贵州大学微机原理及复习4总线与总线接口技术ppt课件

1、第第4章总线与总线接口技术章总线与总线接口技术4.1 总线与总线操作总线与总线操作 4.1.1总线及总线信号分类总线及总线信号分类一、总线定义一、总线定义 总线：是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进总线：是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进展互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。展互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。 总线不仅仅是一组传输线，它还包括一套管理信息传输的总线不仅仅是一组传输线，它还包括一套管理信息传输的规那么规那么(协议协议)。 在计算机系统中，总线可以看成一个具有独立功能的组成在计算机系统中，总线可以看成一个具有独立功能的组成部件。部件。

2、主控模块Master,主模块) 可以控制总线并启动数据传送的任何模块 受控模块Slave,从模块) 可以呼应总线主模块发出命令的任何模块 分时复用模块 有时用作主控模块，有时用作受控模块三、总线的分类三、总线的分类 1) 按总线功能或信号类型划分为：按总线功能或信号类型划分为： 2) 按总线的层次构造分为：按总线的层次构造分为： 四、信号线的类型四、信号线的类型4.1.2总线操作及控制总线操作及控制 总线操作的总线操作的4个阶段个阶段 1总线恳求和仲裁阶段：总线恳求和仲裁阶段： 主模块向总线仲裁机构提出总线运用恳求，总线仲裁机构决议主模块向总线仲裁机构提出总线运用恳求，总线仲裁机构决议运用总线

3、的主模块。运用总线的主模块。2寻址阶段：寻址阶段： 拥有总线运用权的主模块发出本次要访问的从模块的地址及有拥有总线运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。关命令，该从模块被选中并启动。3数据传送阶段：数据传送阶段： 主模块和从模块间进展双单向数据传送。主模块和从模块间进展双单向数据传送。4终了阶段：终了阶段： 主、从模块均撤出总线。主、从模块均撤出总线。4.1.3性能目的性能目的 总线带宽：即最大传输速率，指总线在每秒钟内能传输总线带宽：即最大传输速率，指总线在每秒钟内能传输的最多字节数，单位为的最多字节数，单位为MB/s。三者的关系是：。三者的关系是： 传

4、输速率传输速率=总线位宽总线位宽总线频率总线频率 总线宽度越宽，总线频率越高，那么总线传输速率总线宽度越宽，总线频率越高，那么总线传输速率越快越快 总线位宽：是指一次可以同时传输数据的位数，单位为总线位宽：是指一次可以同时传输数据的位数，单位为位位(bit) 任务频率：它是指总线在每秒钟内能传输数据的次数，任务频率：它是指总线在每秒钟内能传输数据的次数，单位为单位为MHz。如。如ISA的总线频率为的总线频率为8MHz，而，而PCI总线有总线有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率两种总线频率 总线带宽、总线位宽、总线任务频率三者之间的关总线带宽、总线位宽、总线任务频率三者之间的关系就像高速

5、公路上的车流量、车道数和车速的关系。系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的关系。车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越快那么车流量越大：同样，总线带宽取决于总线宽快那么车流量越大：同样，总线带宽取决于总线宽度和任务频率，总线宽度越宽、任务频率越高那么度和任务频率，总线宽度越宽、任务频率越高那么总线带宽越大。总线带宽越大。常见总线的带宽和传输率常见总线的带宽和传输率前往本节4.2.1总线仲裁控制总线仲裁控制 总线仲裁是指在总线上有多个总线主模块同时恳求运用总线总线仲裁是指在总线上有多个总线主模块同时恳求运用总线时，决议由哪个模块获得总线控制权。

6、时，决议由哪个模块获得总线控制权。 所谓所谓“总线主模块，就是具有总线控制才干的模块，在获总线主模块，就是具有总线控制才干的模块，在获得总线控制权之后能启动数据信息的传输，如得总线控制权之后能启动数据信息的传输，如CPU或或DMA控控制器都可成为这种具有总线控制才干的主模块；制器都可成为这种具有总线控制才干的主模块； 与总线主模块相对应的是与总线主模块相对应的是“总线从模块，它是指可以对总总线从模块，它是指可以对总线上的数据恳求作出呼应，但本身不具备总线控制才干的模线上的数据恳求作出呼应，但本身不具备总线控制才干的模块。块。4.2总线操作控制总线操作控制 总线作为一种重要的公共资源，各个总线主

7、模块随时都能总线作为一种重要的公共资源，各个总线主模块随时都能够恳求运用总线，这样就能够会有不止一个总线主模块同够恳求运用总线，这样就能够会有不止一个总线主模块同时恳求运用总线。时恳求运用总线。 为了让多个总线主模块合理、高效地运用总线，就必需在为了让多个总线主模块合理、高效地运用总线，就必需在系统中有处置上述总线竞争的机构，这就是总线仲裁器系统中有处置上述总线竞争的机构，这就是总线仲裁器(bus arbiter)。 它的义务是呼应总线恳求，合理分配总线资源。它的义务是呼应总线恳求，合理分配总线资源。 根本的总线仲裁方式有三种，即串行总线仲裁方式、并行根本的总线仲裁方式有三种，即串行总线仲裁方

8、式、并行总线仲裁方式和串并二维仲裁方式。总线仲裁方式和串并二维仲裁方式。 1. 串行总线仲裁方式串行总线仲裁方式 串行链接仲裁简称串链仲裁、串行仲裁，又叫串行链接仲裁简称串链仲裁、串行仲裁，又叫“菊菊花链仲裁花链仲裁(robin Daisy chaining)。该仲裁法又有二线。该仲裁法又有二线菊花链、三线菊花链、四线菊花链之分，其中三线菊花链菊花链、三线菊花链、四线菊花链之分，其中三线菊花链运用普遍，最具代表性。运用普遍，最具代表性。 在串行总线仲裁方式中，各个总线主模块获得的总线优先在串行总线仲裁方式中，各个总线主模块获得的总线优先权决议于该模块在串行链中的位置，如下图。权决议于该模块在串

9、行链中的位置，如下图。N N允许允许恳求恳求总线忙总线忙图图18.2 串行总线仲裁方式串行总线仲裁方式图中的图中的、N 等等N个模块都是总线主模块。当一个模块需求个模块都是总线主模块。当一个模块需求运用总线时，先检查运用总线时，先检查“总线忙信号。假设该信号有效，那么表示当总线忙信号。假设该信号有效，那么表示当前正有其他模块在运用总线，因此该模块必需等待，直到前正有其他模块在运用总线，因此该模块必需等待，直到“总线忙总线忙信号无效。信号无效。在在“总线忙信号处于无效形状时，任何需求运用总线的主模块都可总线忙信号处于无效形状时，任何需求运用总线的主模块都可以经过以经过“恳求线发出总线恳求信号。恳

10、求线发出总线恳求信号。总线总线“允许信号是对总线允许信号是对总线“恳求信号的呼应。恳求信号的呼应。“允许信号在各个模块之间串行传输，直到到达一个发出了总线允许信号在各个模块之间串行传输，直到到达一个发出了总线“恳求信号的模块，这时恳求信号的模块，这时“允许信号不再沿串行模块链传输，并允许信号不再沿串行模块链传输，并且由该模块获得总线控制权。且由该模块获得总线控制权。由串行的总线仲裁方式的任务原理可以看出，越接近串行模块链前面由串行的总线仲裁方式的任务原理可以看出，越接近串行模块链前面的模块具有越高的总线优先权。的模块具有越高的总线优先权。 2. 并行总线仲裁方式 并行总线仲裁方式的表示图如图1

11、8.3所示。 图中，模块到N都是总线主模块。每个模块都有总线“恳求和总线“允许信号。 各模块间是独立的，没有任何控制关系。 当一模块需求运用总线时，也必需先检测“总线忙信号。当“总线忙信号有效时，那么表示其他模块正在运用总线，因此该模块必需等待。 当“总线忙信号无效时，一切需求运用总线的模块都可以发出总线“恳求信号。仲仲 裁裁 器器模块模块1. . .模块模块N. . .恳求恳求恳求恳求允许允许允许允许总线忙总线忙图图18.3 并行总线仲裁方式并行总线仲裁方式总线仲裁器中有优先权编码器和优先权译码器。总线仲裁器中有优先权编码器和优先权译码器。总线总线“恳求信号经优先权编码器产生相应编码，并由优

12、先权译码器恳求信号经优先权编码器产生相应编码，并由优先权译码器向优先权最高的模块发出总线向优先权最高的模块发出总线“允许信号。允许信号。得到总线得到总线“允许信号的模块撤销总线允许信号的模块撤销总线“恳求信号，并置恳求信号，并置“总线忙总线忙信号为有效形状，当该模块运用完总线后再置信号为有效形状，当该模块运用完总线后再置“总线忙信号为无总线忙信号为无效形状。效形状。在串行、并行两种总线仲裁方式中，串行方式由于信号的串行传输会在串行、并行两种总线仲裁方式中，串行方式由于信号的串行传输会加大延迟加大延迟(当串行模块链上的模块数目过多时甚至能够会超越系统允当串行模块链上的模块数目过多时甚至能够会超越

13、系统允许的总线优先权仲裁时间许的总线优先权仲裁时间)，而且当高优先级的模块频繁运用总线时，而且当高优先级的模块频繁运用总线时，低优先权的模块能够会长时间得不到总线。低优先权的模块能够会长时间得不到总线。串行方式只用于较小的系统中。串行方式只用于较小的系统中。而并行方式那么允许总线上衔接许多主模块，而且仲裁电路也不复杂，而并行方式那么允许总线上衔接许多主模块，而且仲裁电路也不复杂，因此是一种比较好的总线仲裁方法。因此是一种比较好的总线仲裁方法。3、串并二维仲裁方式、串并二维仲裁方式 总线判决器 BR1 BG1 BR2 BG2 IN IN C1 C2 C3 C4 BB BCLK OUT OUT O

14、UT 去下一台设备 去下一台设备 IN IN OUT 各链路上优先级由总线判决器内部逻辑决议各链路上优先级由总线判决器内部逻辑决议同一链路上那么由离总线判决器的远近程度确定同一链路上那么由离总线判决器的远近程度确定1 1、同步并行总线时序、同步并行总线时序 T 写 读 其他控制线 DB AB 同步时钟 RD/WR 同步时钟频率和数据总线宽度确定数据传输速度同步时钟频率和数据总线宽度确定数据传输速度数据传输与时钟同步数据传输与时钟同步要求各个设备的速度相当要求各个设备的速度相当4.2.2总线握手控制总线握手控制1、同步总线协定、同步总线协定 AB 写 读 Master Slave RD/WR D

15、B 经过联络应对信号实现握手经过联络应对信号实现握手顺应才干强，速度取决于较慢的设备顺应才干强，速度取决于较慢的设备握手信号握手信号2、异步并行总线时序、异步并行总线时序在同步的根底上，插入等待周期在同步的根底上，插入等待周期能兼容总线上各种不同呼应速度的设备能兼容总线上各种不同呼应速度的设备使同步总线到达与异步总线一样的功能使同步总线到达与异步总线一样的功能 TW CLK(M) AB DB RD/WR WAIT(s) 写 读 3、半同步并行总线时序、半同步并行总线时序4.3常见总线引见常见总线引见4.3.1ISA总线总线 20世纪世纪80年代初期，年代初期，IBM在推出本人的微机系统在推出本

16、人的微机系统IBM PC/XT时，就定义了一种总线构造，称为时，就定义了一种总线构造，称为XT总线。这总线。这是是8位数据宽度的总线。位数据宽度的总线。 随着随着IBM采用采用80286 CPU，推出，推出IBM PC/AT微机系统，微机系统，又定义了与又定义了与XT总线兼容的总线兼容的16位的位的AT总线。总线。 ISA总线总线(Industrial Standard Architecture)即即AT总总线，它是在线，它是在8位的位的XT总线根底上扩展而成的总线根底上扩展而成的16位的总位的总线体系构造。线体系构造。在一段时间内，大多数在一段时间内，大多数Pentium系列的系列的PC机主

17、板上仍保管机主板上仍保管34个个ISA总线总线扩展槽，即可以插入扩展槽，即可以插入8位位ISA卡，又可以插入卡，又可以插入16位位ISA卡。卡。 ISA总线插槽总线插槽ISA总线插槽有一长一短两个插口总线插槽有一长一短两个插口.长插口有长插口有62个引脚，以个引脚，以A31A1和和B31B1表示，分别列于插槽的两面；表示，分别列于插槽的两面；短插口有短插口有36个引脚，以个引脚，以C18C1和和D18D1表示，也分别列于插槽的两表示，也分别列于插槽的两面。面。D18D1C18C1B31B1A31A1图图18.4 ISA总线插槽总线插槽4.3.2PCI总线总线PCI总线(Peripheral C

18、omponent Interconnect，外围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出，并由PCI SIG(Special Interest Group)来开展和推行。PCI SIG是一个包括Intel、IBM、Compaq、Apple和DEC等100多家公司在内的组织集团。1992年6月推出了PCI 1.0版，2019年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz任务频率的PCI 2.1版。由于PCI总线先进的构造特性及其优良的性能，使之成为现代微机系统总线构造中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。CPU存储器存储器CPU总线总线CPU总线总线/PCI总线桥北桥总线桥北

19、桥PCI总线总线/ISA总线桥南桥总线桥南桥PCI图形图形适配器适配器PCI网卡网卡PCI硬盘硬盘控制器控制器PCI总线总线ISA总线总线ISA卡卡. . .ISA卡卡PCI总线构造框图总线构造框图由上图可见，这是一个由由上图可见，这是一个由CPU总线、总线、PCI总线及总线及ISA总线组成的三层总线组成的三层总线构造。总线构造。CPU总线也称总线也称“CPU-主存总线或主存总线或“微处置器部分总线，微处置器部分总线，CPU是该总线的主控者。此总线实践上是是该总线的主控者。此总线实践上是CPU引脚信号的延伸。引脚信号的延伸。经过桥芯片经过桥芯片(北桥和南桥北桥和南桥)，上边与高速的，上边与高速

20、的CPU总线相连，下边与总线相连，下边与ISA总线相连。总线相连。PCI总线是一个总线是一个32位位/64位总线，且其地址和数据是同一组线，分时位总线，且其地址和数据是同一组线，分时复用。在现代复用。在现代PC机机(如如Pentium系列系列)主板上普通都有主板上普通都有23个个PCI总总线扩展槽。线扩展槽。4.3.3通用串行总线通用串行总线USB USB USBUniversal Serial BusUniversal Serial Bus通用串行总线是由通用串行总线是由CompaqCompaq、Digital EquipmentDigital Equipment、IntelIntel、Mi

21、crosoftMicrosoft、IBMIBM、NECNEC及及Northern ecomNorthern ecom等等7 7家公司结合开发的一种流行的外家公司结合开发的一种流行的外设接口规范设接口规范 2019年年2月公布了月公布了USB 1.0版本，传输速率有低速版本，传输速率有低速1.5Mbps和高速和高速12Mbps两种方式。两种方式。USB 2.0已于已于2000年年4月月27日由日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，作为新一代正式对外发布，作为新一代USB规范，规范，USB 2.0兼容一切兼容一切USB 1.0外部设

22、备及电缆线等，传输速外部设备及电缆线等，传输速率达率达480Mbps。USB 2.0不仅使不仅使USB大大提速，而且使更大大提速，而且使更多的设备可以经多的设备可以经USB衔接到衔接到PCUSB外设外设汽车钥匙汽车钥匙 数码相机数码相机电子眼电子眼银行刷卡机银行刷卡机U U盘盘/ /手表手表游戏杆游戏杆手机手机键盘键盘/ /鼠标鼠标鼠标鼠标U U盘盘计算机计算机USB的性能特点的性能特点 传输速度快传输速度快衔接简单快捷衔接简单快捷通用衔接器通用衔接器无须外接电源无须外接电源 扩展外设才干强扩展外设才干强 1传输速度快USB 1.0 提供了两种速度：USB低速1.5Mbps，低速的USB支持低

23、速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USB全速12Mbps， USB全速的数据传输速度比RS-232C串口的9600bps快1000多倍，它用于大范围的多媒体设备。而USB 2.0的数据传输速度可以高达480Mbps2衔接简单快捷USB衔接简单快捷，可以进展热插拔。即设衔接简单快捷，可以进展热插拔。即设备连到备连到USB时，不用翻开机箱，也不用封锁主时，不用翻开机箱，也不用封锁主机电源机电源 3通用衔接器USB用一种通用的衔接器可以衔接多种类型用一种通用的衔接器可以衔接多种类型的外设，其外型为的外设，其外型为4针插头针插头 USB接头接头4无须外接

24、电源由由USB总线提供电源到外部设备，总线提供电源到外部设备，USB能提供能提供+5V/500mA的电源，供低功耗的电源，供低功耗USB设备如设备如USB键盘、键盘、USB鼠标、优盘等作电源运用；但需高功耗的鼠标、优盘等作电源运用；但需高功耗的USB设设备备,如扫描仪等仍需自带电源；如扫描仪等仍需自带电源； USB还采用还采用APMAdvanced Power Management技术，可以有效技术，可以有效地节省电源功耗地节省电源功耗4.3.4 4总线 USB总线是一种新型计算机外设接口规范。但总线是一种新型计算机外设接口规范。但USB总线总线的数据传输主要还是适宜于中、低速设备，而对于那些

25、的数据传输主要还是适宜于中、低速设备，而对于那些高速外设高速外设(如多媒体数字视听设备如多媒体数字视听设备)就显得有些不够了。就显得有些不够了。 IEEE 4(又称又称i.Link或或Fire Wire)，是由，是由Apple公司和公司和TI(德克萨斯仪器德克萨斯仪器)公司开发的高速串行接口规范，其数据公司开发的高速串行接口规范，其数据传输率已达传输率已达100M bps、200M bps、400M bps、800M bps，即将到达，即将到达1Gbps和和1.6G bps。IEEE 4的主要性能特点的主要性能特点 与与USB类似，类似，IEEE 4也完全支持也完全支持“即插即用即插即用(Pn

26、P)。任何时。任何时候，都可以在总线上添加或装配候，都可以在总线上添加或装配IEEE 4设备，即使总线正处于设备，即使总线正处于全速运转的形状。全速运转的形状。 总线配置发生改动以后，节点地址会自动重新分配，而不需用总线配置发生改动以后，节点地址会自动重新分配，而不需用户进展任何方式的介入。户进展任何方式的介入。 经过经过IEEE 4衔接的设备包括多种高速外设如硬盘、光驱、新式衔接的设备包括多种高速外设如硬盘、光驱、新式DVD以及数码相机、数字摄录机、高精度扫描仪等。以及数码相机、数字摄录机、高精度扫描仪等。 一个一个IEEE 4的典型运用实例如下图的典型运用实例如下图4.3.5 AGP总线总线 AGP加速图形端口于加速图形端口于2019年年8月提出的一种新型视月提出的一种新型视频接口规范，它是专门为频接口规范，它是专门为3D加速而设置的加速图形端加速而设置的加速图形端口，允许口，允许3D图形数据越过图形数据越过PCI总线，把主存和显存直总线，把主存和显存直接衔接起来，从而处理了接衔接起来，从而处理了PCI总线设计中