第4章PC总线与接口标准

1、总线概述

2、系统总线

第4章PC总线与接口标准

本章教学内容：

9.1总线基本知识

（微型计算机总线、总线分类及总线技术的发展）

9.2系统总线

（ISA、EISA、PCI、AGP总线）

9.3外总线

（RS-232总线）

§9.1总线概述

所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线

。9.1.1微型计算机总线概述总线的两个基本特性：分时和共享。共享：多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。分时：指某一时刻总线只能在一对部件之间传送信息。1.微机总线的组成（1）数据总线：数据总线为双向三态逻辑，用来传输数据。如PC/XT总线为8位数据线，ISA总线为16位数据线，PCI总线为32或64位数据线。

（2）地址总线：地址总线为单向三态逻辑，用来传递地址信息。地址总线的根数决定系统的寻址范围。PC/XT总线有20位地址线，可直接寻址1MB地址空间，ISA总线有24位地址，可直接寻址16MB地址空间，EISA总线有32位地址线，可直接寻址4GB地址空间。（3）控制总线：控制总线有单向、双向三态逻辑或非三态逻辑，用来传送控制信息和状态信息。（4）电源和地线：说明使用电源的规格。（5）备用线：主要作为系统功能扩充使用。2.总线的性能指标计算机总线的主要职能是负责计算机各模块间的信息传输。计算机总线技术包括：通路控制性能、使用方法、仲裁方法和传输方式等。总线的结构不同，性能差别很大。总线的性能指标有：（1）总线宽度（传送宽度）：指一次总线操作中通过总线传送的数据位数，即数据总线的数量，总线宽度有8位、16位、32位、64位。（2）总线周期：一次总线操作中所用的时间。（3）总线带宽（标准传输率）：在总线上每秒传输的最大字节量，用MB/s表示。（4）总线工作的时钟频率：设总线的带宽Dr，总线的时钟周期用T=1/f，一个总线周期传送的数据量用D表示，则带宽Dr=D/T=D×f若总线工作频率33MHz，总线宽度32位，则最大传输率为：Dr=4B×33×106/s=132MB/s。

（5）多路复用技术：一条总线多种用途的技术，即某一时刻该线路上传输的是地址信号，而另一时刻传输的是数据信号或总线命令。（6）总线控制方式：有突发传输、并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等项内容。（7）其他指标：还有总线的同步方式、信号线数、负载能力和电源电压，能否扩展64位宽度等。9.1.2总线分类和总线标准按各类总线的结构和连接对象及范围的不同，可分为以下三类总线：（1）微处理器片内总线（2）内总线（3）外部总线（1）微处理器片内总线主要用于芯片级的互连，是指在微处理器芯片内部各单元之间传输信息的总线。如微处理器内部的控制器、运算器、寄存器之间，以及系统主板上的CPU、存储器、接口电路之间的连接，就是采用片内总线来实现，有时也称为局部总线。（2）内总线也称为板级总线或系统总线，实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接，在微型计算机主板上的各种扩展插槽都属于内总线。例如STD总线、ISA总线、VESA总线、PCI总线等。（3）外部总线也称为通信总线，微型计算机之间或微型计算机与外部设备之间进行通信的总线，主要用于设备级的互联。例如：RS-232C总线、RS458总线、USB总线等。图9-1所示为常见的微型计算机总线层次的典型结构。图9-1微型计算机总线层次结构示意图7.4动画定义及演示文稿放映标准总线规定了电气各种信号的标准电平，负载能力和定时关系，也在结构上规定了插件的尺寸规格和引脚定义，各模块可实现标准连接。目前总线标准有两类：一类是IEEE（美国电气及电子工程师协会）标准委员会定义与解释的标准，如IEEE-488总线和RS-232C串行接口标准等；另一类是因广泛应用而被大家接受与公认的标准，如S-100总线、IBMPC/XT总线、ISA总线、EISA总线、PCI总线等。4．标准总线的特点7.4动画定义及演示文稿放映XT、AT（即ISA）、EISA系统总线和PCI局部总线等。PC总线最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT计算机中，它是基于8位DB的8088处理器，也被称为PC/XT总线。目前较为流行的PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术外，又出现了EV6总线、PCI-X局部总线、NGIO总线等。9.1.3微型计算机总线技术的现状和发展趋势9.2系统总线9.2.1ISA总线ISA（IndustrialStandardArchitecture）总线：IBM公司l984年为推出PC/XT而建立的系统总线标准，也叫AT总线，是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。ISA总线在原XT总线62线的基础上再充36线而成的98根信号线。长槽62个引脚被分为A、B两面，引脚编号为Al～A31和B1～B31；短槽36个引脚被分为C、D两面，引脚编号为C1～Cl8和Dl～D18。新增的36线与原有的62线之间用一凹槽隔开。ISA总线信号的前62根信号线按功能可分为时钟与定位线、数据总线、地址总线、控制总线、电源与地线五大类；后36根信号线除不提供时钟、定位功能外，其余四类都提供，是前面对应类功能的扩充。9.2.2EISA总线在ISA总线的基础上，将数据总线宽度从16位变为32位，地址总线宽度从24位变为32位，并具有高速同步传送功能。EISA总线具有近200条信号线。EISA的信号线可分成4组：地址总线和数据总线组、数据传送控制组、总线仲裁信号组及其他功能总线组。EISA总线的地址总线为32位，可支持高达4GB的物理地址空间。9.2.3PCI总线PCI总线：外部部件互联总线。PCIV2.0版本支持32/64位数据总线，总线时钟为25～33MHz。数据传输率达132～264MB/s。1995年推出的PCIV2.11版本支持64位数据总线，总线速度为66MHz，最大数据传输率达528MB/s。这个速度是最初的IBMPC总线的100倍，是最快的ISA总线的40倍，PCI总线的优良性能使它成为当前Pentium系列芯片的最佳选择。1．PCI总线的特点（1）采用数据线和地址线复用结构，目标设备可用47引脚，总线主控设备可采用49引脚。（2）提供5V和3.3V，可在两种环境中根据需要转换。（3）允许32位与64位器件相互协作。（4）允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置，提供了即插即用的能力。（5）PCI总线独立于处理器，工作频率与CPU时钟无关，可以支持多机系统。（6）高传输率。可扩充到64位（频率为66MHz），传输率达132MB/s～528MB/s。（7）高效率。支持无限读写突发方式、支持并发工作。2．PCI总线信号的定义PCI总线规定了两种PCI扩展卡及连接器：一种称为长卡，另一种称为短卡，长卡提供64位接口，插槽A、B两边共定义了188个引脚；短卡提供32位接口，插槽A、B两边共定义了124个引脚。电源、地、未定义引脚，其余信号按功能分类列于图9-2中。3．PCI总线的系统结构PCI总线为主的层次化局部总线，包括CPU总线、PCI总线、ISA/EISA总线和AGP总线。PCI桥路是一个PCI总线控制器，一边连接CPU总线，另一边通过PCI总线连接CPU访问相对频繁、速度较快的主存储器、高速图形适配器等，使PCI总线上的设备与CPU并行、独立地工作，互不影响。标准总线桥可扩展ISA/EISA总线。PCI桥的主要功能：（1）一个低延迟的访问通路，从而使处理器能够直接访问通过它映射于存储器空间或I/O空间的PCI设备。（2）能使PCI主设备直接访问主存储器的高速通路。（3）数据缓冲功能，可以使CPU与PCI总线上的设备并行工作而不必相互等待。（4）使PCI总线的操作与CPU总线分开，实现了PCI总线的全部驱动控制。9.2.4AGP总线Intel公司在1997年推出了高速图形接口的局部总线标准AGP（AcceleratedGraphicsPort）总线。主要特点：1）具有双重驱动技术，允许在一个总线周期内传输两次数据。2）在总线上可实现地址/数据多路复用，把32位的数据总线给图形加速器使用。3）一个典型的排队可处理12个以上的请求，大大加快了数据传输的速度。4）把图形接口绕行到AGP通道上，解决了PCI带宽问题，使PCI有更多的能力负责其他数据传输。1.概述AGP是为提高视频带宽而设计的总线规范。视频信号的传输速率可以从PCI的l33Mb/s提高到266Mb/s（1X模式）、533Mb/s（2X模式）、1066Mb/s（4X模式）或2133Mb/s（8X模式）。AGP能够在主内存与显示卡之间提供一条直接通道，使3D图形数据不经PCI总线，直接送入显示子系统，由此突破了PCI总线形成的系统瓶颈、提高了微型计算机的3D图形的处理能力，AGP是用于加速图形显示的一个专用总线接口。AGP仅在AGP控制芯片和AGP显示卡之间提供了点到点的连接。AGP总线的系统结构如图9-4所示。2.AGP的性能特点：（1）数据读写操作的流水线操作。（2）具有2X、4X、8X数据传输频率。（3）直接内存执行DIME。（4）地址信号与数据信号分离。（5）并行操作。在CPU访问系统RAM的同时允许AGP显示卡访问AGP内存，显示卡可以独享AGP总线带宽，从而进一步提高了系统性能。4.PCI和AGP的比较AGP总线采用地址和数据多路复用；AGP系统由于显示卡通过AGP芯片组与主内存相连，把占用了PCI总线大量带宽的显示卡移到AGP上是非常必要的。9.2.5新型总线PCIExpress1.I/0总线的瓶颈3D图形加速卡、千兆位以太网卡、IEEE1394、移动对接设备及其他附件的发展，以及它们所需要的更大带宽，PCI总线无法及时处理这些设备所发送的并发/多路数据流。如AGP接口，芯片组的HUBLink、V-Link等技术。Intel等开发的PCIExpress（原名3GIO，第3代I/O总线）就是一种新型的高速串行I/O互连接口，主要用于台式机、服务器、通信和嵌入式系统中。数据流量大的I/O用专门接口2.PCIExpress概述◆导线数量减少了将近75%，速度是PCI-X2.0的两倍，而且易扩充。◆采用点对点技术◆在点对点架构基础上为高速接入设备提供了交换器控制单元，主要作用是对高速PCIExpress设备之间的点对点通信进行管理和控制。3．PCIExpress的系统结构◆5层PCIExpress类似OSI网络模型。◆PCIExpress兼容PCI寻址模型。PCIExpress的分层结构模型如图9-5。9.3外总线9.3.1RS-232C总线RS-232C总线是一种串行的外部总线，利用它进行计算机和终端的近距离串行通信。RS-232C总线引脚说明RS-232C总线规定有25个引脚，使用了21个引脚，图9-6中给出了RS-232C的标准管脚图，各信号线说明如下：2.电平转换◆计算机接口芯片中大采用TTL或CMOS电平，◆RS-232C采用负逻辑，+3～+25V之间任意电压表示逻辑“0”，-3～-25V之间的任意电压表示逻辑“1”。在实际应用中，电平常为12V或15V。◆MCl488、MCl489和运放电路实现电平转换。MCl488转换器输入为TTL电平，输出则与RS-232C电平兼容。其供电电压为15V或12V，以便满足RS-232C信号电平的规定。原理图如图9-7所示。MCl489的输出为TTL电平，输入与RS-232C兼容，只要求+5V供电，即使超过15V也可以接收。其原理图如图9-8所示。图9-7MC1488原理图图9-8MC1489原理图图9-9为常用的几种电平转换电路。3.RS-232C总线的几种用法RS-232C总线的接口信号可以用多种方法形成，特别是各微机芯片生产厂家提供了多种芯片，使实现该总线变得非常容易，如图9-10所示。图9-10几种常用的RS-232C接口连线图9.3.2IEEE-488总线IEEE-488总线是一种并行外部总线，可实现系统之间的通信，而不是模块板之间的数据交换。使用24线组合插头，采用负逻辑工作，最多可挂接14台设备。IEEE-488总线各引脚信号可分为三类：数据线、联络信号线和控制信号线，各引脚的定义如表9-6所示。1.数据线D8～D1用于传输设备地址、数据及命令信息。2.联络信号线（握手信号线）DAV：发送器控制的数据有效信号线。NRFD：接收器控制端未准备好接收数据信号。NDAC：接收器控制端未接收完数据信号。3.控制线ATN：由控制器产生，指数据线的信息种类。置0，数据线传送的命令或地址信息；置1，数据线传送的是数据信息。EOI：结束或识别信号。SRQ：服务请求信号。REN：远程控制信号。PGND：机壳接地线。GND：信号接地线。无地址线、命令线9.3.3SCSI总线SCSI总线是小型计算机系统接口总线。使用范围：磁盘、光盘、CD-ROM、磁带、扫描仪、打印机等设备。SCSI总线的设备可分为两大类：启动设备和目标设备。启动设备是发命令的设备。目标设备是接收主机执行命令的设备。SCSI总线上的设备可以是启动设备，也可以是目标设备。9.3.4USB总线1.USB总线的特点通用串行总线USB（UniversalSerialBus），是一种支持即插即用的新型串行接口。数据传输率可达4Mb/s～l2Mb/s，还可为外设提供支持。USB总线特点：（1）易于操作、连接，采用四线电缆。（2）支持热插拔和即插即用PNP（PlugandPlay）。（3）传输线中的两条电源线可以提供5V电源供USB设备使用，提供100mA的电流，而带电源的USBHUB使得每个接口可以提供500mA的电流。（4）可适应各种不同类型的外设，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。（5）可传输4种不同的数据类型。最多支持127个设备。由于计算机的USB接口有限，必须用USBHUB增加分支，最多可提供7个分支。2.数据传输类型（1）控制（Control）传输方式：双向传输，传输的控制信号，指被USB系统软件用来进行查询、配置和给USB设备发送通用的命令。（2）同步（Isochronous）传输方式：提供确定的带宽和时间间隔。（3）中断（Interrupt）传输方式：用于定时查询设备是否有中断数据要传输。（4）批量（Bulk）传输方式：应用在大量传输和接收数据上，没有带宽和时间间隔的要求，保证传输数据正确无误。在传输中的优先级很低，打印机、数码相机和扫描仪就属于这种类型。3.USB总线的拓扑结构USB的物理连接是一个星型结构，HUB（集线器）位于每个星形结构的中心。（1）USB主机：USB系统中只有一个主机。主机系统的USB接口称为USB主控制器。可以是硬件、固件或软件的联合体。而集线器是集成在主机系统中的，可以提供一个或多个的接入端口。（2）USB设备：USB设备是USB协议的具体实现，主要包括集线器和功能部件。①集线器：提供用以访问USB总线的更多的接入点。②功能部件：向系统提供特定的功能，如ISDN连接设备、鼠标、显示器等。4.USB系统的构成5个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备、针对不同USB设备的驱动程序。各部分的主要功能：（1）控制器：负责执行由控制器驱动程序发出的命令。（2）控制器驱动程序：控制器与USB设备间的通信信道。（3）USB芯片驱动程序：提供对USB的支持。（4）USB设备：包括与PC相连的USBHUB及设备。（5）USB设备驱动程序，是用来驱动USB设备的程序。操作系统或USB设备制造商提供。5.USB总线的电气特性和机械特性（1）电气特性USB总线通过一条四芯电缆传送电源和数据，VBUS和GND用来向设备提供电源。D+和D-是发送和接收数据的半双工差分信号线，时钟信号也被编码在这对数据线中传输。（2）机械特性USB连接器分为A系列和B系列两种：A系列用于和主机连接。B系列用于和USB设备的连接。7.USB设备的接入和应用（1）操作系统对USB的支持：①当设备连接或从USB中撤除，能自动检测出来。②与新连接的设备通信，可找到通信的方法。③提供软件驱动与计算机的USB硬件以及访问USB的外设的应用程序通信。（2）主机对USB的支持：必须激活主机板BIOS中的USB功能。（3）USB设备的热插拔当接入一个USB设备后，操作系统会自动检测到该硬件设备