微机原理与接口技术第10章课件

1、第10章 总线10.1 计算机的发展及应用10.2 微型计算机的组成10.3 计算机中数据信息的表示方法主要内容10.1 总线概述 超大规模集成电路（VLSI）技术的发展，使得各种功能强大的逻辑部件可以集成在一块小小的印刷电路板上，同时任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外设相连接，但如果将各部件和每一种外设都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路配置以适当的接口电路与各部件和外设连接，这组共用的连接线路被称为总线。总线是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传输数据、地址和控制信息的公共通道。采用总线结构便于各部件

2、和设备的扩充，尤其是制定统一的总线标准更易于使不同设备之间实现互连。 1.总线概念和特点 总线是计算机系统中的一组能为多个部件分时共享的公共传输通路。它是许多信号线的集合，是微型计算机芯片、各部件间和外部设备间相互进行信息或数据交换的通路。计算机内部的信息流和数据流在总线中定向的流动形成了计算机的各种操作。在微型计算机系统板上，微处理器、存储器部件、接口电路等各种部件之间有大量的信息需要使用总线相互传送；系统与系统之间、插件与插件之间、同一插件上的各个芯片之间也都需要通过总线传输信息。10.1.1 总线基本概念和分类 1.总线的概念特点 总线是计算机系统中的一组能为多个部件分时共享的公共传输通

3、路，是许多信号线的集合，是微型计算机芯片、各部件间和外部设备间相互进行信息或数据交换的通路。 总线的特点如下： （1）通用性。 （2）便于用户的二次开发。 （3）便于系统的更新。 （4）可不断提高系统的功能。 局部总线直接连接到CPU总线的I/O总线，因此使有高需求的外设和处理器更密集地集成，为外设提供了更宽更快的高速通路。CPU总线又称为片内总线，是微机系统中速度最快的总线，位于CPU内部，作为运算器、控制器、寄存器组等功能单元之间的信息通路。系统总线通常一个模块就是一块插件板，各个插件板的插座之间采用总线连接，以实现相互间的信息交换和数据传输，这样的总线叫做系统总线。通信总线用于主机和I/

4、O设备或者微机系统与微机系统之间通信的总线，又称为外部总线。1）按总线分级结构划分2.总线的分类地址总线用于传输地址信息，一般采用三态逻辑。 数据总线用于传输数据，具有双向三态逻辑。数据总线的宽度表示了总线传输数据的能力，反映了总线的性能。控制总线用于传输控制、状态和时序信号，有些信号时单向的，有些是双向的。 2）按总线功能或信号类型划分寻址阶段申请阶段传输阶段结束阶段当系统总线上有多个主控模块时，需要使用总线的总控模块提出申请，由总线仲裁部分确定把下一传输周期的总线使用权授给哪个模块。若系统总线上只有一个主控模块，就无需这一阶段。取得总线使用权的主控模块，通过总线发出本次打算访问的从属模块的

5、地址及有关命令，以启动参与本次传输的从属模块。主控模块和从属模块之间进行数据传输，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。主控模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线。10.1.2 总线基本功能总线操作周期分为4个阶段 功能规范规定每个引脚信号的名称和功能，对它们相互作用的协议进行说明。 机械结构规范规定模块尺寸、总线插头、边沿联接器等规格和位置。 电气规范 规定信号工作时的高低电平、动态转换时间、负载能力及最大额定值。定时规范对于存储器和I/O读、写操作，规定相应的总线信号时序，在总线中定义这些信号的时序以保证各功能的兼容性。总线标准的基本内容10.1.3 总线标准的基本内容同步式传输此方

6、式用“系统时钟”作为控制数据传送的时间标准。主控制设备与从控制设备进行一次传送所需的时间(称为传输周期或总线周期)是固定的，其中每一步骤的起止时刻，也都有严格的规定，都以系统时钟来进行同步。异步式传输异步式传输采用“应答式”传输技术。用“请求”和“应答”两条信号线来协调传输过程，而不依赖于公共时钟信号。它可以根据模块的速率自动调整响应的时间，连接任何类型的外围设备，都不需要考虑该设备的速率，从而避免同步式传输的上述缺点。半同步式传输此种方式是前两种方式的折中。从总体上看，它是一个同步系统，仍用系统时钟来定时，用某一时钟脉冲的前沿或后沿判断某一信号的状态，或控制某一信号的产生或消失，使传输操作与

7、时钟同步。10.1.4 总线的控制及数据传输 早期的PC系列机采用的系统总线叫PC总线、PC/AT总线，后来经过标准化后称为ISA（Industrial Standard Architecture）总线。为了赢得市场，IBM公司公布了ISA总线的全部规范和机器的硬件结构。这确实见效，其机器迅速占领微机市场，但随之而来出现了一大批兼容机厂家。为此IBM公司在推出第一台80386机时创立了一种和ISA总线不兼容的MCA（Micro Channel Architecture）总线。IBM公司吸取以前的教训，未公布其标准，企图垄断市场。 10.1.5 PC系列机中系统总线的发展简介 为了提高高速图像显

8、示在总线上的传输效率，VESA（Video Electronics Standard Association）与60余家显示接口制造商联合推出了一种全开放的通用的局部总线标准VL-Bus（VESA Local Bus）。VL-Bus是在处理器与EISA等传统系统总线之间另开辟的一条总线。采用该局部总线显示接口可以与微处理器同步工作。由于VL-Bus具有较高的数据传输效率，因此在80486系统中得到了广泛应用。但VL-Bus存在诸多不足，例如，其数据线和地址线直接与微处理器相连，加重了微处理器的负载，即要求微处理器有推动VLBus的功率，微处理器本身也会因此过热；VL-Bus板卡比较长，它的插槽

9、的前部是标准的ISA插槽（以实现和ISA总线兼容），后部才是VL-Bus特色部分，接口卡长使得插拔不方便，也增加了制造成本。因此在与另一个局部总线即PCI总线的竞争中败北。 10.2 PCI总线 PCI总线称为外部设备互连总线，实现了微处理器与外围设备之间的高速通道，总线频率33 MHz，与CPU的时钟频率无关；总线宽度32位，并可以扩展到64位，所以其带宽达到了132264 MB/s。PCI总线是Intel公司于1991年下半年首先提出的，并与IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司联合成立了PCI Special Interest Group（PCI SIG），于1992

10、年6月推出了PCI总线标准1.0版，1993年4月底发布了2.0版，1995年6月初发布了2.1版，1998年12月又更新为2.2版。 10.2.1 PCI的提出10.2.2 PCI总线概念 PCI是Peripheral Component Interconnect（外设部件互连标准）的缩写，是一种高速的局部总线，它是目前个人计算机中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有56个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有23个PCI插槽，可见其应用的广泛性。它与ISA、EISA总线完全兼容，

11、尽管每台微型计算机系统的插槽数目有限，但PCI局部总线规格提供了“共用插槽”，可以容纳一个PCI及一个ISA。 PCI总线开放性好，不受CPU类型限制，具有广泛的兼容性和可扩展性，是一种低成本、高效益很有前途的局部总线。它在高档微型计算机中广泛使用，究其原因，就在于它所具有的强大优势。 10.2.3 PCI总线的特点图10-1 PCI总线结构10.2.4 PCI总线信号图10-2 PCI总线信号10.3 USB通用串行总线简介 USB（Universal Serial Bus）是由Compaq，IMB，Intel，Microsoft，NEC等7家公司在1994年提出的。其最大的特点是支持热插拔

12、（Hot plug）和即插即用 （Plug & Play）。当设备插入时，主机枚举（enumerate）此设备并加载所需的驱动程序，因此使用远比PCI和ISA总线方便。 USB的设计为非对称式的，它由一个主机（host）控制器和若干通过hub集线器设备以树形连接的设备组成。一个控制器下最多可以有5级hub，包括hub在内，最多可以连接127个设备，而一台计算机可以同时有多个控制器。 USB可以连接的外设有鼠标、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网络部件。对数码相机这样的多媒体外设，USB已经是缺省接口；由于大大简化了与计算机的连接，USB也逐步取代并口成为打印机的主流连接

13、方式。10.3.1 USB概述USB可自动对USB设备进行动态配置。USB具有极强的外设连接能力。USB支持带电动态插拔（简称热插拔）USB设备。采用“主-从式”数据传输方式，所有传输由USB主机发起，USB设备仅在主机对它提出要求时才进行传输。12345USB支持错误检测与恢复处理，具有自动检测并隔离出错设备的能力。 USB技术的设计同时照顾了用户和硬件生产商双方的利益，它具有很多优点，概括起来，主要体现在以下五个方面：10.3.2 USB的特点1.硬件构成 （1）USB主控制器/根集线器。主控制器负责传输处理，这些传输已经由主机软件安排好。主控制器对数据执行一个并行到串行的转换，建立USB

14、的传输处理，并传给根集线器在总线上发送。图10-3 USB集线器结构10.3.3 USB的硬件结构（2）USB设备。USB设备分为hub设备和功能设备。USB硬件系统的示意图如图10-4所示。图10-4 USB硬件系统的示意图2.物理总线拓扑结构 USB总线上的设备以星形的拓扑结构实现与主机物理连接。USB的接入点由集线器来提供。这种由集线器提供的额外接入点称为端口。主机中包含了嵌入的集线器，它称之为根集线器。通过根集线器，主机可以提供一个或多个接入点。为了防止出现环形接入的情况，在USB中使用了分层的拓扑结构，这种配置结果具有树形结构，如图10-5所示。图10-5 USB系统的物理总线拓扑3

15、.USB接口及信号 USB总线包括4根信号线，用来传送信号和提供电源。如图10-4所示，其中“D+”和“D-”为信号线，传送信号。“D+”和“D-”是一对双绞线，“D+”是绿色，“D-”是白色。还有2根是电源线和地线。电源线是红色，地线是黑色。USB接口的形式和与主机的连接如图10-6所示。图10-6 USB集线器和设备的连接1.USB的逻辑结构 USB的设备可以分成多个不同类型，同类型的设备可以拥有一些共同的行为特征和工作协议，这样使设备驱动程序的编写变得简单一些。USB协议规范中定义了USB的设备类型，比如，音频、通信、HID、HUB等设备类。USB设备的软件结构如图10-7所示。图10-

16、7 USB逻辑结构10.3.4 USB的软件结构2.USB的通信模型 USB的通信模型如图10-8所示。从图中可以看出，主机分客户软件层、USB系统软件层和USB主机控制器。USB系统软件是指在某一操作系统上支持USB的软件，它独立于USB设备和客户软件。USB主机控制器是主机方的USB接口，它是软硬件的总称。图10-8 USB通信模型10.3.5 USB的数据传输如果从头设计一个USB设备，必须决定哪些传输类型是合适的。（1）控制传输方式：USB设备加入系统时，用于USB系统软件与USB设备间传输配置、命令、状态信息等控制数据流，此类传输对可靠性要求较高。（2）中断传输方式：通常用于不允许迟

17、滞的点设备随机地传输少量的中断数据流。（3）批量传输方式：一般用于需要发送大量数据的外设（如打印机、扫描仪或数码照相机等）传输数据块。（4）同步传输方式：通常用于调制解调器等外设，传输连续的、速率固定的实时数据流（如语音信号等），此类传输要求实时性强、低误码率和低时延。USB共有3种类型的包，即令牌包、数据包和握手包。 （1）令牌包。由PID、地址、端点和CRC校验字段组成，其格式如图10-9所示。其中，地址字段和端点字段唯一地确定了某个设备上的某一个端点。只有主机才可以发出令牌包。图 10-9 令牌包格式 （2）数据包。由PID字段、01 023字节长度的数据字段和16位的CRC校验字段组成，其格式如图10-10所示。数据源向目的地发送的数据或者无数据传送的指示信息，数据包可以携带的数据最多为1 023字节。数据必须以整数的字节数发出。数据CRC仅通过对包中的数据字段计算而得到，不包括PID，它有自己的校验字段。图 10-10 数据包格式 （3）握手包。数据接收方向数据发送方回复的信息