微型计算机的总线技术课件

1、 本章主要教学内容总线的基本概念；常用的系统总线特点和功能；常用的局部总线特点和功能;外部设备总线的特点和功能第5章 微型计算机的总线技术 第1页，共63页。1 本章教学目的及要求 通过学习，应该理解总线的基本概念，熟悉微机总线的组成结构，掌握常用系统总线、局部总线、外部设备总线以及USB总线的结构和引脚特性，并侧重其应用。第5章微型计算机的总线技术 第2页，共63页。2第5章5-1 总线技术概述 总线是微型计算机系统中多个部件之间公用的一组连线，由它构成芯片、插件或系统之间的标准信息通路。它是系统中各个部件信息交换的公共通道，各部件之间的联系都是通过总线实现的。 微型计算机采用总线技术的目的

2、是为了简化硬、软件的系统设计，在硬件方面，设计者只需按总线规范设计插件板，保证它们具有互换性与通用性，支持系统的性能及系列产品的开发；在软件方面，接插件的硬件结构带来了软件设计的模块化。用标准总线连接的计算机系统结构简单清晰，便于扩充与更新。微型计算机的总线技术 第3页，共63页。3第5章按各类总线的结构和连接对象及范围的不同，可分为3类：1. 微处理器片内总线 是指在微处理器芯片内部各单元之间传输信息的总线，它主要用于芯片级的互连。有时也称其为局部总线。2. 内总线 用以实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接。内总线有时也称为板极总线或系统

3、总线。 3. 外部总线 是微机之间或微机与外部设备之间进行通信的总线，主要用于设备级的互连。外部总线也称为通信总线。微型计算机的总线技术 第4页，共63页。4图5-1所示即为常见的微型计算机总线层次的典型结构。图5-1 微型计算机总线层次结构示意图第5页，共63页。5 4. 标准总线的特点 标准总线具有简化系统设计、简化系统结构、易于系统扩展、便于系统更新以及便于系统调试和维修等特点。 标准总线不仅在电气上规定了各种信号的标准电平、负载能力和定时关系，也在结构上规定了插件的尺寸规格和引脚定义，各模块可实现标准连接。 目前总线标准有两类：一类是IEEE（美国电气及电子工程师协会）标准委员会定义与

4、解释的标准，如IEEE-488总线和RS-232C串行接口标准等；另一类是因广泛应用而被大家接受与公认的标准，如S-100总线、IBM PC总线、ISA总线、EISA总线、PCI总线等。 第5章微型计算机的总线技术 第6页，共63页。6第5章总线的性能主要体现在：（1）总线宽度： 是指可以同时传输的数据位数，位数越多，一次传输的信息就越多。（2）总线频率： 总线通常都有一个基本时钟，总线上其它信号都以这个时钟为基准，这个时钟的频率也是总线工作的最高频率。时钟频率越高，单位时间内传输的数据量就越大。 随着微型计算机的发展，总线技术也在不断地发展与完善，并且已经出现了一系列的标准化总线，这些标准化

5、总线的广泛使用，对微型计算机系统在各个领域的普及和应用起到了积极的推动作用。微型计算机的总线技术 第7页，共63页。7第5章 5-2 系统总线 系统总线是微机主板上微处理器和外部设备之间进行通讯时所采用的数据通道，可支持各种端口、处理器、RAM和其他部件。 微机的系统总线从性能上可分为低端总线和高端总线。低端总线一般支持8位、16位的微处理器，主要功能是进行I/O处理，总线信号依赖微处理器芯片，有的总线实际上就是微处理器引脚的延伸，比如ISA总线、STD总线等。高端总线可以支持32位、64位微处理器，它提高了数据传输率和处理能力，对微处理器的依赖性在减小，同时具备良好的兼容性、支持高速缓存Ca

6、che、支持多微处理器、可自动配置等特点，比如EISA总线、VESI总线、PCI总线等。微型计算机的总线技术 第8页，共63页。8第5章5-2-1 STD总线 STD（Standard）总线是用于工业控制微机的标准系统总线，以其优越的性能和强大的生命力在工业控制领域中受到了广泛的欢迎并得到迅速的发展，被定名为IEEE961。 STD总线开始推出时是针对当时的8位微型计算机，经过不断修订和改进，利用复用技术在原来定义的56个总线信号之下实现了支持20位地址、寻址1MB的直接寻址能力。在保证现有I/O插件板兼容的条件下，提供全16位数据的传输能力。1989年美国EAITECH公司开发出了32位的S

7、TD32，为高档的STD微型计算机系统的发展提供了有利的条件。微型计算机的总线技术 第9页，共63页。9第5章 1. STD总线的特点具有较好的兼容性，可以向上或向下兼容STD总线的电路板采用小板结构，高度模块化，开发周期短采用一整套高可靠性措施，可以长期可靠地工作在恶劣环境之下。结构简单，并且能够支持多微处理器系统系统模板品种齐全，价格低廉，性能良好，易于选用微型计算机的总线技术 第10页，共63页。10第5章 2. STD总线信号定义 STD总线总计56条信号，其中电源线10条，地址线24条，数据线16条，控制线22条，地址线与数据线采用分时复用方式进行工作。3. STD总线的优先级控制

8、STD总线支持多微处理器系统，更广义的说是支持多总线控制器系统。当STD系统总线上有多个总线控制器时，必须保证在每一时刻要将总线让给提出请求的优先级最高的总线控制器使用。微型计算机的总线技术 第11页，共63页。11第5章 利用以下串、并联两种总线优先级的安排可以实现STD总线的优先级控制。（1）串联总线优先级控制：这种方式是在每一个总线控制器模板上，建立总线优先级逻辑电路。 【例5.1】采用串联优先级控制链的形式进行总线的优先级控制。如图5-2所示，在STD总线上用3个优先级逻辑电路和相应控制线组成。微型计算机的总线技术 第12页，共63页。12图5-2 STD的串联总线优先级控制第13页，

9、共63页。13第5章 （2）并联总线优先级控制：这种方法是将优先级控制逻辑电路放在单独一块模板上，其他各个总线控制器均通过这块模板提出总线请求。 【例5.2】总线的并联优先级控制分析。并联总线优先级控制如图5-3所示。微型计算机的总线技术 第14页，共63页。14图5-3 STD的并联总线优先级控制第15页，共63页。15第5章 5-2-2 ISA总线 ISA（Industry Standard Architecture工业标准体系结构）总线是早期比较有代表性的总线。 IBM公司推出 PC/XT和PC/AT个人计算机后，IEEE（Institute of Electronic and Elec

10、tronic Engineers 电气电子工程师协会）在1987年定义了工业标准体系结构（ISA），将PC/XT总线定义为8位ISA，将PC/AT总线定义为16位ISA。微型计算机的总线技术 第16页，共63页。16第5章 ISA总线具有以下特点：既支持8位数据操作，也支持16位数据操作；可以将PC/AT总线和PC/XT总线的运行速度提升至8MHz；提供了1KB的I/O空间、15级的硬件中断、7级的DMA通道、8个设备的负载能力；总线中的地址、数据线采用非多路复用形式，使系统的扩展设计更为简便；是一种多主控设备总线，除主CPU外，DMA控制器、DRAM刷新控制器、带处理器的智能卡都可成为ISA

11、的主控设备；由于IBM PC机广泛流行，可供选择的ISA插件卡品种较多，这有利于用户根据需要快速构成相应的微型计算机应用系统。微型计算机的总线技术 第17页，共63页。17第5章 1. 8位ISA总线 8位ISA总线是最早的PC机系统总线，也叫作PC总线。它支持8位数据传输和10位寻址空间，其特点是把CPU视为总线的惟一总控设备，其余外围设备均为从属设备。 8位ISA总线是一种开放式的结构总线，在总线母板上有8个系统插槽，用于I/O设备和PC机的连接。由于该总线具有价格低、可靠性好、使用灵活等特点，并且对插板兼容性好，因此，有许多厂家生产该总线的兼容产品，品种范围比较广泛，供用户选择的余地较大

12、。最初的ISA总线产品主要用于办公自动化，随着使用的推广，其产品很快扩大到实验室及工业环境下的数据采集和控制。微型计算机的总线技术 第18页，共63页。18第5章 8位ISA总线引脚信号总共有62条。通过一个31脚分为A、B两面的连接插槽来实现，其中，A面为元件面，B面为焊接面。符合ISA总线标准的接插件可以方便的插入，以便对微型计算机系统进行功能扩展。 8位ISA总线引脚信号具有20条地址线、8条数据线、若干控制信号线、电源、接地等接口信号线。 微型计算机的总线技术 第19页，共63页。19第5章2. 16位ISA总线 PC/AT总线在PC/XT 62引脚总线的基础上增加了一个36引脚的插槽

13、，形成前62引脚和后32引脚的两个插座，构成16位ISA总线。可以利用前62引脚的插座插入与PC/XT总线兼容的8位接口电路卡，也可以利用整个插座插入16位接口电路卡。 16位ISA总线中新增加的36引脚插槽信号扩展了8位数据线、7位地址线、存储器和I/O设备的读写控制线、中断和DMA控制线、电源和地线等。微型计算机的总线技术 第20页，共63页。20第5章 3. ISA总线的体系结构 在利用ISA总线构成的微机系统中，当内存速度较快时，通常采用将内存移出ISA总线并转移到自己的专用总线内存总线上的体系结构，如图5-5所示。微型计算机的总线技术 第21页，共63页。21图5-5 ISA体系结构

14、第22页，共63页。22第5章 5-2-3 EISA总线 EISA（Extended Industry Standard Architecture扩展的工业标准体系结构）总线是扩展的ISA总线。1989年，以Compaq公司为代表的9家公司，在ISA总线的基础上，联合推出了EISA总线。在当时，尽管数据总线宽度被增加到32位，但EISA总线的时钟速度仍然维持在8MHz，这导致了这种互连结构标准逐渐地被减少使用。但是，更新以后的VESA局部总线和PCI总线均工作在更高的速度之下，它们现在可以在33MHz的频率下工作。 微型计算机的总线技术 第23页，共63页。23第5章 1. EISA总线的特点

15、（1）用于32 位微机中，可寻址4GB的存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。（2）具有32位数据线，保证了系统性能的提高，使最大数据传输速率达33 MB/S。（3）支持多处理器结构，支持多主控总线设备，具有较强的I/O扩展能力和负载能力。（4）具有自动配置功能，可以根据配置文件自动地初始化，配置系统板和多扩展卡。（5）扩展了DMA的范围和传输速度，支持7个DMA通道，DMA数据传输既可在ISA方式下也可在EISA方式下进行。（6）采用同步数据传送协议，可支持常规的一次传送，也可支持突法方式即高速分组传送。微型计算机的总线技术 第24页，共63页。24第5章 2EISA总线的主要信号及其功

16、能 EISA插槽与ISA插卡和EISA插卡均兼容，采用了双层结构，上面一层包含了ISA的全部信号，信号的排列、引脚间的距离、信号的定义规定与ISA完全一致；下层包含全部新增加的EISA信号。微型计算机的总线技术 第25页，共63页。25第5章5-3 局部总线5-3-1 VESA总线 VESA（Video Electronics Standards Association 视频电子标准协会）总线是一种32位接口的局部总线，通常称为VL总线。 微型计算机的总线技术 第26页，共63页。26第5章 VESA局部总线工作频率可以达到33MHz，常用在需要高速数据传输的系统。 与EISA总线一样，VES

17、A局部总线也是ISA总线的扩展，不同之处在于VESA局部总线没有在16位ISA总线连接器上增加任何器件，而是在16 位ISA总线连接器的后面增加了第3个连接器，即VESA连接器。 VESA局部总线上的连线与EISA总线卡非常相似，VESA局部总线还包括一个32位地址和数据总线，用于将存储器和I/O设备连接到微处理器上。微型计算机的总线技术 第27页，共63页。27图5-6 VESA局部总线连接器和接口卡第28页，共63页。28第5章 5-3-2 PCI总线 PCI（Peripheral Component Interconnect 外部组件互连）总线是目前最常用的系统总线。该总线是专门为Pen

18、tium系列芯片设计的。 PCI V2.0版本支持32/64位数据总线，总线时钟为2533MHz，数据传输率达132264MB/s。 1995年推出的PCI V2.1版本支持64位数据总线，总线速度为66MHz，最大数据传输率达528MB/s。微型计算机的总线技术 第29页，共63页。29第5章 1. PCI总线的特点采用数据线和地址线复用结构，目标设备可用47引脚，总线主控设备可用 49引脚。提供5V和3.3V两种工作信号环境，可在两种环境中根据需要进行转换。允许32位与64位器件相互协作。允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置，提供了即插即用的能力。PCI总线独立于处理器，它的工作频率

19、与CPU时钟无关，可以支持多机系统。PCI总线具有良好的兼容性，可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多种总线。 微型计算机的总线技术 第30页，共63页。30第5章2. PCI总线信号的定义 PCI总线规定了两种PCI扩展卡及连接器：一种称为长卡，另一种称为短卡。长卡提供64位接口，插槽A、B两边共定义了188个引脚；短卡提供32位接口，插槽A、B两边共定义了124个引脚。 除去电源、地、未定义引脚之外，其余信号按功能分类列于图5-7中。 微型计算机的总线技术 第31页，共63页。31图5-7 PCI总线引脚信号第32页，共63页。32第5章 3. PCI总线的系统结构 PCI局

20、部总线与Pentium机内部总线组合构成了多总线系统结构，典型的PCI系统如图5-8所示。微型计算机的总线技术 第33页，共63页。33图5-8 PCI总线系统结构第34页，共63页。34第5章 5-3-3 AGP总线 为了解决高速视频或高品质画面的显示，Intel公司在1997年推出了高速图形接口的局部总线标准AGP总线。AGP总线是对PCI总线的扩展和增强，但AGP接口只能为图形设备独占，不具有一般总线的共享特性。采用AGP接口允许显示数据直接取自系统主存储器，而无需先预取至视频存储器中。 微型计算机的总线技术 第35页，共63页。35第5章 AGP总线的主要特点如下：（1）具有双重驱动技

21、术，允许在一个总线周期内传输两次数据。 （2）在总线上可实现地址/数据多路复用，把32位的数据总线给图形加速器使用。（3）通过内存请求流水线技术对各种内存请求进行排队来减少延迟，一个典型的排队可处理12个以上的请求，大大加快了数据传输的速度。（4）把图形接口绕行到AGP通道上，解决了PCI带宽问题，使PCI有更多的能力负责其它数据传输。微型计算机的总线技术 第36页，共63页。36第5章 5-4 其他总线介绍5-4-1 USB总线1. USB总线的特点 USB的全称是通用串行总线（Universal Serial Bus），它是一种支持即插即用的新型串行接口。USB要比标准串行接口快得多，其数

22、据传输率可达4Mbps12Mbps。USB除了具有较高的数据传输率外，它还可以为外设提供支持。微型计算机的总线技术 第37页，共63页。37第5章 USB总线具有以下特点：（1）为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的连接类型。（2）排除了对鼠标、调制解调器、键盘和打印机不同接口的需求。（3）支持热插拔。（4）支持PNP（Plag and Play）即插即用。（5）在设备供电方面提供了灵活性。（6）USB传输线能够提供100mA的电流，而带电源的USB Hub使得每个接口可以提供500 mA的电流。微型计算机的总线技术 第38页，共63页。38第5章（7）USB V1.1规范提供全速12Mb

23、it/s的模式和低速1.5Mbit/s的模式，USB V2.0规范提供高达480Mbit/s的数据传输速率，可以适应各种不同类型的外设。（8）针对突然发生的非连续传输设备，如音频和视频设备，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。（9）为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB提供了4种不同的数据传输类型。（10）USB使得多个外围设备可以跟主机通信，最多支持127个设备。由于电脑的USB接口有限，必须使用USB HUB增加分支，根据规范USB Hub最多可提供7个分支。 微型计算机的总线技术 第39页，共63页。39第5章 2. 数据传输类型 根据USB设备自身的使用特点和系统资源的

24、不同要求，在USB规范中规定了4种不同的数据传输方式。（1）控制（Control）传输方式（2）同步（Isochronous）传输方式（3）中断（Interrupt）传输方式（4）批量（Bulk）传输方式微型计算机的总线技术 第40页，共63页。40第5章3. USB总线的拓朴结构 USB设备和USB主机通过USB总线相连。USB的物理连接是一个星型结构，集线器（HUB）位于每个星形结构的中心，每一段都是主机和某个集成器，或某一功能设备之间的一个点到点的连接，也可以是一个集线器与另一个集线器或功能模块之间的点到点的连接。 总线拓扑结构如图5-9所示。微型计算机的总线技术 第41页，共63页。4

25、1图5-9 USB的拓扑结构第42页，共63页。42第5章 （1）USB主机 整个USB系统中只允许有一个主机。主机系统的USB接口称为USB主控制器。这里USB主控制器可以是硬件、固件或软件的联合体。而根集线器是集成在主机系统中的，它可以提供一个或更多的接入端口。（2）USB设备 USB设备是USB协议的具体实现，主要包括：集线器：提供用以访问USB总线的更多的接入点。功能部件：向系统提供特定的功能，如ISDN连接设备、鼠标、显示器等。 微型计算机的总线技术 第43页，共63页。43第5章 4. USB系统的构成USB规范将USB分为5个部分：（1）控制器：负责执行由控制器驱动程序发出的命令

26、。（2）控制器驱动程序：在控制器与USB设备之间建立通信信道。（3）USB芯片驱动程序：提供对USB的支持。（4）USB设备：包括与PC相连的USB集线器（Hub）及设备。（5）USB设备驱动程序，是用来驱动USB设备的程序。通常由操作系统或USB设备制造商提供。微型计算机的总线技术 第44页，共63页。44第5章 5. USB总线的电气特性和机械特性（1）电气特性 USB总线通过一条四芯电缆传送电源和数据，电缆以点到点方式在设备之间连接。USB接口的四条连接线分别是VBUS、GND、D+和D。 VBUS和GND用来向设备提供电源。在源端，VBUS通常为+5V。USB主机和USB设备中通常包含

27、电源管理部件。 D+和D是发送和接收数据的半双工差分信号线，时钟信号也被编码在这对数据线中传输。每个分组中都包含同步字段，以便接收端能够同步于比特时钟。微型计算机的总线技术 第45页，共63页。45第5章 （2）机械特性 USB连接器分为A系列和B系列两种：A系列用于和主机连接，B系列用于和USB设备的连接。这两种连接器有不同的结构，不会造成误连接。微型计算机的总线技术 第46页，共63页。46第5章 6. 总线协议 USB总线由主机控制器控制所有的数据传输。大多数传输包含三个USB分组：（1）主机控制器首先发出一个“令牌分组”，指明传输的类型和方向、USB设备的地址及终点编号。USB设备对相

28、应的地址字段进行译码，选中被寻址的设备。（2）如果本次传输的源端能够提供数据，它将发出数据分组；否则将发出一个指示分组，指明它没有数据可以传输。（3）一般情况下，目的端将回送一个握手分组指明本次传输是否成功。微型计算机的总线技术 第47页，共63页。477. USB设备的接入和应用（1）操作系统对USB的支持 支持USB的操作系统应满足以下三个要求：当一个设备连接到USB上或从USB中撤除，能自动检测出来；与新连接的设备通信，可找到如何与它们通信的方法；提供软件驱动与计算机的USB硬件以及访问USB的外设的应用程序通信。 第5章微型计算机的总线技术 第48页，共63页。48第5章 （2）主机对

29、USB的支持 使用USB设备必须激活主机板BIOS中的USB功能，在Windows 2000下先打开“设备管理器”，具体操作为：在桌面“我的电脑”图标上点击鼠标右键，弹出的菜单中选择“属性”选项，在“系统”窗口的菜单栏内选择“设备管理器”选项，提示框会出现“通用串行总线控制器”的选项。然后选中“通用串行总线控制器”，可看到主机系统中存在两个USB设备：一个是“USB Universal Host Controller”，另一个是“USB Root Hub”。微型计算机的总线技术 第49页，共63页。49第5章 （3）USB设备的热插拔 USB总线协议支持热插拔功能，在Windows运行过程中可

30、以接入任何符合USB规范的USB设备。当接入一个USB设备后，操作系统会自动检测到该硬件设备，Windows 会显示以下信息：“New Hardware Found”或“Unknow Device”。如果设备首次接入这个系统，则Windows还需要定位驱动。 微型计算机的总线技术 第50页，共63页。50第5章 （4）USB设备的应用 USB已经在PC机的多种外设上得到应用，包括扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。微型计算机的总线技术 第51页，共63页。51第5章 5-4-2 IEEE1394 IEEEl394是一种高性能的串行总线。应用范围主要是那些带宽要求超过10

31、0Kbit/s的硬盘和视频外设。利用同样的四条信号线，IEEE1394即可以同步传输，也可以支持异步传输。这四根信号线分为差模时钟信号线对和差模数据线对。 IEEE1394规范得到了很好的定义，而且基于IEEE规范的产品也出现在了市场上。目前，IEEE1394解决方案的价位被认为可以同SCSI磁盘接口相竞争，但它不适用于一般的桌面连接。 微型计算机的总线技术 第52页，共63页。52第5章1. IEEE1394的特点及拓扑结构 IEEEl394是一种新型的高速串行总线，它具有以下显著的特点：（1）高传输速率（2）采用同步传输和异步传输两种数据传输模式。（3）可以实现即插即用并支持热插拔 上述特

32、点使它可广泛地应用于多媒体声卡、图像和视频产品、打印机、扫描仪的图像处理等方面，尤其是磁盘阵列、数字照相机，显示器和数字录像机等。 IEEE1394系统结构如图5-10所示。微型计算机的总线技术 第53页，共63页。53图5-10 IEEE1394系统结构第54页，共63页。54第5章 2. IEEE1394的寻址 用IEEE 1394联接起来的设备采用一种内存编址方法，各设备就像内存中的存储单元一样。设备地址64位宽，占用10位作为网络ID号，6位用作节点号，48位用作内部编址。可得到总共64个节点，每个节点上有1023个网络ID号，每个ID号又具有231TM的内存编址。微型计算机的总线技术 第55页，共63页。55第5章3. IEEE1394协议 IEEE1394总线是一种基于数据包的数据传输，协议中实现了OSI七层协议的下三层：物理层、链路层和传输层。串行总线的管理层将三个层次联接起来，如图5-11所示。数据缓冲区，子程序对这些定义的变量直接访问即可。微型计算机的总线技术 第56页，共63页。56图5-11 IEE