《微机原理与接口技术（第2版）》第07章总线技术

第7章总线技术本章知识要点：

本章说明了什么是总线，总线分类、总线操作等总线的基本知识，从中认识到总线在微机系统中重要性。又以Pentium为平台，从微机技术的角度对总线操作周期进行了描述。然后，对在微机技术发展过程中比较有影响的EISA局部总线进行了简单描述。根据目前在微机系统内装备有PCI局部总线的现实，从总线技术发展、PCI总线的技术特点、PCI的实际应用等诸多方面进行了详细的描述。本章重点是总线的概念、总线操作，以及PCI局部总线的技术特点以及先进性。７.1总线的概念

７．1．1概念总线是一种数据通道，由系统中各部件所共享。或者说，是在部件与部件之间、设备与设备之间传送信息的一组公用信号线。在主控设备（部件或设备）的控制之下，将发送设备（部件或设备）发出的信息准确地传送给某个接收设备的信号通路。总线的特点在于其公用性，即它可同时挂接多个部件或设备。如果是某两个部件或设备之间专用的信号连线，就不能称之为总线。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路。总线概念中两个常用的技术术语。主控设备（Master）也就是通常所说的总线主控设备，它是一个部件或设备，是控制总线操作的一个部件或设备。总线主控设备一旦被确认就可以对总线进行控制，并能够着手进行数据传送。也就是说，如果一个部件或设备欲向另一个部件或设备发送数据，它就要获得对总线的使用权，成为总线主控设备,才可以通过总线将数据传送给另一个设备。从属设备（Slave）从属设备能够响应在总线上对数据进行传送的请求，但总线从属设备自己不能启动这种在总线上进行数据传送的请求。也就是说，如果一个部件或设备欲接收从总线主控设备发过来的数据，首先必须获得对总线的使用权，答应总线主控设备，并发出可以收数据的响应信号。然后等待总线主控设备发出的数据，并且在控制总线的控制之下接收从数据总线上传送过来的数据。７.1.2总线标准的四个特性①物理特性：物理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的条数、总线的插头、插座是什么形状的、引脚是如何排列的等。②功能特性：功能特性描写的是这一组总线中每一根线的功能是什么。从功能上看，总线分成三组：地址总线，数据总线和控制总线。。③电器特性：电器特性定义每一根线上信号的传递方向、有效电平范围。④时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效。７．1．3总线分类在计算机系统内拥有多种总线，它们在计算机系统内的各个层次上，为各部件之间的通信提供通路。按在系统的不同层次、位置，总线可分为如下几类。1.片内总线片内总线，是指在微处理器芯片内部的总线,是用来连接芯片内各功能部件的信息通路。2.局部总线局部总线是指在印刷电路板上连接各插件的公共通路。目前，PC系列机上比较流行的标准主板局部总线有ISA、EISA、VESA、PCI以及AGP等标准总线。3.系统总线（内总线）系统总线又称为内总线,这是指微机机箱内的底板总线，用来连接构成微机的各插件板。4.通信总线（外部总线）通信总线又称为外部总线,它用于微机系统与系统之间、微机系统与外部设备,如打印机、磁盘设备或微机系统和仪器仪表之间的通信通道。总线构成

虽然总线有多种，但任何总线均包括有:

数据总线地址总线控制线控制信号应有以下几种类型

①写存储器命令：

②读存储器命令：

③输入/输出写命令：

④输入/输出读命令：

⑤传送响应：

⑥总线请求：

⑦总线允许：

⑧中断请求：

⑨中断响应：

⑩时钟和复位：７．1．4总线操作

为完成一个总线操作周期，一般要分成四个阶段：（1）总线请求和仲裁段（2）寻址阶段（3）数据传送阶段（4）结束阶段

７.2总线周期

７．2．1单传送周期最简单的一种总线周期就是单次传送的不可高速缓冲的64位传送周期。７．2．2成组周期

在成组传送这种操作方式下，Pentium在连续的几个时钟内既可以采集新的数据项也可以驱动新数据项。

1.成组读周期

2．成组写周期

７．2．3中断确认周期中断确认周期是为了响应由中断请求输入管脚引线INTR产生的可屏蔽中断请求。

７．2．4专用总线周期

７.3EISA局部总线

７．3．1EISA总线

1．ISA总线：

ISA总线最初是8位的标准总线，随着计算机技术的发展，经过多年的演变，也从8位的标准总线变成了被广泛应用的16位的标准总线。以后又发展成了经扩展的32位的标准总线EISA2．EISA总线：

EISA总线，即扩展的工业标准结构总线。是工业标准总线ISA的超集。它是在工业标准结构ISA总线的基础上发展而来的一种高性能32位结构的总线。它不仅拥有ISA总线的全部特征，而且还随着对ISA总线功能的扩充而增强了自身性能和能力。７.４PCI局部总线

在Pentium这样高性能的微处理器上，需要配备高性能的高总线带宽的总线，以便能充分利用Pentium的全部资源。PCI总线开放性好，具有广泛的兼容性。是一种低成本、高效益、能与ISA总线兼容的一种有前途的局部总线。

PCI总线在Pentium和其他总线之间架起了一座桥梁，它可以让任何一种基于ISA、EISA或微通道(MCA)的添加卡插到PCI总线上。７．４．1PCI总线扮演的角色

PCI总线在最新的Pentium4系统中，扮演一个非常重要的不可或缺的角色。目前几乎在所有以Pentium微处理器为平台的微型计算机系统中所采用的总线均是PCI总线。图给出了Pentium微处理器系统与PCI总线系统一起构成的一个微型计算机系统结构

片内局部总线ISA总线PCI总线Pentium微处理器动态RAM系统BIOSPCI总线控制器视频卡磁盘控制器高速缓冲存储器CacheISA总线控制器打印机接口传真机/调制解调器

7.４.2PCI局部总线的特征

⑴

它拥有的最高操作时钟速度为33MHz。

⑵它拥有32位和64位两种数据通道。

⑶支持由Pentium采用的2—1—1—1形式的成组数据传送方式。

⑷

它支持总线主控方式

⑸

与ISA、EISA、微通道等多种总线兼容。（6）它支持5V和3.3V两种扩充插件卡。（7）PCI总线实现了触发级的中断，这种中断可支持中断共享。（8）PCI总线能支持高达10个外围设备。

7．4．3即插即用即插即用已进入如下三个范畴之中：

1．即插即用特征既不是装备给系统板上的BIOS、也不是装备给插件卡，而是装备给PCI局部总线的。

2．若系统板BIOS装配有即插即用这一特征，而插件卡没有装配上即插即用这一特征。安装软件会帮你分配输入/输出地址，中断请求IRQS以及DMA通道等。

3．若系统板BIOS和插件卡都装配有即插即用这一特征。自动配置会对大小事都亲自处理。象对输入/输出地址的分配，中断请求IRQS以及DMA通道等事情均由自动配置处理，根本不需用户进行干预。7．4．4PCI标准化

任何一种CPU都可以使用PCI总线。对总线的连线进行了标准化处理，可以使CPU总线免受各种约束。在PCI总线上，对地址和数据的传送采用的是多路传送技术。

PCI总线是64位的扩展数据总线。PCI总线既可以进行32位数据传送，也可以进行64位的数据传送。7．4．5PCI的多路复用技术

PCI总线与其他总线不同的地方有两点：

一是PCI总线与32位或64位的数据总线以及一个完全的32位地址总线一起共同工作。

二是地址总线和数据总线采用了多路复用技术，以减小边缘连接器的尺寸。

PCI的地址线用AD31~AD0标识，与数据线是多路复用。在系统中，有一条64位的数据总线，但只使用其中的AD63~AD32这32位来传送数据。7．4．6PCI总线配置的存储器

在PCI接口上配备有大小为256字节的存储器，且允许由计算机对PCI接口进行访问操作。这一特性允许系统可以自动地在PCI插板上对系统实施动态的配置。微软公司将其称之为即插即用。图给出了配置的存储器及其内容。7．4．7PCI性能

PCI局部总线既支持单存储周期的传送方式,也支持成组传送方式。在单存储周期方式下，它要用2个时钟时间对数据字进行读写操作。由于PCI总线最大时钟频率为33MHZ，所以其时钟周期为30ns。

(1)由于在单存储周期传送方式下，每次传送均要用2个时钟，

(2)在成组周期传送方式下，在进行地址计算时，忽略掉第一个时钟的内务开销，它传送32位的数据则需1个时钟周期约30ns时间，所以其总线带宽=(1/30ns)4B=133MB/s。

7．4．8PCI总线桥

操作系统的多任务处理以及多媒体应用程序要求：系统外部设备对信息的吞吐量要“一大二快”。一大是指信息量要大，二快是指其操作系统速度要快。图中展示出了基于PCI总线的一个微处理器系统。微处理器以及存储器子系统与PCI总线以及扩展总线之间是各自独立的、非耦合的关系。所有的PCI总线上部件(以及各种介质)都与PCI总线相连，然后再经由PCI总线桥(PCIBridge)依次与微处理器相连。

浮点部件CPUCache主存储器PCI桥音频视频装置RAMSCSI主主适配器与扩展总线接口

LAN

适配器输入/

输出图形适配器视频RAM总线插槽总线插槽总线插槽总线插槽总线插槽音频/视频扩展微处理器/主存储器系统PCI总线扩展总线（ISA/EISA）7．4．9PCI总线操作

PCI总线总是在主控设备和从属设备(目标设备)之间交换信息，所谓主控设备是指对系统总线有控制权的设备，所谓从属设备是指只是对访问请求给以响应的那种设备。

PCI总线存取操作通常是由两个操作步骤组的，一个是地址操作步骤，另一个则是数据操作步骤。

PCI总线配备有一种功能非常强的成组方式。

7．4．10总线命令

PCI总线被公认为比EISA总线控制器或者微通道MCA控制器更加智能化。它能引导微处理器通过恰当的PCI设备实施访问操作。

PCI总线桥能发出16种不同的总线操作命令。这种信息是通过C/BE3#~C/BE0#(命令/字节允许)信号线实施多路传送操作的，而且是在每一个总线周期的地址操作步骤期间传送出去的。PCI总线桥的总线操作命令以及每条命令的简要说明在表中列出。7.4.11PCI上的数据传送操作

PCI总线上的数据传送操作，是由一个地址周期和一个或多个数据周期组成，是主控设备和从属设备的一次数据交换过程。如图中展示出了读操作的时序。事实上，所有操作均是与时钟的下降沿同步，即在每个时钟周期的中央。总线设备在总线周期开始时的上升沿对总线进行采样。7．4．12DMA和中断

在PCI总线概念里(同样,在EISA和微通道内)，由于有了总线主控设备这一概念，就使得DMA和中断这种操作方式成为过时的、多余的。从另一个角度上说，总线主控设备会停止系统主板上总线的操作，而与适配器之间的通信则是通过总线插件槽实现的。由此可见，PCI总线能支持真正的多微处理器操作系统。

另外，PCI总线还提供了4个敏感级可共享的中断INTA#-INTD#，经由系统的BIOS这些中断可以当成标准ATIRQ使用。

7.4.13仲裁

PCI总线采用的是集中式的同步仲裁方法，PCI总线上为每个主控设备都配备有独立的请求信号REQ#和许可信号GNT#线。这些信号线都被连接到中央仲裁部件上，如图所示。PCI仲裁部件PCI设备GNT#REQ#PCI设备GNT#REQ#PCI设备GNT#REQ#PCI设备GNT#REQ#图8-20说明PCI总线是怎样进行仲裁操作的。7．4．14PCI总线的BIOS

以Pentium~Pentium4为平台的微机系统使用了PCI总线和PCI总线对普通系统中的BIOS所进行的扩展、也都支持PCI总线的BIOS。这些采用了PCI总线的BIOS的微机系统，是通过中断向量1AH对PCI总线进行访问的，

表中列出了通过INT1AH指令AH=0B1H，而得到的PCI总线功能。7