《微型计算机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 林志贵 第5章 PC总线》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型计算机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 林志贵 第5章 PC总线（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 5 章 PC总线,本章主要内容,5.1 概述 5.2 总线的数据传输过程和控制方式 5.3 PC总线 5.4 ISA总线 5.5 PCI总线 5.6 通用串行总线USB 5.7 其他串行总线标准,5.1.1 总线的概念及分类,总线是一类信号线的集合，是微型计算机系统的重要组成部分，是系统中传递各种信息的通道，也是微型计算机系统中各模块间的物理连接。,5.1 概述,总线指标：带宽、位宽和时钟频率。,总线带宽：指总线在单位时间内可以传输的数据总数，它等于总线位宽与工作频率的乘积。,总线位宽：指总线能同时传送的数据位数。即常说的32位、64位等总线宽度的概念。,总线频率：由主板晶振提供时钟，CP
2、U的实际运行频率是通过内部倍频技术提供，所以要比系统频率(又称外颁)高2的整数倍。,片总线：又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。 内总线：又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。 外总线：又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路。,5.1.1 汇编语言指令格式,总线分类（按连接器件 ）：片总线、内总线和外总线。,总线分类（按传输数据的方式）：分为串行总线和并行总线 。,总线分类（按时钟信号是否独立 ）：分为同步总线和异步总线 。,1. 总线标准的内容 包括机
3、械结构标准化、功能标准化以及电气标准化。,5.1.2 总线标准,5.1 概述,机械结构标准化是指模块尺寸、总线插头、总线接插件以及包装尺寸均有统一规定； 功能标准化是指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； 电气标准化是指总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等有统一规定。,串行通信标准有RS-232、RS-422、RS485、USB、IEEE1394、IIC、SPI、CAN、Ethnet等。,5.1.2 总线标准,2. 总线标准的种类 串行通信总线标准和并行通信总线标准。,并行通信标准分为系统内并行总线标准和系统间总线标准。,1. 总线位宽 指总线一次可同时传输
4、的数据位数，通常系统的数据总线的位数同CPU外部数据总线的位数相同。,5.1.3 总线主要性能指标,5.1 概述,2. 总线的工作频率 其单位是MHz，它是衡量总线性能的一个重要指标。总线工作频率越高，单位时间内传输的数据量就越大。,3. 总线传输速率 又称为总线的带宽，是指每秒种总线所传输数据的字节总量，通常用MB/s作为数据传输速率的单位。,5.1.3 总线主要性能指标,理论上，总线传输速率随CPU工作时钟频率和总线位宽的提高而相应的提高。 实际上，在CPU工作时钟频率和总线位宽确定后，总线传输速率同总线物理驱动器、物理总线的长度、结构、总线负载能力、总线仲裁方式和容错能力有关。,总线传输
5、速率=（总线位宽8位）（总线工作频率总线周期时钟数）,（1）请求总线使用权：执行一次数据传输，首先由需使用总线的主模块（一般是以CPU或DMA为中心的逻辑模块）提出请求，由总线仲裁机构根据某种算法对申请者的请求进行判别，确定下一个总线传输周期的使用权是否授给申请者。,5.2.1 总线的数据传输过程,5.2 总线的数据传输过程和控制方式,（2）寻址阶段：获取总线使用权的主模块。通过总线输出当前要访问从模块的物理地址（存储器或I/O接口）及有关命令，启动由译码器输出选中的模块开始工作。,（3）数据传输阶段：主模块和从模块实现数据交换。,（4）结束阶段：数据传输结束，主从模块均从总线上撤除有关信号，
6、让出总线控制权。,总线仲裁解决了系统中各设备分时使用总线的技术问题 目的：当多模块同时使用总线时，由总线仲裁机构按照某种算法合理地分配多模块分时使用总线，确保在任意时间内只有一个模块控制总线输出信息，其余模块工作为高阻或接线状态，杜绝多模块因同时争用总线导致总线冲突。,5.2.2 总线仲裁,5.2 总线的数据传输过程和控制方式,方法：集中仲裁和分布式仲裁。 集中仲裁：将总线仲裁的控制电路集成在一个专用的总线控制器中，通过对应的算法对所有的总线请求进行仲裁决和判断。 分布式仲裁：将总线仲裁的控制逻辑，分散在同总线连接的各个具有主控功能的模块中。,1. 集中仲裁 方法：菊花链查询法和独立请求法,5
7、.2.2 总线仲裁,1）菊花链查询法,特点：结构简单、易扩充，缺点是实时性差，各设备请求使用总线的优先级别由各设备到仲裁器的距离确定，不能更改。若优先级别高的设备频繁请求使用总线时，优先级别低的设备将在较长时间内无法使用总线。另外，由于采用了串行结构，一旦某设备出现故障时，将导致后续设备无法使用总线。,5.2.2 总线仲裁,2）独立请求法,5.2.2 总线仲裁,2. 分布式仲裁,总线数据传输方法主要解决掌握总线控制权的设备如何实现主/从模块数据的可靠传输。 方法：同步传输和异步传输。,5.2.3 总线数据传输方法,5.2 总线的数据传输过程和控制方式,1）同步传输 是利用系统的标准时钟，作为系
8、统中各设备信息传输同步基准，8086CPU读/写总线周期就是一种同步传输方式。 优点：系统全部模块在统一的系统时钟控制下工作，由于所有协议预先统一规定，所以无需应答，控制电路简单，总线传输速率高。 缺点：系统中各设备必须以相同的速度工作，灵活性差。,2）异步传输 采用“应答”方式进行数据传输，总线所连接的设备可根据实际工作速度自动调整总线的数据传输速率。 异步传输没有统一的时钟信号，非互锁、半互锁和全互锁3种握手方式实现收/发双方数据传输的同步。,5.2.3 总线数据传输方法,3）半同步传输 是总结同步和异步优点的混合传输方式，采用同步传输的主/从设备均已系统时钟作为标准，但为适应系统中速度各
9、异的设备，又采用了异步传输的应答技术，使系统中的主设备或从设备在系统时钟的上升沿产生对方所需要的信号，或访问对方信号是否有效，使各种操作的时间可以变化，同时又解决了异步传输在工程中所存在对噪声敏感的问题。,5.2.3 总线数据传输方法,IBM-PC及XT使用的总线称为PC总线。当时使用的CPU是Intel公司的准16位CPU 8088，但PC总线不是CPU引脚的延伸，而是通过了8282锁存器、8286发送接收器、8288总线控制器、8259中断控制器、8237 DMA控制器以及其他逻辑的重新驱动和组合控制而成，所以又称为I/O通道。它共有62条引线，全部引到系统板8个双列扩充槽插座上，每个插座
10、相对应的引脚连在一起，再连到总线的相应信号线上。,5.3 PC总线,5.3 PC总线,62条线分为五类：地址线、数据线、控制线和辅助线与电源线。,5.3 PC总线,1）地址线A0A19（共20条）,2）数据线D0D7（共8条）,3）控制线（共21条）,4）状态线（共2条）,5）时钟信号OSC/CLK及+12V、5V电源线、地线等,ISA总线是IBM PC/AT机中使用的总线，它是16位总线。该总线同8位的 PC/XT总线保持了一致，即兼容性。,5.4 ISA总线,5.4.1 ISA总线的特点,为了使ISA总线与原有的XT总线相兼容，ISA总线保留了原有XT总线的所有信号，仅作了部分新的定义，而
11、另外增加了高位的数据信号和与此有关的扩展信号，如SBHE、 、 等信号。,ISA总线上的地址信号也增加到了24条，即增加了4条(LA20 LA23)。,ISA总线将中断的数目由6个扩充到15个，而DMA通道则由3个增加到8个。,ISA逻辑芯片组包括7个DMA通道，15级中断，1个定时/计数器，以及总线缓冲器和扩展总线控制器。处理器、cache、内存之间的数据传输通过微处理器系统总线进行。实时时钟，8042MPU和BIOS直接和ISA连接。8086、8088的ISA总线一般包括8个8位XT插槽，6个16位AT/ISA扩展槽。,5.4 ISA总线,5.4.2 ISA总线系统结构,可以通过ISA扩展
12、生成“多级总线”结构，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中，,5.4.2 ISA总线系统结构,ISA总线扩展槽的插座是在原来 XT总线(62线)的基础上增加了一条短插座，该短插槽有36个引脚，并且与原 XT插槽在一条直线上，因此加上原来 XT总线的62线，一共有98个引脚。,5.4 ISA总线,5.4.3 ISA总线信号,5.4.3 ISA总线信号,PCI(Peripheral Component Interconnect，外围部件互联)由英特尔(Intel)公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。最早提出的PC
13、I总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到133MB/s(33MHz * 32bit/s)，后来又提出把PCI 总线的频率提升到66MHz，传输带宽能达到266MB/s。1993年又提出了64bit的PCI总线，称为PCI-X。,5.5 PCI总线,5.5 PCI总线,PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。,PCI总线系统要求有一个PCI控制卡，它必须安装在一个PCI插槽内。,（1)支持突发传输 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先给出数据的地址，而突发传输适合于从某地址
14、开始顺序读写一批数据。,5.5 PCI总线,5.5.1 PCI总线的特点,（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”两类。主控设备可以通过向总线发送控制信号，主动地进行数据传输。在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均称为总线主控设备。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，而不必等待后者的完成。,（3）独立于处理器 PCI是一种独立于处理器的总线标推，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而不是微处理器的。,5.5.1 P
15、CI总线的特点,（4）即插即用 PCI具有即插即用、自动配置的功能。该总线的接口卡上都设有“配置寄存器”，系统加电时，通过程序给这些设备分配端口地址等系统资源，这样可以避免它们使用时发生冲突。,（5）适合于各种机型 PCI局部总线不只是为标准的桌面（台式）计算机提供合理的局部总线设计，同时也适用于便携式计算机和服务器 。,5.5.1 PCI总线的特点,（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。例如，使用“Host-PCI”桥连接处理器和PCI总线，使用“PCI-ISA/EISA”桥连接PCI和ISA/EISA。,（7）预留了发展空间 PCI总线在开发时预留了足够的发
16、展空间，这是它的一项重要特性。例如，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位宽的数据通道。,处理器、cache、内存之间的数据传输通过系统总线进行，它的数据传输速率高于PCI总线。,5.5 PCI总线,5.5.2 PCI总线系统结构,处理器、cache、存储器子系统经过“Host-PCI”桥与PCI总线连接。这个桥提供了一个低延迟的访问通路，使处理器能够访问PCI设备，PCI主设备也能访问主存。该桥还提供了数据缓冲功能，使微处理器与PCI总线上的设备并行工作而不必等待。同时，这个桥电路包含了“PC总线控制器”，有多个设备申请使用总线时，由它进行裁决和分配总线的使用权。,另一类“桥”用于生成“多级总线”结构，例如“PCI-ISA/ EISA”、“PCI-SUB”、“PCI-PCI”等。,5.5.2 PCI总线系统结构,5.5 PCI总线,5.5.3 PCI总线信号,1PCI总线周期,5.5 PCI总线
