微机原理与接口技术 总线技术

1、第十章：公交车，第一节：首先，公交车的概念。总线是连接计算机相关部分的一组信号线，它是计算机中用于传输信息代码的公共通道。面向总线的体系结构具有以下优点：(1)简化了系统结构，便于系统设计和制造；(2)大大减少了连接数量，便于布线，减小了体积，提高了系统的可靠性；接口设计方便，所有与总线相连的设备采用相似的接口；系统易于扩展、更新和灵活配置，易于实现系统模块化；便于设备的软件设计。所有接口的软件是操作不同的端口地址；便于故障诊断和维护，也降低了成本。总线的一些逻辑电路是三态的，即输出电平有三种状态：逻辑“0”、逻辑“1”和“高电阻”。其次，总线的分类可以根据其功能、性能和级别进行分类。1.根据

2、传输信号的性质，总线可根据其信号线传输信息的性质分为三组：数据总线，一般为双向总线；地址总线，单向总线，是微处理器或其它主要设备发送的地址信号线；控制总线，微处理器和存储器或接口之间的控制信号。通常，这一行的含义和特征是最复杂的。2.根据信号的功能，基本信息总线，包括地址线、数据线、存储器和输入/输出读写控制信号线等。数据握手总线，也称为接触总线，是控制总线运行的开始和停止并实现数据传输同步的信号线，是为保证总线能够容纳各种访问速度的设备而设计的信号线。决策总线，包括总线决策(总线请求、总线确认线)和中断决策线(中断请求线、中断响应线)。定时信号总线，包括时钟信号线和复位信号线。电源信号总线，

3、包括电源线和地线。3.按层次位置分类，如图10所示。1是按层次位置分类的计算机总线图。片上总线：片上总线位于微处理器或输入/输出芯片内部。芯片总线(组件级总线，芯片总线):用于单板计算机或中央处理器卡的电路板内部，用于芯片级连接。系统总线(内部总线和板级总线):用于微机系统插件之间的信息传输。设备总线(外部总线、通信总线):用于系统之间的连接，如微型计算机、外围设备或仪器。例如通用串行总线RS-232C、智能仪器总线IEEE- 488、并行打印机总线中心、并行外部设备总线SCSI和通用串行总线USB等。本地总线：这是一个相对较新的概念，在许多文献中也被称为芯片总线。通常，卡内的总线称为本地总线

4、，以区别于系统总线。总线仲裁总线仲裁是指当多个总线主模块同时请求使用总线时，决定哪个模块有权使用总线。1.菊花链查询模式如图10.2所示，也称为串行仲裁。逻辑上更靠近总线仲裁器的元件具有更高的总线路优先级。图中有三条控制线：BB:总线忙信号，高电平表示总线被占用。BR:总线请求信号，BR有效表示至少有一个组件正在申请使用总线。英国政府；总线响应信号，高电平表示总线仲裁器响应总线请求。2.计数器定时查询模式此模式不使用BG信号线，但需要使用地址线。如果总线上有N个组件，则在总线控制组件中设置一个计数器，该计数器可以从0计数到N-1，每个值对应一个组件。无论哪个组件想使用总线，应用程序都是通过BR

5、来实现的。控制单元定期通过地址总线发送计数器的当前值。应用组件检查地址总线，如果发现地址总线上的值等于它自己的编号，它就获得总线访问权，并通过BB有效地通知控制组件。如果控制单元在一定时间内没有收到有效的BB，计数器将增加(或减少)并发送下一个地址。如果计数器从0开始计数，则优先级顺序与零件号顺序一致。如果每个计数从最后一个计数结束的值开始，则从统计效果来看，每个组件的优先级基本相等。3。独立请求模式(并行决策)如图10.3所示，每个组件都有自己的BR和BG，控制组件对应用程序进行排队和管理。其优点是速度快，软件控制灵活。缺点是电路复杂。4，2-仅决策模式该模式集成了先前模式的优点，并在系统中

6、使用菊花链和并行决策，如图10.4所示。双向决策适用于有许多主要设备的场合。4.总线架构1。单总线体系结构如图10.5所示，所谓的单总线体系结构是指微机中的所有模块都连接到一条总线上，整个系统只有一条数据通路。2.并发总线架构如图10.6所示。并发总线架构将内存和输入/输出的数据路径分开，这样中央处理器可以同时访问内存和控制输入/输出，即“并发”。3.图10.7显示了带有高速缓存的并发总线的体系结构，除了在中央处理器和内存之间的数据路径中增加了一个高速缓存控制器之外，该体系结构与上面的体系结构类似。ISA总线ISA总线是PC机最基本的总线标准，分为XT总线(62线)和AT总线(98线)。PC机

7、/XT计算机是最早的8位个人计算机，采用XT总线；后来，IBM公司推出了一种16位的自动测试机，它在原总线的基础上，将62条线路扩展到98条线路，称为自动测试总线。如图10.8所示，XT总线在a、b两侧，AT总线在c、d两侧，这就是所谓的ISA总线。ISA总线的信号定义见图10.9，其中a、b、c、d四列为ISA总线的引脚。EISA总线EISA总线是ISA总线的一种扩展，它与ISA总线完全兼容，支持多总线主控，并增加了突发传输。eisa总线是高性能32位标准总线，最高数据传输速率为33兆字节/秒，而isa的最高数据传输速率为8兆字节/秒。EISA公交车上有近200个信号，如图10.9所示。e、

8、f、g和h是在ISA总线的基础上增加的。EISA总线出现在32位微型计算机中，具有32位数据线，支持8位、16位或32位数据访问和数据突发传输；地址线支持32位寻址、4GB存储空间寻址和64KB输入/输出端口寻址。第三节VESA(VL总线)和PCI总线。一、本地公交车概述。本地总线只属于一个子系统。本地存储器和本地输入输出接口挂在本地总线上，而全局公共存储器和公共输入输出接口挂在系统总线上。这样，很大一部分数据传输可以通过本地总线完成，减轻了系统总线的负担。图10.10显示了本地总线和系统总线之间的关系。VESA的VL总线介绍说，VESA(视频电子标准协会)与60多家公司有关联。如图10.11

9、所示，联合引入了VL总线本地总线标准，称为VESA标准。VESA标准本地总线是为i486设计的，所以它与486最好匹配，但是很难与奔腾处理器匹配，所以现在很少使用。三。PCI总线简介PCI总线由英特尔公司于1991年首次提出，是目前使用最广泛的本地总线。PCI总线的系统结构如图10.12所示。1.PCI总线的特点：(1)高性能PCI总线的数据宽度为32位，可以扩展到64位。时钟频率为33兆赫，独立于中央处理器时钟。数据传输速率可达132兆字节/秒-264兆字节/秒.1995年引入的新的PCI标准具有66MHz的时钟频率、64位的数据宽度和528 MB/s的最大数据传输速率。 PCI总线还支持突

10、发工作模式，该模式可以跟随无限的数据周期。这意味着可以从某个地址读取或写入大量数据。减少访问延迟对于支持PCI总线的设备，可以减少访问延迟，大大减少外围设备获得总线控制权所需的时间，保证数据传输的顺畅。这对以太网接口非常重要。(4)总线主控和同步运行。PCI总线的总线主控和同步运行功能有利于提高PCI总线的性能。这使得微处理器能够与PCI总线主控器并行工作。 PCI总线不受处理器限制，以独特的中间缓冲方式独立于处理器，将CPU子系统与外围设备分开。这可以确保其他互连外围系统的设计不会因为处理器技术的改变而改变。6适用于各种型号PCI总线适用于各种型号，如台式计算机、便携式计算机和服务器。(7)

11、低成本的PCI总线采用复用技术，大大减少了引线和PCI组件的数量。其他系统上的扩展卡也可以在PCI系统上工作。pci总线兼容性好，易于扩展，可与ISA、VESA等总线兼容。工作电压可以是5伏或3.3伏.(9)自动配置(即插即用)PCI总线具有即插即用功能，可以自动配置，给用户带来极大的方便。(10)PCI总线标准对协议、时序、负载、电气特性和机械特性有严格的规定，保证了其可靠性和兼容性。2.PCI总线的系统结构图10.13是微机中PCI总线的系统结构，PCI总线和ISA/EISA总线共存。图10.14是工作站中PCI总线的系统结构，图10.15是服务器中PCI总线的系统结构。PCI总线有100

12、条信号线，如图10.16所示。图的左侧是必要信号的引脚，右侧是可选信号的引脚。PCI局部总线信号分为地址和数据线、接口控制线、仲裁线、系统线、中断请求线、高速缓存支持和错误报告。AGP总线由英特尔公司开发的AGP总线旨在提高图形处理能力，尤其是3D图形。AGP总线提供了主存储器和显示卡之间的直接路径，因此3D图形数据可以通过PCI总线直接发送到显示系统。目前，有三条AGP总线，即AGP 1: 266兆字节/秒，时钟66兆赫AGP 2: 532兆字节/秒，时钟66兆赫AGP 4: 1064兆字节/秒，时钟66兆赫。1.AGP本地总线AGP本地总线的特点是对PCI本地总线的扩展和提高。AGP总线的

13、时钟是66兆赫，然后是133兆赫。(1)新的3.3V电气规格允许在一个时钟内传输一次或两次数据，并在66MHz的上升沿和下降沿传输32位数据，从而将有效带宽提高4倍，达到532mb/S，这种技术称为双驱动。通过新的电压和电气规范，允许在一个66兆赫的时钟内传输四次数据，相当于AGP时钟频率的两倍，使数据传输速率达到1.064兆字节/秒。利用边带信号传输技术调制总线上的地址和数据复用。使用内存请求流水线技术，允许系统处理图形控制器发出的多个请求，并对各种内存请求进行排队以减少延迟。一个典型的队列可以处理超过12个请求。 AGP还可以延长PCI总线的寿命。通过将图形接口旁路到适合传输高速图形和图像

14、数据的专用AGP通道，解决了PCI带宽的最大问题。当AGP承担传输图形和图像数据的负担时，PCI将有更多的能力来负责其他应用的数据传输。 AGP对MPEG-2视频的再现有积极的影响，但这仅限于用没有特殊解压缩硬件的处理器解压缩MPEG-2视频数据的情况。在MPEG2规范中，主要使用720，576像素和30帧/秒的视频。理论上，传输解压缩的数据需要36Mb/s的数据传输容量。PCI的实际传输速率为30-40Mb/s，如果用PCI传输，画面会抖动。2.AGP总线的系统结构AGP总线的系统结构如图10.17所示，除了一个单独的数据通道在逻辑上与核心到AGP设备是分开的以外，它与PCI局部总线基本相同

15、。总结以上总线的性能，如表10-1所示，包括宽度和数据传输。第四节通用外设接口标准通用串行总线的基本思想是利用通用连接器、自动配置和热插拔技术以及相应的硬件实现资源共享和外设的简单快速连接。提出了两种通用外设接口标准通用串行总线和IEEE 1394。1.USB1.0的物理接口和电气特性从1994年开始，USB 1.0版本于1996年发布，现在是USB1.0版本。Windows 98等。配有USB接口支持模块。1.接口信号线USB总线只有四条线，如图10.18(a)所示。其中，D和D-是信号线，传输信号，是一对双绞线；VBUS和GND是提供电力的电力线。相应的USB接口插头也相对简单，只有4个内

16、核。全速连接时，如图10.18(b)所示。电气特性：由USB主机或根集线器向设备提供的电源电压为4.75伏至5.25伏，设备可汲取的最大电流为500毫安。USB设备有两种供电方式：自供电和总线供电。USB集线器是前一种方法。通用串行总线设备和描述符1。USB设备USB设备分为集线器设备和功能设备。集线器设备，即集线器，是USB即插即用技术的核心部分，完成添加USB设备、插拔检测和电源管理等功能。集线器由中继器和控制器组成。中继器负责建立和断开连接，控制器负责管理主机和集线器之间的通信和帧定时。功能设备可以在总线上发送和接收数据和控制信息，如鼠标。2.端点位于通用串行总线接口中，每个通用串行总线

17、外设仅分配一个逻辑地址。USB外设本身包含一定数量的独立寄存器端口，可由USB设备驱动程序直接操作。这些寄存器也是通用串行总线设备的端点。每个设备上的端点都有不同的端点号，主机软件可以通过端点号和设备地址与每个端点通信。3.流水线式通用串行总线设备支持在主机软件和通用串行总线设备端点之间进行功能性和可控的数据传输。我们称USB设备的端点和主机软件的组合为管道。4.通用串行总线设备描述符通用串行总线设备通过描述符报告其属性和特征。描述符是具有某种格式的数据结构。每个USB设备都必须有一个设备描述符、一个设置描述符、一个接口描述符和一个端点描述符。这里，由这些描述符提供的信息包括目标通用串行总线设备的地址、要执行的传输类型、数据包的大小和带宽请求等。3.通用串行总线系统1的组成和拓扑。USB系统的组成包括硬件和软件。(1) USB硬件部分如图10.19所示。它包括USB主机、USB设备(集线器和功能设备)和连接电缆。通用串行总线主机是一台带有通用串行总线主机控制器的电脑，通用串行总线系统