微机计算机系统总线

第五章微型计算机总线

微型计算机结构上的特点就是总线结构。CPU、存储器、I/O接口和外部设备都是通过总线互相连接。采用总线结构，可以降低微型计算机的成本，是微型计算机可以迅速推广和普遍使用的一个重要因素。本章主要内容：5.1总线概述5.28088/8086最大模式下总线信号的形成5.3总线仲裁和握手技术5.4常用微机总线介绍（ISA、EISA、PCI等）本章要求掌握微机总线的一些基本概念理解总线仲裁和总线握手了解常见的微机总线规范5.1总线概述总线的一般概念总线是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合。总线是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的通道。任一时刻，只能有一个部件/设备通过总线发送数据，其他部件只能处于接收状态。5.1总线概述微型计算机系统中，总线可以说是无所不在。总线的层次包括：片内总线；片总线；系统总线；外部总线（通信总线）。5.1总线概述5.1总线概述系统总线的主要性能指标：总线宽度：总线的数据线的数目。总线宽度越宽，同时传输的数据就越多，吞吐量就越大。现在都是32位、64位。总线时钟频率：时钟频率的单位为MHz。有的书上以总线传输率作为指标，单位是Mbit/s，数值上和时钟频率相同。总线带宽：是总线的所有数据线每秒可以传输的数据量，也就是最大传输率。单位为MB/s。这三个指标之间的关系是：

总线带宽=总线宽度×总线时钟频率/8总线电源电压5.1总线概述微型计算机系统总线的发展微型计算机系统总线的发展，基本上是围绕着总线带宽来进行的。PC总线最早的微型计算机标准总线是以8088为CPU的IMBPC/XT机所使用的总线，称为“PC”总线。也称为“PC/XT”总线。PC总线的数据线只有8条，是一种8位宽度的总线。5.1总线概述ISA总线（时钟频率为8MHZ）为了便于开发与PC机兼容的外部设备，IEEE委员会和Intel等公司，开始研究在PC总线基础上的新的总线标准，到1987年IEEE正式制订ISA（IndustryStandardArchitecture）总线标准。ISA总线采用8位和16位模式，它的最大数据传输率为8MB/s和16MB/s。ISA总线在Intel286和Intel386SX时代得到了普遍的使用。直到今天，一些外部设备的接口还是使用ISA标准。5.1总线概述EISA总线EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，扩展工业标准架构）是一种32位总线标准。EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA总线。EISA总线的工作频率是8MHz，由于总线宽度增加到32位，它的总线带宽提升到32MB/s。EISA总线在个人计算机中使用了很长的时间，2000年以后就很少使用了。5.1总线概述PCI总线1992年英特尔公司提出32位PCI总线的概念，并迅速获得认可成为新的工业标准。PCI总线是一种连接外部设备的局部总线。显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等外部设备或者外部设备的接口直接连接到PCI总线，再和CPU连接。PCI总线的工作频率是33MHz，总线带宽达到133MB/s，在20世纪90年代是相当好的性能。5.1总线概述在PCI标准发布一年之后，Intel公司又发布了64位的PCI总线，它的总线带宽达到了266MB/s。64位PCI主要使用于服务器和工作站，为它们提供高性能的总线传输。后来，用于服务器的PCI总线的工作频率又提高到66MHz。5.1总线概述PCI-X总线

是九十年代末提出的总线标准。PCI-X总线仍然使用64位并行总线和共享架构，但将工作频率提升到133MHz，由此获得高达1.06GB/s的总带宽。使用533MHz工作频率的PCI-X533标准则更是达到4.2GB/s的高水平。5.1总线概述PCIExpress总线它是2001年以后提出的。它采用串行方式传输数据，而依靠高频率来获得高性能，因此PCIExpress也被人称为“串行PCI”。由于串行传输信号干扰比较小，总线频率提升比较容易。其次，PCIExpress采用全双工运作模式，发送数据和接收数据可以同时进行。第三，PCIExpress没有沿用传统的共享式结构，它采用点对点工作模式，可以避免多个设备争抢带宽的情形发生。由于工作频率高达2.5GHz，单通道双工的PCIExpress总线总带宽可达到500MB/s。5.1总线概述单总线和多总线除了总线标准在不断变化和发展，总线的体系结构也在变化：从单总线发展到多总线。5.1总线概述5.1总线概述双总线结构：5.1总线概述多总线结构5.1总线概述总线结构的优点

简化结构，降低成本；统一标准，便于制造；扩充灵活，方便使用；总线结构的缺点部件传输的分时性；传输控制的复杂性；总线的竞争问题。5.28086最大模式总线信号的形成8088最大模式下的总线信号是PC总线的主要组成部分。PC总线是最简单的总线标准。它也是ISA总线的主要组成部分。了解PC总线可以了解最基本的总线信号有哪些。5.28086最大模式总线信号的形成5.28086最大模式总线信号的形成PC总线地址线：20条，A0~A19，寻址空间是1MB。数据线：8条，D0~D7读写控制线：存储器写控制信号、存储器读控制信号、I/O写控制信号、I/O读控制信号、I/OCHRDY：通道就绪信号PC总线共有62条信号线，A、B两面各有31条信号线。ALE：地址锁存信号。中断控制线：中断请求信号：IRQ2~IRQ7；DMA控制线：DMA请求信号：DRQ1~DRQ3；

DMA应答信号:~

。AEN：地址允许信号，在进行DMA操作时，AEN为高电平，只有在AEN是低电平时，才可以进行一般的I/O操作；T/C：终止DMA计数，标识一个通道DMA操作的结束。其他控制线例如时钟输入、振荡器输出、复位驱动，电源和地等。5.3总线仲裁和握手技术总线主设备总线主设备是指可以发起和控制总线数据传输的设备，如CPU和DMA控制器。总线从设备总线从设备不能直接发起和控制总线的数据传输。它们只能接受主设备的要求，在主设备的控制下，接收主设备传送过来的数据，或者把数据传送给主设备，如RAM模块。5.3总线仲裁和握手技术总线仲裁

总线仲裁的目的是防止因为多个主设备同时传输数据而产生的冲突。当总线上有多个总线主设备并且同时要求控制总线时，须决定将总线控制权交给哪一个主设备。也即裁决哪个主设备可以控制总线。取决于总线类型的不同，总线仲裁的方法可以有多种不同的方法。基本的处理方法，是由总线仲裁器来裁决哪个主设备可以控制总线。有时候，总线仲裁也称为总线判定。5.3总线仲裁和握手技术主设备在请求控制总线前，先测试BB信号如果BB显示不忙，发出BR信号，请求占用总线仲裁器发出BG信号，表示同意使用总线的请求仲裁器将BB信号改为“忙”，标识总线已经被占用。总线优先级仲裁算法必须满足的三个基本要求：每一时刻只能有一个设备作为总线主控器；先请求者先响应，且在一个总线操作周期之内不被打断；同一时刻有几个设备发出请求时，按优先级排序响应。5.3总线仲裁和握手技术总线上的主设备和从设备在工作速度上可以有较大的差别。如果主设备发送数据的速度快，从设备接收数据的速度慢，就会造成数据的丢失。因此，必须对于总线的数据传输进行控制。对于总线传输进行控制，就是这里所说的总线握手。总线握手的基本方式有同步方式、异步方式和半同步方式。5.3总线仲裁和握手技术1．同步方式采用同步传输控制方式的总线就是同步总线。同步方式的总线主、从设备在同一时钟的控制下进行传送，一次数据传输的时间是固定的。主、从设备在同一时钟的控制下进行传送，一般要求总线的主、从设备的工作速度基本一致。当总线的主、从设备工作速度不一致的时候，系统时钟的速率要按速度低的设备来调整。8088/8086CPU的基本时序就是采用同步传输控制方式；例如总线读周期）。5.3总线仲裁和握手技术2.异步方式异步传输控制方式没有统一的时钟，总线主设备和从设备可以具有不同的工作速度。在主、从设备之间增加了一条请求线Req，一条应答线Ack。也就是采用请求~应答的握手方式，来进行传输控制。又可以分为非互锁方式和互锁方式非互锁方式：首先是主设备发出Req信号，从设备收到后，发出Ack信号，表示应答，然后就开始数据传输。互锁方式：主设备发出Req信号，从设备收到后，发出Ack信号，表示应答；主设备在收到应答Ack后，通过改变Req信号的值，向从设备表示收到应答信号Ack。从设备在收到主设备肯定收到Ack的消息后，停止Ack的发送。等到双方互相确认都已经准备好以后，才开始数据收发过程。5.3总线仲裁和握手技术3.半同步方式半同步方式是对于同步方式的适当修正。半同步方式仍然具有统一的时钟，但是增加了一条WAIT信号线。半同步方式比同步方式增加了灵活性，对于主、从设备工作速度的不一致有一定的适应能力。8088/8086时序中的READY相当于WAIT信号。此时属于半同步方式。ISA总线、PCI总线属于半同步方式。5.4常用微机总线介绍目前在微型计算机中使用的系统总线有ISA总线和PCI总线。实际上，PCI总线本身就是局部总线。

ISA总线在现代的微机中已经不是系统总线了，只是用来连接一些采用ISA总线标准的外部设备。PC系列机上采用的总线标准IBMPC/XTBUSISA

工业标准体系结构(IndustrialStandardArchitecture)EISA

扩展工业标准体系结构(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)VESA

视频电气标准协会(又称VL-bus)(VideoElectronicsStandardsAssociation)PCI

外部设备互连(PeripheralComponentInterconnect)USB

通用串行总线(UniversalSerialBus)AGP

图形加速端口(显卡专用线)(AcceleratedGraphicsPort)PCIExpress5.4常用微机总线介绍ISA总线（局部总线）ISA总线是在PC总线的基础上，由Intel公司、IEEE和EISA集团共同推出的一种总线标准。因为PC总线是8位数据总线。而当时，16位数据总线的IBMAT机已经推出，必须有一种新的总线标准，以便可以制造和16位个人计算机的总线匹配的外部接口卡。这种总线标准是在1984年后就慢慢形成，1987年IEEE正式制订了ISA总线标准。

ISA总线信号及其分布5.4常用微机总线介绍PCI总线（局部总线）PCI是PeripheralComponentInterconnect（外设部件互连）的缩写。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团，其英文全称为：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup，简称PCISIG。1992年6月推出了PCI1.0版，1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI2.1版5.4常用微机总线介绍PCI总线的系统结构示意图PCI总线的信号线分布的示意图

5.4常用微机总线介绍USB总线（局部总线）USB总线是UniversalSerialBus的简称，也称为“通用串行总线”。USB总线是一种外部总线，或者说是一种通信总线。通过串行通信的方式连接计算机和外部设备。5.4常用微机总线介绍

USB总线只有4根线，如图5-4-5所示。其中D+、D-为信号线，传送信号，是一对双绞线；VBUS和GND是电源线，提供电源。5.4常用微机总线介绍连接器：由插