第九章 总线技术

第九章总线技术

本章结构第一节：总线概述第二节：系统总线第三节：外部总线 一、USB总线 二、IEEE1394总线9.1：总线概述总线是各部件连接的纽带，是计算机通信接口的重要技术。系统设计可依照总线为出发点，设计者根据总线规则去设计，把各部件按照总线接口的标准与总线连接而无需单独设计连接，因而简化了系统软件和硬件设计，使系统更易于扩展和升级。9.1：总线概述我们可以接触到的总线有很多，有系统总线、局部总线、SCSI总线、ISA总线、MAC（微通道总线）、PCI总线、AGP总线、VL总线、RS232总线、USB总线、1394总线以及PCIE总线等。我们将对总线的标准、规范、性能以及各主要总线标准进行讨论。9.1.1：总线规范总线标准是人们把各种不同的模块组成的系统时所需要遵守的总线规范，它为各模块互连提供了透明的标准，任一方只需要根据总线接口标准要求实现和完成接口功能，而不必考虑另一方的接口方式。采用总线标准可以简化系统设计和系统结构，提高系统可靠性，便于系统的扩展和更新。9.1.1：总线规范总线形成标准通常有两种方式： ①先有产品后有标准； ②先有标准后有产品。 在国际上，从事接纳和主持制定总线标准工作的有IEEE（美国电气与电子工程师协会）、IEC（国际电工委员会）、ITU（国际电信联盟）和ANSI（美国国家标准局）组织的专门标准化委员会。9.1.1：总线规范总线规范一般包括如下部分：机械结构规范：规范模块尺寸、总线连接器、插头等规格；电气性能规范：规定信号逻辑电平、负载能力及最大最小额定值以及动态转换时间等。功能结构规范：规定总线接口引脚的定义、传输速率的设定、定时及信号格式和功能9.1.2：总线分类根据总线所处的物理位置的不同可以把总线分为以下4种类型：片内总线、元器件级总线、系统总线和外总线，如图所示。9.1.2：总线分类9.1.2：总线分类片内总线是集成电路芯片内部用于连接各功能单元的信息通路。例如，微处理器芯片内部总线用于ALU和各寄存器等功能单元之间的互相连接。②元器件级总线又称片总线或在板局部总线，是印刷电路板上连接各芯片之间的公共通路。例如，CPU板上CPU芯片与接口芯片之间的连接通路。9.1.2：总线分类③系统总线又称内部总线，是目前微型计算机机箱内的底版总线，用以连接微型计算机系统的各插件板。例如，多处理器系统中各CPU板之间的通信通道就是系统总线。④外部总线是通信总线。它主要用于微机系统之间，微机系统与仪器仪表之间或与其他外部设备之间的连接。9.1.3：总线类型按总线所完成的功能可分为以下几种类型：①地址总线：为单向、三态总线，它是微机系统用于传送地址的信号线。地址总线的数目决定了直接寻址的范围。②数据总线：一般为双向、三态总线，它用来传送数据和代码。9.1.3：总线类型③控制总线：用来传送控制信号，实现命令和状态的传送，包括读信号、写信号等，中断、DMA控制信号、系统时钟、复位信号等也是通过控制总线来传送的。④电源线和地线：决定了总线使用的电源种类及地线的分布和用法。⑤备用线：是在总线中留给生产厂家和用户自行定义的信号线，其作用是为了功能的扩充和用户特殊技术要求的使用。9.1.4：总线数据的传送方式 总线数据传送的通信方式基本有3类：同步通信、异步通信和半同步通信。①同步通信方式:同步总线通信规程利用系统时钟作为各模块工作的时间标准，通信双方严格按时钟规定完成相应的操作。9.1.4：总线数据的传送方式②异步通信方式:异步通信允许总线上的各模块有各自的时钟，这样在模块间进行通信时就不需要公共的时钟了。但要实现不同速度模块间的配合，就必须增加应答信号线，应答信号常用请求（Request）和响应（Acknowledge）来表示。9.1.4：总线数据的传送方式③半同步通信方式:由于异步通信总线的传输延迟限制了数据的传送速率，而同步总线又不能满足不同设备的传送要求。因此有了半同步总线，这是一种结合同步总线和异步总线优点的总线方式。9.2：系统总线系统总线指的是IBM公司的PC系列微型计算机及其兼容机中用于连接各内部设备的总线，也可成为IBMPC系列总线。IBMPC系列微机采用开放式结构，在底板上设置一些标准插槽，将各种符合插槽运行标准的电路板插入插槽即可扩充PC功能。9.2.1：系统总线及其发展计算机技术的发展可以说是日新月异。处理器的主频越来越高，与此同时，在计算机中有重要地位的I/O技术也在不断发展，不过相较其它计算机技术来说，I/O技术的发展相对沉稳。系统总线情况如下页图所示：9.2.1：系统总线及其发展9.2.1：系统总线及其发展最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，称为PC总线或者PC/XT总线。ISA总线基本上可以满足以286或386SX以下CPU的为核心的电脑的要求1992年，Intel在发布486处理器的时候，同时提出了32-bit的PCI（PeripheralComponentInterconnectLocalBus周边组件互连）总线。9.2.1：系统总线及其发展Intel于1996年7月正式推出了AGP（加速图形接口，AcceleratedGraphicsPort）接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI2.1版规范扩充修改而成的总线标准。PCI总线标准已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一带总线取而代之。9.2.1：系统总线及其发展PCIExpress总线，是第三代输入/输出总线，所以简称3GIO（Third-GenerationInput/Output），另外它的开发代号是Arapahoe，所以又称为Arapahoe总线。2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress1.0规范，2006年推出Spec2.0（2.0规范）。9.2.1：系统总线及其发展9.2.2：ISA总线以及EISA总线ISA（工业标准架构：IndustryStandardArchitecture）总线是指以80286CPU为核心的处理器的IBMPC/AT机中所使用的总线，又称PC/AT总线，它是在8位的PC总线基础上扩展而成的16位总线体系结构。ISA总线结构示意图如图所示。9.2.2：ISA总线以及EISA总线9.2.2：ISA总线以及EISA总线ISA总线由同一轴线的基本插槽和扩展插槽两段组成。基本插槽有62条信号线，兼容PC总线；扩展插槽有36条信号线，为ISA新增加的信号线。ISA信号线如图所示。9.2.2：ISA总线以及EISA总线9.2.2：ISA总线以及EISA总线EISA总线是扩展工业标准结构（EISA——ExtendedIndustrialStandardArchitecture）的简称，它是以COMPAQ（康柏）为核心的一个联合组织制定的一组总线标准。9.2.3：PCI总线局部总线是在ISA总线和CPU之间增加1级总线。这样可将一些高速的外设，如网卡、磁盘控制器等通过局部总线直接挂到CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。局部总线中的典型即为Intel公司开发的PCI局部总线（PeripheralComponentInterconnectLocalBus）。9.2.3：PCI总线PCI总线定义了32位数据线，可以扩展到64位。它体积小、支持无限突发操作，使用33MHz和66MHz时钟频率，最大传输速率为132～528MB/s，支持并发工作方式。PCI局部总线结构图如图所示。9.2.3：PCI总线9.2.3：PCI总线PCI既支持单存储周期的传送方式，也支持成组的传送方式。在单存储周期的传送方式下，它要用两个时钟时间对数据字进行读写操作。在第一个时钟内，PCI总线提供的是地址信息，而在后续的每个时钟内，访问的则是数据信息。PCI总线信号如图所示。9.2.3：PCI总线9.2.3：PCI总线PCI总线的优点： ①高性能。 ②低成本。 ③兼容性。下图就体现了PCI总线的兼容性。9.2.3：PCI总线9.2.3：PCI总线PCI总线额定的时钟频率在0到133MHz之间，在由电池供电的系统里，这种方式非常有用。在机器空闲的方式下，它有效地减少了电能消耗。PCI总线的存取操作通常有两个步骤进行：一个是地址操作，一个是数据操作。9.2.3：PCI总线PCI总线配套有一种功能非常强的成组方式（BurstMode）。在这种操作方式下，在地址操作之后，紧跟着的是一次数据量不受限制的数据传送操作。PCI总线桥拥有将单个处理机访问（有时这种处理机的访问速度有可能比PCI总线33MHz的时钟频率还要高）合并成一次组操作的能力，避免了一种潜在的瓶颈现象。9.2.3：PCI总线除此之外，PCI总线桥在一次成组传送的操作过程中所传送的字节数不受限制。为了避免PCI总线上的某个时间长期占用PCI总线，在PCI的每个设备上都配备了一个延迟计时器，用这个延迟计时器给每一个设备规定它能使用总线的最长时间。9.2.4：发展中的总线标准随着微处理器技术的发展，PCI总线也面临着ISA在发展过程中所存在的问题，即使是经过改进的、用于服务器和高端电脑系统的64位/66MHz的PCI总线(提供的带宽可达533MB/s)仍然无法满足实际系统的应用要求，因此迫切需要新型稳定高效的总线标准出现。9.2.4：发展中的总线标准PCI-X总线技术PCI-X属于PCI总线的扩展架构，与PCI总线相比，PCI-X允许连接的单个PCI-X设备自己进行数据交换，允许断开没有数据交换的PCI-X的连接以减少总线的等待周期。9.2.4：发展中的总线标准PCI-X另一优势是它具有变频功能，PCI-X不像PCI那样采用固定的频率，在工作时候的具体频率可根据设备的不同而随时变化。PCI-X总线还有一个优势就是它的兼容性。无论32位还是64位PCI-X总线，均采用同样的接口形式，而且普通PCI的设备也能插在PCI-X插槽之中。9.2.4：发展中的总线标准InfiniBand总线技术。InfiniBand是Intel提出的一种全新的总线结构，用于在服务器系统中取代PCI总线。InfiniBand总线来源于NGIO(NextGenerationI/O)和FutureI/O这两种竞争的总线结构。9.2.4：发展中的总线标准InfiniBand采用了一种全新的架构，与传统的PCI无法兼容。InfiniBand总线标准即可把I/O看做是服务器的组成部分，也可看成是机箱的一部分，这时远程存储器、网络和服务器之间的连接是通过一条位于中心的InfiniBand控制芯片和中继线完成的。9.2.4：发展中的总线标准根据不同的需要，InfiniBand标准为通道适配器设置了三种工作方式，分别提供1、4和12条中继线，这三种工作方式提供的带宽分别可以达到500MB/s、2GB/s和6GB/s。9.2.4：发展中的总线标准PCIExpress总线技术PCIE总线是第三代输入/输出总线，简称3GIO（Third-GenerationInput/Output），又因为它的开发代号是Arapahoe，所以又称为Arapahoe总线。9.2.4：发展中的总线标准PCIExpress总线可适应流媒体和即时通讯的需要，它还能够支持更多的I/O设备，并且完全不需要担心不同的设备会占用中断的问题，因此它没有这个缺陷。由于PCIExpress总线技术海量的带宽。PCIExpress总线结构如图所示。9.2.4：发展中的总线标准9.2.4：发展中的总线标准一个PCIExpress总线拓扑结构由一个主桥（HostBrige）和数个I/O设备（endpoint）组成。在这种拓扑结构中，交换节点（Switch）取代了multi-drop的总线，为I/O总线提供输出端。几类PCI总线的速度比较如下页所示。9.2.4：发展中的总线标准9.2.4：发展中的总线标准一直都有芯片组厂商不断提出它们的南北桥互联的技术，Intel提出了IntelHub，VIA的V-Link，SiS

的MuTIOL

以及AMD的HyperTransport等。这其中，以PCIExpress和HyperTransport

最为流行。9.3：外部总线外部总线是微机和外部设备之间的总线，用于在系统间实现互连，可以作为可程序控制的仪器、设备与计算机相连接的总线。外部总线接口同系统总线也有很大的不同最有代表的USB总线，以及应用于高速数据传输领域的IEEE1394总线9.3.1：USB总线USB（通用串行总线UniversalSerialBus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。9.3.1：USB总线USB可把多达127个外设同时连到用户的系统上所有的外设通过协议来共享USB的带宽.USB允许外设在主机和其它外设工作时进行连接配置使用及移除即所谓的即插即用（PlugandPlay）。9.3.1：USB总线USB规范主要包括以下几个方面:①数据传输速率;9.3.1：USB总线②连接电缆的种类;③USB连接器;9.3.1：USB总线④最大连接设备数;⑤连接点之间的最大距离.

USB设备和USB主机通过USB总线相连。USB总线的拓扑结构如图所示。

9.3.1：USB总线9.3.1：USB总线USB物理接口包括电气特性和机械特性两部分。电气特性。USB总线中的物理介质由一根4线的电缆组成，其中两条用于提供设备工作所需的电源，另外两条用于传输数据。9.3.1：USB总线机械特性。对于所有的USB设备上都有“上行”（UP-Stream）和“下行”（Down-stream）连接，它们在机械特性方面并不是可以互换的，所以要尽量消除集线器上出现非法的环路连接。详细的机械特性请参考有关手册。9.3.1：USB总线USB总线上的在主机和设备端点之间传送数据的模型被称为“管道”，这种管道模型有两种：流管道和消息管道。流管道中的数据没有确定USB的帧结构，而消息管道中的数据有。9.3.1：USB总线USB由四个主要的部分组成：第一部分是主机和设备，它是USB系统的主要构件；第二部分是物理构成，它表示USB元件是如何连接的；9.3.1：USB总线第三部分是逻辑构成，它表示不同USB元件的角色和责任，以及从主机和设备的角度出发，USB所呈现的结构；第四部分是客户软件。9.3.1：USB总线9.3.1：USB总线一个USB物理设备的逻辑组成包括：USB总线接口、USB逻辑设备、功能模块。USB设备的组成如下页图所示:9.3.1：USB总线9.3.1：USB总线USB物理设备分成三层。最低一层用于传送和接收分组的总线接口。中间一层则用于控制总线的接口和设备上的各个端点之间所形成的数据路由。一个端点时数据的最终使用者或提供者，可以认为它时一个信源或信宿。最高一层则是串行总线设备所提供的功能模块。9.3.1：USB总线USB总线上的设备以星型的拓扑结构实现与主机物理连接。9.3.1：USB总线主机与外设通过USB接口的通信是通过驱动程序来实现的。在windows环境中，定义了windows设备驱动程序模型，其中设立了两种模式：即用户模式和内核模式。有关Windows对USB支持的详细的说明请参考微软公司提供的设备驱动开发包（DeviceDriverDeveloper’sKit，即DDK）中的文档。9.3.1：USB总线win32驱动模式。

Win32驱动程序有两种工作模式：用户模式和内核模式。应用程序只能工作在用户模式下，而驱动程序大多运行在内核模式下。用户模式和内核模式在USB通信中的组成如图所示9.3.1：USB总线9.3.1：USB总线USB分层驱动.USB通信使用分层驱动模型，每层处理一部分通信任务。把通信分成层是有效的，因为这样可以使不同的设备在一些任务上使用相同的驱动。图为在Window系统中，如何对构成一个USB主机的不同软件部分进行划分的情况9.3.1：USB总线9.3.1：USB总线应用程序通过访问一系列的API函数，与设备驱动程序交互。设备驱动程序把应用程序的请求转换成IRP（I/O请求包）的标准形式。在上图中，各层驱动程序分别承担一定的通信任务，并一起保证了USB外设到主机的通信。9.3.1：USB总线USB总线的优点：①方便终端用户的使用。②应用广泛。③同步传输带宽。④应用中的灵活性。⑤容错性。⑥与PC产业的一致性。⑦性价比高。9.3.2：1394总线早在1985年，苹果公司就已经开始着手研究IEEE的前身---FireWire（火线）技术。1994年成立了IEEE1394A（