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1、第五章 微型计算机总线,微型计算机结构上的特点就是总线结构。CPU、存储器、I/O接口和外部设备都是通过总线互相连接。采用总线结构,可以降低微型计算机的成本,是微型计算机可以迅速推广和普遍使用的一个重要因素。 本章主要内容: 5.1 总线概述 5.2 8088/8086最大模式下总线信号的形成 5.3 总线仲裁和握手技术 5.4 常用微机总线介绍(ISA、EISA、PCI等),本章要求,掌握微机总线的一些基本概念 理解总线仲裁和总线握手 了解常见的微机总线规范,5.1 总线概述,总线的一般概念 总线是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合。 总线是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的通
2、道。 任一时刻,只能有一个部件/设备通过总线发送数据,其他部件只能处于接收状态。,5.1 总线概述,微型计算机系统中,总线可以说是无所不在。总线的层次包括: 片内总线; 片总线; 系统总线; 外部总线(通信总线)。,5.1 总线概述,5.1 总线概述,系统总线的主要性能指标 : 总线宽度:总线的数据线的数目。总线宽度越宽,同时传输的数据就越多,吞吐量就越大。现在都是32位、64位。 总线时钟频率:时钟频率的单位为MHz。有的书上以总线传输率作为指标,单位是Mbit/s,数值上和时钟频率相同。 总线带宽:是总线的所有数据线每秒可以传输的数据量,也就是最大传输率。单位为MB/s。 这三个指标之间的
3、关系是: 总线带宽= 总线宽度总线时钟频率/8 总线电源电压,5.1 总线概述,微型计算机系统总线的发展 微型计算机系统总线的发展,基本上是围绕着总线带宽来进行的。 PC总线 最早的微型计算机标准总线是以8088为CPU的IMBPC/XT机所使用的总线,称为“PC”总线。也称为“PC/XT”总线。PC总线的数据线只有8条,是一种8位宽度的总线。,5.1 总线概述,ISA总线(时钟频率为8MHZ) 为了便于开发与PC机兼容的外部设备,IEEE委员会和Intel等公司,开始研究在PC总线基础上的新的总线标准,到1987年IEEE正式制订ISA(Industry Standard Architect
4、ure)总线标准。 ISA总线采用8位和16位模式,它的最大数据传输率为8MB/s和16MB/s。ISA总线在Intel286和Intel386SX时代得到了普遍的使用。直到今天,一些外部设备的接口还是使用ISA标准。,5.1 总线概述,EISA总线 EISA(Extended Industry Standard Architecture,扩展工业标准架构)是一种32位总线标准。 EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA总线。EISA总线的工作频率是8MHz,由于总线宽度增加到32位,它的总线带宽提升到32MB/s。EISA总线在个人计算机中使用了很长的时间,2000年以后就很少使用了。,5
5、.1 总线概述,PCI总线 1992年英特尔公司提出32位PCI总线的概念,并迅速获得认可成为新的工业标准。 PCI总线是一种连接外部设备的局部总线。显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等外部设备或者外部设备的接口直接连接到PCI总线,再和CPU连接。 PCI总线的工作频率是33MHz,总线带宽达到133MB/s,在20世纪90年代是相当好的性能。,5.1 总线概述,在PCI标准发布一年之后,Intel公司又发布了64位的PCI总线,它的总线带宽达到了266MB/s。64位PCI主要使用于服务器和工作站,为它们提供高性能的总线传输。后来,用于服务器的PCI总线的工作频率又提高到66MHz。,5.1 总
6、线概述,PCI-X总线 是九十年代末提出的总线标准。 PCI-X总线仍然使用64位并行总线和共享架构,但将工作频率提升到133MHz,由此获得高达1.06GB/s的总带宽。 使用533MHz工作频率的PCI-X 533标准则更是达到4.2GB/s的高水平。,5.1 总线概述,PCI Express 总线 它是2001年以后提出的。它采用串行方式传输数据,而依靠高频率来获得高性能,因此PCI Express也被人称为“串行PCI”。 由于串行传输信号干扰比较小,总线频率提升比较容易。其次,PCI Express采用全双工运作模式,发送数据和接收数据可以同时进行。第三,PCI Express没有沿
7、用传统的共享式结构,它采用点对点工作模式,可以避免多个设备争抢带宽的情形发生。由于工作频率高达2.5GHz,单通道双工的PCI Express总线总带宽可达到500MB/s。,5.1 总线概述,单总线和多总线 除了总线标准在不断变化和发展,总线的体系结构也在变化:从单总线发展到多总线 。,5.1 总线概述,5.1 总线概述,双总线结构:,5.1 总线概述,多总线结构,5.1 总线概述,总线结构的优点 简化结构,降低成本; 统一标准,便于制造; 扩充灵活,方便使用; 总线结构的缺点 部件传输的分时性; 传输控制的复杂性; 总线的竞争问题。,5.2 8086最大模式总线信号的形成,8088最大模式
8、下的总线信号是PC总线的主要组成部分。PC总线是最简单的总线标准。它也是ISA总线的主要组成部分。了解PC总线可以了解最基本的总线信号有哪些。,5.2 8086最大模式总线信号的形成,5.2 8086最大模式总线信号的形成,PC总线 地址线:20条,A0A19,寻址空间是1MB。 数据线:8条,D0D7 读写控制线:存储器写控制信号、存储器读控制信号、I/O写控制信号、I/O读控制信号、I/O CH RDY:通道就绪信号 PC总线共有62条信号线,A、B两面各有31条信号线。 ALE:地址锁存信号。 中断控制线:中断请求信号:IRQ2IRQ7; DMA控制线: DMA请求信号:DRQ1DRQ3
9、; DMA应答信号: 。 AEN:地址允许信号,在进行DMA操作时,AEN为高电平,只有在AEN是低电平时,才可以进行一般的I/O操作; T/C:终止DMA计数,标识一个通道DMA操作的结束。 其他控制线例如时钟输入、振荡器输出、复位驱动,电源和地等。,5.3 总线仲裁和握手技术,总线主设备 总线主设备是指可以发起和控制总线数据传输的设备,如CPU和DMA控制器。 总线从设备 总线从设备不能直接发起和控制总线的数据传输。它们只能接受主设备的要求,在主设备的控制下,接收主设备传送过来的数据,或者把数据传送给主设备,如RAM模块。,5.3 总线仲裁和握手技术,总线仲裁 总线仲裁的目的是防止因为多个
10、主设备同时传输数据而产生的冲突。 当总线上有多个总线主设备并且同时要求控制总线时,须决定将总线控制权交给哪一个主设备。也即裁决哪个主设备可以控制总线。 取决于总线类型的不同,总线仲裁的方法可以有多种不同的方法。基本的处理方法,是由总线仲裁器来裁决哪个主设备可以控制总线。 有时候,总线仲裁也称为总线判定。,5.3 总线仲裁和握手技术,主设备在请求控制总线前,先测试BB信号,如果BB显示不忙,发出BR信号,请求占用总线,仲裁器 发出BG信号,表示同意使用总线的请求,仲裁器 将BB信号改为“忙”,标识总线已经被占用。,总线优先级仲裁算法必须满足的三个基本要求:,每一时刻只能有一个设备作为总线主控器;
11、 先请求者先响应,且在一个总线操作周期之内不被打断; 同一时刻有几个设备发出请求时,按优先级排序响应。,5.3 总线仲裁和握手技术,总线上的主设备和从设备在工作速度上可以有较大的差别。如果主设备发送数据的速度快,从设备接收数据的速度慢,就会造成数据的丢失。因此,必须对于总线的数据传输进行控制。 对于总线传输进行控制,就是这里所说的总线握手。 总线握手的基本方式有同步方式、异步方式和半同步方式。,5.3 总线仲裁和握手技术,1同步方式 采用同步传输控制方式的总线就是同步总线。 同步方式的总线主、从设备在同一时钟的控制下进行传送,一次数据传输的时间是固定的。 主、从设备在同一时钟的控制下进行传送,
12、一般要求总线的主、从设备的工作速度基本一致。 当总线的主、从设备工作速度不一致的时候,系统时钟的速率要按速度低的设备来调整。 8088/8086CPU的基本时序就是采用同步传输控制方式;例如总线读周期)。,5.3 总线仲裁和握手技术,2. 异步方式 异步传输控制方式没有统一的时钟,总线主设备和从设备可以具有不同的工作速度。在主、从设备之间增加了一条请求线Req,一条应答线Ack。也就是采用请求应答的握手方式,来进行传输控制。又可以分为非互锁方式和互锁方式 非互锁方式:首先是主设备发出Req信号,从设备收到后,发出Ack信号,表示应答,然后就开始数据传输。 互锁方式:主设备发出Req信号,从设备
13、收到后,发出Ack信号,表示应答;主设备在收到应答Ack后,通过改变Req信号的值,向从设备表示收到应答信号Ack。从设备在收到主设备肯定收到Ack的消息后,停止Ack的发送。等到双方互相确认都已经准备好以后,才开始数据收发过程。,5.3 总线仲裁和握手技术,3. 半同步方式 半同步方式是对于同步方式的适当修正。 半同步方式仍然具有统一的时钟,但是增加了一条WAIT信号线。 半同步方式比同步方式增加了灵活性,对于主、从设备工作速度的不一致有一定的适应能力。 8088/8086时序中的READY相当于WAIT信号。此时属于半同步方式。 ISA总线、PCI总线属于半同步方式。,5.4 常用微机总线
14、介绍,目前在微型计算机中使用的系统总线有ISA总线和PCI总线。 实际上,PCI总线本身就是局部总线。 ISA总线在现代的微机中已经不是系统总线了,只是用来连接一些采用ISA总线标准的外部设备。,PC系列机上采用的总线标准,IBM PC/XT BUS ISA 工业标准体系结构 ( Industrial Standard Architecture) EISA 扩展工业标准体系结构 (Extended Industrial Standard Architecture) VESA 视频电气标准协会(又称VL-bus ) (Video Electronics Standards Association
15、) PCI 外部设备互连 (Peripheral Component Interconnect) USB 通用串行总线 (Universal Serial Bus) AGP 图形加速端口(显卡专用线) (Accelerated Graphics Port) PCI Express,5.4 常用微机总线介绍,ISA总线(局部总线) ISA总线是在PC总线的基础上,由Intel 公司、IEEE和EISA集团共同推出的一种总线标准。因为PC总线是8位数据总线。而当时,16位数据总线的IBMAT机已经推出,必须有一种新的总线标准,以便可以制造和16位个人计算机的总线匹配的外部接口卡。这种总线标准是在1
16、984年后就慢慢形成,1987年IEEE正式制订了ISA总线标准。,ISA总线信号及其分布,5.4 常用微机总线介绍,PCI总线(局部总线) PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连)的缩写。1991年下半年,Intel公司首先提出了PCI的概念,并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团,其英文全称为:Peripheral Component Interconnect Special Interest Group,简称PCISIG。1992年6月推出了PCI 1.0版,1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI 2.1版,5.4 常用微机总线介绍,PCI总线的系统结构示意图,PCI总线的信号线分布的示意图,5.4 常用微机总线介绍,USB总线(局部总线) USB总线是Universal Serial Bus的简称,也称为“通用串行总线”。 USB总线是一种外部总线