《微机原理与接口技术》第7章 微机总线及IO接口标准课件

【学习目标】第7章PC微机总线系统总线的基本概念总线的主要技术参数【学习目标】第7章PC微机总线系统总线的基本概念1第7章PC微机总线系统7.1概述

连接微型计算机各部件（器件）间的通信电缆（线路）就称为总线，为各部件之间的数据、地址和控制等信号的传输提供通道。

7.1.1

总线的分类1.按所传输信号的类型划分（1）数据总线（DataBus）第7章PC微机总线系统7.1概述2第7章PC微机总线系统负责数据信号的传输，总线中传输数据的线路数称为总线宽度，总线宽度在很大程度上决定了总线的数据传输性能。例如ISA总线的数据线是16条，则表示ISA总线在一个总线周期内最多可传输16位二进制数据。第7章PC微机总线系统负责数据信号的传输，总线3第7章PC微机总线系统（2）地址总线（AddressBus）负责地址信号的传输，总线的地址线数决定了总线的寻址能力。地址线越多，寻址范围越大。例如ISA总线有24根地址线，则其寻址范围为224=16M。第7章PC微机总线系统（2）地址总线（Address4第7章PC微机总线系统（3）控制总线（ControlBus）负责控制信号的传输，控制总线决定了总线功能的强弱和适用性。总线的控制线越多，则总线的控制功能也越强，但连接也越复杂。除了上述三类信号线外，还有电源线和地线。第7章PC微机总线系统（3）控制总线（Control5第7章PC微机总线系统按系统的层次、位置，总线可分为:1.片总线又称为元件级总线或CPU总线，用于芯片级的互连。由于CPU及相应芯片组各不相同，片总线无互换性，不能标准化。2.内部总线又称为系统总线，用于微型计算机中各插件板与系统之间的连接。如：ISA、MAC和PCI等。第7章PC微机总线系统按系统的层次、位置，总线可分为:6第7章PC微机总线系统3.按总线的层次结构划分（1）局部总线：是指连接CPU与外围各芯片的连线，如主板上的印刷线路。（2）系统总线：是指连接计算机内各部件的连线，如软硬盘连线。（3）外部总线：是指计算机与外部设备的连线，如键盘连线。第7章PC微机总线系统3.按总线的层次结构划分（17第7章PC微机总线系统7.1.2总线的性能参数对总线的主要性能要求是数据传输速率。总线的数据传输速速率主要由总线宽度和总线频率决定，除此之外对总线的性能要求性还有数据的同步方式及信号线数等。数据线越多→数据传输速率越快地址线越多→寻址范围越大

一般来说：控制线越多→控制功能越强第7章PC微机总线系统7.1.2总线的性能参数8第7章PC微机总线系统1.总线宽度即总线能同时传输的数据位数。2.总线频率总线频率是指总线工作的时钟频率。3.总线数据传输速率总线数据传输速率(也称总线带宽)是指单位时间内总线最大能传输的数据总量，单位为byte/S（字节/秒）。第7章PC微机总线系统1.总线宽度2.总线频率3.9第7章PC微机总线系统总线数据传输速率与总线宽度和总线频率有关，其关系为：总线数据传输速率＝(总线宽度/8)×总线频率例如，总线宽度为64位，总线频率66MHz，则总线带宽为：（64位/8位）×66MHz＝528MB/S即每秒钟传输528兆字节的数据。第7章PC微机总线系统总线数据传输速率与总线宽10第7章PC微机总线系统4.同步方式同步是指数据接收方必须按照发送方发送数据的起止时间和码元重复频率（即波特率）来接收数据。同步方式有两种：(1)同步传输以一个数据块(若干个字符)为传输单位，在同步时钟的控制下进行数据的传输，收发双方的时钟必须在一个数据块内保持同步，进行一次数据传输所需的时间是固定的。第7章PC微机总线系统4.同步方式同步是指数11第7章PC微机总线系统(2)异步传输通常以一个字节为传输单位，传输时同步时钟只需在一个字节内保持同步即可，采用应答方式进行总线握手，数据传输周期可以根据需要进行调整。第7章PC微机总线系统(2)异步传输通常以一12第7章PC微机总线系统7.1.3总线标准制定总线标准的目的是为了使计算机各部件生产厂家所生产的部件能相互连接。负责制定总线标准的组织主要有国际标准化组织(ISO)、电气及电子工程师协会(IEEE)和电子工业协会（EIA）等。第7章PC微机总线系统7.1.3总线标准制定13第7章PC微机总线系统在总线标准中，主要规定总线结构的外形、相关尺寸及其排列方式、地址线的数目、数据的位数、有关控制信号及时钟同步方式等，常见的总线标准有：1.

ISA总线即工业标准总线（IndustryStandardArchitecture），又称AT总线。该总线的数据线是8位和16位兼容的总线，地址线是24位，时钟频率为8MHz。第7章PC微机总线系统在总线标准中，主要规定总14第7章PC微机总线系统2.

EISA总线即扩展工业标准结构(ExtendedIndustryStandardArchitecture)，由于ISA总线不能充分发挥32位微处理器的性能，因此制定了EISA总线标准，该总线与ISA总线是兼容的，即原来能通过ISA总线接入的设备，也可通过EISA总线连接到计算机。EISA总线的数据线是32位，地址线是32位，时钟频率为8.33MHz，总线最大数据传输速率为33.3MB/s。

第7章PC微机总线系统2.EISA总线即扩展15第7章PC微机总线系统3.

VESA总线是由视频电子标准协会（VideoElectronicStandardAssociation）制定的，又称VL-Bus（VESALocalBus），是一种32位（数据线）的局部总线，为了保持与ISA总线的兼容性，在结构上VL-Bus分成两个部分，一部分与ISA总线保持一致，另一部分能以33MHz的速率工作。第7章PC微机总线系统3.VESA总线是由视16第7章PC微机总线系统4.

PCI总线即外围器件互连（PeripheralComponentInterconnect），是目前微型计算机中广泛使用的一种总线标准，该总线具有数据传输速率高、性能好、可靠性高、价格低及使用方便等优点。第7章PC微机总线系统4.PCI总线即外围器17第7章PC微机总线系统5.

RS-232总线是由电子工业协会EIA（ElectronicIndustriesAssociation）制定的。该总线是一种串行总线，即采用串行方式传输数据，是目前常用的一种总线，该总线标准建议采用DB-25连接器，但只定义了22个引脚，该总线标准最早出现于20世纪60年代，在当时主要是用于连接调制解调器（Modem），最大传输距离为15m，最大数据传输速率为19.2Kbps。

第7章PC微机总线系统5.RS-232总线是18第7章PC微机总线系统1.RS-232-C机械规范

第7章PC微机总线系统1.RS-232-C机械规范19第7章PC微机总线系统2.RS-232-C电气规范

RS-232-采用负逻辑:逻辑0:3V～15V逻辑1:-3V～-15VTTL电平到232电平：MC1488232电平到TTL电平：MC1489

第7章PC微机总线系统2.RS-232-C电气规范R20第7章PC微机总线系统3.RS-232-C功能规范

保护地(PG)发送数据(TxD)接收数据(RxD)请求发送(RTS)允许发送(CTS)第7章PC微机总线系统3.RS-232-C功能规范保21第7章PC微机总线系统数据装置就绪(DSR)数据终端就绪(DTR)接收数据(RxD)数据载波检测(DCD)振铃信号(RI)信号地(SG)4.RS-232-C过程规范

第7章PC微机总线系统数据装置就绪(DSR)4.RS-22第7章PC微机总线系统7.USB总线即通用串行总线（UniversalSerialBus），USB总线是一种较新的总线标准，该总线较好地解决了微机系统中各种外设与CPU连接因为接口标准相互不兼容而无法共享所带来的安装与配置困难的问题。USB总线连接简单，只有２条数据线、１条电源线和１条地线，外形为长方形，最高数据传输速度可达到480Mbps。第7章PC微机总线系统7.USB总线即通用串23第7章PC微机总线系统7.2PCI系统总线

1991年Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq等多家公司成立PCI集团，制定了PCI总线标准。7.2.1PCI总线信号及特点PCI总线标准定义的信号线共有120根（包括电源、地和保留引脚），通常可分为2大类：必选信号和可选信号。第7章PC微机总线系统7.2PCI系统总线124第7章PC微机总线系统1.必选信号主控设备49根，目标设备47根。主控设备是指取得PCI总线控制权的设备，目标设备是指被主设备选中进行数据交换的设备。2.可选信号

51根，主要用于PCI总线64位扩展、中断请求、高速缓存支持等。第7章PC微机总线系统1.必选信号2.可选信号25第7章PC微机总线系统PCI总线的特点主要有：1.数据传输率高最大数据传输率为133MB/s，若数据宽度升级到64位，最大数据传输率可达266MB/s。

2.多总线共存采用PCI总线可在一个系统中让多种总线共存，使不同速度的设备一起工作。具体做法是通过PCI-ISA桥接器组件芯片，将PCI总线与ISA桥接，构成一个分层次的多总线系统，如图7.2-1所示。第7章PC微机总线系统PCI总线的特点主要有：1.26第7章PC微机总线系统CPUHOST-PCI桥接器（82443BX）PCI-ISA桥接器（82371EB）PCI总线ISA总线图7.2-1PCI总线与ISA总线共存方式第7章PC微机总线系统CPUHOST-PCI桥接器PC27第7章PC微机总线系统3.独立于CPUPCI总线不依附于任何具体的处理器，即PCI总线可用于多种不同处理器的计算机系统。当处理器更换时，只需更换不同的HOST-PCI桥接器即可。

4.自动识别与配置外设，方便用户。PCI总线共有4种标准规格，分别支持32位、64位微处理器以及3.3V和5.5V工作环境，总线频率为33.3MHz/66MHz。第7章PC微机总线系统3.独立于CPU4.自动28第7章PC微机总线系统

7.2.2PCI总线接口规范1.PCI总线的物理尺寸77.481.191.27B1A1B49A49B52A52B62A62图7.2-2PCI总线插槽（单位：mm）第7章PC微机总线系统7.2.2PCI总线接口规范29第7章PC微机总线系统PCI总线插槽共有120个引脚，但只定义了116个信号。两个设备通过PCI总线进行数据传输，其中取得总线控制权的设备称为主设备，而被主设备选中进行通信的设备称为目标设备（又称从设备）。第7章PC微机总线系统PCI总线插槽共有12030第7章PC微机总线系统PCI总线各信号的主要功能：1.系统信号线CLK：总线时钟信号，输入，最高频率可达33MHz/66MHz。

：复位信号，输入，使PCI总线的专用特性寄存器和定时器等的内容恢复到初始状态值。第7章PC微机总线系统PCI总线各信号的主要功能：1.31第7章PC微机总线系统2.地址/数据线AD31～0：地址/数据信号，双向三态输入/输出信号。

：总线命令/字节使能信号，三态。在PCI总线的地址周期传输总线命令，在数据周期时传输字节使能信号。PAR：针对AD31～0和C/BE3～0信号进行奇偶校验的校验位，双向三态输入/输出信号。第7章PC微机总线系统2.地址/数据线AD31～0：地32第7章PC微机总线系统3.接口控制信号

：帧周期信号，三态，由当前主设备驱动，低电平有效，有效表示一次传输的开始和持续，从设备最后一个数据传输完失效。

：主设备准备好信号。

：从设备准备好信号。第7章PC微机总线系统3.接口控制信号33第7章PC微机总线系统

：数据传输终止信号，三态，由目标设备发出。IDSEL：初始化设备选择信号，输入，在参数配置读写期间，用作片选信号。

：设备选择信号，三态，由目标设备驱动，有效时表示PCI总线上的某一设备已被选中。第7章PC微机总线系统：数据传输终34第7章PC微机总线系统4.仲裁信号

：总线请求信号，双向三态，输入/输出，有效表示驱动它的设备请求使用总线。

：总线允许信号，双向三态，输入/输出，有效表示设备使用总线请求已获批准。

第7章PC微机总线系统4.仲裁信号：35第7章PC微机总线系统5.中断信号

：中断A，用于请求一次中断。

：仅用于请求一次多功能设备上的中断。

：中断C，功能同B。

：中断D，功能同B。第7章PC微机总线系统5.中断信号：36第7章PC微机总线系统在PCI总线中，所谓的多功能设备是指一个设备有多种功能，每一个功能都连接到任何一条中断线上，由中断寄存器决定该功能用哪一条中断线去请求中断。若多功能设备只用一条中断线，则这条中断线就称为INTA，若该多功能设备使用了2条中断线，则称为INTA和INTB，依此类推。第7章PC微机总线系统在PCI总线中，37第7章PC微机总线系统6.64位总线扩展信号

：扩展的32位地址/数据多路复用信号，双向，三态，输入/输出信号。

：64位传输请求信号。

：64位传输确认信号。第7章PC微机总线系统6.64位总线扩展信号38第7章PC微机总线系统7.2.3PCI总线数据传输过程1.

PCI总线的读操作时序123456789图7.2-3PCI总线的读操作时序CLKFRAMEAD31～AD0C/BE3～0IRDYTRDYDEVSEL数据1地址输出数据2数据3总线命令BE3～0第7章PC微机总线系统7.2.3PCI总线数据传输过39第7章PC微机总线系统(1)

一旦信号有效，地址周期开始。(2)

在地址周期内，AD31～0提供地址，提供一个总线命令。(3)

在数据周期内(从时钟3处开始)，AD31～0提供数据，信号指明哪些数据是有效的。(4)由主设备提供，有效表示能够完成一个数据周期。第7章PC微机总线系统(1)一旦40第7章PC微机总线系统(5)

信号由被选中的从设备提供。信号同时有效才能进行数据传输，否则插入一个等待周期。第7章PC微机总线系统(5)41第7章PC微机总线系统2.

PCI总线的写操作时序

图7.2-4PCI总线的写操作时序CLKFRAMEAD31～AD0C/BE3～0IRDYTRDYDEVSEL数据1地址输出数据2数据3总线命令BE3～0第7章PC微机总线系统2.PCI总线的写操作时序42第7章PC微机总线系统3.传输的终止过程

主设备和目标设备都可以提出终止一次PCI总线传送的请求，但双方都不能单方面终止，需要相互配合，并且最终的停止控制要由主设备完成。终止传输的标志是FRAME和IRDY均失效。第7章PC微机总线系统3.传输的终止过程主43第7章PC微机总线系统(1)由主设备提出的终止有2种情况主设备会提出终止传输：主设备已经完成了要做的事；超时。主设备通过撤消FRAME信号并建立IRDY信号，提出终止PCI传输请求，以告诉目标设备现已进入了最后的数据传输周期，此后IRDY信号一直保有效，直到出现TRDY信号，完成最后一个数据的传输，撤消IRDY信号，PCI传输终止，FRAME和IRDY均无效。第7章PC微机总线系统(1)由主设备提出的终止有244第7章PC微机总线系统(2)由从设备提出的终止目标设备向主设备发出STOP信号，表示终止一次PCI数据传输，STOP信号发出后必须保持到FRAME信号撤消为止，当FRAME信号无效时应使IDRY信号有效，FRAME信号撤消后，STOP信号也紧接着撤消，传输终止。

第7章PC微机总线系统(2)由从设备提出的终止45第7章PC微机总线系统4.总线的仲裁

CPU总线仲裁器桥接器PCI总线PCI设备①REQ，请求使用总线②GNT，允许使用总线第7章PC微机总线系统4.总线的仲裁总线仲裁器桥46第7章PC微机总线系统7.2.4PCI总线配制

PCI定义了3个物理地址空间，即存储器空间、I/O地址空间和配置地址空间。前两个是通常意义上的地址空间，最后一个是用于支持PCI硬件配置的特殊空间。1.配置空间头区域及功能

PCI总线的一个物理设备可能包含一个或多个PCI功能设备，每个PCI功能设备都有64个配置双字单元。第7章PC微机总线系统7.2.4PCI总线配制47第7章PC微机总线系统7.2.5PCI总线BIOS通常对PCI总线的操作是通过PCIBIOS调用进行的，PCIBIOS分为16位和32位的PCIBIOS调用。

1.16位的PCIBIOS调用在实模式下(DOS环境)可以通过INT1AH中断来调用16位的PCIBIOS。调用时AH寄存器的内容必须为0B1H（PCI功能号），AL寄存器的内容为子功能号。第7章PC微机总线系统7.2.5PCI总线BIOS48第7章PC微机总线系统PCIBIOS的工能为：1)(AL)=01HPCIBIOS存在检测2)(AL)=02H使用供应商ID或设备ID找到系统中所有的PCI设备实例。3)(AL)=03H用指定的类代码查找系统中具有指定类代码的所有设备实例。4)(AL)=06H用于产PCI专用周期传输。第7章PC微机总线系统PCIBIOS的工能为：1)49第7章PC微机总线系统5)(AL)=08H读配置字节6)(AL)=09H读配置字7)(AL)=0AH读配置双字8)(AL)=0BH写配置字节9)(AL)=0BH写配置字第7章PC微机总线系统5)(AL)=08H读配置50第7章PC微机总线系统2.32位的PCIBIOS调用在80386的保护模式下（Windows环境）应调用32位的PCIBIOS。在调用32位的PCIBIOS前应先进行如下2项操作：(1)确定需要调用的32位BIOS是否存在，以及它的入口地址是多少，可扫描物理内存的000E0000H～000FFFF0H范围内的物理存储区域，寻找一个16字节的数据结构，这个16字节的数据结构如下：第7章PC微机总线系统2.32位的PCIBIOS调51第7章PC微机总线系统structbios_32{DWORDsignature;//固定字符“_32_”DWORDentry;BYTErevision;BYTElength;BYTEchecksum;}(2)确定32位BIOS是否支持PCIBIOS服务。第7章PC微机总线系统structbios_32{52第7章PC微机总线系统7.3外部通信总线7.3.1USB通用串行总线USB（UniversalSerialBus）通用串行总线是一种新型接口，目前在微型计算机中被广泛使用，其主要优点：1)连接简单

2)数据传输速率高

USB1.0→

1.5MB/s～12MB/s

USB2.0→

480MB/s。第7章PC微机总线系统7.3外部通信总线7.3.153第7章PC微机总线系统3)通用性好得到众多计算机硬软件厂商的广泛支持。一个USB系统的组成包括USB硬件和USB软件：1.

USB硬件(1)

USB主控制器(2)

USB设备：可分为集线器(HUB)设备和功能(Function)设备。第7章PC微机总线系统3)通用性好一个USB系统的组54第7章PC微机总线系统2.

USB软件(1)

USB总线驱动程提供对USB芯片的支持，由计算机主板生产商或OS开发商提供。(2)

USB设备驱动程提供对USB设备的支持，通常由USB设备生产商提供。第7章PC微机总线系统2.

USB软件(1)

U55第7章PC微机总线系统3.

USB接口的物理、电气特性VCC提供+5V电源D(+)信号正端D(-)信号负端GND电源地图7.3-14针USB接头USB接口能向外设提供的电源4.75V～5.25V，最大电流500mA。第7章PC微机总线系统3.

USB接口的物理、电气特56第7章PC微机总线系统USB设备与计算机(或USBHub)的连接方式如下图所示。

USB数据线主机(或USBHub)USB接口高速USB收发器(高速USB设备)+5VD+D-地+3.0V～3.6VD+D-地该上拉电阻用来识别USB设备速度第7章PC微机总线系统USB设备与计算机(或U57第7章PC微机总线系统USB数据线主机(或USBHub)USB接口低速USB收发器(低速USB设备)+5VD+D-地+3.0V～3.6VD+D-地该上拉电阻用来识别USB设备速度当没有设备连接到USB端口时，D+和D-的电压接近地；当D+和D-的电压都上升到2.5V以上并持续2.5μs以上时，说明设备已经连接到USB端口,当D+和D-的电压都下降到0.8V以下并持续2.5μs以上时，说明设备已经与USB端口断开连接。

第7章PC微机总线系统USB数据线主机(或USBHu58第7章PC微机总线系统4.

USB总线的数据的传输类型USB数据流类型有4种：控制信号流、块数据流、中断数据流和实时数据流，与此对应的数据传输类型也有4种：(1)控制(Control)传输：主要用来传输主机与USB设备间的控制命令。(2)批(Bulk)传输：主要用来传输对时间要求不高，但有较高正确率要求的大批量数据，如扫描仪、数码相机等。第7章PC微机总线系统4.USB总线的数据的传输类型59第7章PC微机总线系统(3)中断(Interrupt)传输：该方式适用于数据量较小的传输，如键盘。

(4)同步(Isochroous)传输：适于传输实时数据，数据传输速率固定，对出错的数据不进行纠错，如视频设备。第7章PC微机总线系统(3)中断(Interrupt60第7章PC微机总线系统7.3.2IEEE1394高性能串行总线IEEE1394是1993年由Apple公司首先提出的，1995年成为正工业标准，全称是IEEE1394高性能串行总线标准。1.IEEE1394高性能串行总线的主要特点(1)通用性强：可连接多种不同的外设。(2)数据传输率高:目前能够达到的最高数据传输速率为400MB/s。第7章PC微机总线系统7.3.2IEEE1394高61第7章PC微机总线系统(3)实时性强：同步传输，因此能保证传输数据的实时性。(4)连接简单、使用方便：支持外设的热插拔，可外设提供4V～10V、1.5A的直流电源。2.IEEE1394连接设备的方式(1)电缆连接：使用2对信号线，一对用于发送，另一对用于接收，支持3种数据传输速率：100MB/s、200MB/s和400MB/s。第7章PC微机总线系统(3)实时性强：同步传输，因此能62第7章PC微机总线系统CPU扫描仪打印机驱动器CD-ROM数码相机IEEE1394电缆连接电源线对屏蔽层信号线对A信号线对BIEEE1394电缆剖面图第7章PC微机总线系统扫描仪打印机驱动器CD-ROM数63第7章PC微机总线系统在电缆环境下设备的地址识别码是64位，其地址结构如下图所示。NodeID结点内空间地址BusIDPhysicalID图7.3-3IEEE1394地址分配0910151663第7章PC微机总线系统在电缆环境下设备的地址识64第7章PC微机总线系统2.内部总线连接将IEEE1394的连接线分布在计算机主板上，连接位于主板上的各功能部件，在该方式下能达到的数据传输速率为：12.5MB/s、25MB/s和50MB/s，其连接方式如下图所示。

图7.3-5IEEE1394电缆连接设备CPUDVDI/O接口内存IEEE1394总线第7章PC微机总线系统2.内部总线连接将IEE65第7章PC微机总线系统3.IEEE1394桥接器CPUDVDI/O接口内存IEEE1394总线CPU扫描仪打印机驱动器CD-ROM数码相机IEEE1394桥接器第7章PC微机总线系统3.IEEE1394桥接器D66第7章PC微机总线系统7.3.3SCSI小型机接口总线SCSI(SmallComputerSystemInterface,即小型计算机接口)，最早是用在小型计算机上的，现在在微型计算机中也有使用了，但主要是用在性能较高的专用服务器中。1.SCSI接口的主要特性(1)通用性好SCSI不依赖于具体的设备，它用一组通用的命令来控制与其相连接的各种设备，即不涉及外设的具体物理特性。第7章PC微机总线系统7.3.3SCSI小型机接口总67第7章PC微机总线系统(2)SCSI总线上的设备没有主从之分。(3)SCSI可分为单端传送方式和差分传送方式。在SCSI单端传送方式下电缆长度不能超过6m；在SCSI差分传送方式下传送距离可达25m。(4)SCSI可以按同步和异步方式传输数据。(5)SCSI是一个多任务接口，具有总线仲裁能力。第7章PC微机总线系统(2)SCSI总线上的设备没有68第7章PC微机总线系统2.SCSI系统的层次结构主机1适配器1主机2适配器2控制器1外设控制器2外设1外设2…控制器3外设1外设2…SCSI总线第7章PC微机总线系统2.SCSI系统的层次结构主机169第7章PC微机总线系统3.SCSI总线的信号SCSI-1总线采用50线的扁平电缆，SCSI-２总线采用68线的电缆，其主要信号线的含义和功能：(1)

DB0～DB7：数据线。(2)

BSY(Busy)：忙状态。(3)REQ(Request)：请求传输。(4)

SEL(Select)：选择，表示启动设备选择目标设备或目标设备选择启动设备。第7章PC微机总线系统3.SCSI总线的信号70第7章PC微机总线系统(5)

ACK(Acknowledge)：应答。(6)

RST(Reset)：复位。4.

SCSI总线传输线类型(1)

单端型用1根线传送信号，公共地线作为回线，采用负逻辑。(2)

差动型用2根线传送信号，传输信号时由2根信号的电位差来确定传输的信号。第7章PC微机总线系统(5)ACK(Acknowle71【学习目标】第7章PC微机总线系统总线的基本概念总线的主要技术参数【学习目标】第7章PC微机总线系统总线的基本概念72第7章PC微机总线系统7.1概述

连接微型计算机各部件（器件）间的通信电缆（线路）就称为总线，为各部件之间的数据、地址和控制等信号的传输提供通道。

7.1.1

总线的分类1.按所传输信号的类型划分（1）数据总线（DataBus）第7章PC微机总线系统7.1概述73第7章PC微机总线系统负责数据信号的传输，总线中传输数据的线路数称为总线宽度，总线宽度在很大程度上决定了总线的数据传输性能。例如ISA总线的数据线是16条，则表示ISA总线在一个总线周期内最多可传输16位二进制数据。第7章PC微机总线系统负责数据信号的传输，总线74第7章PC微机总线系统（2）地址总线（AddressBus）负责地址信号的传输，总线的地址线数决定了总线的寻址能力。地址线越多，寻址范围越大。例如ISA总线有24根地址线，则其寻址范围为224=16M。第7章PC微机总线系统（2）地址总线（Address75第7章PC微机总线系统（3）控制总线（ControlBus）负责控制信号的传输，控制总线决定了总线功能的强弱和适用性。总线的控制线越多，则总线的控制功能也越强，但连接也越复杂。除了上述三类信号线外，还有电源线和地线。第7章PC微机总线系统（3）控制总线（Control76第7章PC微机总线系统按系统的层次、位置，总线可分为:1.片总线又称为元件级总线或CPU总线，用于芯片级的互连。由于CPU及相应芯片组各不相同，片总线无互换性，不能标准化。2.内部总线又称为系统总线，用于微型计算机中各插件板与系统之间的连接。如：ISA、MAC和PCI等。第7章PC微机总线系统按系统的层次、位置，总线可分为:77第7章PC微机总线系统3.按总线的层次结构划分（1）局部总线：是指连接CPU与外围各芯片的连线，如主板上的印刷线路。（2）系统总线：是指连接计算机内各部件的连线，如软硬盘连线。（3）外部总线：是指计算机与外部设备的连线，如键盘连线。第7章PC微机总线系统3.按总线的层次结构划分（178第7章PC微机总线系统7.1.2总线的性能参数对总线的主要性能要求是数据传输速率。总线的数据传输速速率主要由总线宽度和总线频率决定，除此之外对总线的性能要求性还有数据的同步方式及信号线数等。数据线越多→数据传输速率越快地址线越多→寻址范围越大

一般来说：控制线越多→控制功能越强第7章PC微机总线系统7.1.2总线的性能参数79第7章PC微机总线系统1.总线宽度即总线能同时传输的数据位数。2.总线频率总线频率是指总线工作的时钟频率。3.总线数据传输速率总线数据传输速率(也称总线带宽)是指单位时间内总线最大能传输的数据总量，单位为byte/S（字节/秒）。第7章PC微机总线系统1.总线宽度2.总线频率3.80第7章PC微机总线系统总线数据传输速率与总线宽度和总线频率有关，其关系为：总线数据传输速率＝(总线宽度/8)×总线频率例如，总线宽度为64位，总线频率66MHz，则总线带宽为：（64位/8位）×66MHz＝528MB/S即每秒钟传输528兆字节的数据。第7章PC微机总线系统总线数据传输速率与总线宽81第7章PC微机总线系统4.同步方式同步是指数据接收方必须按照发送方发送数据的起止时间和码元重复频率（即波特率）来接收数据。同步方式有两种：(1)同步传输以一个数据块(若干个字符)为传输单位，在同步时钟的控制下进行数据的传输，收发双方的时钟必须在一个数据块内保持同步，进行一次数据传输所需的时间是固定的。第7章PC微机总线系统4.同步方式同步是指数82第7章PC微机总线系统(2)异步传输通常以一个字节为传输单位，传输时同步时钟只需在一个字节内保持同步即可，采用应答方式进行总线握手，数据传输周期可以根据需要进行调整。第7章PC微机总线系统(2)异步传输通常以一83第7章PC微机总线系统7.1.3总线标准制定总线标准的目的是为了使计算机各部件生产厂家所生产的部件能相互连接。负责制定总线标准的组织主要有国际标准化组织(ISO)、电气及电子工程师协会(IEEE)和电子工业协会（EIA）等。第7章PC微机总线系统7.1.3总线标准制定84第7章PC微机总线系统在总线标准中，主要规定总线结构的外形、相关尺寸及其排列方式、地址线的数目、数据的位数、有关控制信号及时钟同步方式等，常见的总线标准有：1.

ISA总线即工业标准总线（IndustryStandardArchitecture），又称AT总线。该总线的数据线是8位和16位兼容的总线，地址线是24位，时钟频率为8MHz。第7章PC微机总线系统在总线标准中，主要规定总85第7章PC微机总线系统2.

EISA总线即扩展工业标准结构(ExtendedIndustryStandardArchitecture)，由于ISA总线不能充分发挥32位微处理器的性能，因此制定了EISA总线标准，该总线与ISA总线是兼容的，即原来能通过ISA总线接入的设备，也可通过EISA总线连接到计算机。EISA总线的数据线是32位，地址线是32位，时钟频率为8.33MHz，总线最大数据传输速率为33.3MB/s。

第7章PC微机总线系统2.EISA总线即扩展86第7章PC微机总线系统3.

VESA总线是由视频电子标准协会（VideoElectronicStandardAssociation）制定的，又称VL-Bus（VESALocalBus），是一种32位（数据线）的局部总线，为了保持与ISA总线的兼容性，在结构上VL-Bus分成两个部分，一部分与ISA总线保持一致，另一部分能以33MHz的速率工作。第7章PC微机总线系统3.VESA总线是由视87第7章PC微机总线系统4.

PCI总线即外围器件互连（PeripheralComponentInterconnect），是目前微型计算机中广泛使用的一种总线标准，该总线具有数据传输速率高、性能好、可靠性高、价格低及使用方便等优点。第7章PC微机总线系统4.PCI总线即外围器88第7章PC微机总线系统5.

RS-232总线是由电子工业协会EIA（ElectronicIndustriesAssociation）制定的。该总线是一种串行总线，即采用串行方式传输数据，是目前常用的一种总线，该总线标准建议采用DB-25连接器，但只定义了22个引脚，该总线标准最早出现于20世纪60年代，在当时主要是用于连接调制解调器（Modem），最大传输距离为15m，最大数据传输速率为19.2Kbps。

第7章PC微机总线系统5.RS-232总线是89第7章PC微机总线系统1.RS-232-C机械规范

第7章PC微机总线系统1.RS-232-C机械规范90第7章PC微机总线系统2.RS-232-C电气规范

RS-232-采用负逻辑:逻辑0:3V～15V逻辑1:-3V～-15VTTL电平到232电平：MC1488232电平到TTL电平：MC1489

第7章PC微机总线系统2.RS-232-C电气规范R91第7章PC微机总线系统3.RS-232-C功能规范

保护地(PG)发送数据(TxD)接收数据(RxD)请求发送(RTS)允许发送(CTS)第7章PC微机总线系统3.RS-232-C功能规范保92第7章PC微机总线系统数据装置就绪(DSR)数据终端就绪(DTR)接收数据(RxD)数据载波检测(DCD)振铃信号(RI)信号地(SG)4.RS-232-C过程规范

第7章PC微机总线系统数据装置就绪(DSR)4.RS-93第7章PC微机总线系统7.USB总线即通用串行总线（UniversalSerialBus），USB总线是一种较新的总线标准，该总线较好地解决了微机系统中各种外设与CPU连接因为接口标准相互不兼容而无法共享所带来的安装与配置困难的问题。USB总线连接简单，只有２条数据线、１条电源线和１条地线，外形为长方形，最高数据传输速度可达到480Mbps。第7章PC微机总线系统7.USB总线即通用串94第7章PC微机总线系统7.2PCI系统总线

1991年Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq等多家公司成立PCI集团，制定了PCI总线标准。7.2.1PCI总线信号及特点PCI总线标准定义的信号线共有120根（包括电源、地和保留引脚），通常可分为2大类：必选信号和可选信号。第7章PC微机总线系统7.2PCI系统总线195第7章PC微机总线系统1.必选信号主控设备49根，目标设备47根。主控设备是指取得PCI总线控制权的设备，目标设备是指被主设备选中进行数据交换的设备。2.可选信号

51根，主要用于PCI总线64位扩展、中断请求、高速缓存支持等。第7章PC微机总线系统1.必选信号2.可选信号96第7章PC微机总线系统PCI总线的特点主要有：1.数据传输率高最大数据传输率为133MB/s，若数据宽度升级到64位，最大数据传输率可达266MB/s。

2.多总线共存采用PCI总线可在一个系统中让多种总线共存，使不同速度的设备一起工作。具体做法是通过PCI-ISA桥接器组件芯片，将PCI总线与ISA桥接，构成一个分层次的多总线系统，如图7.2-1所示。第7章PC微机总线系统PCI总线的特点主要有：1.97第7章PC微机总线系统CPUHOST-PCI桥接器（82443BX）PCI-ISA桥接器（82371EB）PCI总线ISA总线图7.2-1PCI总线与ISA总线共存方式第7章PC微机总线系统CPUHOST-PCI桥接器PC98第7章PC微机总线系统3.独立于CPUPCI总线不依附于任何具体的处理器，即PCI总线可用于多种不同处理器的计算机系统。当处理器更换时，只需更换不同的HOST-PCI桥接器即可。

4.自动识别与配置外设，方便用户。PCI总线共有4种标准规格，分别支持32位、64位微处理器以及3.3V和5.5V工作环境，总线频率为33.3MHz/66MHz。第7章PC微机总线系统3.独立于CPU4.自动99第7章PC微机总线系统

7.2.2PCI总线接口规范1.PCI总线的物理尺寸77.481.191.27B1A1B49A49B52A52B62A62图7.2-2PCI总线插槽（单位：mm）第7章PC微机总线系统7.2.2PCI总线接口规范100第7章PC微机总线系统PCI总线插槽共有120个引脚，但只定义了116个信号。两个设备通过PCI总线进行数据传输，其中取得总线控制权的设备称为主设备，而被主设备选中进行通信的设备称为目标设备（又称从设备）。第7章PC微机总线系统PCI总线插槽共有120101第7章PC微机总线系统PCI总线各信号的主要功能：1.系统信号线CLK：总线时钟信号，输入，最高频率可达33MHz/66MHz。

：复位信号，输入，使PCI总线的专用特性寄存器和定时器等的内容恢复到初始状态值。第7章PC微机总线系统PCI总线各信号的主要功能：1.102第7章PC微机总线系统2.地址/数据线AD31～0：地址/数据信号，双向三态输入/输出信号。

：总线命令/字节使能信号，三态。在PCI总线的地址周期传输总线命令，在数据周期时传输字节使能信号。PAR：针对AD31～0和C/BE3～0信号进行奇偶校验的校验位，双向三态输入/输出信号。第7章PC微机总线系统2.地址/数据线AD31～0：地103第7章PC微机总线系统3.接口控制信号

：帧周期信号，三态，由当前主设备驱动，低电平有效，有效表示一次传输的开始和持续，从设备最后一个数据传输完失效。

：主设备准备好信号。

：从设备准备好信号。第7章PC微机总线系统3.接口控制信号104第7章PC微机总线系统

：数据传输终止信号，三态，由目标设备发出。IDSEL：初始化设备选择信号，输入，在参数配置读写期间，用作片选信号。

：设备选择信号，三态，由目标设备驱动，有效时表示PCI总线上的某一设备已被选中。第7章PC微机总线系统：数据传输终105第7章PC微机总线系统4.仲裁信号

：总线请求信号，双向三态，输入/输出，有效表示驱动它的设备请求使用总线。

：总线允许信号，双向三态，输入/输出，有效表示设备使用总线请求已获批准。

第7章PC微机总线系统4.仲裁信号：106第7章PC微机总线系统5.中断信号

：中断A，用于请求一次中断。

：仅用于请求一次多功能设备上的中断。

：中断C，功能同B。

：中断D，功能同B。第7章PC微机总线系统5.中断信号：107第7章PC微机总线系统在PCI总线中，所谓的多功能设备是指一个设备有多种功能，每一个功能都连接到任何一条中断线上，由中断寄存器决定该功能用哪一条中断线去请求中断。若多功能设备只用一条中断线，则这条中断线就称为INTA，若该多功能设备使用了2条中断线，则称为INTA和INTB，依此类推。第7章PC微机总线系统在PCI总线中，108第7章PC微机总线系统6.64位总线扩展信号

：扩展的32位地址/数据多路复用信号，双向，三态，输入/输出信号。

：64位传输请求信号。

：64位传输确认信号。第7章PC微机总线系统6.64位总线扩展信号109第7章PC微机总线系统7.2.3PCI总线数据传输过程1.

PCI总线的读操作时序123456789图7.2-3PCI总线的读操作时序CLKFRAMEAD31～AD0C/BE3～0IRDYTRDYDEVSEL数据1地址输出数据2数据3总线命令BE3～0第7章PC微机总线系统7.2.3PCI总线数据传输过110第7章PC微机总线系统(1)

一旦信号有效，地址周期开始。(2)

在地址周期内，AD31～0提供地址，提供一个总线命令。(3)

在数据周期内(从时钟3处开始)，AD31～0提供数据，信号指明哪些数据是有效的。(4)由主设备提供，有效表示能够完成一个数据周期。第7章PC微机总线系统(1)一旦111第7章PC微机总线系统(5)

信号由被选中的从设备提供。信号同时有效才能进行数据传输，否则插入一个等待周期。第7章PC微机总线系统(5)112第7章PC微机总线系统2.

PCI总线的写操作时序

图7.2-4PCI总线的写操作时序CLKFRAMEAD31～AD0C/BE3～0IRDYTRDYDEVSEL数据1地址输出数据2数据3总线命令BE3～0第7章PC微机总线系统2.PCI总线的写操作时序113第7章PC微机总线系统3.传输的终止过程

主设备和目标设备都可以提出终止一次PCI总线传送的请求，但双方都不能单方面终止，需要相互配合，并且最终的停止控制要由主设备完成。终止传输的标志是FRAME和IRDY均失效。第7章PC微机总线系统3.传输的终止过程主114第7章PC微机总线系统(1)由主设备提出的终止有2种情况主设备会提出终止传输：主设备已经完成了要做的事；超时。主设备通过撤消FRAME信号并建立IRDY信号，提出终止PCI传输请求，以告诉目标设备现已进入了最后的数据传输周期，此后IRDY信号一直保有效，直到出现TRDY信号，完成最后一个数据的传输，撤消IRDY信号，PCI传输终止，FRAME和IRDY均无效。第7章PC微机总线系统(1)由主设备提出的终止有2115第7章PC微机总线系统(2)由从设备提出的终止目标设备向主设备发出STOP信号，表示终止一次PCI数据传输，STOP信号发出后必须保持到FRAME信号撤消为止，当FRAME信号无效时应使IDRY信号有效，FRAME信号撤消后，STOP信号也紧接着撤消，传输终止。

第7章PC微机总线系统(2)由从设备提出的终止116第7章PC微机总线系统4.总线的仲裁

CPU总线仲裁器桥接器PCI总线PCI设备①REQ，请求使用总线②GNT，允许使用总线第7章PC微机总线系统4.总线的仲裁总线仲裁器桥117第7章PC微机总线系统7.2.4PCI总线配制

PCI定义了3个物理地址空间，即存储器空间、I/O地址空间和配置地址空间。前两个是通常意义上的地址空间，最后一个是用于支持PCI硬件配置的特殊空间。1.配置空间头区域及功能

PCI总线的一个物理设备可能包含一个或多个PCI功能设备，每个PCI功能设备都有64个配置双字单元。第7章PC微机总线系统7.2.4PCI总线配制118第7章PC微机总线系统7.2.5PCI总线BIOS通常对PCI总线的操作是通过PCIBIOS调用进行的，PCIBIOS分为16位和32位的PCIBIOS调用。

1.16位的PCIBIOS调用在实模式下(DOS环境)可以通过INT1AH中断来调用16位的PCIBIOS。调用时AH寄存器的内容必须为0B1H（PCI功能号），AL寄存器的内容为子功能号。第7章PC微机总线系统7.2.5PCI总线BIOS119第7章PC微机总线系统PCIBIOS的工能为：1)(AL)=01HPCIBIOS存在检测2)(AL)=02H使用供应商ID或设备ID找到系统中所有的PCI设备实例。3)(AL)=03H用指定的类代码查找系统中具有指定类代码的所有设备实例。4)(AL)=06H用于产PCI专用周期传输。第7章PC微机总线系统PCIBIOS的工能为：1)120第7章PC微机总线系统5)(AL)=08H读配置字节6)(AL)=09H读配置字7)(AL)=0AH读配置双字8)(AL)=0BH写配置字节9)(AL)=0BH写配置字第7章PC微机总线系统5)(AL)=08H读配置121第7章PC微机总线系统2.32位的PCIBIOS调用在80386的保护模式下（Windows环境）应调用32位的PCIBIOS。在调用32位的PCIBIOS前应先进行如下2项操作：(1)确定需要调用的32位BIOS是否存在，以及它的入口地址是多少，可扫描物理内存的000E0000H～000FFFF0H范围内的物理存储区域，寻找一个16字节的数据结构，这个16字节的数据结构如下：第7章PC微机总线系统2.32位的PCIBIOS调122第7章PC微机总线系统structbios_32{DWORDsignature;//固定字符“_32_”DWORDentry;BYTErevision;BYTElength;BYTEchecksum;}(2)确定32位BIOS是否支持PCIBIOS服务。第7章PC微机总线系统structbios_32{123第7章PC微机总线系统7.3外部通信总线7.3.1USB通用串行总线USB（UniversalSerialBus）通用串行总线是一种新型接口，目前在微型计算机中被广泛使用，其主要优点：1)连接简单

2)数据传输速率高

USB1.0→

1.5MB/s～12MB/s

USB2.0→

480MB/s。第7章PC微机总线系统7.3外部通信总线7.3.1124第7章PC微机总线系统3)通用性好得到众多计算机硬软件厂商的广泛支持。一个USB系统的组成包括USB硬件和USB软件：1.

USB硬件(1)

USB主控制器(2)

USB设备：可分为集线器(HUB)设备和功能(Function)设备。第7章PC微机总线系统3)通用性好一个USB系统的组125第7章PC微机总线系统2.

USB软件(1)

USB总线驱动程提供对USB芯片的支持，由计算机主板生产商或OS开发商提供。(2)

USB设备驱动程提供对USB设备的支持，通常由USB设备生产商提供。第7章PC微机总线系统2.

USB软件(1)

U126第7章PC微机总线系统3.

USB接口的物理、电气特性VCC提供+5V电源D(+)信号正端D(-)信号负端GND电源地图7.3-14针USB接头USB接口能向外设提供的电源4.75V～5.25V，最大电流500mA。第7章PC微机总线系统3.

USB接口的物理、电气特127第7章PC微机总线系统USB设备与计算机(或USBHub)的连接方式如下图所示。

USB数据线主机(或USBHub)USB接口高速USB收发器(高速USB设备)+5VD+D-地+3.0V～3.6VD+D-地该上拉电阻用来识别USB设备速度第7章PC微机总线系统USB设备与计算机(或U128第7章PC微机总线系统USB数据线主机(或USBHub)USB接口低速USB收发器(低速USB设备)+5VD+D-地+3.0V～3.6VD+D-地该上拉电阻用来识别USB设备速度当没有设备连接到USB端口时，D+和D-的电压接近地；当D+和D-的电压都上升到2.5V以上并持续2.5μs以上时，说明设备已经连接到U