微机原理与接口电子教案第十二章

1、第一讲：第十二章总线技术回顾：微机工作过程，三总线的概念及作用。重点和纲要：总线标准与总线体系结构，ISA 总线。讲授内容：12.1 总线标准与总线体系结构总线是一组信号线的集合，是一种在各模块间传送信息的公共通路。在微机系统中，利用总线实现、印刷电路板各之间、机箱内各插件板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。总线是微型计算机应用系统的重要技术，总线设计好坏会直接影响整个微机系统的性能、可靠性、可扩展性和可升级性。 采用标准总线可以简化系统设计、简化系统结构、提高系统可靠性、易于系统的扩充和更新等等。一、 总线分类与结构1总线规范 机械结构规范。规定模块尺寸、总线插头、边沿连

2、接器等的规格。 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。是总线的常包括如下内容：，通数据线、地址线、读/写控制逻辑线、时钟线和电源线、地线等；中断机制；总线主控仲裁应用逻辑，如握手联络线、复位、自启动、休眠等。 电气规范。规定信号逻辑电平、负载能力及最大额定值、动态转换时间等。2总线分类216教学方法、实施步骤时间分配教学回 顾5”2板书 计算机投影仪多课件等讲 授35” 2提 问3” 2小 结2” 2讨 论5” 2 片内总线在集成电路，用来连结各功能单元的信息通路，例如 CPU中的总线，它是 ALU 单元和控制器之间的信息通路。 局部总线在印刷电路板上连接各之间的公共通路，例

3、如 CPU 及其支持与其局部资源之间的通道。这些资源包括在板资源，插在板上局部总线扩展槽上的功能扩展板上的资源。例如PC 系列机中的 8 位 ISA、16 位 ISA、EISA、VESA 和 PCI 等总线标准。 系统总线又称为内总线，是指模块式微型计算机机箱内的底板总线，用来连接微型机的各插件板，它可以是多处理机系统中各 CPU 板之间的通信通道，也可以是用来扩展某块 CPU 板的局部资源，或为总线上所有 CPU 板扩展共享资源之间的通信通道。现在较流行的标准化微机系统总线有 16 位的 MULTIBUS I，STDBUS；32 位的 MULTIBUS II，STD32 和 VME 等。 通

4、信总线又称为外总线，用于微机系统与系统之间，微机系统与外部设备如机系统和仪器仪表之间的通信通道。这种总线数据传输方式可以是并行(如、盘设备或微)或串行。数据传输速率比内总线低。不同的应用场合有不同的总线标准。例如，串行通信的 EIARS232C 总线。二、 总线控制方法一般来说，总线上完成一次数据传输要经历以下 4 个阶段： 申请(Arbitration)占用总线阶段。需要使用总线的主控模块(如 CPU 或 DMAC)。向总线仲裁机构提出占有总线控制权的申请。由总线仲裁机构判别确定，把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。 寻址(Addressing)阶段。获得总线控制权的主模块，通过地址

5、总线发出本次打算的从属模块，如动。 传数(Aa器或 I/O 接口的地址。通过译码使被的从属模块被选中，而开始启ransferring)阶段。主模块和从属模块进行。数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。对于读传送，源模块是器或 I/O 接口，而目的模块是总线主控者 CPU；对于写传送，则源模块是总线主控者，如 CPU，而目的模块是器或 I/O 接口。 结束(Ending)阶段。主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模块能继续使用。对于只有一个总线主控设备的简单系统，对总线无需申请、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，来授理申请和分配总线控制权

6、。总线上的主、从模块通常采用以一定方式用握手信号的电压变化来指明数据传送的开始和结束，用同步、异步或半同步这 3 种方式之一实现总线传输的控制。1同步总线同步总线所用的控制信号是时钟振荡器，时钟的上升沿和下降沿分别表示一个总线周期的开始和结束。典型的同步协定的定时信号和受控设备的总线时钟信号用来使所有的模块同结构如图 8-1 和图 8-2 所示。图 8-1 同步协定的定时信号步在一个共同的时钟基准上。地址和数据信号阴影区的出现有以下几个原因。 因为总线主控器(Bus Master)发出的地址信号经过地址总线到总线受控器(Bus Slave)的译译码需要时间，所以地址信号必须在时钟信号到来前提前

7、一段时间到达稳定状态。 当译输出选中数据缓冲器后，在写操作时，一旦时钟信号出现在缓冲器的输入端，就把数据总线上的数据打入数据缓冲器内。因此，数据信号必须在时钟信号到达缓冲器前提前一段时间出现在数据总线上，这段时间称为建立时间。为了使写操作稳定，在时钟信号 后，数据信号在数据总线上还必须停留一段时间，这段时间称为保持时间。对于读操作，地址线与写操作类似，但数据线的作用不同。由图 8-1 可见，建立时间比保持时间长得多，这是因为建立时间包括受控设备中的译码延迟，同时还包括信号通过不同总线上的门电路会产生不同的滞后延迟。同样，保持时间内也包括滞后延迟。同步系统的主要优点是简单，数据传送由单一信号控制

8、。然而，同步总线在处理接到总线上慢速的受控设备方面存在一系列问题。如对于接到总线上的快慢不同的受控设备，必须降低时钟信号的频率，以满足总线上响应最慢的受控设备的需要。这样，即使低速设备很少被 ，它也会使整个系统的操作速度降低很多。2异步总线对于具有不同存取时间的各种设备，是不适宜采用同步总线协定的。因为这时总线要以最低速设备的速度运行。因此，如果对高速设备能具有高速操作，而对低速设备能具有低速操作，从而对不同的设备具有不同的操作时间，就可采用异步总线。异步总线的定时信号及控制信号如图 8-3 所示。这种总线叫做“全互锁异步总线”，在总线操作期间两个控制信号 (MASTER 和 SLAVE)交替

9、地变化，即随着一个信号的改变才使另一个信号处于待变化状态。这种方式的互锁保证了地址总线上的信息不会会被丢失或重复接收。，也不图 8-3 全互锁异步总线的定时信号对于写操作，总线主控设备把地址和数据放到总线上，在允许的滞后、译码及建立时间的延迟之后，总线主控设备使 MASTER 上升，它表明这些数据可以被受控设备接收。于是该上升沿触发一个受控并把数据锁存于一个受控缓冲寄存器中。器，开始一个写周期，对于读操作，在主控设备把地址放到总线上之后，MASTER 信号的上升沿启动受控设备操作。在受控设备取出所要求的数据并把它放到总线之后，SLAVE 信号变为，表示该操作完成了，它触发主控设备把总线上的数据

10、装入自己的缓冲器，在此期间 SLAVE 信号必，使数据稳定在数据总线上。当主控设备已经完成了数据的接收，就使 MASTER须保持变为低电平，表示己接收了数据，而后 SLAVE 降低，表示受控设备已经知道主控设备得到了数据，整个读操作结束，又可以开始一个新的操作。在全互锁协定中阴影区表示的意义和同步协定中相同，建立时间至少要足以允许地址译码和缓冲器被选通。保持时间没有表示出来，然而它是存在的。通常保持时间是通过在 WRITE218完成之后或对于 READ 是在总线上出现数据之后，延迟 SLAVE 信号一个保持时间而被加进受控设备的。而主控接收到受控信号的转变之后，使它的动作推迟一个保持时间也同样

11、可以把保持时间加到主控设备上。全互锁异步协定的优点主要可靠性以及在处理通过较长总线连接且具有各种不同响应时间的设备时的高效率。 半同步总线因为异步总线的传输延迟严重地限制了最高的频带宽度，因此，总线设计师结合同步和异步总线的优点设计出混合式的总线，即半同步总线，半同步总线的定时信号如图 8-4 所示。这种总线有两个控制信号，即由主控来的 CLOCK 和受控来的 WAIT 信号，它们起着异步总线MASTER 和 SLAVE 的作用，但传输延迟是异步总线的一半，这是因为成功的握手只需要一个来回行程。对于快速设备，这种总线本质上是由时钟信图 8-4 半同步总线的定时信号号单独控制的同步总线。如果受控

12、设备快得足以在一个时钟周期内作出响应的话，那么它就不发 WAIT 信号。这时的半同步总线像同步总线一样地工作。如果受控设备不能在一个周期内作出响应，则它就使 WAIT 信号变高，而主控设备暂停。只要 WAIT 信号有效，其后的时钟周期就会知道主控设备处于空闲状态，当受控设备能响应时它使 WAIT 信号变低，而主控设备运用标准同步协定的定时信号接步总线的速度和异步总线的适应性。控设备的回答。这样，半同步总线就具有同12.2PC 总线PC总线又称为在板局部总线。即只是单板机上的I/O扩展总线，不支持多主CPU的并行处理，不存在多CPU共享资源，不存在也不需要总线仲裁。PC机采用开放式的结构，即在底

13、板上设置一些标准扩展插槽(Slot)，要扩充PC机的功能，只要设计符合插槽标准的适配器板，然后将板插槽即可。一、ISA 工业标准总线ISA 是工业标准体系结构(Industrial Standard Architecture)的缩写，是一种在原始 IBM PC引入的 8 位总线结构，1984 年在 IBM PC/AT 中将其扩展到 16 位。ISA 是现代个人计算机的基础，是目前市场上大多数 PC 系统采用的主要体系结构。18 位 ISA 总线主要用在早期的 IBM PC/XT 计算机的底板上，共有 8 个插槽。常称为 IBM PC 总线或 PC/XT 总线。它具有 62 条“金手指”引脚，引

14、脚间隔为 2.54mm。各引脚的安排如图 8-5 所示。总线信号功能列于表 8-1。219216 位 ISA 总线1984 年 IBM 公司推出 286 机（AT 机）时，将原来 8 位的 ISA 总线扩展为 16 位的 ISA总线，它保持原来 8 位 ISA 总线的 62 个引脚信号，以便原先的 8 位 ISA 总线适配器板可以插在 AT 机的插槽上。同时为使数据总线扩展到 16 位，地址总线扩展到 24 位，而增加一个表 8-18 位ISA 总线引脚功能延伸的 36 引脚插槽。新增加的 36 个引脚排列如图 8-6 所示，各引脚功能列于表 8-2。在 16 位 ISA 总线中，新增加的信号

15、说明如下。地址线A20A23，使原来的 1M字节的寻址范围扩大到 16M字节。同时，又增加了A17A19这 3 条地址线，这几条线与原来的 8 位总线的地址线是重复的。因为原先地址线是利用锁存器提供的，锁存过程导致了传送速度降低。在AT微机中，为了提高速度，在 36 引脚插槽上定义了不采用锁存的地址线A17 A23。数据线D8D15。SBHE 数据总线高字节允许信号。该信号与其它地址信号一起，实现对高字节、低字节220元件面焊接面引脚号信号名说明引脚号信号名说明A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19

16、A20 A21 A22 A23 A24 A25 A26 A27 A28 A29 A30 A31I / OCHCKD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0I / OCHRDY AEN A19A18A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0输入I/O 校验数据信号，双向数据信号，双向数据信号，双向数据信号，双向数据信号，双向数据信号，双向数据信号，双向数据信号，双向输入I/O 准备好输出，地址允许地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信

17、号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向地址信号，双向B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 B21 B22 B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 B31GND RESETDRv+5v IRQ2（IRQ9）-5v IRQ2-12vCARDSLCTD+12v GND MEMWMEMR IOW IORDACK 3DRQ3DACK 1DRQ1DACK0CLK IRQ7

18、 IRQ6 IRQ5 IRQ4 IRQ3DACK 2T/C ALE+5v OSC GND地 复位电源中断请求 2，输入电源-5vDMA 通道 2 请求，输入电源-12v见注 电源+12v地器写，输出器读，输出接口写，双向接口读，双向DMA 通道 3 响应，输出 DMA 通道 3 请求，输入 DMA 通道 1 响应，输出 DMA 通道 1 请求，输入 DMA 通道 0 响应，输出系统时钟，输出中断请求，输入中断请求，输入中断请求，输入中断请求，输入中断请求，输入DMA 通道 2 响应，输出计数终点信号，输出地址锁存信号，输出电源+5v振荡信号，输出地或一个字(高低字节)的操作。增加了IRQ10I

19、RQ15中断请求输入信号。其中IRQ13指定给数值协处理器使用。另外，由于 16 位ISA总线上增加了外部中断的数量，在底板上，是由两块中断控制器( el8259)级联实现中断优先级管理的。采用两块DMA控制器级联使用，其中主控级的DRQ0接从属级的请求信号(HRQ)。同时，不再采用DMA实现动态器刷新。故总线上的设备均可使用这 7 级DMA传送。除原 8 位ISA总线上的DMA请求信号外，其余的DRQ0，DRQ5DRQ7均定义在引脚为 36 的插槽上。与此相对应地，DMA控制器提供的响应信号DACK 0 ， DACK5 DACK7 也定义在该插槽上。表 8-2 AT 总线新增加的 36 个引

20、脚功能定义了新的SMEMR 和SMEMW ，它们与前面 8 位 ISA 总线上的MEMR 和MEMW 不同的是后者只在器的寻址范围小于 1MB 时才有效，而前者在整个 16MB 范围有效。上的新增MASTER 。利用该信号，可以使总线插板上设备变为总线主控器，用来控制总线。器的 16 位片选信号。如果总线上的某一器卡要传送 16 位数据，MEMCS16 是则必须产生 1 个有效的(低电平) MEMCS16 信号，该信号加到系统板上，通知主板实现 16 位数据传送。此信号由 A 17 A 23 高地址译码产生，利用三态门或集电极开路门进行驱动。I / OCS16 为接口的 16 位片选信号，它由

21、接口地址译码信号产生，低电平有效，用来通知主板进行 16 位接口数据传送。该信号由三态门或集电极开路门输出，以便实现“线或”。许多制造商纷纷开发这种基于 16 位 ISA 总线的兼容机，因而形成当时的工业标准体系221元件面焊接面引脚号信号名说明引脚号信号名说明C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18SBHEA23 A22 A21 A20 A19 A18 A17SMEMR SMEMWD8D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15字节允许地址，双向地址，双向地址，双向地址，双向地址，双向地址，双向地址，

22、双向器读，双向器写，双向数据，双向数据，双向数据，双向数据，双向数据，双向数据，双向数据，双向数据，双向D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D17 D18MEMWCS 16 I / OCS 16 IRQ10 IRQ11 IRQ12 IRQ14 IRQ15DACK 0DRQ0 DACK 5 DRQ5 DACK6 DRQ6 DACK 7 DRQ7+5vMASTERGND器 16 位片选信号，输入接口 16 位片选信号，输入中断请求，输入中断请求，输入中断请求，输入中断请求，输入中断请求，输入DMA 通道 0 响应，输出 DM

23、A 通道 0 请求，输入 DMA 通道 5 响应，输出 DMA 通道 5 请求，输入 DMA 通道 6 响应，输出 DMA 通道 6 请求，输入 DMA 通道 7 响应，输出 DMA 通道 7 请求，输入电源+5v主控，输入地结构 ISA。16 位 ISA 总线能实现 15 位数据传送，寻址能力达 16MB，工作频率为 8MHz。数据传输率最高可达 8MB/s。随后el 公司推出 80386CPU，数据总线由 16 位增至 32 位。结构也发生飞跃性进步。CPU 处理能力大大提高了。通过总线与器、显示器、I/O 设备传送数据速度就显得很慢了。为了解决低性能总线与高性能 CPU 之间的，IBM

24、公司率先在他们设计的一台386 微机上，设计了一种完全不同于 ISA 总线的微通道体系结构，即 MCA 总线体系结构，并且其与 ISA 总线不相兼容。MCA 微通道结构总线，也称为 PS/2 总线，它分为 16 位和 32 位两种。16 位的 MCA 总线与ISA 总线处理能力基本相同，只是在总线上增加了一些辅助扩展功能而已。而 32位 MCA 则是一种全新的系统总线结构，它支持 186针插接器的适配器板，系统总线上的数据宽度为 32位，可同时传送 4字节数据。有 32位地址线， 提供 4GB 的内存寻址能力。此外，MCA还提供一些ISA 总线所没有的功能，如地址线均匀分布而减少电磁干扰，增加

25、了数据的可靠性；有自己的处理器，并能通过总线控制权CPU而独立进行自身的工作，从而减轻主 CPU的负担；还有能自动关闭出现功能错误的适配器的图 8-5 8 位ISA 总线引脚排列图 8-6 16 位ISA 总线引脚排列能力等。因此这种总线能充分利用 386，486CPU 的强大处理能力，使 PC 机的整体性能得到222很大提高。二、PCI 总线1992 年初， el 联合PCI 是“Peripheral Component、paq、DEC、Apple 等大公司创立了 PCI 局部总线标准。erconnect”的缩写，即元件互联。PCI 总线支持 33MHz的时钟频率，数据宽度为 32 位，可扩

26、展到 64 位，数据传输率可达 132MB/s264MB/s。 PCI 总线通常称为夹层总线（Mezzanine Bus），因为在传统的总线结构上多加了一层。PCI 旁路了标准 I/O 总线，使用系统总线来提高总线时钟速率，获取 CPU 的数据通道的全部优势。PCI 规范确定了 3 种板的配置，每一种都是为一个特定的系统类型设计的，配有专门的电源需求。5v 规格适用于固定式计算机系统，3.3v 规格适用于便携式机器，通用规格适用于能在两种系统中工作的主板和板卡。表 8-3 给出了 5v 规格 PCI 引脚安排。作为另一个重要特性，事实上 PCI 已经成为el 即插即用（PnP）规范的典范。这意

27、味着 PCI卡上无跳线和开关，而代之以通过进行配置。三、通用串行接口USB1USB 是外设总线标准给PC的外部带来计算机外设的即插即用。USB消除了将卡安装在的计算机插槽并重新配置系统的需要，同时也节省了宝贵的系统资源，如中断IRQ。装备了USB的个人计算机，一旦实现了计算机外设物理连接就能自动地进行配置，不必重启动或运行设置程序。USB还允许多达 127 个设备同在一台计算机上运行。2USB 接口有两种不同的连接器（A系列和 B 系列）A 系列连接器是为那些要求电缆保留连接的设备而设计的，比如集线器、键盘和鼠标器。大多数主板上的 USB 端口通常是 A 系列连接器。B 系列连接器是为那些需要可分离电缆的设备设计的，如、扫描仪、Modem、和扬声器等。物理的 USB插头是小型的，与典型的串口或并口电缆不同，插头不通过螺丝和螺母连接3USB 的特点USB所有相连的设备都由USB总线供电。223USB规范的另一个优点是自我识别外设，这个特性大大简化了安装。USB设备可以进行热插拔，这就是说每次连接或断开一个外设时，不必关机或重新启动计算机。USB这样的接口带来的最