微型计算机总线

高华:字出版社

第10章微型计算机总线

10.1总线技术概述

10.2ISA总线

10.3PCI总线与PCI-Express总线

10.4USB总线

10.1总线技术概述

10.L1总线的标准

总线标准主要包括以下几个部分:

•机械结构规范:模块尺寸、总线插头、边沿联接器

插座等规格及位置。

•性能规范:总线每根线（弓I脚）信号名称与功能，

它们相互作用的协议（例如定时关系）。

・电气规范:每根信号线工作时的有效电平、动态转

换时间、负载能力、各电气性能的额定值及最大值。

10.1.2总线的指标

1.总线宽度

•同时传输的数据位数

•位数越多，一次传输的信息就越多

•ISA总线宽度16位，EISA:16位，PCL32位,PCI264位。

2.总线频率

•总线通常都有一个基本时钟，总线上其他信号都以这个

时钟为基准

•这个时钟的频率也是总线工作的最高频率。时钟的频率

越高，单位时间内传输的数据量就越大。

•ISA总线、EISA总线的时钟频率为8MHz,PCI总线为

33.3MHz,PCI■总线2可达66MHz。

3.总线带宽与总线数据传输速率

带宽:总线上单位时间内传输信息的总量，等于总线宽度

乘上总线频率。

B(ISA)=2(字节数据宽)x8(MHz)=16MB/s

B(PCI)=4(字节数据宽)X33.3(MHZ)=133MB/S

数据传输速率:总线上单位时间内传输数据信号的总量，

等于带宽除以每个数据传输使用的总线周期数。

数据传输速率(ISA尸16MB/S-2=8MB/S

数据传输速率(PCD=133MB/s-1=133MB/S

膏舒淳邺^

10.1.3总线的分类

1.系统总线

•初期微型计算机的结构比较简单，它的总线连接

了微处理器、存储器、接口电路和输入/输出设备,

构成了完整的“计算机系统”，这样的总线称为

“系统总线”。

•这种系统总线实际上就是微处理器芯片总线（片

内总线）的延伸。

清华大学出版社

图10-1

清华广学IIIILL；L

2.局部总线

•大量设备连接到系统总线上时：

>“争用”总线的可能性增加，容易产生数据传输“瓶

颈效应”，总线性能下降

>总线连接设备多，负载重，也会增加传输延迟

•为了解决这个矛盾，在CPU高速外设之间增加了一条

直接通路，该通路称为“局部总线”

•使用局部总线后，系统内有多条不同级别的总线，形

成了“分级总线结构”。

•不同传输要求的设备“分类”连接在不同性能的总线

上，合理地分配系统资源，满足不同设备的不同需要。

•局部总线信号独立于CPU,处理器的更换不会影响系

统结构。

3.通信总线（外总线）

•通信总线又称为外总线，用于微机系统与微机系统，

微机与外部设备（如打印机、硬盘设备）、仪器仪表

之间的通信通道。

•这种总线的数据传输可以是并行的（如打印机），也

可以是串行的，数据传输速率低于系统内部的总线。

•有多种不同的通信总线标准，例如，串行通信的

RS232C.USB总线，用于硬磁盘接口的IDE、SCSI

总线，用于连接仪器仪表的IEE-488、VXI,用于并

行打印机的Centronics等。

高华7'二学出版社

10.1.4总线的数据传输

•信息是在两个或两个以上模块（或称为设备）之间传

送的

•传送信息的主动方称为主模块，传送信息的被动方称

为从模块。

­除了特殊情况外，信息的传送都是在主模块与一个从

模块之间进行。

•总线上同一时刻仅有一个主模块占用着总线。

L总线数据传输的过程

一次总线传输过程划分为若干阶段：

⑴总线申请与总线裁决:主模块申请总线，以便取得总

线的拴输权。

多个主模块同时申请总线使用权时，根据某种算法作

出裁定，把总线的控制权赋予某个设备，这一任务由

总线控制器完成。

⑵寻址:主模块取得总线控制权后，由该模块进行寻址

(目的地址)，通知被访问的从模块进行信息传输。

⑶传送数据:根据读写方式确定信息流向，一次传输可

以传送一个数据，也可以传送多个数据。

(4)错误检测

2.总线传输的定时方式

•在总线上进行信息传送必须使得信息传送双方

（主与从）相互同步。

＞每一位的信息从什么时间开始

＞每一个数据从哪一位开始

＞每一个数据块从哪一个数据开始

•有三种定时方法：

＞同步传输

＞异步传输

＞半同步传输

高华:字出版社

(1)同步传输

•信息传送在一个公共时钟的控制下进行

•总线所有事件都在时钟周期的开始时发生，而不是由

发送方或接收方决定。

•同步方式要求总线上的所有设备都能按照严格的时间

关系实施数据传输。

（2）异步传输

•为了能用不同速度的模块组成系统，有时也采用异步方式

控制数据传输。

・异步传输没有统一的时钟信号,、它通过一对握手

（Handshaking）信号线（请求Request,响应

Acknowledge）在发送方和接收方之间进行联络。

•主设备发出传输请求，从设备准备就绪后发出应答信号，

此后传输开始。

•异步方式的数据传输时间随着设备响应速度的不同而变化。

,CPU对存储器传统的读写是一种异步传输方式。CPU

（主模块）将存储器地址放到地址总线上，发出读信号。

存储器从模块识别地址，在延迟若干时间后，将数据和应

答信号放到总线上。

猾华大学出版社

异步传输下的读传输时序

ADDRESS

(REQUEST)RD

ACK

DATA

图10-2

高华7二字出版社

（3）半同步传输

•进行半同步传输时，各信号仍以公共时钟为基准，数

据的开始时间由时钟信号和握手信号共同确定。

•总线上各操作之间的时间间隔可以变化，但仅允许为

公共时钟周期的整数倍。

•半同步方式在同步的前提下，允许设备的某些不一致

性，具有较大的灵活性，因此得到了广泛的使用。

ISA总线属于这种类型。

清华之学出版社

3.数据传输类型

总线上的数据传输有单周期方式和突发数据传输

(Burst)两种方式。

•单周期方式在获得一次总线使用权后只能传送一个数

据，如果需要传输多个数据，就要多次申请使用总线。

•突发方式下，获得一次总线使用权可以连续进行多个

数据的传输：

＞寻址阶段主设备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(如自动

力口1)寻址。

＞这种传输方式总线的利用率高

＞PCI总线支持突发数据传输方式。

高华广学出版社

4.错误检测

•由于外界或者自身存在着各种随机出现的干扰因素,

总线上传输的信息可能产生错误。

■需要错误检测电路发现或纠正出现的错误，由专用

的总线信号来报告出现的错误。

•最常用也是最简单的错误检测方法是奇偶校验。

•总线进行高速和大批量信息传输时，常采用循环冗

余校验(CycleRedundancyChecking,CRC)的错

误标验方式。

清华关:学出据他朋励比前卅■IMHI

10.2ISA总线

•ISA（IndustrialStandardArchitecture,工业标准体

系结构）总线起源于IBM-PC微型计算机的出现。

•ISA插槽由基本的62线8位插槽和扩展的36线插槽两

部分组成。

•ISA总线主要的性能指标：

A24位地址线，可直接寻址的内存容量为16MB,I/O地

址空间0100H〜03FFH;

A8/16位数据线，62+36引脚；

A工作频率8MHz,带宽16MB/S,数据传输速率8MB/s;

＞中断功能及DMA功能；

10.2.1ISA总线信号

BCLK

总线基总

OSC二SD7-SD0-

本信号RESET线

-------►I/OCHRDY访

「问

SA19〜SAO\V

»I/OCHCK信

BALE--------►号

总线访

AEN--------►aNOWS

问信号SMEMR--------►

SMEMW--------►Z—

IORv——►\|IRQ7〜IRQ3-总线控

low——►制信号

z___DRQ3〜DRQL

总线控「DACK3〜DACK1<=\|~~

制信号I-----T/C------1

A___

「LA23〜LA17:「——N-----------Q1D

---------1/总线访

总线访

SBHE◄—―►-►MEMCS16问信号

问信号

MEMRv►—-►1OCS16

MEMW-—►

]IRQ（15、14、12）〜IRQ9-]总线控

制信号

总线控DACK0一—iDRQ7〜DRQ5、DRQO

制信号—MASTER一-►

10.2.2ISA总线扩展卡

•由于ISA总线的开放特性，许多厂商设计制造了各种

ISA总线的I/O接口，比如AD数据采集卡。

•为了避免地址发生冲突，ISA卡设计时采用跳线开关

(switch),允许对卡的I/O起始地址(BASE)进行

选择。

•图10-4为ISAPCL818接口卡的部分地址设定。用户

必须自己调整好switch,使BASE位于所使用计算机

I/O的空闲位置，然后根据BASE地址访问该ISA卡各

种资源。

清华大学出版社

123456

100-10F■D.■••

110-1IF■c■■・c

200-2OFQ■■・•

210-2IFn__ft_.■・0

*300-30FcO■■••

310-31Fnc..■c

o=off・=on*=default

switch123456

对应地址线A948A?A5

图10-4

高华:字出版社

10.3PCI总线与PCLExpress总线

•PCI总线的英文全称是PeripheralComponent

Interconnect,即外部设备互连。

•1991年下半年首先由Intel公司提出。

•对高速率数据传输的需求推动了PCI的产生。

•PCI总线支持64位数据传输、多总线主控和线性突发

方式(Burst)5数据传输率为133MB/S。

清华为学出瓶社

|产＞口fffJjFT?VJ*^ZLTfoFl'S,IJ.L：CJ*MW^*iCf1P

10.3.1PCI的特点

1.突发总线传输

•PCI支持突发的数据传输模式，满足新型处理器高速缓冲

存储器（Cache）与内存之间的读写。

•线性突发传输能够更有效地运用总线的带宽去传输数据，

以减少无谓的寻址操作。

2.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”二类。

•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总线主控设备。

•PCI允许微处理器和总线主控制器同时操作，微处理器内

部的操作和总线操作可以同时进行。

3.独立于处理器

•PCI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而不是CPU的，当CPU因为过时而更换时，接口和外

围设备仍然可以正常使用。

4.即插即用

•PCI具有即插即用(PlugandPlay)、自动配置的功能。

,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，可以避免它们使

用时发生冲突。

•新推出的PCI2.2版支持热插拔(HotPlug)。

他

5.适合于各种机型

•PCI局部总线不仅为桌面（台式）电脑提供合理的局

部总线设计，同时也适用于便携式电脑和服务器。

•支持3.3V的电源环境，延长电池寿命，为电脑小型化

创造了良好的实现条件。

6.多总线共存

•PCI总线通过“桥”芯片进行不同标准信号之间的转

换。

>使用“Host.PCI”桥连接处理器和PCI总线

>使用“PCMSA/EISA”桥连接PCI和ISA/EISA。

•这一特点使得多种总线可以共存于一个系统中。

清华十字出版社

10.3.2PCI总线系统结构

•“Host-PCI”桥实现了PCI总线的全部驱动控制，主要

解决I/O设备同CPU的连接问题。

・另一类“桥”用于生成“多级总线”结构，例如

“PCLISA/EISA”、“PCI-USB”、“PCI-PCI”等。

•多级总线把不同传输速度，不同传输方式的设备分门

别类地连接到各自“适合”的总线上，使得不同类型

的设备共存于一个系统，合理地分配资源，协调地运

转。

图10-5

J.

10.3.3PCI总线信号

PCI信号线分为必备的和可选的两大类

-主设备至少需要49条必备信号

-从设备需要47条必备信号

信号类型定义：

>IN输入，是一标准的只作输入的信号。

>OUT输出，是一标准的输出驱动信号。

>T/S双向的三态输入/输出信号。

>S/T/S持续的并且低电平有效的三态信号。在某一时刻

只能属于一个主设备并被其驱动。

>OD漏极开路，以线或形式允许多个设备共同驱动。

必备的L(AD[31::0]〉(AD[63:32]>—可选的

地址，数据线，<C/BE[3::01#>

64位总线

LPAR64.,扩展信号

REQ64#.

FRAME#pACK64#一

TRDY#c

LOCK#一

TRDY#I-------A接口信号

接口控「

STOP#总INTA#.

<INTB#:「

制信号线

INTC#:中断信号

IDSEL设INTD#I

--------—►

PERR#备SBO#

错误报rA支持Cache的信号

告信号SERR#SDONEAJ

TDI

REQ#A

TTO

仲裁信号CA

GNT#TCK边界扫

CLKTMS描信号

系统信号匚RST#

图10-6

高华广学出版社

1.系统信号

•CLKIN:时钟信号，最高33MHz/66MHz,为所有

PCI传输提供时序基准；

•RTS#IN:复位信号。

2.地址和数据信号

•AD[31::0],T/S,地址和数据分时复用信号。

-地址期：FRAME#有效，发送32位物理地址；

-数据期：IRDY#和TRDY#同时有效，32位数据信号；

•C/BE[3::0]#,T/S,总线命令和字节有效复用信号

线，传输命令或字节选择彳言号。

•PAR,T/S,对AD[31::0]和C/BE[3::0]#的奇偶校

验位。

高华；/'二学出版社

3.接口控制

•FRAME#,S/T/S,FRAME#有效预示总线传输的开始，

由当前主设备驱动

•IRDY#,S/T/S,主设备准备好信号

•TRDY#,S/T/S,从设备准备好信号

•STOP#,S/T/S,STOP#有效表示当前从设备要求主设备

停止数据传送

•LOCK#,S/T/S,LOCK#有效时，当前的主、从设备将

独占总线资源

•IDSEL,IN,初始化设备选择，参数配置读写时，用作

片选信号

•DEVSEL#,S/T/S,设备选择，它有效表示总线上某一

从设备已被选中

高华十字出版社

4.仲裁信号

•REQ#,T/S,请求信号，任何主设备请求占有总线必须发

出该请求，由PCI主控制器仲裁。每个PCI总线主设备都

有一根独用的REQ#信号。

•GNT#,T/S,允许信号，PCI主控制器批准主设备请求后,

发回给主设备。与REQ#信号一样，每个PCI总线主设备

都有一根独用的GNT#信号。

5.出错报告信号

,PERR#,S/T/S,奇偶校验错信号，由数据接收设备发出。

,SERR#,O/D,系统错误信号，报告地址奇偶错等可能引

起灾难性后果的系统错误。

猾华大学出版社

6.中断信号

•INTA#,O/D,中断请求信号，该信号允许与时钟信

号不同步。

•INTB#,INTC#,INTD#,O/D,多功能设备的中断请

求信号。

)//-/•--/Z7?2-/JIXz-''二7~乙'"，"，/

10.3.4PCI总线周期和地址空间

1.PCI总线周期

PCI上基本的总线传输机制是突发成组传输

一个突发分组传输由一个地址期和多个数据期组成

猾华大学出版社

1p_i4I《6|71

Hhi5___1

CLOCK一''一['一/Jf\」

11

11

FRAME#11

_____1

L：1

____L1I：.I

•xA^Xnz*__!ly7A-nrn?m___1al^Data2><J)at^3XDatM>——k

・1

!-___J••1

C/BE#—一(CoHuna^dXBE#SJ

71

IRDY#―一L:_Z!

11i

TROY#—一!

\_一/1

DEVSEL#--L?'I

HJ4，-1一1

一加:止或羲「据研A羽,—卤,装■据或♦“■数盅I—血►

图10-7

一次典型的读操作过程：

(1)主设备获得总线使用权后：

>将FRAME#置为有效，在C/BE#上发送PCI总线命令

>在ADO〜31上发送地址信号，PCI总线进入“地址期”

>羽^IRDY#信号置为有效，表示主设备已经就绪

>在BE#O〜3上发送字节选择命令

(2)从设备：

>从C/BE#获知主设备的读命令

>在地址期中从AD上得到存储器或IO地址

>被选中的设备发出DESEL#有效信号表示响应

>同时，从设备内部的读操作开始进行

>要求的数据读出后，臀TRDY#置为有效，将读出的数

据送往AD信号线，PCI总线进入“数据期”。

主设备在主时钟信号的控制下，从AD上读入需要的数据。

(3)如果主设备需要执行突发总线周期(默认方式)，

则将FRAME#和IRDY#信号保持有效。从设备在这二

个信号的控制下，将下一组数据送往AD信号线，进

入下一个数据期。如果从设备不能在下一个时钟周期

如期送出数据，则将TRDY#信号置为无效，数据传输

将产生停顿。

(4)主设备在发出最后一组数据的读命令之后：

＞将FRAME#信号置为无效，表示数据传输即将结束。

＞在最后一项数据传输后，主设备撤销IRDY信号

＞从设备撤销TRDY#和DEVSEL#信号，一次PCI突发总

线传输结束。

＞总线控制器发现FRAME#信号结束后，开始下一次总

线仲裁。

＞总线的仲裁和总线上的数据传输是同时进行的。

2.PCI的地址空间

•PCI总线定义了三个物理地址空间：内存地址空间、

I/O地址空间和配置地址空间。

•PCI总线的每个设备都有自己的地址译码电路，不需

要进行统一译码。

•PCI支持正向和负向两种类型的地址译码：

>正向译码：每个设备都监听地址总线，判断访问地址是

否落在它的地址范围，如果是，使DELSEL#有效以示

应答，响应速度较快。

>负向译码：没有一个设备作出响应时，由一个指定的设

备（负向译码设备）作出响应。它要等到总线上其他所

有设备都拒绝之后才能行动，速度较慢。

F-r->.丁

/J।，A、；；「二,L，1■V工•,•.'•JI：l--*,ff'f>>P

10.3.5PCI配置空间

1.PCI头标区信息

311615a

设备标i只(deviceID)制苣商标识(vendorID”00H-

状态(status”(command).04H-1

分类码©asscode)*3版本标志Q08H2

BIST-'头类型©延迟定寸器“Cache行大小Q□CHQ

IOHQ

14H「

基地址寄存器。〜5，18H.

(BaseAddressRegister)，ICHn

20H^

24HQ

卡总线CIS才旨针(cardCISpointe。"28H/

子系统标识(subsystemID)「子系统制造商标识Q2CH。

扩展ROM基地址(expansionROMbaseaddress)•30H广

保留2容量指针“34H-

保留尹38HP

Max_Lab3MajjGntr中断引脚-、中断线。3cHe

清华少学出版社

1.PCI头标区信息

PCI配置空间是长度为256字节的一段内存空间，前64

个字节包含PCI接口的信息，64〜255的地址空间存放

设备特定的一些信息。

(1)制造商标识(vendorID):由PCI组织给PCI设备

制造厂家的惟一编码，子系统制造商标识

(subsystemvendorID)也由该组织给出。

(2)设备标识(deviceID):生产厂对这个产品的编号，

类似的还有子系统标识(subsystemID)。操作系统

根据子系统制造商标识和子系统标识识别设备类型，

装载对应的驱动程序。

(3)分类码(classcode):代表该卡上设备的功能，如

网卡、硬盘卡、扩展桥、多媒体卡等，它们都对应一

个惟一的编码。

(4)基地址寄存器0〜5(baseaddressregisters):

>第0位是只读位，为0表示申请存储器空间，用1〜2位表

示存储空间的类型。第0位为1时表示申请IO空间。

>第4〜31位用来表示申请地址空间的大小，用其中可读写

的位数表示。

>存储空间的大小由基地址寄存器的可读写位数指定，分

配的位置则由系统统一安排。

>由于有6个基地址寄存器，PCI设备最多可以申请6段地

址空间。

高华:字出版社

314321：0

类型标识I-------------------

J存储器地址申请标识

00:32位地址区域

。1:1M内地址区域-存储器类型标识

10:64位地址区域»可预取码

11：保留

图10-9

［例］:申请32位地址空间内1MB存储空间：

位31〜20为可读写寄存器（写入分配到存储空间地址高位）

位19〜4为只读寄存器，内容固定为零

位2〜1为00（只读），表示申请32位地址空间内的存储空间

位0为0（只读），表示申请存储器空间

=/PIG5J以「工

当一块PCI卡上具备一个以上功能时，应指定为多功

能卡，每个功能都要有一个自己的配置空间。每个功

能可以是不同的设备标识(deviceID)、功能类型、

存储器和I/O地址空间及中断资源。

配置空间的头类型(headertype)用于指明是单功能

卡或多功能卡。头类型的第七位为1时代表多功能卡。

访问配置空间时，3位地址用于指定功能号，因此每

块卡最多可支持8个功能部件。

由于PCI总线上只有4条中断请求线，因而多功能卡最

多只能有4个中断源。

清华歌淳出版社，匍旗冠方金”mi

2.访问配置空间

通过BIOS调用“INT1AH”可以获取PCI的配置信息

AH置为功能号0B1H,AL中为子功能号：

(1)PCI_BIOSPRESENT

功能：查看PCIBIOS是否存在，若存在，版本号为多少。

入口：[AL]=01H

出口：[EDX]=，，PCI”ASCII字符串

仆11]=存在状态00=存在01=不存在

[BX]=版本号

清华生学更加钝，;邕层指W期哪/旖廿

（2）FINDPCIDEVICE

查找指定『商和设备号的PCI板卡的位置。调用该函数后,

用户可以利用该函数返回的总线号去调用READ

_CONFIG和WRITE_CONFIG函数访问设备配置空间。

入口：[AL]=02H

[CX]=设备ID值（0.......65535）

[DX]=厂商ID值（0......65534）

[SI]=索引号（0……n）

出口:[AH]=返回代码：SUCCESSFUL®）,

DEVICENOTFOUND,BADVENDORID

出11]=总线号（0.......255）

[BL]=设备号（高5位），功能号（低3位）

[CF]=完成状态，1=错误，0=成功。

(3)FIND_PCI_CLASS_CODE

入口：[AL]=03H

■查找指定类代码和索引的PCI设备的位置。在其后可调用

READ_CONFIG和WRITE_CONFIG函数去访问设备配

置空间二"

(4)GENERATESPECIALCYCLE

•在PCI总线上产生特殊的周期

入口：[AL]=06H

[BH]=总线号(0.......255)

田口甩=特殊周期的数据

出口：[AH]=返回代码：SUCCESSFUL(=0),

FUNCTION_NOT_SUPPORTED

[CF]=完成状态，1=错误，0=成功。

信华;/二字出版社

(5)READ_CONFIG_BYTE

•按字节读取配置空间数据。

入口：[AL]=08H

[BH]=总线号(0……255)

[BL]=设备号(高5位)，功能号(低3位)

[DI]=寄存器号(0……255)

出口:[AH]=返回代码(SUCCESSFUL=0)

[CX上读到的字节

[CF]=完成状态，1=错误，0=成功。

清华文学图撼钝

（6）READ_CONFIG_WORD/READ_CONFIG_DWORD

■按字/双字读取配置空间

入口：[AL]=09H/OAH

[BH]=总线号（0……255）

[BL]=设备号（高5位），功能号（低3位）

[DI]=寄存器号（0,2,4,……254）/（0,4,8,……252）

出口：[AH]=返回代码：SUCCESSFUL.。），

BADREGISTERNUMBER

《蜀/田。汉=读取的字/双字

[CF]=完成状态，1=错误，0=成功。

（7）WRITE_CONFIG_BYTE/

WRITEZCONFIGZWORD/

WRITEZCONFIG^DWORD

•对设备的缸置空间转字节/字/双字进行写

入口：[AL]=0BH/0CH/0DH

[BH]=总线号（0……255）

[BL]=设备号（高5位），功能号（低3位）

[DI]=寄存器号（0……255）

[CL/[CX]/[ECX]=＜写字的字节/字/双字

出口：[AH]=返回代码：SUCCESSFUL,

BADREGISTERNUMBER

[CF]=完成状态，1=错误，0=成功。

高华:字出版社

希望自己编程访问本机PCI接口卡数据时，可以首

先用如下程序得到该卡的I/O地址：

（假设设备标识为0440H,生产厂标识为5333H）

MOVAH,0B1H

MOVAL,02H

MOVCX,0440HDEVICEID,显卡设备标识

MOVDX,5333HVENDORID,生产厂商标识

MOVSI,0

INT1AH得到总线号,设备号，功能号

JCERROR错误时转ERROR

猾华大学出版社

MOVAH,0B1H

MOVAL,09H

MOVDI,10HPCI基址寄存器

INT1AH

ANDAH,AH

JNZERROR

ANDCX,OFFFOH；D3〜DO为标志位

MOVAX,CX■

ERROR:..............;出错处理

10.3.6PCI总线设备开发及S5933

•为了推广PCI总线，降低PCI的使用难度，PCISIG提

供了一套PCI系统开发工具，许多元件制造商也纷纷

推出PCI协议控制芯片，AMCC公司生产的S5933X就

是这类芯片。

•S5933X是在PCI总线与用户应用电路之间完成PCI协

议转换的芯片，使用户能像ISA总线那样轻松完成接

口电路设计。

•它提供了3个物理总线接口:PCI总线接口、外加总线

接口和可选的NV（非易失）存储器接口。

■数据传送可以在PCI总线与外加总线之间进行，也可

以在PCI总线与NV存储器之间进行。

•PCI总线与外加总线之间的数据传送可以按以下三种

方式进行。

>PASSTHRU:用户可招1PCI板上的I/O空间和存储空间

映射到系统中。PASS-THRU方式不支持主控(Master),

仅支持从控方式(Slaver)。

>MAILBOXES:供PC机与PCI板上微处理器之间传输

参数用，速度很低。

>FIFO:先进先出队列及控制电路，数据写入FIFO后，

按写入的先后顺序读出，供PCI板上进行大量数据传输

用，S5933也用该功能模块来支持主控DMA。

•PCI规范允许PCI设备自带一个ROM,在系统上电

(POST)访问配置空间时，将该扩展ROM拷贝入

RAM并加以执行。S5933的NV存储器接口提供了这

类功能。

清华无:学邮B社廉地七H北方BMMHI

10.3.7PCI-Express总线

•在PCI总线长达十几年的使用过程中，PC机的应用领

域不断扩大、外围设备性能与工作速度迅速提升，而

PCI总线本身的性能却停滞不前，使得PCI已经不能

满足新一代高性能PC机的需要。

•在物理层面上，PCIExpress总线以差分信号和串行

传输为其基本模式，在软件层面上却又与原有的PCI

总线兼容。由于PCIExpress总线的优异性能，它正

在成为新一代主流总线。

・匕一二

x^B^zu^SS

1.PCkExpress总线信号

(1)采用差分信号

•PCIExpress总线采用差分信号传输，用一对(2

根)信号线传递一位二进制信息，峰峰值为

0.8V~L2V。

•差分信号可以有效地克服“共模干扰”的影响。

•采用差分信号后，信号线上的电压降低了，信号

“翻转”所花费的时间相应缩短，数据传输速度

得到提高。

•低电位信号同时还减少了信号之间的相互干扰和

信号自身对外部的干扰。

(2)全双工通讯

PCIExpress用两对(4根)信号线实现一位二进

制信息的“全双工”数据传送。

PCIExpressXIPCIExpressX2

(b)

高华:字出版社

（3）采用点对点连接

PCIExpress采用点对点连接方式，每个设备都

有自己的专用连接，比起PCI总线的共享并行方

式，它不存在设备对信道的竞争，不需要进行总

线仲裁，简化了总线管理

信i纭繇出版社・兰的除S“SSIMMMMfr

(4)串行/并行灵活组合的传送方式

使用2对信号线时，PCI-Express可以进行一位二进制

的“全双工”串行通讯，称为PCKExpressxL

允许对信号线的数目进行扩充，使用两组(4对/8根)

信号线时，可以同时进行2位二进制信号的“并行”双向

通讯，带宽比'I增加了一倍。

信号线可以扩充为2/4/8/12/16/32组，分别称为PCI

Express'2、'4、x8、x12、义16及'32,灵活地实现

串行/并行组合式的数据通讯。

清华^臻出版社r*绕会:k演

PCI-Expressx1的单向信号传输速率为2.5Gbps,除去编

码损耗，实际带宽约为250MBps,双向可达500MBps,比

33MHzPCI总线的速度快一倍左右。PCIExpress'16单向

就能够提供4GBps的带宽，远远超过AGP8X的2.1GB/S的带

宽。即将推出的PCI-Express2.0规范将时钟信号频率提高为

5Gbps,数据传输速率进一步得到提升。

目前台式PC机中提供的PCIExpress总线有x1和x16两种。

x16可以取代AGP供连接显卡使用。

南华:>'二字出版社

2.PCI・Express的层次结构

PCIExpress总线采用分层设计，与PCI总线的寻址方

式兼容，现有的应用程序和驱动程序可以不加改变地在

PCIExpress总线上使用。

PCI-Express从下至1上分别为：物理层(Physical

Layer)＞数据链路层(LinkLayer)、处理层

(TransactionLayer)和软件层(SoftwareLayer)。

高华:字出版社

物理层决定总线接口的物理特性，如点对点串行连接、

差分信号驱动、热拨插、可配置带宽等。使用信号的跳变来

同步，不需要使用单独的同步时钟信号。

数据链路层的主要职责就是确保数据包的完整性，确保

数据包可靠、正确地传输。它在数据包前添加序列号和在数

据包后添加冗余校验码。

高华:字出版社

处理层的作用主要是接收从软件层送来的读、写请求，建

立一个请求包传送到数据链路层。处理层同时接收从数据链

路层传来的响应包，并与原始的软件请求关联。

处理层包括4个地址空间,其中3个是PCI接口原有的，如

内存、I/O和配置地址空间,另外一个是PCIExpress接口新

增加的，它就是信息空间。

Header数据

处理层

包序列号处理层数据包CRC数据链路层

帧同步数据链路层数据包帧同步物理层

3.使用交换器实现设备互连

由PCIExpress总线构建的系统包括根组件(Root

Complex)、交换器(Switch)和各种终端设备。

根组件可以集成在存储控制中心(MCH)芯片中，用于

处理器和内存子系统与I/O设备之间的连接。

在PCIExpress架构中新增加的设备是交换器(Switch),

它取代了原有架构中的I/O桥接器，用来连接各种设备或

PCIExpress扩展插槽。交换器可以提供2个或多个端口，每

个端口可以连接一个PCIExpress设备，实现多个设备的互

连。

4.支持与PCI兼容的地址空间

PCIExpress支持与PCI相同的内存、I/O和配置地址空间，

而且还将PCI的配置空间从256B扩大到4KB。原有的应用程

序和PCI设备的驱动程序，不加修改地就可以在PCI

Express总线系统中运行。

PCIExpress总线提供了一个新的信息地址空间，这可以

使PCIExpress设备相互交换信息。一部分信息是PCI

Express的标准信息，用来出错报告、中断以及电源管理中

的信息交换。而另一部分的信息由设备开发商定义。

清华十字出版社1

10.4USB总线

10.4.1概述

•传统的接口电路，每增加一种设备，就需要为它准

备一种接口或插座，还要为它们准备各自的驱动程

序。这些接口、插座、驱动程序各不相同，给使用

和维护带来了困难。

•由Intel等公司开发的USB总线（UniversalSerial

BUS,通用串行总线）采用通用的连接器，使用热

插拔技术以及相应的软件，使得外设的连接、使用

大大地简化，受到了普遍的欢迎，已经成为流行的

外设接口。

高华:字出版社

1.USB协议版本及传输速度

USB协议目前的版本是USB2.0,它允许三种传

输速度：

•高速(HIGH-SPEED)480Mb/s

•全速(FULL-SPEED)12Mb/s

•低速(LOW-SPEED)1.5Mb/s

•后两种传输速度兼容USBL1标准(1.1版本中的

“高速”在2.0版本中改称为“全速”)。不同传

送速度的设备可以相互通信。

信华无:学出版社ISMSHSBtiESMMM

2.接口信号及电气特性

•USB总线使用一个4针的标准插头

•支持热插拔(HotPhigln)和即插即用(Plug&Play)

•为低功耗装置提供电源，+5V时最大可提供500mA的

电流。

•差分方式传输信号，半双工方式。

管脚信号名称导线颜色

1VBUS红

2D-白

3D+绿

4GND里八、、

外壳屏蔽多股线

高华十字出版社_二

3.传输类型

（1）控制传输:

一个USB设备接入总线后，USB主机

询问该设备的类型，为该设备分配地址，

这个“配置”设备的过程称为控制传输。

清华7'二字出版社

（2）中断传输

键盘、鼠标等低速设备的数据传输是“断续”

进行的，这些设备的信号传输使用“中断传输”方

式。

USB主机通过定时查询的方法了解这些设备有

无传输要求。通过设置查询时间间隔，可以把对设

备响应的延迟控制在允许范围之内。中断传输仅仅

使用于输入设备，

这里的“中断”与第6章所叙述的外部设备中

断在含义上是不同的，USB设备没有主动向主机申

清场导出瓶强二量星比；SHMBfHtiBES18MmM

(3)批量传输

供打印机、数码相机、扫描仪等中高速设

备使用。这些设备传输的数据通常是“成批”的,

而且是不定期的。

高华:字出版社

（4）实时传输

主要用于视频、音频等对传输速度有严格

要求的外部设备。对于这一类设备来说，传输的

“实时”性比“正确”性更显得重要。为了

“快”，它宁可部分地牺牲传输的“正确”性。

猾华大学出版社

表10・4各种传输类型的速度/数据包大小

传输类型低速全速高速

控制24/8832/8,16,32,6415872/64

中断0.8/1〜864/1〜6424576/1〜1024

批量不支持1216/8,16,32,6453248/512

实时不支持1023/1〜102324576/1〜1024

山必」工

4.USB的特点

USB容易使用。用户将USB设备连接到计算机

上后，系统会自动检测该设备，安装相应的驱动

程序。只有当系统找不到适当的驱动程序时，才

会要求用户提供驱动程序。系统安装驱动程序时,

用户不用设置任何选项；

USB支持热插拔，用户不用关闭计算机就可插拔

USB设备；

不同的USB设备使用相同的接口。USB接口的价

格低、能耗低并且稳定性好；

USB的特点

USB总线可以提供+5V最大500mA的电源给USB

设备，大部分的USB设备可不用自带电源；

传输速度快，USB提供三种传输速度，最高速度

可达480Mb/S;

富有弹性，USB有四种传输类型，可以满足不同

特点外部设备的需要；

信监藜学出版社M,禹霖，/翩网融川

）—**■J，一<，♦J.一，'Jla-4*,->*■/L.'~,♦-jHi

10.4.2USB总线的构成

1.USB硬件

（1）USB主控制器/根集线器

•USB主控制器是硬件、固件和软件的联合体。主控制

器负责USB总线上的数据传输，进行数据格式的转换。

•根集线墨集成在主系统中，提供多个接入端口。根集

线器检测外设的连接和断开，执行主控制器发出的请

求并在设备和主控制器之间传递数据。

•USB主控制器和根集线器合称为USB主机（HOST）。

USB主机的作用：

>检测USB设备的加入或去除状态；

>管理主机与USB设备之间的数据流；

>管理主机与USB设备之间的控制流；

>收集USB设备的状态与活动属性。

•除了根集线器，USB总线上还可以连接附加的集线器。

每个集线器可以提供2个、4个或7个接入点，连接更

多的USB设备。

•可以把集线器与外部设备集成在一起，更方便地扩充

系统。

育华71字出版社

（2）USB设备（Device）

•为主机提供单个功能的设备称为“功能件”

（FUNCTION）o

•“功能件”和Hub都称为USB，，设备”。

・复合的“设备”有一个Hub和一个或多个“功能件”

•每个集线器和“功能件”都有惟一的地址（1〜127）。

•允许最多连接5层集线器，总共127个外设和集线器

（包括根集线器）。

信华文学出版社就黑爆扁甥UH

2.USB总线拓扑结构

USB的物理连接是一个层次型的星形结构，集线器（Hub）

位于每个星型结构的中心。星形结构的每一段都是主机、集

线器或某一功能件之间的连接。

清华十字出版社

3.设备地址和端点

USB总线上的每个设备都有一个由主机分配的惟一

地址，用7位二进制表示。一个新的USB设备连接到

系统时，使用默认的0号地址与USB主机通讯。配置

过程结束后，由主机分配一个1〜127之内的地址，

USB设备和集线器（包括根集线器）的总数不能超过

127个。

每个设备还有一个或多个端点（Endpoint），端

点编号在0〜15之间，用4位二进制表示。USB设备用

不同的端点号代表对该设备不同类型的传输要求。

清华少学出版社

4.管道

管道是主机软件和设备端点之间的一个逻辑连接,

是主机和设备交换数据的通道。一个设备可以同时

使用多个管道，设备移除后，与该设备所连的所有

管道也被移除。

USB总线为多个