第6章 输入输出接口与总线(总线部分)

第6章输入输出接口与总线6.1微机I/O接口6.2总线16.2.1概述6.2.2总线的分类和性能指标6.2.3

微型机系统中的层次化总线结构6.2.4系统总线6.2.5

PC机的局部总线6.2.6外部总线

6.2总线2什么是总线？将计算机系统中各个部件连接起来的信息传输通道。通过总线可以传输数据、地址、各种控制命令和状态信息。总线结构的优点支持模块化设计开放性和通用性灵活性好6.2.1概述31．总线标准总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范，包括硬件和软件两个方面。（1）物理特性：物理特性指总线物理连接的方式。（2）功能特性：功能特性描述总线中每一根线的功能。（3）电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围。（4）时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效，也就是每根线的时序。42．总线的组成（1）数据总线（DB）（2）地址总线（AB）（3）控制总线（CB）★★DB的宽度表示构成计算机系统的处理能力★★

AB的位数决定系统的寻址能力★★

CB表示该总线的控制能力56.2.3总线的分类（1）微处理器总线。主要由微处理器芯片引脚信号组成的总线，用来连接CPU和控制芯片。（2）局部总线。局部总线是介乎CPU总线和系统总线之间的一级总线。主板上的信息通道、连接主板上各主要部件，而且通过扩展槽连接各种适配器。如ISA，PCI，EISA等。6（3）系统总线。它是微机系统内部各部件（插板）之间进行连接和传输信息的一组信号线。（4）外部总线。是系统之间或微机系统与外部设备之间进行通信的一组信号线，也称为通信总线。如IDE、SCSI、RS-232-C、USB等。

输入接口输出接口外存接口通信接口内存接口内存键盘、鼠标扫描仪、声音输入打印机、绘图仪、显示器磁带、磁盘软盘、光盘终端MODEN7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。

前端总线的英文名字是FrontSideBus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。前端总线频率有800MHz、1000MHz、1066MHz、1333MHz、1600MHz几种，最高到2000MHz。

8总线的主要性能参数总线宽度：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。9总线的主要性能参数总线的数据传输率/总线带宽：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/s10常见总线的带宽和传输率8164433.3833328.3311微型计算机中，通常采用多种总线形式共存。以PCI总线为主，包括CPU总线、PCI总线、ISA/EISA总线和AGP总线。

层次化总线结构主要分3层：微处理器总线（或称HostBus）

局部总线（以PCI总线为主）系统总线（如ISA总线）

桥：一种总线转换器和控制器，可以实现各类微处理器总线到PCI总线、各类标准总线到PCI总线的连接，并允许它们之间相互通信。南桥PCI总线系统总线微处理器总线北桥三种总线的频宽不同，互连时各层之间需要有“桥梁”过渡6.2.3微型机系统中的层次化总线结构12返回本章首页13典型微机系统中的总线层次结构ISA卡ISA卡ISA卡芯片组南桥芯片PCI卡PCI卡微处理器L2Cache显示卡显示器芯片组中北桥芯片内存AGP总线局部总线PCI总线系统总线ISA总线微处理器总线内存总线14北桥芯片：一般提供对CPU的类型和主频、内存的类型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持，通常在主板上接近CPU插槽的位置，由于此类芯片的发热量一般较高，所以在此芯片上装有散热片。南桥芯片：主要用来与I/O设备及ISA设备相连，并负责管理中断及DMA通道，让设备工作得更顺畅，其提供对KBC（键盘控制器）、RTC（实时时钟控制器）、USB（通用串行总线）、UltraDMA/33（66）EIDE数据传输方式等的支持，在接近PCI槽的位置。

15总线的操作过程1．总线请求和仲裁阶段需要使用总线的主模块提出要求，由总线使用的仲裁机构确定，把下一个传输周期的总线使用权分配给哪一个请求源2．寻址阶段取得使用权的主模块，通过地址总线发出本次要访问的从模块的存储器地址，或I/O端口地址及有关命令，让参与本次传输的从模块被选中并开始启动。3．传输阶段主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线传送到目的模块。4．结束阶段主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其他模块能继续使用。166.2.4

系统总线171、PC/XT总线（IBMPC总线）（1981年）

PC/XT总线是针对Intel8088微处理器设计的，是一种开放式结构的计算机总线，PC/XT总线该底板总线有62个引脚，其中包括8位数据线和20位地址线、4个DMA通道的联络信号和6个中断请求输入端。总线底板上有5个系统插槽，用于I/O设备与PC机连接。特点：把CPU视为总线的唯一主控设备，其余外围设备均为从属设备。182、ISA总线——工业标准结构（1982年）

1982年，IBM推出基于16-bitIntel80286处理器的PC/AT电脑，总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。为了开发与IBMPC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBMPC总线规范为基础的IBM公司工业标准体系结构，简称为ISA（IndustryStandardArchitecture）总线，有时也称为PC/AT总线。

ISA系统总线据总线宽度为16bit，数据传输速率最高为16MB/s。

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ISA总线：由主槽（62引脚）和附加槽（36引脚）组成，各有正、反两面，共98脚。

数据宽度：16位地址线：24位工作频率：8.33MHz

数据传输率：16MB/s11个外部中断输入端7个DMD通道ISA总线插槽附加槽主槽20213、MCA总线结构——微通道结构（1987年）

出现原因：80386和486的推出，数据总线扩展为32位。

1987年IBM公司在推出PC/2系列微机系统中，推出相对封闭的微通道结构，简称为MCA总线。其采用微通道技术，定义总线上的数据宽度为32位，传输率为ISA的4倍，达33MHz。

缺点：与ISA不兼容。22IBMPC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。234、EISA总线——扩展工业标准结构（1989年）

1988年9月，Compaq，AST，Epson，HP，Olivetti，NEC等9家公司联合起来，推出了一种兼容性更优越的总线，即EISA总线。

EISA不仅具有MCA的全部功能，同时还保存了与传统的ISA百分之百的兼容。EISA总线是一种高性能32位结构的总线。

扩展方向：提高寻址能力－地址线32条

增加总线宽度－数据宽度32位增加控制信号－198条信号线时钟频率8.3MHz

传输率＝8.3MHz×32b/8b=33.2MB/s

24在结构上，EISA为了和ISA兼容，采用了纵向加深方法，即在EISA总线槽中，分成上下两层，槽的物理尺寸和ISA总线槽完全相同。EISA有198条信号线，比ISA增加的信号线主要有14类。25265、VESA总线（VL总线）（1992年）

出现原因：（1）80486和pentium的推出；（2）多媒体技术的发展。VESA总线是基于80486微处理器的32位局部总线，它们一般用于快速IDE硬盘、视频适配卡和网络接口卡。（1）特点：数据宽度为32位，可扩展为64位，频率为33MHz，传输率可达132MB/s。

允许适配器直接连CPU总线，以CPU的速度运行。支持回写式Cache，可在VL总线上连接外部二级Cache。（2）缺点：没有设置缓冲器，当CPU速度高于33MHz，会导致延迟。只能连接3个扩展卡。27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。6.2.5PCI总线PCl总线——外围设备互联总线（1991年）28PCI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。29PCI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。30PCI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。31PCI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。32PCI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

3334PCI总线标准定义的信号线有120条（必需的和可选的两类）

必需的信号线：主控设备49条，目标设备47条可选的信号线：51条（用于64位扩展、高速缓存支持）

按信号的功能分组，可以分如下几类：（2）PCI总线信号35必备的

可选的总线命令/字节允许奇偶校验帧数据总线周期信号从设备准备好信号主设备准备好信号停止信号设备选择信号初始化设备选择信号系统出错奇偶校验出错总线请求总线请求允许时钟复位地址/数据复用引脚36C/BE3~C/BE0命令类型说明0000中断响应命令0001特殊周期命令0010I/O读（从I/O端口地址中读数据）命令0011I/O写（向I/O端口地址中写数据）命令0100保留0101保留0110存储器读（从内存空间映像中读数据）命令0111存储器写（向内存空间映像中写数据）命令1000保留1001保留1010配置读命令1011配置写命令1100存储器多行读命令1101双地址周期命令1110存储器——行读命令1111存储器写并无效命令37必备的

可选的高32位命令和字节允许扩充奇偶校验总线锁定信号中断请求信号对时钟信号进行测试64位传输应答64位传输请求测试Cache后返回信号Cache测试完成对输出数据作测试地址/数据扩充对模式选择作测试对RESET作测试对输入数据作测试38PCI总线的应用使用PCI总线不像ISA总线，在ISA总线系统中，I/O卡与主机的数据传送可用IN和OUT指令，只要指明地址即可。通过INT1AH指令的AH=0B1H功能来得到PCI总线函数，其中包括PCI总线的总线和单元等信息，再据此对PCI总线控制器编程来实现数据传送功能。PCI局部总线可对32位数据/地址总线进行64位扩展，并提供了32位及64位PCI局部总线设备的向前和向后的兼容。39为解决Intel架构服务器中PCI总线的瓶颈问题，Compaq、IBM和HP公司决定加快加宽PCI芯片组的时钟速率和吞吐量，使其分别达到133MHz和1Gbps。利用对等PCI技术和Intel公司的快速芯片作为智能I/O电路的协处理器来构建系统。这种新的总线称为PCI-X。

PCI-X局部总线40总线名称位宽（比特）工作频率最高速度备注PCI3233MHz133MB/sPCI1.06433MHz266MB/sPCI2.26466MHz533MB/sPCI-X1.06466MHz533MB/s向下兼容，已有实用产品。64100MHz800MB/s64133MHz1.06GB/sPCI-X2.064266MHz2.1GB/s2002年7月推出前两个频率的标准规范。11月才开始开发PCI-X1066。64533MHz4.3GB/s641066MHz8.6GB/sPCIExpressX12.5GHz312MB/s推出进度稍晚于PCI-X2.0。X22.5GHz625MB/sX42.5GHz1.25GB/sX82.5GHz2.5GB/sX162.5GHz5GB/s速度与PCI-X533相当。X322.5GHz10GB/s速度与PCI-X1066相当。41

PCIExpress和PCI不同的是实现了传输方式从并行到串行的转变。PCIExpress是采用点对点的串行连接方式，这个和以前的并行通道大为不同，它允许和每个设备建立独立的数据传输通道。不用再向整个系统请求带宽，这样也就轻松的到达了其他接口设备可望而不可及的高带宽。

PCI-E技术42总线名称位宽（比特）工作频率最高速度备注PCI3233MHz133MB/sPCI1.06433MHz266MB/sPCI2.26466MHz533MB/sPCI-X1.06466MHz533MB/s向下兼容，已有实用产品。64100MHz800MB/s64133MHz1.06GB/sPCI-X2.064266MHz2.1GB/s2002年7月推出前两个频率的标准规范。11月才开始开发PCI-X1066。64533MHz4.3GB/s641066MHz8.6GB/sPCIExpressX12.5GHz312MB/s推出进度稍晚于PCI-X2.0X22.5GHz625MB/sX42.5GHz1.25GB/sX82.5GHz2.5GB/sX162.5GHz5GB/s速度与PCI-X533相当X322.5GHz10GB/s速度与PCI-X1066相当43

PCI-E技术44

PCI-E技术PCIExpress的接口长短不同。1X最小，往上侧越大。同时PCIExpress不同接口还可以向下兼容其他PCIExpress小接口的的产品。既PCIExpress4X的设备可以插在PCIExpress8X或16X上进行工作。

PCIExpress接口将包括两条专用的通道连接某设备，比如即将要取代AGP8X的PCIExpress16X图形接口将包括它的两条通道，一条可由显卡单独到北桥，而另一条则可由北桥单独到显卡，每条单独的通道均将拥有4GB/s的数据带宽可充分避免因带宽所带来的性能瓶颈问题。PCIExpress还支持热插拔及热交换的特性。45主板：

46用于计算机之间、计算机和外设之间、计算机与远程终端以及计算机与测控仪器之间的通信。这类总线不是微型计算机所特有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准，也称通信总线。外部总线：

串行通信总线：如RS-232C、USB

并行通信总线：如IDE、SCSI、AGPSCSI（smallcomputersysteminterface）———小型计算机系统接口AGP（acceleratedgraphicsport）———加速图形接口6.2.6外部总线47计算机外设的日益丰富，扩展了计算机的应用范围，同时也带来了不同外设与主机连接的困难。打印机、扫描仪、游戏杆、数码相机层出不穷，串口、并口、游戏口、PS/2口各式各样。连接的设备不同，传统的接口方式也不同，需要的跳线、设置也不同。外部设备的日益丰富与高速实时数据传输的迫切需要，催生了宽带宽和智能化串口的互联技术——通用串行总线USB（UniversalSeriaIBus)。USB为主机与不同外设的连接提供了极大的方便。USB总线定义：USB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、自动配置、热插拨技术和相应的软件，实现资源共享和外设的简单快速连接。48USB有以下的技术优势：

1）使用USB，用户不需要扩展插卡，无需了解跳线、中断IRQ设置、DMA通道及I/O地址等细节，无需开发底层设备驱动程序。

2）连接USB外设只需要简单地插上插座即可，甚至不需关闭电源，真正“即插即用”。

3）得到400多家大公司的支持，开发了许多USB电信产品、外设及软件。

4）波特率（即传输速率）为1.5~12Mbps（USB2.0速率达到480Mbps），通过hub最多可连接127个外设。49USB的物理接口特性包括电气特性和机械特性两部分。

（1）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（Vbus，GND），其标称值为5V；另外两条用于传输数据（D+，D-）。USB1.1支持两种信号速率。USB1.1的最高速率是12Mbps，但它也可以工作在1.5Mbps的较低速率。利用一种对设备透明的方式来实现数据传送模式的切换，同一个USB系统可以同时支持这两种模式。1.5Mbps低速率方式用来支持数量有限的低带宽设备。2、USB的物理接口5051

（2）机械特性每个USB设备都有“上行”和“下行”连接端口，这两种端口在机械方面并不是可以互换的，所以要尽量消除集线器上出现的非法环路连接。其连接器有两种系列：A系列和B系列，每种连接器包括插头和插座，如图所示。A系列插座用于从USB主机或集线器的输出。B系列插座用于USB集线器或设备的输入。5253

RS-232C是使用最早、应用最广泛的一种异步串行通信总线，它是美国电子工业协会(ElectronicIndustrheSASsociation,EIA)1962年公布的。1969年最后一次修订而成，其中RS是RecommendedStandard的缩写，232是该标准的标识，C表示最后一次修订。

RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备(DTE)如计算机，与数据通信设备(DCE)如调制解调器二者之间接口的电气特性。如CRT、键盘、扫描仪等与CPU的通信都可采用RS-232C总线。串行标准总线RS-232C54一个完全的RS232C标准总线为22根信号线，采用标准的25芯D型插头和插座(DB-25)，由于在微型计算机的实际应用时，286以上微机仅使用9根通信信号（不包括保护地），因此，采用9芯D型插头和插座（DB-9），作为多功能I/O卡或主板上COM1和COM2串行口的连接器。这些信号分为两类，一类是DTE与DCE交换的信息TxD和RxD，另一类为了正确无误地传输上述信息而设计的联络信号。RS-232C的信号定义555657在一般的串行通信接口中，并不是所有的信号线都一定要用。根据具体的应用场合，有下面几种连接方式：

(1)使用MODEM连接在15米以上的远距离通信时，一般要加调制解调器MODEM，故所使用的信号线较多。RS-232C信号线的连接和应用5859

(2)直接连接当信号传输距离在15米以内，计算机与终端之间不需要使用MODEM或其他通信设备（DEC）而直接通过RS-232C接口连接时，一般只需要5根线采用交叉反馈连接。60

(3)三线连接法这是一种最简单的RS-232C连线方式，只需2、3交叉连接线以及信号地线，而将各自的RTS和DTR分别接到自己的CTS相DSR端。61

（1）EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平的规定在TxD和RxD数据线上，使用负逻辑，逻辑1为-3~-15V之间，逻辑0为+3~+15V之间。最高能承受+25V的信号电平。RS-232C电气特性62

(2)EIA-RS-232C与TTL转换EIA-RS-232C用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的转换。63TTL和RS-232-C之间的电平转换

6465RS-232C的不足之处接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。传输速率较低，在异步传输时，波特率最大为19200bps。接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。传输距离有限，实际最大传输距离只有50米左右。66

IDE总线是Compaq公司联合WesternDigital公司专门为主机和硬盘子系统连接而设计的外部总线，也适用于和软盘、光驱的连接，IDE也称ATA接口。

IDE是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器。优点：减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，对用户而言，硬盘安装起来更为方便。缺点：速度瓶颈不能实现热插拔很难实现数据的可靠性保护外部总线IDE67一个IDE可接两个硬盘。一、硬盘连接的三种模式：1、单盘模式（SPARE）：当只有一个硬盘时2、主盘模式（MASTER）：当接两个硬盘时其中一个3、从盘模式（SLAVE）：当接两个硬盘时其中一个二、数据传输方式：1、PRO方式2、DMA方式68IDE总线有40个引脚IDE总线的主要信号：D15～D0 16位数据线CS1#～CS0# 选通IOR#，IOW# 读写DRQ和DACK# DMA请求和应答RST 复位信号IOCS16# 16位传输选通IORDY I/O设备准备好IRQ 中断请求6970IDE的发展ATA-1（1994）：是最早的IDE标准。ATA-2（1996）：是EIDE的标准，支持PIO3,4和DMA1,2传输方式，最大数据传输速度为16MB/s。ATA-3（1997）：引入了SMART和安全特性，没有制定新的传输标准。ATA-4（1998）：著名的“UDMA33”标准。引入了新的ATA命令和协议，最大数据传输速度为33MB/s。ATA-5（2000）：增加了一些新的ATA命令。最大数据传输速度为66MB/s。ATA-6（2000）：UDMA100。ATA-7（2002）：UDMA133。71IDE的发展缺点：目前主流的并行ATA（PATA）硬盘仅能支持ATA/100和ATA/133两种数据传输规范，传输速率最高只能达到100或133MB/秒，这对于计算机内部动辄以G为单位的系统带宽来说