第6章 输入输出接口及总线

第6章输入输出接口与总线6.1微机I/O接口6.2总线接口电路按功能可分为两类:使微处理器正常工作所需的辅助电路时钟发生器82598253输入输出接口电路82558251A/D、D/A6.1微机I/O接口6.1.1I/O接口的功能6.1.2简单的输入输出接口6.1.3I/O端口及其寻址方式6.1.4CPU与外设间的数据传送方式6.1.5PC机的I/O地址分配为什么要设置接口电路CPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致

两者的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率若外部设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。

数字化存储示波器、数字化万用表终端、调制解调器A/D转换器开关量输入

D/A转换器开关量输出键盘、鼠标、数字化仪、光笔、图形输入仪麦克风、扫描仪打印机显示器磁盘磁带软盘光盘智能仪器接口通信接口过程控制接口输入接口输出接口外存接口CPU内存DB

AB

CB微机系统各类接口框图

I/O接口的基本功能1．数据缓冲功能2．端口选择功能3.信号转换功能4．接收和执行CPU命令的功能5.中断管理功能6．可编程功能7.返回外设状态的功能8.数据宽度与数据格式转换的功能1.数据缓冲功能接口电路中一般都设置有数据寄存器或锁存器数据口，以解决高速的主机与低速的外设之间的速度匹配问题，避免因主机与外设的速度不匹配而丢失数据。2．端口选择功能微机系统中常有多个外设，而CPU在任一时刻只能与一个端口交换信息，因此需要通过接口的地址译码电路对端口进行寻址。3.信号转换功能外设所提供的数据、状态和控制信号可能与微机的总线信号不兼容，所以接口电路应进行相应的信号转换。4．接收和执行CPU命令的功能CPU对外设的控制命令一般以代码形式输出到接口电路的控制端口，接口电路对命令代码进行识别、分析，分解成若干控制信号，传送到I/O设备，并产生相应的具体操作。5.中断管理功能当外设需要及时得到CPU的服务，特别是出现故障需要CPU立即处理时，就要求接口中设置中断控制器，以便于CPU处理有关中断事务（如中断请求、中断优先级排队、提供中断向量等）。6．可编程功能由于I/O接口电路大多由可编程接口芯片组成，因此就有可能在不改变硬件电路的情况下，只要修改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式，提高了接口的灵活性和可扩充性，使接口向智能化方向发展。7.返回外设状态的功能接口电路在执行命令之前、执行命令过程中和执行命令之后，外部设备及接口电路都会有一些情况发生，包括正常工作状态和故障状态。“忙”、“闲”、“准备就绪”、“未准备就绪”、“满”、“空”、“溢出错”、“格式错”等接口中一般都设置状态寄存器，称“状态口”。状态信号以状态代码形式存放在接口电路的状态寄存器中。CPU从状态口读取状态信息，供CPU作出判断与处理。8.数据宽度与数据格式转换的功能CPU所处理的是并行数据，而有的外设只能处理串行数据，接口应具有数据“并串”、“串并”的转换能力。CPU与有些外设交换数据时，要求按照一定的数据格式传送，所以在CPU与通信设备之间进行数据格式转换。6.1.2简单的输入输出接口

根据前面内容的介绍，大家已经了解到主机与外设之间的连接必须通过接口芯片来完成信息的传送，如：信息的放大、隔离以及锁存。接口芯片的类型非常繁多，在此我们介绍几种常用的简单的接口芯片。1缓冲器74ls244和74ls2452锁存器74ls373单向缓冲器74ls24474ls244应用

双向缓冲器74ls24574ls245应用锁存器74LS373锁存器74LS373应用6.1.3I/O端口及其编址方式1、I/0端口2、I/O端口的编址方式3、I/O端口地址分配I/0端口端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。

计算机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，因此,CPU在访问这些寄存器时，只需指明它们的端口，不需指出是什么寄存器。CPU对数据端口进行一次读或写操作，也就是与该接口连接的外设进行一次数据传输CPU对状态端口进行一次读操作，就可以获得外设或接口自身的状态代码CPU把若干位控制代码写入控制端口，则意味着对该接口或外设发出一个控制命令，要求该接口或外设按规定的要求工作外设通过接口和系统的连接

接口接口电路中的信息

数据信息状态信息控制信息习惯上把分别传送这三种信息的端口称为数据口、状态口、控制口

1．数据信息（1）数字量：通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输，主要指由键盘、磁盘、光盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。（2）模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言，需先经过传感器转换成电信号，再经A/D转换器变成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上述过程的逆转换。（3）开关量：用“0”和“1”来表示两种状态，如开关的通/断、电机的转/停、阀门的开/关等。2．状态信息CPU在传送数据信息之前，经常需要先了解外设当前的状态。如输入设备的数据是否准备好、输出设备是否忙等。用于表征外设工作状态的信息就叫做状态信息，它总是由外设通过接口输入给CPU的。状态信息的长度不定，可以是1个二进制位或多个，含义也随外设的具体情况不同而不同。3．控制信息用来发布控制命令、控制外设工作的信息，例如A/D转换器的启停信号。控制信息总是CPU通过接口发出的。I/O端口的编址方式1、端口地址和存储器地址统一编址，也称存储器映射方式2、I/O端口地址和存储器地址分开独立编址，也称I/O映射方式

1、存储器映像寻址方式从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令，如单片机。优点：访问I/O端口可实现输入/输出操作，还可以对端口内容进行算术逻辑运算、移位等等；能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的；缺点：端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小；指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢；

2、I/O独立编址方式I/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的，即I/O端口地址不占用存储器地址空间，如微机。优点：I/O端口地址不占用存储器空间；使用专门的I/O指令对端口进行操作，I/O指令短、执行速度快；并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。

缺点：这种编址方式中，微处理器对存储器及I/O端口是采用不同的控制线进行选择的，因而接口电路比较复MEMRMEMWCPU控制逻辑存储器（1MB）I/O端口（64K个）R/W控制20AB2016DB16168IORIOW独立编址方式图解访问存储单元用地址总线A19～A0，全译码后得到00000H～FFFFFH共1MB地址空间。I/O端口只利用其中的一部分地址线，即A15～A0地址线，可译出0000H～FFFFH共64KB个I/O端口地址。由于端口是与存储器隔离的，所以用户可扩展存储器到最大容量，而不必为I/O端口留出地址空间。I/O端口地址分配表中分配给每个接口芯片的I/O端口地址，在实际使用中并未全部用完。中断控制器8259A，只使用了前面2个端口地址，20H、21H（主片）和A0H，A1H（从片）。并行接口芯片8255A，只使用了前面4个端口地址60H～63H。使用端口地址最多的DMA控制芯片8237A，也只用了前面的16个地址（0～FH）。040～05FH060～06FH070～07FH0F0～0FFH定时器并行接口芯片（键盘接口）RT/CMOSRAM协处理器020～03FH0A0～0BFH中断控制器1中断控制器2000～01FH0C0～0DFH080～09FHDMA控制器1DMA控制器2DMA页面寄存器端口地址I/O芯片名称系统板上接口芯片的端口地址扩展槽上接口控制卡的端口地址I/O接口名称端口地址游戏控制卡200~20FH并行口控制卡1并行口控制卡2370~37FH270~27FH串行口控制卡1串行口控制卡23F8~3FFH2F0~2FFH原型插件板300~31FH同步通信卡1同步通信卡23A0~3AFH380～38FH单显MDA彩显CGA彩显EGA/VGA3B0~3BFH3D0~3DFH3C0~3CFH硬驱控制卡软驱控制卡1F0~1FFH3F0~3F7HPC网卡360~36FH1.从表中，可以看到允许用户使用的端口地址是300H～31FH。这一段地址是留给用户在开发IBM-PC系列机功能模块（插板）时使用的端口地址，系统是不会占用它的。

2.除在表中已经分配了的I/O地址之外，其余的地址均由厂商保留使用。I/O端口地址选用的原则凡是被系统配置所占用了的地址一律不能使用原则上讲，未被占用的地址，用户可以选用，但对计算机厂家申明保留的地址，不要使用，否则会发生I/O地址重叠和冲突，造成用户开发的产品与系统不兼容而失去使用价值一般，用户可使用300～31FH地址6.1.4CPU与外设之间的数据传送方式1、程序控制方式2、中断传送方式3、直接存储器存取方式程序控制方式程序控制方式是指CPU与外设间的数据传送是在程序的控制下完成的一种数据传送方式。分为两种1.无条件传送方式2.查询传送方式

1.无条件传送方式所谓无条件，就是假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序就不必再去查询外设的状态，而直接执行I/O指令进行数据传输。数据交换与指令的执行是同步的。因此也有人称其为同步传送。是一种简单的输入输出方式，一般用于控制CPU与低速接口之间的信息交换.例如,开关、温度、压力流量等（A/D）转换器。当简单外设作为输入设备时，其输入数据的保持时间相对于CPU的处理时间要长得多，所以可直接使用三态缓冲器与系统数据总线相连。当简单外设作为输出设备时，由于外设的速度较慢，CPU送出的数据必须在接口中保持一段时间，以适应外设的动作，因此输出采用锁存器。MOVAL，81H

MOVDX，0000H；送端口地址OUTDX，AL；点亮发光二极管让接在Q0～Q7上的二极管自上而下轮流点亮3s，编写程序实现。

程序如下：

MOVAL,01H；使Q0为1，LED0先亮LOP:OUT0000H,AL；将信息送0000H端口

CALLDELAY3s；调用3S子程序

ROLAL,1；小循环左移1位

JMPLOP；循环点亮LED2．查询传送方式所谓查询方式就是微型计算机利用程序不断地询问外部设备的状态，根据它们所处的状态来实现数据的输入输出。要求外部设备向微型计算机提供一个状态信息。微型计算机校验外部设备所提供的状态信息，即查询外部设备，以便确定它的下一步操作。优点：能较好地协调外设与CPU之间的定时关系，因而比无条件传送方式容易实现准确传送。缺点:该方式需要不断查询外设的状态，大量时间花在等待循环中，当主机与中、低速外设交换信息时，大大降低了CPU利用率。CPU接口外设状态数据控制查询工作方式示意图

数据端口译码输出DBM/IO输入设备锁存器三态缓冲器(8)三态缓冲器(1)端口地址译码器状态端口译码输出&&RQDSTBD0ABRDRD+5V

查询传送方式输入接口电路取外设状态外设准备就绪传送数据传送完否开始NYNY结束现欲将48000H为首地址的顺序100个单元的数据，利用查询方式输出到外设。外设经输入输出接口与8086的系统总线连接。CPU通过三态接口（74LS244）可以查询外设的状态，而且当外设状态信号=1时，可以接收CPU由锁存器（74LS273）输出的数据。=0时，表示外设处于忙状态，不能接收数据。 程序如下：START:MOVAX,4000H

MOVDS,AX

MOVSI,8000H

MOVCX,100GOON:MOVDX,00FFHWAIT:INAL,DX

TEXTAL,01H

JZWAIT

MOVAL,[SI]

OUTDX,AL

INCSI

LOOPGOON

RET

ABM/IO去CPUDB选通信号D7输出设备锁存器WR数据端口译码输出端口地址译码器状态端口译码输出RDACK&&DB三态缓冲器+5VDQR<查询传送方式输出接口电路例设接口电路中状态端口的地址为STATUS，数据端口的地址为DATA，则CPU将内存STORE单元的内容送至输出设备应执行下列程序段：

POLL:INAL,STATUS；①

TESTAL,80H；②

JNEPOLL；③

MOVAL,STORE；④OUTDATA，AL；⑤中断传送方式含义:在中断方式下，外设掌握向CPU申请服务的主动权，当输入设备将数据准备好，或者输出设备已做好接收数据的准备时，向CPU发出中断请求信号，要求CPU为其服务。若此时中断允许触发器是开放的，则CPU暂停目前的工作，与外设进行一次数据传输，等I/O操作完成以后，CPU继续执行原来的程序。优点:保证了CPU对外设的实时服务，又不会因对各I/O设备的随时关照而花费CPU太多的机时，使高速运行的CPU与速度参差不齐的各种外设之间形成了良好的匹配(并行工作)关系，确保了CPU的高效率。缺点:为了实现中断传送，要求在CPU与外设之间设置中断控制器，增加了硬件开销。中断请求DQ+5V端口译码D7～D0地址总线RDINTAINT输入设备输入锁存器数据选通中断屏蔽Q触发器三态缓冲器中断方式输入的接口电路直接存储器存取方式DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。优点:传送速率很高，这对高速度大批量数据传送特别有用。缺点:要求设置DMA控制器，电路结构复杂，硬件开销大6.2总线将计算机系统各个部分连接在一起的就是计算机总线。总线是许多信号线的集合，是模块和模块之间或者设备和设备之间进行互联和传递信息的通道。因为多个设备连接到总线上，任何一个设备发出的信号都可以被其他的所有设备接收，所以，在同一时间段内，只能有一个设备作为主动设备发出信号，其他设备处于被动接收状态。总线都具有严格规定的标准，因此，按照总线标准研制的计算机系统具有很好的开放性。总线的分类按总线功能或信号类型划分，有数据总线、地址总线、控制总线三类。数据总线用于传输数据，具有双向三态逻辑。数据总线的宽度表示了总线传输数据的能力，反映了总线的性能。如ISA总线数据线是16位，PCI总线数据线是32位或64位。地址总线用于传输地址信息，一般采用单向三态逻辑。地址总线一般是由处理器发出到总线上各个部件的。地址总线的位数决定了该总线构成的微机系统的寻址能力。例如ISA总线有24位地址线，可寻址16MB(224)的地址空间；PCI总线有32位或64位地址线，可寻址4GB（232）或264的地址空间。控制总线用于传输控制、状态和时序信号，有些信号是单向的，有些是双向的。比如IO读/写信号、中断信号等。控制总线决定了总线功能的强弱和适应性。按总线分级结构划分，有CPU总线、局部总线、系统总线、通信总线四类。

CPU总线

位于CPU内部，作为运算器、控制器、寄存器组等功能单元之间的信息通路，又称为片内总线，是微机系统中速度最快的总线。现代微机系统中，CPU总线也开始分布在CPU之外，紧紧围绕CPU的一个小范围内，提供系统原始的控制和命令等信号。局部总线

在微处理器和高速外设之间增加了一条直接通路，一侧直接面向CPU总线，一侧面向系统总线，分别通过桥片连接，这就是局部总线。局部总线是直接连接到CPU总线的I/O总线，因此使有高需求的外设和处理器有更紧密地集成，为外设提供了更宽更快的高速通路。如PCI总线就是一种局部总线。使用局部总线后，系统内形成了分层总线结构。这种体系结构中，不同传输要求的设备分类连接在不同性能的总线上，合理分配系统资源，满足不同设备的不同需要。另外，局部总线信号独立于微处理器，处理器的更换不会影响系统结构。系统总线 微机系统采用多模块结构（CPU、存储器、各种I/O模块），通常一个模块就是一块插件板，各插件板的插座之间采用的总线称为系统总线，又叫I/O通道总线。比如ISA总线和EISA总线等。以前微机系统主要利用系统总线来连接扩展插卡，现代微机系统为了加快总线速度，多采用局部总线来连接扩展插卡，在PC’99标准中ISA已经淘汰了。通信总线

用于主机和I/O设备或者微机系统与微机系统之间通信的总线，又称为外部总线。比如串行通信的RS232C总线、USB总线，用于硬盘接口的IDE、SCSI总线，用于并行打印机的Centronics总线等。总线的主要性能参数总线频率总线的工作频率，单位MHz，是总线上信号的基本时钟。总线频率越高，单位时间内传输的数据流量就越大。ISA、EISA的时钟频率为8MHz，PCI为33.3MHz，PCI-2可达到66MHz。

总线宽度：总线上可同时传输的数据的位数。位数越多，一次传输的信息就越多。ISA宽度为16位，EISA为16位，PCI为32位，PCI-2可达到64位。总线的主要性能参数总线的数据传输率：在一定时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传输数据量来表示，也称带宽，单位是MB/s。总线的数据传输率的计算公式为 总线的数据传输率=（总线宽度/8）×总线频率如ISA总线的总线频率是8MHz，总线宽度为16位，其数据传输率为8MB/s。而PCI总线的总线频率是33.3MHz，总线宽度为32位，其数据传输率为133MB/s总线标准物理特性：是指总线在机械物理连接上的特性，包括连线的类型、数量、接插件的几何尺寸、形状和引脚线的排列等。功能特性：总线中每根传输线的功能。包括数据总线、地址总线、控制总线。电气特性：总线中每根信号线的传递方向、信号的有效电平范围、动态转换时间、负载能力等。通常规定由CPU发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号。总线信号的名称上有一横线或信号名称后有#，表示该信号低电平有效，否则为高电平有效。时间特性：总线中任一传输线在什么时间内有效以及信号线之间信号的时序关系。总线操作和传送控制

总线数据传输的过程总线请求和仲裁阶段。当系统中的一个或多个主模块需要使用总线时，首先申请总线控制权，总线裁决机构(总线控制器)根据某个算法做出裁定，将总线控制权赋予某个主模块。下一传输周期中该模块即可占用总线进行传输。寻址阶段。取得了总线使用权的主模块，发出本次要访问的从模块的地址，通过译码使本次传输的从模块被选中，在获得主模块传送的命令后，从模块给出确认信号，数据传输过程开始启动。数据传送阶段。主模块和从模块之间进行数据传输，一次可以传送一个数据或多个数据。结束阶段。主模块和从模块的相关信息从总线上撤除。主模块让出总线控制权，以便其他模块可以申请使用。总线操作和传送控制总线传送控制

同步方式：信息传送在一个公共时钟的控制下进行，这个时钟信号连接到总线所有模块，总线所有事件都在时钟周期的开始产生。同步方式要求总线上的所有设备都能按照严格的时间关系传输数据。其优点是电路设计比较简单，完成一次传输的时间很短，主从之间没有等待，适合于高速设备的数据传输。如PCI采用同步传输方式。异步方式：异步方式采用应答式传输，没有统一的时钟信号，而是通过一对握手（Handshaking）信号线“请求（Request，REQ）”和“应答（Acknowledge，ACK）”来协调传输过程。

总线操作和传送控制总线传送控制半同步方式：综合同步和异步的优点设计了半同步方式传送。从总体来看，仍是同步系统，使用公共系统时钟来定时，但是数据的开始时间由时钟信号和握手信号共同确定。系统中设置“等待（WAIT）”或“就绪（READY）”信号线。分离方式：在上面三种方式中，从主模块发出传输请求直到数据传输结束，整个传输周期中，系统总线完全由主模块和从模块占用。然而在总线度周期的寻址阶段和数据传送阶段之间有一个短暂的时间间隔，在这个时间间隔内，从模块执行读命令，总线上并没有实质性的数据传输，即空闲状态。为了提高总线的利用率，将读周期分为两个分离的子周期。两个子周期都采用同步方式传送。系统总线STD/PC/ISA/EISA微机系统采用多模块结构（CPU、存储器、各种I/O模块），通常一个模块就是一块插件板，各插件板的插座之间采用的总线称为系统总线，又叫I/O通道总线。本节介绍STD/PC/ISA/EISA系统总线STD总线STD总线是1978年推出的用于工业控制微型计算机的标准系统总线，具有高可靠性、小板结构、高度模块化等优越的性能，在工业领域得到广泛的应用和迅速发展。现在已成为IEEEP961建议的总线标准。这是目前规模最小，设计较为周到且适应性好的一种总线。STD标准规定了印刷板的尺寸为11.43×16.51cm，采用56芯插座。在56个总线信号之下，支持20位地址，实现1MB内存空间的直接寻址。目前，国内采用的大多是8位、16位兼容的STD总线。STD总线这个标准总线规定了五组总线，即逻辑电源总线、数据总线、地址总线、控制总线和辅助电源总线。各引脚情况如下：逻辑电源总线：1~6引脚数据总线：7~11引脚地址总线：15~30引脚控制总线：31~52引脚辅助电源总线：53~56引脚IBMPC总线IBMPC总线简称PC总线或PC/XT总线，是IBMPC/XT个人计算机采用的微型计算机总线，是针对Intel8088微处理器设计的。它以I/O通道形式经过扩充并经驱动器驱动以增加负载能力而连至扩充插槽，作为I/O接口板和主机之间的信息交换通道。IBMPC总线有62条信号线，包括8位双向数据总线、20位地址总线、6条中断请求线、3组DMA通道控制线、存储器和I/O读写线、动态RAM刷新控制线和时钟信号线、4条电源线、3条地址线。ISA总线ISA（IndustryStandardArchitecture，工业标准体系结构）总线是Intel公司、IEEE和EISA集团联合在62线的PC总线的基础上经过扩展36根线而开发的一种系统总线。因为开始时是应用在IBMPC/AT机上，所以又称为PCAT总线。ISA总线是为采用80286CPU设计的，但是兼容这一标准的微机系统还是有很大的市场，目前所用的286、386、486微机大多采用ISA总线，即使586和奔腾机也还保留有1个ISA总线插槽。ISA总线ISA总线的主要性能指标如下：24位地址线，可直接寻址内存容量为16MB，I/O地址空间为0100H~03FFFH8/16位数据线，62+36引脚工作频率8MHz，最大传输率16MB/s。中断和DMA传送功能。ISA总线接口信号共98个，均连接到主板的ISA总线插槽上。ISA插槽长度138.5mm，由基本的62线8位插槽和扩展的36线16位插槽两部分组成。除了数据和地址线的扩充外，还扩充了中断和DMA请求、应答信号。若只是用基本插槽时，可用8位数据宽度及20位地址，需要使用16位数据或20位以上的地址及其他扩充信号时，则采用8位基本ISA加16位扩充ISA的方式。EISA总线EISA总线采用开放结构，与ISA兼容。EISA总线信号由原来ISA总线的98引脚扩展到198个，具有32位数据线，32位地址，可以寻址4GB。总线频率为8.33MHz，最大数据传输率达到33.3MB/s。这样的高速度很适合于高速局域网、快速大容量磁盘及高分辨率图形显示。EISA总线从CPU中分离出总线控制权，是一种智能化的总线，支持多总线主控和突发传输方式，可以直接控制总线进行对内存和I/O设备的访问而不涉及CPU，所以极大地提高了整体性能。EISA总线为了让原有的ISA总线扩展卡可以直接用于EISA总线，EISA总线插槽与ISA插槽等长等宽，但内部被设计成为双层引脚，两层之间由定位键限位。上层引脚与ISA扩展卡的信号相对应，下层引脚是专门与EISA扩展卡的信号线对应。定位键使上下两层的引脚不会和不属于本层的引脚接触。EISA总线是在ISA总线的基础上扩展来的。局部总线（PCI、PCIExpress）某些具有高数据传输率的设备（如图形、视频控制器、网络接口等），尽管微处理器有足够的处理能力，但是总线传输却不能满足它们高速率的传输要求。为了解决这个矛盾，在微处理器和高速外设之间增加了一条直接通路，一侧直接面向CPU总线，一侧面向系统总线，分别通过桥片连接，这就是局部总线。局部总线是直接连接到CPU总线的I/O总线，因此使有高需求的外设和处理器有更紧密地集成，为外设提供了更宽更快的高速通路。如PCI总线就是一种局部总线。PCI总线

PCI总线的全称是外围部件互联(PeripheralComponentInterconnect)，它是一种高性能的局部总线，严格规范，提供高度的可靠性和兼容性，因此成为主流的标准总线，被广泛应用于现代台式微机、工作站和便携机。PCI总线的特点独立于处理器PCI总线是一种独立于处理器的总线标准，支持多种处理器，适用于多种不同的系统。在PCI总线构成的系统中，接口和外围设备的设计是针对PCI总线，而不是针对微处理器的，所以这些设备可以独立于处理器设计和升级，当处理器因为过时而需要更换时，接口和外围设备仍然可以正常使用。PCI总线PCI总线的特点传输效率高PCI总线采用33.3MHz/66.6MHz的时钟频率。在33.3MHz时钟频率时，数据总线宽度32位，最大数据传输率达到133MB/s。如果数据总线宽度升级到64位，则数据传输率可达到266MB/s。多总线共存PCI总线是通过桥芯片进行不同标准信号之间的转换。通过HOST-PCI桥芯片，实现PCI与CPU总线相连接；通过PCI-ISA/EISA桥芯片，实现PCI与ISA或者EISA相连接。这样，使得多种总线可以共存于一个系统中，慢速和高速设备就可以分别挂在不同的总线上。PCI总线PCI总线的特点支持线性突发传输。线性突发传输不同于单次数据传输，单次传输是每传输一个数据前都要在总线上给出数据的地址，而线性突发传输只要在开始的时候将首地址发到总线上，之后每个时钟都只传输数据，而地址自动加1，这样的方式适合顺序读写一批数据，可以减少无谓的地址操作，加快数据传输速度。支持总线主控方式和同步操作。挂接在PCI总线上的设备有主控和从控两类。PCI总线允许多处理器系统中任何一个处理器或其他有总线主控能力的设备成为主控设备，对总线实行操作。这样微处理器内部的操作和总线操作可以同时进行，而不必要等待总线操作完成。PCI总线PCI总线的特点支持两种电压，适用各种机型。PCI总线支持5V和3.3V的扩展卡，并可以从5V向3.3V进行平滑的系统转换。具有即插即用功能。PCI总线的接口卡上都设有配置寄存器，系统加电时用程序给这些设备分配端口地址等系统资源，可以避免使用时发生冲突。预留扩展空间。PCI总线开发时预留了足够的发展空间，比如，它支持64位地址/数据多路复用，这是考虑到新一代的高性能外围设备最终将需要64位宽度的数据通道。PCI的64位延伸设计，可将系统的数据传输率提高到264MB/s。PCI总线PCI总线系统结构PCI总线结构中HOST-PCI桥与PCI总线相连，这个桥提供了数据缓冲功能，是一个低延迟的访问通道，使处理器能够访问PCI设备，PCI设备也能够访问主存。桥电路中包含有PCI总线控制器，有多个设备申请使用总线时，能够进行裁决和分配总线的使用权。实际上，HOST-PCI桥是一个高速的I/O协处理器。另外的桥接器用于形成多级总线结构，有PCI-ISA，PCI-USB，PCI-PCI等，使得系统中不同类型的设备共存，合理地分配资源。PCI总线系统结构PCI总线PCI插槽有两种，一种是32位的，一种是64位的，而两种插槽又分为5V和3.3V两种。在PC机上使用最多的是5V的32位PCI插槽。图为PCI插槽的示意图。

PCI插槽的示意图

PCIExpress在2001年春的开发者论坛上Intel宣布了要用一种新的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接,并称之为第三代I/O总线技术3rdGenerationI/O也就是3GIO）。不久后，以Intel、AMD、IBM、DELL、NVIDIA等20多家业界主导公司开始起草3GIO，2002年草案完成，并正式命名为PCIExpress。PCIExpress（简称PCIE），虽然从表面来看它的名字和PCI有些类似，但它们之间却有着本质的区别。PCIExpressPCI采用的是并行通道。PCIExpress总线属于串行总线，进行的是点对点传输，每个传输通道单独享有带宽。PCIExpress总线还支持双向传输模式和数据分路传输模式。PCIExpress接口根据总线接口对位宽的要求不同而有所差异，分为PCIExpress1×、2×、4×、8×、16×甚至32×，由此PCIExpress的接口长短也不同，1×最小，往上则越大。其中1×、2×、4×、8×、16×为数据分路传输模式，32×为多通道双向传输模式。1×单向传输带宽可达到250MB/s，双向传输带宽能够达到500MB/s，这个已经不是PCI总线所能够相比的了。同时PCIExpress不同接口还可以向下兼容其他PCIExpress小接口的产品,即PCIExpress4×的设备可以插在PCIExpress8X或16X上进行工作。

设备总线设备总线，用于主机和I/O设备或者微机系统与微机系统之间通信的总线，又称为外部总线，通信总线。下面主要介绍USB/IEEE488/IEEE1394/AGPUSB总线USB(UniversalSerialBus)是一种新型的外设接口标准，其基本思想是采用通用连接器和自动配置及热插拔技术，以及相应的软件，实现资源共享和外设的简单快速连接。这样就解决了传统接口电路中，每增加一种设备，就需要为其准备一种接口或插座，以及不同的驱动程序所造成的使用、维护上的困难。1996年Intel公司等公布了USB1.0版本，目前最新的版本是USB2.0。由于微软Windows98/2000/xp中都内置了USB接口模块，加上USB设备的日益增多，因此USB成为目前流行的外设接口。USB总线USB总线的特点使用USB，不需要扩展插卡，无需了解DIP开关、跳线、中断号等设置的细节，无需开发底层设备驱动程序。USB外设连接时即插即用，并且可以不关闭主机电源，实现热插拔。并且能为低功耗的装置提供电源，+5V时最大可提供500mA的电流。USB总线得到400多家大公司的支持，USB外设产品及软件选择范围广。传输波特率（即传输速率）为1.5Mb/s~12Mb/s（USB2.0的速率可达到480Mb/s）。通过USB-HUB最多可连接127个外设。USB总线USB系统组成USB硬件USB的硬件包括USB主控制器/根集线器（USBHostController/rootHub）和USB设备。USB主控制器和根集线器合称为USB主机（HOST）。USB主控制器是硬件、固件和软件的联合体，负责总线上数据的传输，把并行的数据转换成串行的数据，并建立USB的传输处理，传给根集线器后在总线上传送。根集线器集成在主系统中，由一个控制器和中继器组成，可以提供一个或更多的接入端口。根集线器检测外设的连接和断开，执行主控制器发出的请求并在设备和主控制器之间传递数据。USB总线USB系统组成USB硬件除了根集线器，USB总线上还可以连接附加的集线器(USBHub)，允许USB系统扩展。每个集线器可以提供2个、4个或7个接入点。但是总线供电的集线器由于受到总线提供功率的限制，最多只能支持4个USB端口。集线器由控制器和中继器组成，控制器管理主机和集线器之间的通信及帧定时，中继器负责连接的建立和断开。USBHub和RootHub是USB即插即用技术中的核心部分，完成USB设备的添加、删除和电源管理等功能。USB设备分为Hub设备和功能设备两种。功能设备就是接在Hub上的外设，它能在总线上发送和接受数据、控制等信息，是完成某项具体功能的硬件设备，又称为“功能件（FUNCTION）”，如打印机、扫描仪等。USB总线USB系统组成USB硬件Hub设备则有一个Hub和一个或多个功能件，又称为复合的USB设备。USB设备包含一定数量的寄存器端口，这些端口称为端点（Endpoint），被赋予不同的端点号。每个Hub和功能件都有唯一的逻辑地址，通过该地址和端点号，主机软件可以和每个端点通信。我们把USB端点和主机软件的联合称为“管道”（Pipe）。USB的拓扑结构USB采用了一种层次化的新结构，该结构以集线器为USB设备提供连接点。其物理连接是一个层次型的星型结构，集线器Hub位于每个星型结构的中心。完整的拓扑结构如图11.3所示。USB拓扑结构USB总线USB接口及信号USB总线包括4根信号线，用来传送信号和提供电源。其中D+和D-为信号线，传送信号。D+和D-是一对双绞线，D+是绿色，D-是白色。还有2根是电源线和地线，电源线是红色，地线是黑色。

USB集成器和设备的连接USB总线USB数据传输

,USB有4种传输模式：控制传输：主要用作配置设备用，也可以做设备的其他特殊用途。控制传输是双向的。例如，对数字相机设备，可以传送暂停、继续和停止等控制信号。批传输：用于传送大批数据，这种数据的时间性不强，但要保证数据的正确性。如打印机、调制解调器、数字音响等不定期传送大量数据的中速设备。中断传输：用于不固定、少量的数据传送，如键盘、鼠标等低速设备同步传输：又叫等时传输，用于传送连续性、实时的数据，这种方式的特点是要求传输速率固定（恒定），时间性强，传输中数据出错后无需重传。视频设备、数字声音等采用这种方式USB总线USB的数据编码采用NRZI（NoneReturnZeroInvert，不归零翻转）进行编码的，编码过程在数据传输之前完成，数据传输采用差分方式。传输到目的方后被解码。对数据编码和采用差分信号传输有助于确保数据的完整性和消除噪声干扰。USB总线USB的数据传送的基本单位是包。USB总线上的每一次数据交换至少需要3个包才能完成。USB共有三种类型的包：标志包：所有的交换都以标志包（Token）为首部。标志包定义了设备地址码、端口号、传输方向和传输类型等信息。数据包：数据源向目的地发送的数据或者无数据传送的指示信息，数据包可以携带的数据最多为1023B。握手包：数据接收方向数据发送方送回的信息，报告数据交换的状态。握手包又称为状态包、状态段、交换段。IEEE488总线

IEEE488总线是一种并行外部总线，主要用于各种仪器仪表之间和计算机与仪表之间的相互连接。1975年IEEE488作为标准接口总线的国际标准，是当前工业应用上最广泛的通信总线。IEEE488标准的主要电气性能有：总线上只能连接15个设备。数据速率必须小于或等于1Mb/s。总传输距离不超过20m，或2m乘以设备数目。IEEE488电缆连接器是一个24引线的带有插头和插座的组合式接头。每个设备只要装有一个IEEE488连接器就可以和许多设备连接起来IEEE488总线在总线上挂接的设备从逻辑上来说分为控制器、发话器、收听器。发话器是指系统中向其他设备发送数据的信息源，系统中允许多个发话器存在，但是同一时刻只能有一个发话器工作。收听器是指那些可以接收数据的设备，在一个系统中可以有多个收听器同时工作。控制器是指对挂在总线上的各个设备来指定地址或发出命令的设备，在系统中用来控制信息的发送和接收过程，即对总线的工作情况进行控制。在IEEE488总线上，所有数据交换都是数字化信号。共有24条信号线，其中8条数据线，3条握手线、5条管理线、7条地线和1条机壳接地线。IEEE1394总线

IEEE1394是Apple公司于1993年提出的，用来取代SCSI的高速串行总线“FireWire”，后经IEEE协会于1995年12月正式接纳为一个工业标准，全称是IEEE1394高性能串行总线标准（IEEE1394HighPerformanceSerialBUSStandard）。

IEEE1394的性能特点通用性强。IEEE1394采用菊花链结构，以级联方式在一个接口上最多可以连63个不同种类的设备。传输速率高。IEEE1394a支持100Mb/s，200Mb/s及400Mb/s的传输速率。而IEEE1394b规范定义了800Mb/s，1.6Gb/S甚至3.2Gb/s的高传输速率。IEEE1394总线IEEE1394的性能特点实时性好。IEEE1394的高传输率加上同步传送的方式，使数据的传送具有很好的实时性。总线提供电源。IEEE1394的6芯电缆中有两条是电源线，可以直接向连接的设备提供4~10V和1.5A的电源。系统中设备之间关系平等。任何两个带有IEEE1394接口的设备可以直接连接而不需要通过PC机控制。连接方便。采用设备自动配置技术，允许热插拔和即插即用。IEEE1394总线IEEE1394拓扑结构

IEEE1394标准既可以用于内部总线连接，也可以用于设备之间的电缆连接。一个物理模块可以包括多个结点，一个结点就是一个地址化的实体，包括多个端口，可以独立地设定和识别。一种典型的IEEE1394总线系统连接如图11.5所示。图11.5IEEE1394总线系统结构

11.4.3IEEE1394总线IEEE1394拓扑结构其中包含了两种环境，一种是电缆连接，即电缆（CABLE）环境；一种是内部总线连接，即底板（Backplane）环境。系统中允许有多个CPU，且相互独立。电缆环境的物理拓扑结构是一个非环状的网络，分支和深度都有限。电缆由两对信号线和一对电源线组成，用来连接不同结点的端口。每个端口由终端、收发器和一些简单逻辑组成。电缆环境下每个总线可以连接63个结点，两个结点间的距离不超过4.5m。电缆环境的传输速率可以是100Mb/s，200Mb/s及400Mb/s。底板环境的物理拓扑结构是一个内部总线结构，一般特指主机底板。结点可以通过分布在总线上的连接插口插入总线。底板环境支持12.5Mb/s，25Mb/s和50Mb/s的传输速率。由于两种环境存在差别，因此在系统中环境之间要一个桥接器进行连接。IEEE1394桥接器主要完成数据的接收和重新封装成数据包，并进行转发。11.4.3IEEE1394总线IEEE1394信号及连接IEEE1394有两种类型的电缆，早期的IEEE1394定义了一个带有6针插头的6芯电缆来实现设备间的互连。电缆中有2对信号传送线TPA/TPA*和TPB/TPB*、2根电源线VP和VG。两对信号双绞线用做接收和发送连接；电源线VP向总线上的设备提供4~10V、1.5A的电源；VG接地。6针插头和插座如图11.6(a)所示。通常6根线按标号顺序采用的颜色分别是白、黑、红、绿、橙、蓝。在IEEE1394a中增加了4针插头和4芯电缆作为设备间的连接线。4针插头中只有4个数据线。4针插头和插座如图11.6(b)所示。

4根线按标号的顺序采用的颜色分别是红、绿、橙、蓝。两种电缆的电气特性都是一样的，最大电缆长度建议为4.5m。图11.6IEEE1394插头和插座11.4.3IEEE1394总线IEEE1394支持异步和同步（等时）数据