微计算机总线38

微计算机总线

1.总线出现的背景：

•计算机部件要具有通用性，适应不同系

统与不同用户的需求，设计必须模块化。

•计算机部件产品（模块）供应出现多元化。

•模块之间的联接关系要标准化，使模块

具有通用性。

•模块设计必须基于一种大多数厂商认可

的模块联接关系，即一种总线标准。

2.总线的标准

•总线是一类信号线的集合是模块间传输

信息的公共通道，通过它，计算机各部

件间可进行各种数据和命令的传送。

•为使不同供应商的产品间能够互换，给

用户更多的选择，总线的技术规范要标

准化。

•总线的标准制定要经周密考虑，要有严

格的规定。

2.总线的标准

•总线标准（技术规范）包括以下几部分:

»机械结构规范：模块尺寸、总线插头、

总线接插件以及按装尺寸均有统一规定。

»功能规范：总线每条信号线（引脚的名

称）、功能以及工作过程要有统一规定。

»电气规范：总线每条信号线的有效电平、

动态转换时间、负载能力等。

3.总线的发展情况

•S-100总线：产生于1975年，第一个标准化总

线，为微计算机技术发展起到了推动作用。

•IBM-PC个人计算机采用总线结构(Industry

StandardArchitecture,ISA)并成为工业化

的标准。先后出现8位ISA总线、16位ISA总线

以及后来兼容厂商推出的EISA(Extended

ISA)32位ISA总线。

3.总线的发展情况

•为了适应微处理器性能的提高及I/O模块

更高吞吐率的要求，出现了VL-Bus(VESA

LocaIBus)和PCI(PeripheraIComponent

Iinterconnect,PCI)总线。

•适合小型化要求的PCMCIA(Personal

ComputerMemoryCardInternationaI

Association)总线，用于笔记本计算机

的功能扩展。

4.总线的指标

计算机主机性能迅速提高,各功能模块

性能也要相应提高,这对总线性能提出更

高的要求。总线主要技术指标有几方面:

•总线宽度：一次操作可以传输的数据位

数,如S100为8位，ISA为16位,EISA为

32位，PCI-2可达64位。总线宽度不会超

过微处理器外部数据总线的宽度。

4.总线的指标

•总数工作频率：总线信号中有一个CLK时

钟，CLK越高每秒钟传输的数据量越大。

ISA、EISA为8MHz,PCI为33.3MHz,PCI-2可

达达66.6MHzo

•单个数据传输周期：不同的传输方式，

每每个数据传输所用CLK周期数不同。

ISA要2个，PCI用1个CLK周期。这决定总

线最高数据传输率。

5.总线的分类与层次

•系统总线：是微处理器芯片对外引线信

号的延伸或映射，是微处理器与片外存

储器及I/O接口传输信息的通路。系统总

线信号按功能可分为三类：

»地址总线（Where）：指出数据的来源与

去向。地址总线的位数决定了存储空间

的大小。

5.总线的分类与层次

•系统总线：

»数据总线(What)提供模块间传输数据

的路径，数据总线的位数决定微处理器

结构的复杂度及总体性能。

»控制总线(When)：提供系统操作所必

需的控制信号，对操作过程进行控制与

定时。

5.总线的分类与层次

•扩充总线：亦称设备总线，用于系统I/O扩充。

与系统总线工作频率不同，经接口电路对系统

总统信号缓冲、变换、隔离，进行不同层次的

操作（ISA、EISA、MCA）

•局部总线：扩充总线不能满足高性能设备（图

形、视频、网络）接口的要求，在系统总线与

扩充总线之间插入一层总线。由于它经桥接器

与系统总线直接相连，因此称之为局部总线

（PCI）O

总线层次结构

微处理器

Cache

桥与RAM声音处理视频接口

DRAM

控制器

PCILocalBus

LANSCSI扩充总基本UO图形设

线接口接口备接口

〈ISA/EISA-Micro

6.总线操作

总线一个操作过程是完成两个模块之间

传送信息，启动操作过程的是主模块，

另外一个是从模块。某一时刻总线上只

能有一个主模块占用总线。

•总线的操作步骤：

»主模块申请总线控制权，总线控制器进

行裁决。

6.总线操作

•总线的操作步骤：

＞主模块得到总线控制权后寻址从模块,

从模块确认后进行数据传送。

»数据传送的错误检查。

6.总线操作

•总线定时协议：定时协议可保证数据传

输的双方操作同步，传输正确。定时协

议有三种类型：

6.总线操作

»同步总线定时：总线上的所有模块共用

同一时钟脉冲进行操作过程的控制。各

模块的所有动作的产生均在时钟周期的

开始，多数动作在一个时钟周期中完成。

»异步总线定时：操作的发生由源或目的

模块的特定信号来确定。总线上一个事

件发生取决前一事件的发生，双方相互

提供联络信号。

同步总线定时图异步总线定时图

读

时钟

读

地址——XX

地址二x

MSYN

应答

数据

数据<=>

SSYN

6.总线操作

•总线定时协议

»半同步总线定时：总线上各操作的时间

间隔可以不同，但必须是时钟周期的整

数倍，信号的出现，采样与结束仍以公共

时钟为基准。ISA总线采用此定时方法。

6.总线操作

•数据传输类型：分单周方式和突发

(burst)方式。

»单周期方式：一个总线周期只传送一个

数据。

单周期数据传送方式

地址线—（地址

数据线

寻址h信息传送

ir——

总线占用期间

6.总线操作

•数据传输类型：

»突发方式：取得主线控制权后进行多个

数据的传输。寻址时给出目的地首地址,

访问第一个数据，数据2、3到数据n的地

址在首地址基础上按一定规则自动寻址

（如自动加1）o

突发数据传送方式

址M无效、

地力h线

数据线〈数据1数据3X数据n〉—

卜寻址jL______信息传送.

,1r

总线占用期间.

7.总线仲裁

•基本概念

总线上可以连接多个主模块，它们均可

占用总线传送数据。当出现多个主模块

申请占用总线时，要进行仲裁，将总线

控制权交给一个主模块。总线仲裁的主

要方法有分布式仲裁与集中式仲裁两种

方法。

7.总线仲裁

•菊花链式分布串行总线仲裁：每个主模

块包含有总线控制逻辑，多个主模块分

享总线。

所有主模块总线请求“线或”在一起,

CPU响应信号级联传播，占用总线的模块

发出忙信号。此方法优先级排定，灵活

性差。

菊花链式总线仲裁

7.总线仲裁

•集中式并行总线仲裁

有一个集中的总线仲裁逻辑，各主模块

的请求及响应信号独立。仲裁逻辑进行

优先级判断，可有不同的仲裁策略。

集中式并行总线仲裁

主设备1主设备2

总线请求1

总线请求总

线总线请求1

仲

裁

CPU总线应答

逻总线应答1

辑

总线应答2

电

忙路

忙信号

8.ISA总线原理

・ISA总线概况：

ISA总线来源于IBM-PC微计算机。开始

时PC机面向个人及办公室，定义了8位的

ISA总线结构，对外公开，成为标准

（ISOISA标准）。第三方开发出许多

ISA扩充板卡，推动了PC机的发展。1984

年推出IBM-PC/AT系统，ISA从8位扩充到

16位，地址线从20条扩充到24条。

ISA总线原理

ISA总线插槽示意图

62芯8位基本ISA插槽36芯16位扩充ISA插槽

ISA总线引线示意图

总线

BACK

本

基

号

信OSC

—RESET

A一►SD-SD—]总线

—SAI9-SA070

-------►I/OCHRDY访问

总线

BALE信号

►I/OCHCK#

访问AEN

*NOWS#—1

信号SMEMR#

SMEMWR##

IO#

IOwMi

总线控「DACK3#〜DACK|#-►―►IRQ7-IRQ3总线控

制信号LT/C-------►

.DRQ3-DRQ,—1制信号

LA23~LA[7

一

总线A►SD1-SD—

58总线访

访问SBHE#--►-------►MEMCS16#问信号

信号一

MEMR#*-------►IOCS16#

—MEME#k

DACK#~DACK#、-总线控

总线控75------►IRQ”IRQ,4DRQ12〜DRQg1

DACK#____ADRQ7〜DRQ5DRQ0」制信号

制信号0

MASTER

ISA总线原理

•ISA总线引线定义：主要信号说明

>RESET.BCLK：复位及总线基本时钟，

BLCK=8MHzo

>SAi9-SAo：存储器及I/O空间20位地址，

带锁存。

>LA23-LA17：存储器及I/O空间20位地址,

不带锁存。

ISA总线原理

•ISA总线引线定义：主要信号说明

ABALE：总线地址锁存，外部锁存器的选

通。

>AEN：地址允许，表明CPU让出总线，DMA

开始。

ASMEMR#、SMEMW#：8位ISA存储器读写控

制。

ISA总线原理

•ISA总线引线定义：主要信号说明

AMEMR#、MEMW#：16位ISA存储器读写控制。

>SD15-SD0：数据总线，访问8位ISA卡时

高8位自动传送到SD7-SD0。

ASBHE#：高字节允许，打开SD15-SD8数据

通路。

AMEMCS16#、I0CS16#：ISA卡发出此信号

确认可以进行16位传送。

8.ISA总线原理

・ISA总线引线定义：主要信号说明

AI/OCHRDY：ISA卡准备好，可控制插入等

待周期。

>NOWS#：不需等待状态，快速ISA发出不

同插入等待。

AI/OCHCK#：ISA卡奇偶校验错。

>IRQ15>IRQ14>IRQ12-IRQ9>IRQ7-IRQ3：

中断请求。

ISA总线原理

•ISA总线引线定义：主要信号说明

>DRQ7-DRQ5、DRQ3-DRQ0：ISA卡DMA请求。

>DACK7#-DACK5#>DACK3#-DACK0#：DMA请

求响应。

AMASTER#：ISA主模块确立信号，ISA发出

此信号，与主机内DMAC配合使ISA卡成为

主模块，全部控制总线。

9.PCI总线原理

・PCI总线的特点：

»数据总线32位，可扩充到64位。

»可进行突发（burst）式传输。

»总线操作与处理器-存储器子系统操作并

行。

A总线时钟频率33MHz或66MHz,最高传输率

可达528MB/S。

9.PCI总线原理

•PCI总线的特点：

»中央集中式总线仲裁

»全自动配置、资源分配、PCI卡内有设备

信息寄存器组为系统提供卡的信息，可实

现即插即用(PNP)o

APCI总线规范独立于微处理器，通用性好。

APCI设备可以完全作为主控设备控制总线。

9.PCI总线原理

•PCI总线引线：高密度接插件，分基本

插座（32位）及扩充插座（64位）。

PCI总线引线示意图

—AD31-AD0►◄-►AD63-AD32-

地址和

.•C/BE#7〜BE#4

数据C/BE#3〜BE#O►

—PAR◄——►“PAR6464位扩充

—FRAME#-------k,*-------►REQ64#

TRDY#◄——►

接口控制IRTY#-------►

STOP#◄——►**-------►LOCK#□接口控制

DEVSEL#-------►PCI卡

▼1N1A并

—IDSEL--------->

--------►INTB#中断

出错［PERR#◄——►--------►INTC#

SERR#◄-------►_____INTD#

仲裁REQ#*«——TD1

LGNT#~

--------►TD0

——TCKJTAG

CLK——TMS

系统'TRST#_

RST#<

9.PCI总线原理

PCI配置空间：PCI设备内有一个256B的

配置存储器，为系统提供本设备的信息

及申请系统存储空间所必需的参数。

PCI主要设备信息:

a)制造商标识(VendorID)：PCI组织分

配给厂家。

b)设备标识(DeviceID)：按产品分类

给本卡的编号。

9.PCI总线原理

•PCi配置空间：

c)分类码(ClassCode):本卡功能的分类码，如

图卡、显示卡、解压卡等。

＞申请存储器空间：PCI卡内有存储器、以存储

器编址的寄存器和I/O空间，为使驱动程序和

应用程序能访问它们，需申请一段存储区域

将它们定位。配置空间的基地址寄存器是专

门用于申请存储器空间的。

9.PCI总线原理

•PCI配置空间:

A申请I/O空间：配置空间的基地址寄存器

也用来进行系统I/O空间的申请。

A中断资源申请：配置空间中的中断引脚

和中断线用来向系统申请中断资源。

PCI配置空间分配

3116150

设备标识制造商标识00H

状态命令04H

分类码修正标志08H

BIST头类型延迟定时器行大小0CH

10H

-14H

18H

基地址寄存器

1CH

20H

24H

卡总线CIS指针28H

子系统标识子系统制造商标识2CH

扩展ROM基地址30H

保留Reserved容量指针34H

保留Reserved38H

MaxLatMaxGnt中断引脚中断线3CH

（单一读操作）

9.PCI总线原理

•PCI总线访问：