第七章总线技术

1、第七章第七章 总线技术（总线技术（4学时）学时） 第一节第一节 PC系统总线（系统总线（2学时）学时） 知知 识识 概概 述述 第二节第二节 PC外总线（外总线（2学时）学时）第第7章章 总线：是指能为多个功能部件互连和信息传输的一组公共信号线。 采用总线结构优点：是因为采用总线结构可以使系统结构简单、系统的扩充和更新方便、可靠性高。 总线标准化的内容主要包括：总线接插件的机械特性（型号、尺寸）、引线数目、信号定义和时序，数据传输率，总线通信协议（传输方式、联络信号），仲裁协议等的一系列规定和约定。 总线类型：根据总线上传送的信息的类型不同，可分为数据总线、地址总线和控制总线。 从总线在微型机

2、中所处的位置及功能可以分为片内总线（位于微处理器或LSI/VLSI芯片内部的总线）、片总线（元件级总线）、内部线（系统总线）和外线（通信总线）等四类。第一节第一节 PC系统总线（系统总线（2学时）学时） 7.1.1 ISA总线总线 一、一、8位位ISA总线总线 ISA总线是在PC/XT微型机8位总线扩展槽的基础上开发的，该62芯插槽用双列插板连接，分A面（元件面）和B面（焊接面），每面31条脚，如图7.1所示。 62条信号线分为5类：8位数据线、20位地址线、控制线、时钟与复位线以及电源地线。7.1.1 1. 数据线 A2A9：8位数据线D0D7，双向、三态。 2. 地址线 A12A31：20

3、位的地址线A19A0，输出、三态。 3. 控制线 A1：I/O通道奇偶校验信号I/O CH CK，输入、低电平有效。该信号有效时表示系统板上存储器或I/O通道上奇/偶校验出错。它有效时将产生一次不可屏蔽中断（NMI中断）。 A10：I/O通道就绪信号I/O CH RDY，输入、低有效。一些慢速设备可以通过使此信号为低电平来使CPU或DMA控制器插入等待周期，从而延长总线周期。7.1.1 A11:地址允许信号AEN，输出、高电平有效。由DMA控制器8237产生，此信号用来切断CPU控制，而允许DMA传送。 B8: 插件板选中信号CARD SLCTD，输入、高平有效。由第8个I/O扩展槽中的扩展板

4、B8引脚提供，该信号有效，表示第8个I/O扩展槽中的扩展板被选中。 B11：存储器写命令SMEMW，输出、三态、低电平有效。 B12: 存储器读命令SMEMR，输出、三态、低电平有效。 B13: I/O写命令IOW，输出、三态、低电平有效。 B14：I/O读命令IOR，输出线、三态、低电平有效。7.1.1 B19：动态内存的刷新信号REFRESH，输出、低电平有效。由DMA控制器产生，有效表示系统对存储器刷新请求的响应。在62条的PC总线中，实际上就是DACK0。 B4，B21B25：中断申请信号IRQ2，IRQ3IRQ7，输入、上沿有效。用来将I/O设备的中断申请信号经系统板上的中断控制器8

5、259A送给CPU，其中IRQ2优先级最高，IRQ7最低。 B16，B6，B18：DMA请求信号DRQ1DRQ3，输 入线、高电平有效。这些信号是由外设接口发出的经62 芯总线进入DMA控制器8237。DRQ1优先级最高，DRQ3最低。7.1.1 B15，B26，B17：DMA通道13响应信号DACK1DACK3，输出、低电平有效。它们是由DMA控制器8237送往I/O接口的，用来响应外设的DMA请求。 B27：计数结束信号T/C，输出、正脉冲。当DMA控制器8237计数到0时，从T/C线上输出一正脉冲，通知外设，DMA传送结束。 B28：地址锁存允许信号ALE，输出、下降沿有效。该信号由总线

6、控制器8288产生，在其下降沿将CPU送出的地址A19A0锁入地址锁存器。7.1.1 4. 时钟与复位线 B2：系统总清信号RESET DRV，输出、高电平有效。该信号有效，使系统各部件复位。 B20：系统时钟信号CLK，输出。该信号由OSC信号经8284时钟发生器三分频后得到，频率为4.77MHz，时 钟周期为210ns。 B30：晶体振荡信号OSC，该信号的频率为14.31818MHz，周期为70ns。 5. 电源与地线 B3，B29：+5V。 B5：-5V。 B7：-12V 。 B9：+12V。 B1，B10，B31：GND。7.1.1 二、16位ISA总线 为保证16位的ISA总线与P

7、C总线的兼容， ISA总线的插座结构中在原PC总线62芯插座的基础上又增加了一个36线插座，即同一轴线上的总线插槽分为62线和36线两段，共98线，如图7.2所示。 下面仅对ISA总线中扩充的36线插槽引脚功能加以说明。 1. 数据线 C18C11：高8位的数据线D15D8，双向、三态。 2地址线 C2C8：非锁定地址总线LA23L17，与地址线A19A0配合，使允许的寻址空间达16MB。7.1.1 3. 控制及状态线控制及状态线 C1：总线高8位数据有效信号BHE，输出、高电平有效。有效时将高位数据出现在总线缓冲器的D15D8。 C9，C10：存储器读MEMR、写命令MEMW。这两个信号对全

8、部存储空间都有效，而SMEMR和SMEMW仅对1MB以下空间有效。 D1，D2：存储器16位片选信号MEMCS16和I/O16位片选信号I/OCS16，输入、低电平有效。 D6，D7，D5D3：中断请求输入信号IRQ15IRQ10，输入、上沿有效。其中IRQ13留给数值协处理器用，不在总线上出现。7.1.1 D15,D13,D11,D9：DMA请求信号DRQ7DRQ5、DRQ0，输入、高电平有效。 D14,D12,D10,D8：DMA请求的响应信号DACK7DACK5、DACK0， 输出、低电平有效。 D17：DMA主设备MASTER，输入，低电平有效。外设卡的DRQ得到确认（DACK有效）后

9、，才产生MASTER，从此该外设接口卡保持对总线的控制，直到MASTER无效。 4电源与地线电源与地线 D16：+5V。 D18：GND。7.1.2 EISA系统总线系统总线 EISA总线既保持了与PC总线和ISA总线的100%兼容，又能较好地满足了32位微处理器的数据传输要求，支持多个总线主控部件、突发式传送。7.1.3 VESA和和PCI局部总线局部总线 从结构看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线。 一、一、VESA 局部总线局部总线 VESA总线是视频电子协会同60余家公司联合推出的一个全开放的局部总线标准VL总线。VL总线与CPU同步，数据宽度为32位，最高传输

10、率达132MB/s，它极大地增强了系统的性能。 VL总线主要是针对80386/80486的，因此与80486匹配最佳，它与CPU同步工作，但当CPU工作频率提高后，VL总线就不适应了。7.1.3 二、二、PCI局部总线局部总线 PCI总线是以Intel公司为首的PCI集团推出的一种局部总线标准，它定义32位数据宽度，可扩充到64位，使用33MHz工作频率，最大传输率达264MB/s（338=264），与CPU时钟无关，支持并发工作，PCI总线主要是针对Pentium的开发和使用而设计的。 PCI局部总线除了上述的高速传输特性外，最突出的特点是实现了外部设备的自动配置功能，这也是PCI总线取代V

11、ESA总线的一个重要原因。 在一个采用了PCI总线的计算机系统中，允许多条总线同时存在。由此出现了多总线系统结构的概念。图7.3是一个多总线系统总线的结构框图。第二节第二节 PC外总线（外总线（2学时）学时） 外总线的种类也很多，常用的有三种：通用串行 总线（USB）、串行（RS-232C）及并行Centronics 总线。7.2.1 USB通用串行总线通用串行总线 1. 性能：对于全速操作，数据传输率速度为12Mb/s，而慢速操作则为1.5 Mb/s。对于全速接口，电缆长度被限制在最长5米，而对于慢速接口则限制在最长为3米。这些电缆可使用的功率为最大100mA电流，电压为5V。如果电流值超过

12、100mA，则Windows将在该设备旁显示一格黄色的惊叹号。 2. 主要具有以下优点： 可以热插拔。 携带方便。 标准统一。 可以连接多个设备。最高可连接至127个设备。7.2.1 一、一、USB连接器连接器 图7.4给出了USB连接器的引线图。每种连接器有4个引线，包含表7.1所示的信号。 二、二、USB数据数据 图7.5是USB接收与发送电路的原理框图。 USB串行数据采用常用传输编码中反相非归零（NRZI）编码，图7.6描绘了此种NRZI编码数据的理想波形。这一编码方法在传送逻辑1时不改变信号的电平，但每当信号有1变为0时，信号电平要反相。 7.2.1 三、信息包的结构与种类三、信息包

13、的结构与种类 USB总线的数据传输始终是通过信息“包”（Packet）来实现的。信息包是组成USB传输的基本单位，信息包的结构如图7.7所示，它分成5个段，下面分段介绍它们的格式与功能。 1. 同步序列（同步序列（SYNC）段）段 该段跟在空闲信号之后，用作同步机制， SYNC实际上是一个其值为80H的字节。 2PID段段 该段是信息包的标识码，表明该包的类型属性、传输方向等信息。PID的总长度由8位。 4位PID可描述16种不同的包，具体的分类情况如表7.2所示。7.2.1 3包特定信息段包特定信息段 该段是包中“真正”要传输的信息，例如设备的地址、传输的端点号、需要传送的数据等。 4循环冗

14、余校验循环冗余校验CRC段段 该段的作用是检验传输中是否发生了错误，分成令牌CRC与数据CRC两种，令牌包数量不大，仅用5位CRC校验，生成多项式为： 数据包的数据量可能较大，为16位CRC校验，生成多项式为：12X5XG(X)12X5X16XG(X)7.2.1 5. 包结束标志包结束标志EOP段段 该段是发送方发出的结束信息，此时将两条差分数据线D+与D-的电位同时拉低，并保持该低电压状态为2个位的传输时间，并且后接一个空闲位。 信息包是USB传输的基本单元，它并不能实现一次独立的传输事务，多个信息包的不同组合可以实现不同的传输事务。一般来说，USB总线上的传输事务遵循以下规则： 第一，US

15、B传输总是有PC主机发起的，且首先发出令牌包通知设备。 第二，并不是所有的包都由同步序列、PID、特定信息、CRC与结束这5个段组成。 第三，一般的USB传输事务通常需要3个信息包组成，它们是令牌包、数据包与握手包，如图7.8所示。 第四，并不是所有的USB传输事务都有上述3个包组成，有些传输可能使用更多的包，有些传输则只用1个包或者2个包。一、电气特性 其逻辑电平定义为负逻辑：逻辑“1”的电平低于-3V-15V，逻辑“0”的电平高于+3V+15V。 EIA RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换的电路如图7.9所示。二、机械特性二、机械特性 RS-232C常用25线或9线D型

16、插件作为数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间通信电缆的连接器。DB-25及DB-9的外形如图7.10所示。 RS-232C标准规定有25条连线，使用2l条信号线，各信号线说明如下：7.2.2 RS-232C总线总线7.2.2 1. 设备状态信号线 DSR：数据装置准备好，输入、高电平有效。有效时，表明MODEM或外设处于可以使用的状态。 DTR：数据终端准备好，输出、高电平有效。有效时，表明数据终端可以使用。 2. 发送控制信号线 RTS：请求发送，输出、高电平有效。当终端要发送数据时，使该信号有效（高电平），向MODEM或外设请求发送。 CTS：允许发送，输入、高电平有效。是对

17、请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM或外设已准备好接收终端传来的数据，使CTS信号有效，通知终端开始沿发送数据线TXD发送数据。7.2.2 3. 接收控制信号线接收控制信号线 DCD: 载波检出线，输入、高电平有效。当MODEM或外设正在接收由通信链路另一端的MODEM送来的载波信号时，使DCD信号有效。 RI：振铃指示,输入、高电平有效。当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知终端，已被呼叫。 4. 数据发送与接收线数据发送与接收线 TXD：发送数据，输出。通过TXD终端将串行数据发送到MODEM或外设。 RXD：接收数据，输入。通过RXD终端接收从MODEM或外

18、设发来的串行数据。 5. 地线地线 SG，PG两根地线，是数字地和保护地信号线。7.2.2 三、三、RS-232接口的几种用法接口的几种用法 远距离通信时，一般要加调制解调器MODEM，故使用的信号线较多。此时，若在通信双方的MODEM之间采用一根专用电话线进行通信，则只要使用1-8号信号线进行联络与控制，如图7.11所示。 若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，则还要增加RI和DTR两根信号线进行联络，如图7.12所示。 最简单的情况下，只需要使用3根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信，如图7.13所示。图中2号线与3号线交叉连接是因为在直接方式时，把通信双

19、方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。7.2.3 Centronics总线总线 Centronics总线用于计算机与打印机或绘图仪的连接。它是一种并行外总线，总线有36条信号线组成。Centronics标准常采用DB-36型36脚接插件作为与打印机的连接器。表7.3列出了Centronics标准中36个引线和信号之间的对应关系。 目前经常采用25线简化的Centronics总线。例如PC系列机的并行接口采用25线的Centronics总线标准。Centronics总线信号定义列于表7.4。7.2.3 Centronics规定了36条线，只使用了17条线，各引线的说明如下： ：数据选通信号

20、，输出，负脉冲有效。由主机送往打印机的选通信号，当这个信号有效时，打印机接收主机送来的8位并行数据。 DATA0DATA7：数据信号，输出。有主机送向打印机的8位并行数据。 ：应答信号，输入、负脉冲有效。打印机接收数据后，向主机发出的回答信号。 BUSY：忙信号，输入、高电平有效。当这个信号为低电平时，表示现在打印机处于空闲状态，主机可以向打印机传送数据。如果该线为高电平，则表示打印机现在不能接受数据。STBACK7.2.3 PAPER：纸尽信号，输入、高电平有效。有效时表示打印机缺纸。 ：选中信号，输入、低电平有效。是由打印机送给主机的信号，当这个信号有效时，说明打印机现处于与主机联机的状态

21、。 ：自动换行信号，输出、低电平有效。有效时打印机自动走纸一行。 ：出错信号，输入、低电平有效。当打印机出现错误或故障时，打印机发出一个出错信号给主机，要求停止送数据。 ：初始化信号，输出、低电平有效。有效时，打印机的控制器被复位成初始化状态。 ：选择输入信号，输出、低电平有效。有效时才能将数据送到打印机中。这实际上是允许打印机工作的控制信号。 (本章结束)SLCTAUTOFEEDERRORINITIN SELECT图7.1ISA总线引脚图图图7.2 ISA总线中扩充的总线中扩充的36线线图7.3 多总线系统结构图图7.4A型，型，B型型USB连接器连接器表表7.1 USB引线说明引线说明线号

22、线号缆线颜色缆线颜色意义意义1红Vcc（+5V）2白D-3绿D+4黑GND表表7.1 USB引线说明引线说明图7.5 USB接口电路的数据发送与接收原理框图图图7.6 USB使用的使用的NRZI编码编码 图图7.7 信息包的结构信息包的结构同步序列PID包特定信息CRC结束包图图7.7 信息包的结构信息包的结构表表7.2 信息包的类型信息包的类型类型类型PID名称名称PID7PID0特定信息特定信息CRC描述描述Token（令牌包）SOF1010010111位帧编号5位帧开始包，帧开始标志与帧编号，用于1ms时间片的同步OUT111000017位地址+4位端点号5位输出包，主控制器到设备的传输

23、，通知设备接收数据IN011010017位地址+4位端点号5位输入包，设备到主控制器的传输，要求设备发送收数据SETUP001011017位地址+4位端点号5位设置包，主控器到设备的传输，实现初始化设置Data（数据包）DATA01100001101023字节16位有偶校验的数据包DATA10100101101023字节16位有奇校验的数据包Handshake（握手包）ACK11010010无无确认包，接收器确认收到的数据正确NACK01011010无无非确认包，接收数据出错或设备不能返回确认信息，要求重发STALL00011110无无停止包，设备暂停而无法完成传输，要求主控干预使之恢复正常Special（特殊包）PRE00111100无无前导包，主控器希望以低速