微型计算机原理及应用课件：第11章 总线技术

1、第11章 总线技术概述11.1ISA总线11.2EISA总线11.3其他总线11.411.1 概述总线：在模块之间或者设备之间传送信息、相互通信的一组公用信号线的集合，是系统在主控设备的控制下，将发送设备发出的信息准确地传送给某个接收设备的信号载体或公共通路。总线的特点：公用性分时性总线规范11.1.1总线的分类11.1.2总线数据传输11.1.3公用性总线可以同时挂接多个模块或设备。总线是构成微型计算机应用系统的重要技术，总线设计的优劣会直接影响整个微机系统的性能、可靠性和可扩展性。由于总线公用性的特点，它的应用广泛，必须解决物理连接技术和信号连接技术。物理连接包括电缆选择与连接、用于缓冲的

2、驱动器、接收器的选择与连接，还包括传输线的屏蔽、接地和抗干扰等技术。信号连接包括基本信号相互间的时序匹配和总线握手逻辑控制问题。分时性在同一时刻，总线上只能允许一对功能部件或设备进行信息交换。当有多个功能部件或设备都要使用总线进行信息传输时，只能采用分时使用总线的方式。系统中必须设置对总线的使用权进行仲裁管理的机构，包括总线判决和中断控制技术。11.1.1 总线规范(l)机械结构规范规定模块尺寸、总线的根数，总线插头、插座形状、引脚的排列等。(2)功能结构规范确定引脚名称与功能，以及其相互作用的协议。功能结构规范是总线的核心，包括数据线、地址线、读写控制逻辑线、时钟线和电源线、地线以及总线主控

3、仲裁、握手联络等。 (3)电气规范规定每一根线上的传送方向、信号逻辑电平、负载能力、动态转换时间等。不同的总线上代表逻辑信号的电平可能不同。对于距离不长的总线一般采用TTL兼容的电平。而对于距离较长的总线，为了信号传输时的衰减，并提高抗干扰的能力，常采用正负电平表示不同的逻辑信号，且可以用较高的电压。用户在扩展系统时，应考虑总线总的负载能力，以及现有的实际负载，然后确定是否允许扩展。 11.1.2 总线的分类按总线所在位置分类1按信息传送形式分类2按传送信息的内容分类31.按总线所在位置分类1)片内总线片内总线在集成电路芯片内部，用来连按各功能单元的信息通路，例如CPU芯片的内部，用于算术逻辑

4、单元ALU与各种寄存器或其它功能单元之间的连接。2)片总线又称元件级总线或局部总线，它是用于各芯片之间连接的总线，是微机系统内的重要总线。接口芯片与CPU芯片连接时就涉及到这样的总线。它一般是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。3)内总线又称为微型计算机总线或板总线，一般称为系统总线。它用于微机系统各插件板之间的连接，是微机系统的最重要的一种总线。4)外总线又称通信总线。它用于微机系统与系统之间，微机系统与外部设备之间的通信通道。这种总线数据传输方式可以是并行的(如打印机)或串行的。数据传输速率比片内总线低。2.按信息传送形式分类1)并行总线在微机系

5、统中，所传送的信息一般都是由多位二进制码表示的，传送这些信息时，可以让它的每一位固定占用一条线，即用多条线同时传送多位二进制码。并行总线利用空间实现全部信息的一次传送，从而使系统的结构比较复杂，但换来了信息的快速传送。并行总线适用于各部件分布距离较近的计算机内部各部件连接中。2)串行总线它以多位二进制信息共用一条线进行传输的方式工作。让信息位按一定的次序排列，按时间先后依次通过总线。这种总线形式具有结构简单的特点，因此，适用于所需连接的部件距离比较远的计算机系统中。 3.按传送信息的内容分类1)地址总线它们是微机用于传送地址的信号线，地址线的数目决定了寻址的范围。如8086CPU，地址总线为2

6、0根，可寻址1MB地址空间。地址总线均为单向、三态总线，即信号只有一个传输方向，三态指可输出高电平、低电平外还可处于断开(高阻)状态。2)数据总线它们是传送数据和代码的总线，一般是双向、三态总线。数据总线由8条、16条发展至32条、64条。它们是一组并行总线，即同时可传送8位、16位、32位或64位数据或代码。3)控制总线它们是用于传送控制信号的总线，用来实现命令、状态传送、中断、直接存储器传送的请求和控制，以及提供系统使用的时钟和复位信号等。 11.1.3 总线数据传输在利用总线实现数据传送通信时，需要有一种控制一次通信起止的办法，以保证信息传输的正确与可靠，这就是总线通信协议应解决的问题。

7、对于只有一个总线主控设备的简单系统，对总线无须申请、分配和撤除。而对于多CPU或含有DMA的系统，就要有总线仲裁机构，来受理申请和分配总线控制权。总线上的主、从模块通常采用的方式是用握手信号的电压变化来指明数据传送的开始和结束，用以下3种方式之一实现总线传输的控制：同步方式异步方式半同步方式1)同步方式此方式用“系统时钟”作为控制数据传送的时间标准。在这种方式下，各部件的动作时间被严格限定。即一次数据传送的每一步骤的起止时刻都是以系统时钟来统一步伐的(按时钟传送，每次传送用一个时钟周期)。同步方式动作简单，可以获得较高的系统速度，但要解决各种速度的模块的时间匹配。如将一个慢速的设备连接到快速的

8、同步系统上，则整个系统必须降低时钟速率来迁就此慢速设备，反而降低了系统的速度。 2)异步方式异步方式是采用“应答式”传输技术。用“请求”(REQ)和“应答”(ACK)两条信号线来协调传输过程，而不依赖于公共时钟信号。它可以根据各部件的工作速度自动调整响应时间，因此，可与任何工作速度的设备接口，而无需考虑与主、从部件的速度匹配问题。异步方式是以一个操作完全完成后才开始下一个动作的方式，表明其应答关系完全互锁，因此保证了数据传输的可靠进行。同时数据传输的速度不是固定不变的，它可以根据设备的实际情况，自由地调节总线上的工作速度，因而同一个系统中可以容纳不同存取速度的设备，每个设备都能从其最佳可能的速

9、度来配合数据的传输。异步传输的缺点是比较复杂，每次操作都必须经过4个步骤：请求、响应、撤消请求、撤消响应，影响工作效率。 3)半同步方式半同步方式是对同步方式所存在缺陷的一种改进，是同步方式和异步方式相结合的混合式传输控制方式。总体而言，它仍然是一种同步系统。即对能按预定时刻，一步步完成地址、命令、数据传输的部分，完全按同步方式传输。而对不能按预定时刻传输地址、命令、数据的慢速设备，则可请求延长操作时间，以协调主、从部件的数据传输。 11.2 ISA总线ISA(Industry Standard Architecture)工业标准总线是IBM公司为286/AT微型计算机制定的一种总线标准。也称

10、为AT总线标准。ISA总线是在PC总线的基础上扩展一个36位插槽形成的。同一槽线的插槽，分成62线和36线两段，共计98线，如图11.1所示。在62条基本信号线中，数据线8条，地址线20条，控制信号线22条，电源、地及其它信号线12条。在扩展的36条信号线中，数据地址线8条，高位地址线7条，控制信号线19条，电源和地线2条。ISA总线的主要性能指标图11.1 ISA总线各信号线分布ISA总线的主要性能指标I/O地址空间0100H-03FFH24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB8/16位数据线62+36引脚最大位宽16位(bit)最高时钟频率8MHz最大稳态传输率16MB/s中断功能DMA

11、通道功能开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源 11.3 EISA总线EISA(Extended Industry Standard Architecture)是扩展工业标准体系结构总线的简称。由Compaq、HP、AST等多家计算机公司联合推出的32位标准总线，数据传输率为33MB/s，适用32位微处理器。EISA总线是在ISA总线的基础上，通过增加地址线、数据线和控制线来实现的。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线，如图11.2所示。EISA总线的主要性能指标图11.2 EISA总

12、线信号线分布 EISA总线的主要性能指标EISA插槽既与ISA插卡兼容，又与EISA插卡兼容。在插EISA卡时使用32位数据线，能达到33MB/s的传输率。EISA的主要性能指标与ISA相比，有以下优点：开放式结构。EISA和ISA兼容，现有的ISA扩充板可以用于EISA总线上32位地址域直接寻址范围为4GB32位数据线最大时钟频率8.3MHz最大传输率 33MB/s 11.4 其他总线VL总线PCI总线AGP总线SCSI总线PCMCIA总线1) VL总线VL总线，又称为VESA总线，它是1992年8月由VESA(视频电子标准协会)公布的基于80486CPU的32位局部总线。VL总线支持166

13、6MHz的时钟频率，数据宽度为32位，可扩展到64位。与CPU同步工作，总线传送速率最大为132MBps，需要快速响应的视频、内存及磁盘控制器等部件都可通过VL局部总线连接到CPU上，使系统运行速度更快。VL总线是在CPU总线基础上扩展而成的。这种总线使I/O速度可随CPU的速度不断加快而加快。它是与CPU类型相关的，因此开放性差。2) PCI总线PCI是Peripheral Component Interconnect的缩写，即外围元件互联。PCI属于高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线工作独立于处理器，为微处理器及高速外围设备提供了一座桥梁，同时也是各类总线之间的高效协调

14、部件。独立于微处理器的设计，可以保证其适应微处理器的不断升级换代。并可以和ISA等局部总线完全兼容。PCI局部总线的时钟频率为33MHz可扩展到66MHz，数据总线为32位可扩展到64位，可支持多组外围部件。PCI提供了一套整体的系统解决方案，能提高网卡、硬盘的性能；可高效地配合视频、图形及各种高速外围设备进行数据传输。PCI支持线性突发的数据传输模式。由于PCI能提供较快速的存取速度，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间，较好地解决了大批量高速传输过程中，由于处理不及时造成外设数据丢失的问题。 3) AGP总线AGP(Accelerated Graphics Port)即加速图形端

15、口。它是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。它支持的AGP插槽可以插入符合该规范的AGP插卡。其视频信号的传输速率可以从PCI的132MB/s提高到266MB/s(1模式)或者532MB/s(2模式)。Intel公司推出AGP的主要目的就是要大幅提高高档PC机的图形尤其是3D图形的处理能力。严格说来，AGP不能称为总线，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡。AGP在主内存与显示卡之间提供了一条直接的通道。采用AGP的目的是为了使3D图形数据越过PCI总线，直接送入显示子系统。这样就能突破由PCI总线形成的系统瓶颈，从而实现了以相对低价格来达到高性能3D图形的描绘功能。 4) SC

16、SI总线SCSI是Small Computer System Interface的缩写，即小型计算机系统接口。它用于计算机与磁盘机、扫描仪、通信设备和打印机等外部设备的连接。目前广泛用于微型计算机中主机与硬盘和光盘的连接，成为最重要、最有潜力的新总线标准。SCSI是一种低成本的通用功能的计算机与外部设备并行传送的外总线，可以采用异步传送，当采用异步传送8位的数据时，传输速度可达1.5MBps。也可以采用同步传送，速率达5MBps。其下一代SCSI-2(fast SCSI)速度为10 MBps，Ultra SCSI传输速度为20MBps，Ultra-Wide SCSI(即数据为32位宽)传输速率高达40MBps。SCSI是一种连接很方便的通用接口，也是一种智能接口。总线上最多可挂接8台总线设备(包括适配器和控制器)