真；源于两点，一是除异步传送外，还提供等步传送；二是总线仲裁除优先权仲裁外还有均等仲裁和紧传送；二是总线仲裁除优先权仲裁外还有均等仲裁和紧急仲裁两种方式。急仲裁两种方式。1.结构小巧，连接方便，结构小巧，连接方便，采用采用6芯电缆，直径约芯电缆，直径约6mm，插座小，对于掌上、膝上机和笔记本很有吸引力；支持插座小，对于掌上、膝上机和笔记本很有吸引力；支持PnP和热插拔。和热插拔。IEEE1394IEEE1394总线是一种目总线是一种