《计算机组成原理》 课件 张基温 第8、9章 总线与主板、未来计算机展望

第8章

总线与主板总线(bus)主板（mainboard)计算机组成原理教程（第10版）CompanyLogo2总线(bus)是能由多个部件分时共享的公共信息传送线路，一个系统的总线结构决定了该计算机系统的数据通路及系统结构。它能简化系统设计、便于组织多家专业化大规模生产，降低产品成本、提高产品的性能和质量，便于产品的更新换代、满足不同用户需求以及提高可维修性等，因而得以迅速发展。

在微型计算机中，总线以及所连接的部件都安放在主板（mainboard）上。计算机在运行中对于系统内的部件和外部设备的控制都通过主板实现，主板的组成与布局也决定了系统的运行速度、稳定性和可扩展性。8.1总线的概念

第6章总线与主板48.1.1总线及其规范总线是一组能为多个功能部件服务的公共信息传送线路。采用总线结构有两个优点：一是各部件可通过总线交换信息，相互之间不必单独连线，减少了传输线的数量，提高了系统的可靠性；二是在计算机系统需要扩展功能时，只需把要扩展的部件接到总线上，提高了微机的可扩展性。总线的3个基本特性

共享分时规范

第6章总线与主板51。

机械规范CompanyLogo62。

电气规范。电气规范指总线的每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。3。规程规范。规程规范用以描述总线中每一根线的功能和信号传输的时序要求。4.时间规范时间规范又称为逻辑规范，指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了总线操作的正确进行。第6章总线与主板78.1.2总线的分类1.按照总线传递的信号分类按照总线传递的信息，可将其分为：·地址总线（AddressBus，AB），用来传递地址信息；·数据总线（DataBus，DB），用来传递数据信息；·控制总线（ControlBus，CB），用来传递各种控制信号。第6章总线与主板82.按照总线所处的位置分类总线所处的位置分为机内总线和机外总线。机内总线分为片内总线和片外总线。片内总线指CPU芯片内部用于在寄存器、ALU以及控制部件之间传输信号的总线；片外总线指CPU芯片之外，用于连接CPU、内存以及I/O设备的总线。机外总线指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。目前在微型计算机上流行的接口标准有：IDE、SCSI、USB和IEEE1394等第6章总线与主板93.按照总线在系统中连接的主要部件分类按照总线在系统中连接的主要部件，可以将总线分为：·存储总线：连接存储器。·DMA总线：连接DMA控制器。·系统总线：连接I/O通道总线以及各扩展槽。·I/O（设备）总线：连接外部设备控制芯片。·局部总线：通常是一种实现高速数据传送的高性能总线，用来在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器/存储器系统之间提供一种内部连接机制。第6章总线与主板104.按照总线采用的通信方式分类按照总线采用的通信方式，可以分为串行总线并行总线。第6章总线与主板115.按照系统中使用的总线数量分类大多数总线都是以相同方式构成的，其不同之处仅在于总线中数据线和地址线的数目，以及控制线的多少及功能。按照系统中使用的总线的条数可以分为单总线结构双总线结构多总线结构。第6章总线与主板12单总线第6章总线与主板13以存储器为中心的双总线结构

第6章总线与主板14三总线结构

第6章总线与主板15三级总线结构

（分级三总线）第6章总线与主板16四级总线结构

第6章总线与主板178.1.3总线的性能指标（1）总线宽度：也称传送宽度，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，用bit(位)表示，如总线宽度有8位、16位、32位、64位之分。（2）寻址能力：取决于地址总线的根数。例如，PCI总线的地址总线为32位，寻址能力达4GB。（3）总线带宽（标准传输率）：在总线上每秒传输的最大字节（Byte）量，用MB/s表示，即多少兆字节每秒。（4）总线工作的时钟频率：总线工作频率越高，带宽越宽。设总线的带宽用Dr表示，总线的时钟周期用表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，则带宽的计算公式如下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第6章总线与主板18（5）是否支持突发传送。总线上数据传送方式分为两种：·正常传送——每个传送周期先传送数据的地址，再传送数据。·突发传送——支持成块连续数据的传送，只需给出数据块的首地址，后续数据地址自动生成。PCI总线支持突发传送，ISA不支持。（6）负载能力，即总线上能够连接的设备数。（7）总线控制方式：含有突发传输、并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等项内容。（8）PnP能力。PnP（Plug-and-Play，即插即用，也称热插拔）是由Microsoft提出的，意思是系统自动侦测周边设备和板卡并自动安装设备驱动程序，做到插上就能用，无须人工干预，是Windows自带的一项技术。所谓即插即用是指将符合PNP标准的PC插卡等外围设备安装到电脑时，操作系统自动设定系统结构的技术。当用户安装新的硬件时，不必再设置任何跳线器开关，也不必用软件配置中断请求(IRQ)、内存地址或直接存储器存取(DMA)通道，Windows会向应用程序通知硬件设备的新变化，并会自动协调IRQ、内存地址和DMA通道之间的冲突。（9）其他指标：除了以上几项外，还有总线的同步方式、信号线数、是否具有多路复用、电源电压高低和能否扩展64位宽度等，也是十分重要的指标。CompanyLogo198.1.4标准总线总线名称开发者推出日期总线位宽(b)工作频率（Hz）带宽(B/s)负载能力PC-XTIBM198184M4M8ISAIBM1984168M16M8MCAIBM19873210M40M无限制EISACompaq等1988.9328.33M33M6PCIIntel\IBM等19913220M~33.3M133M/528M3VESAVESA19923266M266M6AGPIntel1996.73266.7M/133M266M/2.133GPCI-EIntel\IBM等2002.7串行2.5G/5G/10G点兑点：4G/16G双向：8G/32G8.2总线工作原理

第6章总线与主板218.2.1总线的组成与

基本传输过程1.总线的组成(1)传输线。·地址线——决定直接寻址范围。·数据线——决定同时并行传输的数据宽度。·控制、时序和中断信号线——决定总线功能的强弱、适应性好坏。·电源线——决定电源电压种类、地线分布以及它们的用法。·备用线——留给用户进行性能扩充，满足特殊需要。(2)接口逻辑。

总线与各部件并不是直接相连的，通常需要一些三态门（控制双向传送）和缓冲寄存器等作为它们之间的接口。(3)总线控制器。

总线要为多个部件共享。为了正确地实现它们之间的通信，必须有一个总线控制机构，对总线的使用进行合理的分配和管理。第6章总线与主板222.总线中信号的基本传输过程（1）请求总线。利用总线进行信息传送的主控模块申请总线，以便取得总线控制权。（2）总线仲裁：多个主控模块同时申请总线时，系统做出裁定，把总线的控制权赋予某个主控模块。（3）目的寻址：某主控模块取得总线控制权后，由该模块进行寻址，通知被访问的模块进行信息传输。（4）信息传输：主控模块与被访问模块之间进行数据传输，根据读写方式确定信息流向。分两种情形：单周期方式是在获得一次总线使用权后只能传输一个数据，如果需要传输多个数据，就要多次申请使用总线；突发式是指获得一次总线使用权可以连续进行多个数据的传输，在寻址过程中，主控模块发送数据块的首地址，后续的数据在首地址的基础上按一定的规则寻址，如：PCI总线支持突发数据传输方式，这种方式下总线利用率高。（5）错误检测：最常用、最简单的错误检测方法是奇偶检验。错误检测结束后，主控模块的有关信息均从系统总线上撤销，让出总线。第6章总线与主板238.2.2总线争用与仲裁

总线同一时刻只允许在一对模块之间进行通信。当多个主模块同时要求使用总线时，总线控制机构中的判优和仲裁逻辑将按一定的判优原则，来决定由哪个模块使用总线。只有获得了总线使用权的模块，才能开始传送数据。

主方持续控制总线的时间称为总线占用周期。第6章总线与主板241。时间片划分法2.集中控制的优先权仲裁3.分布控制的优先权仲裁第6章总线与主板251。时间片划分法ABCABCABBCACT4T1T2T3T5T6T7T8T9（a）一条在不同时间片轮流接通三个设备的物理通道（b）相当于三条逻辑通道第6章总线与主板262.集中控制的优先权仲裁集中控制的优先权仲裁方式有3种：链式查询、定时查询和独立请求。

第6章总线与主板27（1）链式查询方式特点：1、BG串行的从一个I/O接口传到下一个I/O接口。2、若该接口无请求，则继续往下查询；

若该接口有请求，则不再往下查询，即获得总线的控制权；3、离总线总裁器最近，优先级最高。第6章总线与主板28（2）计数器定时查询方式

该方式采用一个计数器控制总线的使用权。它仍用一根请求线，当总线控制器接到总线请求信号以后，若总线不忙（BS线为“0”），则计数器开始计数，并把计数值通过一组地址线发向各部件。每个设备都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时，该设备获得总线使用权，置忙线BS为“1”。同时中止计数器的计数及查询工作。

第6章总线与主板29（3）独立请求方式每一个共享总线的部件均有一对总线请求线BRi和总线同意线BGi。当该部件要使用总线时，便发出请求信号，在总线控制部件中排队。总线控制器可根据一定的优先次序决定首先响应哪个部件的总线请求，以便向该部件发出总线的响应信号BGi。该部件接到此信号就获得了总线的使用权，开始传送数据.第6章总线与主板303.分布控制的优先权仲裁分布式优先权仲裁有如下特点。（1）将所有设备都具有预先分配的仲裁号。（2）仲裁器分布在各设备上。（3）任何时刻，每个设备都可以发出总线使用请求。（4）同时有两个以上设备发出总线使用请求时，高优先级别的设备赢得裁决。（5）一个设备使用总线时，要通过总线忙信号阻止其他设备请求。第6章总线与主板318.2.3总线通信中主存之间

的时序控制总线通信的控制大致有4种方式：同步通信异步通信半同步通信分离式通信其中最基本的是同步通信和异步通信。第6章总线与主板321.同步通信中的定时控制第6章总线与主板33

（1）

同步通信读周期：T1：CPU将存储器地址放到地址线上；同时发出启动信号，指明控制信息和地址信息已经出现在总线上。T2：CPU发出读命令，存储模块识别地址码；第6章总线与主板34

（1）

同步通信读周期：T3：存储模块将数据和认可信息放到总线上，准备被CPU读取。T4：CPU将数据读入自己的寄存器；读信号和数据信号结束；总线周期结束。同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。第6章总线与主板35

（2）

异步通信

异步通信方式也称为应答方式，在这种方式下，没有公共的时钟，也没有固定的时间标准，而是通过“请求”（request）和“应答”（acknowledge）方式（或称握手方式）来进行同步控制用以实现不同速度模块间的数据传送配合。即主模块先向从模块发出“请求”信号，等收到从模块的“应答”信号后，才认为可以开始通信。为此，在并行传输系统中除数据线之外，要增加请求和应答两条应答线（或称握手交互信号线）。

一般把异步应答关系分为不互锁、半互锁和全互锁3种类型：第6章总线与主板36状态信号地址信号读

命

令数据信号确认信号CPU存储器①①②③④⑤⑥⑥⑦第6章总线与主板37

（2）

异步通信读周期：1、CPU发送地址信号，读状态信号到总线上。2、信号稳定后，CPU发出读命令，指示有效地址和控制信号出现。3、存储模块进行地址译码；将数据放到总线上。第6章总线与主板38

（2）

异步通信读周期：4、存储模块发出确认有效信息，通知CPU数据可用；CPU读取数据。5、CPU读完数据后，撤销读信号，存储器撤销数据信号和确认信号；确认信号的撤销使CPU撤销地址信号。总线周期结束。第6章总线与主板392.异步通信中的应答控制（1）全互锁。过程如下：①主模块发出“请求”信号，等待从模块的“应答”信号；②从模块接到“请求”信号后，发出“应答”信号——一次握手；③主模块接到从模块的“应答”信号，就撤销其“请求”信号——二次握手；④从模块在获知主模块已撤销“请求”信号后，随即撤销其应答信号——三次握手。这样，经过三次握手在通信双方建立了完全的互锁关系。第6章总线与主板40（2）半互锁。规则如下：主模块的“请求”信号撤销，取决于是否收到从模块的“应答”信号。收到从模块的“应答”信号，立即撤销“请求”信号；而从模块“应答”信号的撤销与否，完全由从模块自主决定。第6章总线与主板41（3）不互锁。规则如下：“请求“和“应答”信号都有一定的时间宽度，主模块发出“请求”信号，不等待接到从模块的“应答”信号，而是经过一段时间后，撤销其请求信号。从模块接到“请求”信号后，在条件允许时发出“应答”信号，并且经过一段时间，自动撤销其应答信号。这样，“请求”信号的结束和“应答”信号的结束不互锁。第6章总线与主板423.半同步通信半同步的特点是：用系统时钟同步，但对慢速设备可延长传输数据的周期。方法是采用增加一条信号线（WAIT或READY）控制是否增加（插入）等待周期来延长传输周期。

第6章总线与主板434.分离式通信上述三种通信方式的共同弊端是在一个数据传输周期中，总线一直被两个通信的模块占用。而其中并非每一时刻都在使用总线：一部分时间是在进行传输准备。分离式通信的基本思想是区分传输准备和传输，使设备在传输准备阶段不占用或少占用总线，以便是总线能被充分利用，提高其吞吐量。基本方法是，一个信号传输结束，立即释放总线。

8.3几种系统总线标准第6章总线与主板4545

相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的,但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因何在呢?

为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等。

采用标准总线的优点简化系统设计简化系统结构，提高系统可靠性便于系统的扩充和更新第6章总线与主板468.3.1ISA总线1.ISA-8ISA（IndustryStandardArchitecture:，工业标准体系结构）是IBM公司1981年为微型计算机制定的8位总线标准，适用于CPU为8088的IBMPC/XT微机系统，也称XT总线。它的62针分成A、B两排，每排31针；其中：·数据线8针（D7~D0）；·地址线20针（A19~A0，最大寻址空间1M）；·控制线21针，可接受6路中断请求，3路DMA请求，此外还包括时钟、电源线和地线。第6章总线与主板472.ISA-161984年，IBM推出PC/AT系统，并把ISA从8位扩充到16位，地址线从20条扩充到24条，以适用于CPU为Intel80286的IBMPC、AT系统。ISA-16总线的主要性能和特点如下。

（1）具有比ISA-8（XT总线）更强的支持能力。它能支持：

．64KBI/O地址空间(0000H～FFFFH)。．16MB存储器地址空间(000000H～FFFFFFH)。．8位或16位数据存取。．8MHz最高时钟频率和16MB/s最大稳态传输率。．15级硬中断。．7级DMA通道。（2）是一种多主控器(MultiMaster)总线，允许多个主控器共享系统资源。系统中除主CPU外，DMA控制器、DRAM刷新控制器和带处理器的智能接口控制卡都可以成为ISA总线的主控设备。（3）可支持8种类型的总线周期：

．8位和16位的存储器读周期。．8位和16位的I/O读周期。．8位和16位的存储器写周期。．8位和16位的I/O写周期。．中断周期(包括中断请求周期和中断响应周期)。．DMA周期。．存储器刷新周期。．总线仲裁周期。第6章总线与主板48（4）ISA-16芯片是在原ISA-8的62线基础上，扩充了一个36线的芯片。

第6章总线与主板49插槽被设计成为两部分结构，一部分是原ISA-8总线的62线插头、插槽(分A、B两面，每面31线)，另一部分是新增的36线插头、插槽(分C、D两面，每面18线)，新增的36线与原有的62线之间有一凹槽隔开。

图4.11ISA-16插槽结构第6章总线与主板50图中的黑色插槽即为16位ISA总线插槽

第6章总线与主板513.EISA1988年，康柏、HP、NEC等9个厂商协同把ISA扩展到32位，即EISA总线(ExtendedISA)。第6章总线与主板525.3.2PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect，外部设备互连）总线是由Intel公司提出的一种独立于处理器的的局部总线标准，于1992年6月和1996年6月颁布了V1.0（支持32位）和V2.1（支持64位）规范。第6章总线与主板531.PCI总线的性能特点（1）高性能。·PCI总线不同于ISA总线，其地址总线和数据总线是分时复用的。·PCI总线是一种同步总线，除了中断等少数几个信号外，其他信号与总线时钟的上升沿同步，潜伏期短并可以预测。·支持总线主控技术。允许主控部件（智能设备或多处理器中任一处理器）取得总线控制权，加速数据传输。

第6章总线与主板54PCI总线的传输带宽（MB/s）

位

宽（b）时钟频率（MHz）326433.313326666.6266532第6章总线与主板55（2）兼容性强。传统的系统总线（如ISA总线）实际上是CPU引脚的延伸，其信号是CPU信号的再驱动，而PCI以独特的中间缓冲器方式工作，从而可以独立于CPU，并将CPU与I/O设备分开。PCI的工作频率与处理器时钟频率无关，它除了适用于Intel公司的芯片外，还适用于其他型号（如DEC公司的Alpha）的处理器芯片。PCI与ISA，EISA，VL等总线兼容，能将PCI总线转换为标准的ISA，EISA，MCA等，可以架起处理器与其他总线之间的桥梁。这些不仅提高了PCI的兼容性，还使它不会因处理器变化而变得过时。第6章总线与主板56（3）高可靠性和可操作性。PCI支持热插拔，能自动识别外设。它的的插件是通用的，可以插到任何一个有PCI总线的系统上。它的32位与64位扩展板的部件都正反向兼容。PCI总线支持两种电压标准：5V和3.3V。3.3V电压的PCI总线标准可应用于便携式微机和绿色计算机（greenPC）中。它采用了小型化设计，并允许超过电力负荷预算的最大值。第6章总线与主板572.PCI总线的应用第6章总线与主板58PCI是外部设备与CPU之间的一个中间层，目的是为高速外部设备提供一个高速数据通道。驱动PCI总线所需的全部控制全由PCI桥路实现。PCI桥路也可以看作是一个总线适配器，用于在CPU总线与PCI总线之间进行适配与耦合。它在与CPU总线的接口中引入了FIFO缓冲器，使PCI总线与CPU总线的操作各自独立，消除了相互影响，且可以并行工作，提高了系统的吞吐能力，第6章总线与主板59当总线的驱动能力不足时，可以采用多层结构，

北桥南桥第6章总线与主板603.PCI总线信号第6章总线与主板614.PCI总线周期第6章总线与主板62①总线周期由获得总线控制权的主控设备启动，启动由FRAME#（总线周期信号）变为有效电平开始。②启动方将目标设备的地址放在AD（地址/数据总线）上，命令放在C/BE#（总线命令/字节允许信号线）上。③经一个时钟周期，从地址总线上识别出目标设备，启动方停止AD总线和C/BE#线上的信号，并驱动IRDY#（主设备准备好信号线）为有效电平，表示已作好接收数据的准备。④经一个时钟周期，目标设备驱动DEVSEL#（设备选择信号线）为有效电平，通知主设备，从设备已被选中。同时将被请求的数据放在AD总线上，并将驱动从TRDY#（设备准备好信号线）为有效电平，表示总线上的数据有效。⑤启动方读数据。⑥经一个时钟周期，目标设备还未准备好传送第二个数据块，AD上还是数据1，故将TRDY#驱动至无效电平，处于等待。⑦目标设备准备好传送第二个数据块，TRDY#变为有效电平，启动方再读数据。⑧目标方将第三个数据块放到数据总线上，但启动方未准备好，故因此将IRDY#驱动至无效电平，等待。⑨启动方准备好，但知道第三个数据块是要传输的最后一个，故将FRAME驱动至无效电平，准备结束总线周期，同时将IRDY#驱动至有效电平，进行读数据操作。⑩启动方读完数据3，遂将IRDY#驱动为无效电平，总线回到空闲状态。第6章总线与主板63图中白色的插槽即为32位PCI总线插槽

第6章总线与主板648.3.3AGP总线AGP总线（AcceleratedGraphicsPort，加速图形端口），是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。推出AGP的目的是为了大幅度地提高高档微型计算机处理图形尤其是3D图形的能力。进行图像处理时，储存在显示卡上显示内存中的不仅有影像数据，还有纹理数据、Z轴的距离数据以及alpha数据等，特别是纹理数据的数据量非常大，要描绘3D图形，不仅需要大容量的显存，要需要高速的传输速度。第6章总线与主板65AGP的性能特点

（1）AGP总线将视频处理器与系统主存直接相连，避免了经过PCI总线造成的系统瓶颈，提高了3D图形数据传输速度。

（2）系统主存可以与视频芯片共享，在显存不足的情形下，可以调用系统主存用于存储纹理数据。

（3）采用双重驱动术。采用新的低电压规范，允许在一个66MHz的总线时钟内传输一次到两次数据，即在AGP时钟信号的上沿和下沿都进行32位数据传输，从而将有效带宽提高4倍，达到512Mb/s甚至1Gb/s。

（4）CPU访问系统主存与AGP访问显存可以并行进行，显示带宽也不与其他设备共享，进一步提高了系统性能。

（5）数据读写采用流水线操作，减少了内存等待时间，有助于提高数据传输速率。

（6）采用带边信号传输技术，在总线上调制使地址信号与数据信号分离，来提高随机内存访问速度。第6章总线与主板66AGP的性能特点

（1）AGP总线将视频处理器与系统主存直接相连，避免了经过PCI总线造成的系统瓶颈，提高了3D图形数据传输速度。

（2）系统主存可以与视频芯片共享，在显存不足的情形下，可以调用系统主存用于存储纹理数据。

（3）采用双重驱动术。采用新的低电压规范，允许在一个66MHz的总线时钟内传输一次到两次数据，即在AGP时钟信号的上沿和下沿都进行32位数据传输，从而将有效带宽提高4倍，达到512Mb/s甚至1Gb/s。

（4）CPU访问系统主存与AGP访问显存可以并行进行，显示带宽也不与其他设备共享，进一步提高了系统性能。

（5）数据读写采用流水线操作，减少了内存等待时间，有助于提高数据传输速率。

（6）采用带边信号传输技术，在总线上调制使地址信号与数据信号分离，来提高随机内存访问速度。8.4几种设备总线标准1.ATA1984年IBM公司在其开发的IBMPC（IBMpersonalcomputer）的基础上，推出了IBMAT（advancedtechnology，高级技术）。在这个系统的磁盘中使用了一种磁盘接口技术，将之称为ATA（ATAttachment，AT嵌入式接口）。其基本技术是将以前硬盘控制器与“盘体”分离改为直接结合，以减少硬盘接口的电缆数目与长度，使数据传输的可靠性得以增强，也使硬盘制造起来变得更容易。第6章总线与主板688.4.1ATA与SATA总线

版本使用时间引脚数缆芯数PIO模式DMA模式UDMA模式支持容量最高速率ATA-11986-199440/44400-20-136.9GB3.33MB/sATA-2199640/44400-40-2-8.4GB16.6MB/sATA-3199740/44400-40-2-

16.6MB/sATA-4199840/44400-40-20-2

33MB/sATA-51999至今40800-40-20-4136.9GB66MB/sATA-62000至今40800-40-20-5144.12PB100MB/sATA-7

40800-40-20-5

133MB/s第6章总线与主板69各种版本的ATA总线的技术参数第6章总线与主板702.UltraDMAUltraDMA也叫ATADMA是一种内存与磁盘第直接传送的ATA技术，有UltraDMA/33、UltraDMA/66和UltraDMA/100MHz等多种规格。

第6章总线与主板713.SATA2000年11月推出新的硬盘接口总线SATA（SerialATA，串行ATA）。它将ATA总线的并行传输方式改为串行传输方式，规避了并行总线在高速下的串扰和同步问题。SATA具有如下优势：（1）同一时间点内只有1b数据传输，从而大大减少了接口的针脚数，仅用4支针脚（分别用于连接电源、连接地线、发送数据和接收数据）就完成了所有的工作。（2）具有嵌入式时钟信号，具有更强的纠错能力，在很大程度上提高了数据传输的可靠性。（3）只要0.5V（500mV）的峰对峰值电压（PATA为5V）即可操作于更高的速度之上，节省电力，减少发热量，其驱动IC的生产成本也较为便宜。（4）支持热插拔。这是ATA不具备的。（5）可以使用更高的频率提高传输带宽。表8.6为3代SATA的性能参数。表8.6三代SATA的性能参数表第6章总线与主板72第6章总线与主板731.SCSI总线概述1986年美国国家标准局（ANSI）在原SASI(美国Shugart公司的ShugartAssociatesSystemInterface)接口基础上，经过功能扩充和协议标准化，制定出SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口）标准。它最初主要为管理磁盘而设计，但很快就应用于CD-ROM驱动器、扫描仪和打印机等的连接，成为服务器和图形工作站中被广泛采用新宠。第6章总线与主板748.4.2SCSI与SAS总线

第6章总线与主板75第6章总线与主板76SCSI接口标准的主要特性（1）SCSI是系统级标准输入输出总线接口，许多外部设备都采用了这一标准接口。（2）SCSI支持多任务并行操作，具有总线仲裁功能。SCSI上的适配器和控制器可以并行工作，在同一个SCSI控制器控制下的多台外设也可以并行工作。总线上的主机适配器和SCSI外设的总数最大为8。（3）SCSI可以按同步方式或异步方式传输数据。（4）SCSI有两种输出方式：单端输出方式下的连接长度限制为6m；差分输出方式下的连接长度限制为25m。（5）SCSI总线上的设备没有主从之分，双方平等。驱动设备和目标设备之间采用高级命令进行通信，不涉及外部设备的物理特性。因此使用方便、适应性强，便于集成。第6章总线与主板77SCSI总线68个引脚第6章总线与主板78专门的SCSI控制器

在系统中应用SCSI必须要有专门的SCSI控制器，也就是一块SCSI控制卡，才能支SCSI设备，这与IDE硬盘不同。在SCSI控制器上有一个相当于CPU的芯片，它对SCSI设备进行控制，能处理大部分的工作，减少了中央处理器的负担（CPU占用率）。在同时期的硬盘中，SCSI硬盘的转速、缓存容量、数据传输速率都要高于IDE硬盘，第6章总线与主板79

SCSI的系统结构SCSI是一种特殊的总线结构，可以对计算机中的多个设备进行动态分工操作，对于系统同时要求的多个任务可以灵活机动的适当分配，动态完成。连接在SCSI总线上的适配器和设备控制器称为SCSI设备。SCSI具有与设备和主机无关的高级命令系统；SCSI设备都是有智能的总线成员；设备间无主次之分，只有启动设备和目标设备之分。2.SAS接口SAS（serialattachedSCSI,串行连接SCSI）具有如下优点。（1）SAS的接口技术可以向下兼容SATA。（2）SAS系统的背板(Backplane)既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动器，也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。所以SAS驱动器和SATA驱动器可以同时存在于一个存储系统之中。（3）SAS依靠SAS扩展器来连接更多的设备，目前的扩展器以12端口居多，不过根据板卡厂商产品研发计划显示，未来会有28、36端口的扩展器引入，来连接SAS设备、主机设备或者其他的SAS扩展器。（4）SAS采取直接的点到点的串行传输方式，传输的速率高达3Gbps，估计以后会有6Gbps乃至12Gbps的高速接口出现。（5）SAS的接口也做了较大的改进，它同时提供了3.5英寸和2.5英寸的接口，因此能够适合不同服务器环境的需求。（6）由于采用了串行线缆，在实现更长的连接距离的的同时还能够提高抗干扰能力，这种细细的线缆还可以显著改善机箱内部的散热情况。第6章总线与主板80第6章总线与主板811.USB及其特点

通用串行总线。是UniversalSerialBus的缩写，中文直接翻译

“通用串行总线”接口，它是一种串行总线系统，诞生于1994年，由PC界的几位“巨人”——康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在统一外设如打印机、外置Modem、扫描仪、鼠标等的接口，以便于安装使用，取代以往的串口、并口和PS/2接口，它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。8.4.3USB总线第6章总线与主板82USB特点（1）USB采用差分信号传输（2）使用方便,可连多个设备,且热插拔.软件可自动启动.不涉及IRQ冲突.,用HUB可最多可连127个.(3)独立供电

存在问题

理论上能连127个设备,实际只能连3~4个.

串联时,会出现电力不足的问题.第6章总线与主板83拓扑结构

主控器具有根集线器功能,具有2~4个USB端口,采用”级联”方式连接.主控器/根集线器集线器1集线器1功能集线器3功能功能功能…功能功能…功能或集线器USB端口2USB端口1第6章

总线与主板842.USB规范

第6章

总线与主板853.USB接口连接件类型1）标准USB第6章

总线与主板862）MiniUSB接口和MicroUSB接口第6章

总线与主板873）Type-C接口（1）不分正反，使用者可以随意插入，可以承受1万次的反复插拔。（2）支持更高的传输速率（可达10Gb/s）。（3）支持更强悍的电力传输（可达100W），并且支持双向电力传输。（4）向后兼容。如USB4标准目前仅支持Type-C接口。第6章

总线与主板88第6章总线与主板89

客户驱动程序USB驱动程序(USBD)通用主控驱动程序(HCD)通用主控制器(HCD)USB设备通用主控制接口系统硬件系统软件USB系统总线结构FC（fiberchannel，光纤通道）是由美国标准化委员会（ANSI）的X3T11小组于1988年提出的高速串行传输总线，以解决并行总线SCSI遇到的技术瓶颈。第6章总线与主板908.4.4光纤总线FC光纤总线特点：(1)高带宽：2G或4Gbps；(2)确定性低延迟：微秒级端到端延迟；(3)低误码率：小于10-12；(4)抗干扰能力强：对电磁干扰有天然的免疫力；(5)传输距离远：最长达150m~50km8.4.5AMR和CNR

AMR（AodioandModemRiser）是一种支持主板集成的声效、Modem等的新技术，CNR（CommunicationandNetworkingRiser）是一种支持主板集成的通信和网络等的新技术，目前的主板都有一个AMR或CNR插槽，如图2-18所示，它们为主板整合的声效、Modem和网络功能提供了一个安装升级卡的插槽。第6章总线与主板91第6章总线与主板928.5微型计算机主板第6章总线与主板948.5.1主板的概念主板，又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)和母板(motherboard)，是安装在微型计算机机箱内的一块电路板，通常为矩形，上面安装了组成计算机的主要电路系统和集成电路，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制的开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。主板的组成和布局，决定了计算机的体系结构，直接影响到计算机的性能，所以主板是微型计算机最基本的也是最重要的部件之一。此外，主板提供的扩展槽（大都有6-8个），体现了开放式结构的理念，可以供外围设备控制卡(适配器)插接以及更换，为计算机相应子系统的局部升级提供了很大的灵活性。第6章总线与主板958.5.2主板的构成USB总线北桥芯片(MCH/GMCH)南北桥总线南桥芯片(ICH)PCI/PCIe总线图形通道内存总线ATA/SATA/LAN接口等CPUL2AGP总线等BIOS、第6章

总线与主板96第6章总线与主板97主板的平面是一块PCB（Printed

Circuit

Board，印刷电路板，在上面布置着一组芯片、一些扩展槽、一些对外接口。只要插上有关部件，就可以组成一台微型计算机。图4.27为一个典型的微型计算机主板简化结构图。可以看出，主板的关键组成部分是北桥芯片和南桥芯片

第6章总线与主板98北桥芯片主要负责快速通道的控制，是主板的最重要的芯片，人们习惯称之为主桥（HostBridge）。它连接了CPU、高速总线和内存通道，也被简称为MCH(memorycontrollerhub，内存控制中枢)。此外还连接图形通道，所以也简称GMCH(GRAPHICSandmemorycontrollerhub，图形与内存控制中枢)。北桥芯片决定了主板的规格

第6章总线与主板99南桥芯片简称ICH(inputoutputcontrollerhub，I/O控制中枢)，负责中慢速通道的控制，主要是对I/O通道的控制，包括USB总线、串行ATA接口（连接硬盘、光盘）、PCIe总线（连接声卡、RAID卡、网卡等）和键盘控制器、实时时钟控制器和高级电源管理等

第6章总线与主板100南北桥之间用高带宽的南北桥总线连接，以便随时进行数据传输。第6章总线与主板1011.PCB第6章总线与主板1022.扩展槽扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽，也叫扩展槽、扩充插槽

主板上的主要扩展槽有内存插槽、AGP插槽、PCIExpress插槽、PCI插槽、CNR插槽等。第6章总线与主板103CPU插座第6章总线与主板104第6章总线与主板105第6章总线与主板1063.芯片组北桥和南侨FSB（FrontSideBus）即前部总线.BIOS（BasicInput∕OutputSystem,基本输入∕输出系统）芯片是一一块方块状的存储器，里面存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序。能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调整CPU外频等。RAID控制芯片相当于一块RAID卡的作用，可支持多个硬盘组成各种RAID模式。目前主板上集成的RAID控制芯片主要有两种：HPT372RAID控制芯片和PromiseRAID控制芯片。音效芯片、网络芯片（集成网卡）、IEEE1394控制芯片、监控芯片（CPU风扇运转监控及机箱风扇监控等）。第6章总线与主板107第6章总线与主板1084.设备接口主板上一般有如下一些设备接口：硬盘接口、软驱接口、COM接口(串口)、PS/2接口（用于连接键盘和鼠标。一般情况下，鼠标的接口为绿色、键盘的接口为紫色）、USB接口、LPT接口(并口，一般用来连接打印机或扫描仪)、MIDI接口、SATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment，串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口）接口、电源接口等

第6章总线与主板109主板上的SATA接口插座实例

第6章总线与主板110第6章总线与主板1115.供电模块第6章总线与主板1126.电气元件电气元件是电路上不可或缺的部分，们包括各种电阻/电容/电位器/晶振等。这些电气元件分布在主板的各个位置。第6章总线与主板1137.主板驱动指使计算机识别主板上硬件的驱动程序。主板驱动主要包括：芯片组驱动、集成显卡驱动、集成网卡驱动、集成声卡驱动、usb2.0驱动（xp系统已含）。主板驱动有的是集成在系统盘上的，自带光盘，放入光驱即可安装。第6章总线与主板1148.跳线和DIP开关第6章总线与主板115第6章总线与主板1168.5.3主板架构及其进展

1.AT主板和Babay主板

第6章总线与主板117第6章总线与主板118ATX型主板2.ATX主板3.NLX主板4.BTX主板第6章总线与主板119第6章总线与主板1208.5.3智慧型主板1.PnP功能2.STR3.网络和Modem唤醒4.系统监控与安全5.超频性能6.防电磁辐射技术7.采用无跳线设计8.符合绿色环保EPA标准第6章总线与主板1218.5.4主板选择参数1.按主板上使用的CPU分类2.按主板上I/O总线的类型分类3.按主板规格分类4.按特点分类5.按应用环境分类6.其它主板分类方法8.5.6智慧型主板技术

1.PnP功能2.STR3.网络和Modem唤醒4.系统监控与安全(1)断电自动重置（PowerFailureResume）

（2）安全监测。（3）新颖的故障检测和显示技术（4）BIOS抗病毒技术。

第6章总线与主板1225.超频性能6.防电磁辐射技术7.无跳线设计8.符合绿色环保EPA标准第6章总线与主板123第9章新型计算机展望Neumann计算机的一些致命弱点(1)计算机硬件方面的研究表明，不管CPU和主存的吞吐能力有多高，也不管主存的容量有多大，在CPU和主存之间只有一条每次只能交换一个字的狭窄数据通道。J.Backus在1977年接受ACM图灵奖时所作的学术报告中，把这个通道称为“Neumann瓶颈”。并行处理技术的采用，只不过是基于Neumann体系的计算机系统性能的改进，随着器件的物理性能接近极限，这些改进所花费的代价会越来越高。(2)按照“程序存储控制”体系原理工作的Neumann计算机，只能解释事先所存储的程序，只要针对问题的性质，提出相应的算法，并编制有效的计算程序，即可对问题进行求解。这种求解方法采用的是串行的信息处理过程，即每次从计算机的存储器中取出其中的一个存储信息加以计算，并进行逻辑判断，然后决定下一步应该继续执行存储器中的哪一条指令。由于它充分利用了计算机的快速运算能力，因此，不管问题多么复杂，只要有算法，问题就可以求解。近半个世纪以来的实践证明，它在高精度计算和一些可编程问题的求解以及过程模拟、过程控制等方面已经取得了巨大的成功。但是反过来，它也同时带来了问题的局限性，即对于那些还找不到有效计算算法和明确的计算方法的问题，例如在模糊识别、动力学过程模拟等方面，就碰到了有限时间和空间的障碍。9.1人工智能与智能计算机9.1.1人工智能及其定义1.人工智能学科的诞生公元前5世纪左右，中国人从手算开始发明了算盘和算筹，使人的一部分脑力劳动转移到了工具上。公元前十世纪左右，中国农村妇女发明了提花机，后经逐步改造，将控制机器的程序记忆在花板之中，把人的部分记忆功能转移到了工具上。1834年，英国学者巴贝奇在提花机的启发下，设计了分析机，不仅承担了人的部分记忆功能、计算功能，还在计算程序中引入判断，使之智力活动的能力进一步增强．1947年，著名的数学家、计算机科学艾伦·麦席森·图灵（AlanMathisonTuring，1912—1954），在一次计算机学术会议上作了题为“智能机器”的报告，论述了他关于机器思维的设想。1956年夏季，数学家和计算机专家麦卡锡与数学家和神经学家明斯基、IBM公司信息中心主任罗彻斯特、贝尔实验室信息部数学家和信息学家香农等共同发起组织，邀请IBM公司的莫尔（More）和塞缪尔（Samuel）、美国麻省理工学院的塞尔夫里奇（Selfridge）和索罗蒙夫（Solomonff）、兰德公司的纽厄尔（Newell）和卡内基-梅隆大学的西蒙（Simon）共10人，在达特茅斯大学（DartmouthCollege）举办了一个长达2个月的人工智能夏季研讨会。第9章未来计算机展望2.人工智能的定义麦卡锡教授在1956年给出的定义是：人工智能就是要让机器的行为看起来就像是人所表现出来的智能行为一样。尼尔逊教授给出的定义是：人工智能是关于知识的学科——怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学。美国麻省理工学院的温斯顿教授给出的定义是：人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作。第9章未来计算机展望3．图灵测试第9章未来计算机展望9.1.2人工智能研究学派与关注的内容1.人工智能的研究学派1）符号主义学派符号主义（symbolicism）又称为逻辑主义（logicism）、心理学派（psychlogism）或计算机学派（computerism），这是一批最早踏入人工智能领域的研究者的思想。符号主义学派的理论基础与工具是数理逻辑．2）连接主义学派连接主义

connectionism)，又称为仿生学派(bionicsism)或生理学派(physiologism)，是一个基于从人脑模型的角度进入人工智能领域的学派．3）行为主义学派行为主义(actionism)，又称为进化主义(evolutionism)或控制论学派(cyberneticsism)，是一批从控制论思想角度研究人工智能领域的学派。第9章未来计算机展望2.人工智能研究的主要关注内容1）认知建模与知识表示2）知识搜索与推理3）数据挖掘与知识发现4）知识应用5）机器感知、交流与互动6）机器思维与自动程序设计7）知识获取与机器学习8）机器行为9）自我进化10）智能系统构建与层次化的智力社会模第9章未来计算机展望9.1.3智能计算机1.智能计算机的提出“像人一样会思考的计算机”．第9章未来计算机展望２.智能计算机的研制目标(1)智能计算机的解题能力主要取决于知识。应当是以知识库为中心的系统。它与传统计算机最大的不同之处在于，要变“程序存储”为“知识存储”，为此还要解决知识的表示问题。(2)知识是一个不断积累的过程，这个过程称为知识获取。因此，智能计算机应当有知识获取，即学习功能。(3)问题的求解过程是知识的应用过程，是根据已有知识对问题进行理解和推理过程，因此，理解与推理是智能计算机的核心部件。第9章未来计算机展望3.智能计算机模型第9章未来计算机展望1）智能机软件系统的组成（1）基本知识库。它包括3种知识库。①一般知识库②系统知识库③应用知识库（2）基础软件系统。它由3部分组成。①智能接口系统：提供智能接口所需知识，完成各项功能。②问题求解推理系统：提供知识库推理机，便于推理机求解问题。③知识库管理系统：提供知识给知识库，并支持知识库管理。（3）智能系统化支援系统。向用户提供知识，支援用户进行各种系统的设计，从而减轻人的脑力劳动。它有3个支援系统。①用于处理程序的智能程序设计系统。②用于处理知识库的设计系统。③用于处理计算机结构的智能设计系统。第9章未来计算机展望（4）智能使用系统。为用户提供各种规程，帮助用户构造应用系统。它包含4种软件。①传递系统：将程序式数据库从现有机器中传输到目标机中去。②教学系统：说明智能机的功能及使用方法。③咨询系统：为用户提供使用规程。④故障诊断：系统维护，自动检查和恢复功能，指导维修。（5）基本应用系统。提供基本应用功能，如翻译、问题回答、声音应用、图像/图形应用、问题求解等，是各应用系统的共享核心。（6）应用系统。按用户需要建立的具体应用对象的系统，由基本应用系统提供共享

资源。第9章未来计算机展望2）智能接口技术智能接口是智能计算机的一个重要组成部分。智能接口技术包括视觉系统、听觉系统、自然语言理解等研究领域。（1）视觉系统。用于模拟人的视觉功能。（2）听觉系统。自然听觉是人类通信的常用工具。其核心是语声信号处理，包括词的端点识别、词的识别、语义分析等部分。它们分别用到系统建立的“语义字典”及“语言规则和背景知识库”。（3）自然语言理解。自然语言理解可以使用户能够用普通的语言与计算机相互通信，使计算机的应用、操作更为方便。如果能达到下面的4条标准，该计算机系统就具备了自然语言理解的能力。①能成功地回答语音提问的有关问题。②能对大量数据做出摘要。③能用自然语言语言复述这些问题。④能从一种语言转译到另一种语言。第9章未来计算机展望3）智能计算机解题过程第9章未来计算机展望9.2量子计算机9.2.1量子计算机的基本原理1.量子叠加性与量子存储qubit位数所具有的状态存储的数据量1(0and1)212(0and1)and(0and1)22=43(0and1)and(0and1)and(0and1)23=8

300(0and1)and(0and1)and(0and1)and(0and1)…2300≈1090

qubit的存储2.量子相干性与量子并行计算量子计算机对N个存储单元进行实施一次的运算，实际上就是对2N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2N次操作，或者相当于用2N处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。第9章未来计算机展望3．量子退相干与量子编码量子计算机不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干（Quantumdecoherence。也称退相干）。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。目前找到的克服消相干最有效方法是量子编码。第9章未来计算机展望4.量子纠缠与量子算法两个叠加态的量子不管分别处于太空宇宙的哪个角落，如果一个量子改变了状态，那么相对应的另一个量子必然也会同时改变状态。第9章未来计算机展望9.2.2量子比特与计算基1．单量子比特与计算基第9章未来计算机展望第9章未来计算机展望2.双量子比特与计算基第9章未来计算机展望3.多量子比特与计算基第9章未来计算机展望9.2.3量子比特门与量子线路图量子比特门也称量子逻辑门，简称量子门，使用酉矩阵表示。酉矩阵的特征值都是模为1的复数，即分布在复平面的单位圆上，因此酉矩阵行列式的值为±1。常用的量子门可以以2×2或者4×4的酉矩阵表示第9章未来计算机展望第9章未来计算机展望9.2.4量子算法量子算法是在量子计算机上执行的解题思路。对于某些问题的求解，量子算法要胜过最著名的经典算法。这被称为量子加速。1.Shor算法2.Grover搜索算法3.量子系统模拟第9章未来计算机展望9.2.5量子编程语言第9章未来计算机展望9.3未来计算机的其他探索9.3.1数据流计算机、归约机

和拟态计算机1.数据流计算机1）数据流计算机中指令的执行有如下5个特点。(1)异步性：只要本条指令所需要的数据齐备，指令便可以独立地执行，而不关心其他指令和数据的情况。（2）独立性：计算结果直接在指令间传递。一条指令产生的数据可以被复制成多个副本，直接送其他需要的指令。数据驱动程序中的数据保存在指令中，而不是保存在共享存储器中。这些指令不需要用任何方式排定次序。(3)局部性：各指令间的数据传送是直接的，不需将操作数作为“地址”变量，一条指令的输出，同时指向使用它的一条或多条指令(目标指令)，数据经过一条指令执行后随即消失，不产生长远或全局的影响。(4)并行性：只要有足够的处理单元，凡是相互间不存在数据依赖关系的指令都可以并行执行。这种并行性是隐含的。(5)“单赋值”性：程序中的