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1、第第4章章微机总线与标准计算机教学实验中心计算机教学实验中心1主要内容掌握：掌握：n总线的基本概念和分类；总线的基本概念和分类；n总线的系统结构总线的系统结构n总线的主要功能及原理；总线的主要功能及原理；n常用系统总线标准；常用系统总线标准；n通用串行总线（通用串行总线（USB）24.14.1 总线的基本概念n总线概念；总线概念；n总线分类及其特点总线分类及其特点3总线的一般概念n总线总线是是一组导线和相关的控制、驱动电路一组导线和相关的控制、驱动电路的的集合。集合。n总线是计算机系统各部件之间传输总线是计算机系统各部件之间传输地址地址、数据数据和和控制信息控制信息的的通道。通道。n任一时刻，
2、只能有一个部件任一时刻，只能有一个部件/ /设备通过总线设备通过总线发送数据，其他部件只能处于接收状态。发送数据，其他部件只能处于接收状态。4总线的分类及特点n按传送信息的类型划分按传送信息的类型划分n数据总线（数据总线（Data Bus，DB）n传输数据信息，双向三态n其宽度决定了其数据传输能力n例如，ISA总线为16位，PCI总线为32/64位n地址总线（地址总线（Address Bus，AB）n传输地址信息，单向三态n其宽度决定了微机系统的寻址能力n例如，ISA为24位，可寻址16MB；PCI为32/64位，可寻址4GB/224TBn控制总线（控制总线（Control Bus，CB）n传
3、输控制信号、时序信号和状态信号n特点各异：三态、入/出/双向等特性均不相同 5总线的分类及特点（续）n按总线的层次结构按总线的层次结构nCPU总线总线/前端总线（前端总线（FSB）n直接由直接由CPU引脚引出的总线，例如，引脚引出的总线，例如，P4 CPU与与GMCH（北桥）（北桥）之间的总线之间的总线n局部总线（只出现在局部总线（只出现在80386以后的微机系统中）以后的微机系统中）nCPU总线与系统总线之间的总线总线与系统总线之间的总线n它一侧通过北桥与它一侧通过北桥与CPU总线连接，另一侧通过南桥与系统总总线连接，另一侧通过南桥与系统总线连接，例如线连接，例如PCI总线总线n系统总线系统
4、总线n与总线扩展槽连接的总线，如与总线扩展槽连接的总线，如ISA和和EISA总线总线n外部总线外部总线n主机与外设之间的总线，如主机与外设之间的总线，如USB和和IEEE1394n其他其他nAGP，专用视频接口，专用于显卡与内存之间的数据传输，专用视频接口，专用于显卡与内存之间的数据传输nSCSI，标准的设备接口，可连接，标准的设备接口，可连接15台外设台外设nIDE/EIDE，外部存储设备接口，每个接口可连接，外部存储设备接口，每个接口可连接2台设备台设备64.24.2 总线的结构n系统各部件与总线的连接方式系统各部件与总线的连接方式 单总线结构单总线结构 双总线结构双总线结构 多总线结构多
5、总线结构7单总线结构CPU M M I/O I/O I/On缺点：高速的存储器与低速的缺点：高速的存储器与低速的I/O接口竞争总线，影接口竞争总线，影响了存储器的读写速度响了存储器的读写速度8双总线结构n面向面向CPU的双总线结构的双总线结构CPU M I/O I/O I/On缺点：存储器与缺点：存储器与I/O设备的数据传输必须通过设备的数据传输必须通过CPU9双总线结构n面向存储器的双总线结构面向存储器的双总线结构CPU M I/O I/O I/O10多总线结构n系统中拥有两个以上的总线系统中拥有两个以上的总线114.34.3 总线的基本功能n数据传送控制数据传送控制n仲裁控制仲裁控制n数据
6、校验与纠错数据校验与纠错n隔离与驱动隔离与驱动12一、总线传送控制n同步方式同步方式n收、发双方严格地按统一的基准时钟信号执行相应的动作n不适合于在同一系统中既有高速部件又有低速部件的环境nPCI总线属于同步方式总线n异步方式异步方式n传输过程无需统一时钟的同步，用“请求”和“应答”信号来协调n传输速度慢n半同步方式半同步方式n总体上仍是同步方式(使用基准时钟)，传输操作与时钟同步n设置“等待”状态线，在无法按时完成操作时，用此状态线强制对方延长一个或多个时钟周期nISA总线即属于半同步方式总线13同步方式的时序地址地址数据数据时钟时钟总线周期总线周期总线周期总线周期时钟周期时钟周期14异步方
7、式的时序地址地址/数据数据(发送方发送方)请求请求(接收方接收方)应答应答15半同步方式的时序地址地址数据数据时钟时钟就绪就绪等待一个时钟周期等待一个时钟周期16二、总线的仲裁控制n多个设备都要使用总线时，决定由哪个设备使多个设备都要使用总线时，决定由哪个设备使用总线的方法。用总线的方法。n80x86微机中采用的是独立请求方式微机中采用的是独立请求方式链式查询方式链式查询方式独立请求方式独立请求方式17三、总线隔离与驱动n不操作时把功能部件与总线隔离不操作时把功能部件与总线隔离n同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上n提供驱动能力提供驱动能力n数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件n提供锁
8、存能力提供锁存能力n 信息缓存和信息分离18总线电路中常用的芯片n三态总线驱动器三态总线驱动器n驱动、隔离n单向、双向n锁存器锁存器n信息缓存（有些同时具有总线驱动能力）n信息分离（如地址与数据的分离）19三态总线驱动器输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE20典型总线驱动器芯片n8286 / 74LS245 8双向总线驱动器双向总线驱动器n内部包含8个双向三态门828674LS245A0A1A2A3A4A5A6A7OEB0B1B2B3B4B5B6B7TnOE：输出允许。n T： 方向。 T=0，BA；T=1，AB21典型总线驱动器芯片n74LS244
9、 8总线驱动器n内部包含8个单向三态门，分为两组分别控制74LS244E1E21A11A21A31A42A12A22A32A41Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41组输出组输出2组输出组输出1组输入组输入2组输入组输入22锁存器DCPQQCP D Q Q 0 0 1 1 1 0DCPQOEOCP D Q 0 0 1 1ISTB23典型锁存器芯片n8282 / 74LS373 具有三态正相输出的锁存器具有三态正相输出的锁存器n内部包含8个D触发器828274LS3738D锁存器锁存器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7STBDO0DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7
10、OE24四、总线的主要性能指标n总线带宽（总线带宽（B/S）：每秒可传送的字节数每秒可传送的字节数n总线位宽（总线位宽（bit）：）： 一次传送的数据位数一次传送的数据位数n工作频率（工作频率（MHz）n总线带宽总线带宽=（总线位宽（总线位宽/8）工作频率工作频率例1：P4 CPU的FSB频率为400MHz或800MHz，位宽为64bit。 FSB带宽：40064/8=3.2GB/s 或 80064/8=6.4GB/s例2：PCI总线的频率为33.3MHz，位宽为32bit或64bit。 PCI带宽：33.332/8=133MB/s 或 33.364/8=266MB/s254.44.4 常用系
11、统总线及外部总线n常用系统总线标准常用系统总线标准nISA（工业标准体系总线）nIndustry Standard ArchitecturenPCI（外围部件互连总线）nPeripheral Component Interconnectn常用系统接口标准常用系统接口标准nAGP（加速图形接口）nAccelerated Graphics PortnIDE（集成设备接口），又称ATA接口nIntegrated Device ElectronicsnSCSI（小型计算机系统接口）nSmall Computer System Interface n外部总线外部总线nUSB（通用串行总线）nIEEE 1
12、394（高性能串行总线）26一、ISA总线n主要特性主要特性n16位数据线（早期的为8位，已被淘汰）n24位地址线（可寻址16MB存储器）n时钟频率8MHzn数据传输率16MB/sn提供11个中断请求输入n提供7个DMA通道n用于80286PIII（个别P4微机也支持）27ISA总线插槽n外形见外形见P121，共，共98个引线个引线n主要引线信号：主要引线信号：nSA0SA19（锁存的），LA17LA23（非锁存的）（地址）nSD0SD15（数据）nSBHE（高字节允许）nMEMR、MEMWnIOR、IOW nAEN（地址允许，1表示处于DMA控制周期）nIRQ3IRQ7、IRQ9IRQ11、
13、IRQ14、IRQ15 nDRQ0DRQ3、DRQ5DRQ7nDACK0DACK3、DACK5DACK7 注：注：ISA总线的总线的DMA操作和操作和I/O操作使用相同的地址线、数据线和操作使用相同的地址线、数据线和I/O读写控制线读写控制线（IOR和和IOW），所以），所以AEN应参加应参加I/O地址译码。地址译码。28简单的ISA总线接口(输入接口)D7-D0D7-D0A/D转换器转换器模拟量输入STARTREADY数字量输出INE1 E21Y2Y1A2A74LS244CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS1381100 0000 0000 0000B 1100 0
14、000 0010B转换结束启动转换D0C000H 读数据读数据C001H 启动转换启动转换C002H 读转换状态读转换状态A2A1A01A13-A3&A15A14AENIORISA总总线线29简单的ISA总线接口(输出接口)驱动驱动电路电路D7-D0CBAG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138A2A1A01A13-A3&A15A14AENIOWISA总总线线STBOE74LS373DI7DI0DO7 DO0发光发光器件器件组合组合C000H 改变灯光图案样式改变灯光图案样式选通选通30二、PCI总线n独立于微处理器；独立于微处理器；n支持即插即用功能；支持即插即用功能；
15、n通过通过PCI桥与桥与CPU连接（北桥）连接（北桥）n总线宽度：总线宽度：32/64位；位；n工作频率：工作频率：33.3MHz/66.6MHzn传送速率：传送速率：n32位PCI总线：133MB/s，266MB/sn64位PCI总线：266MB/s，533MB/s PCI总总线体系线体系31PCI总线插槽n外形见外形见P124，共，共62根引线（根引线（64位位PCI有有94根）根）n包括：包括：n系统接口信号（时钟、复位等）n地址与数据（复用）信号（AD0-AD31）n接口控制信号（主从设备控制信号等）n总线仲裁信号（总线请求、总线允许）n错误报告信号（系统错、奇偶错）n中断控制信号（中
16、断请求）n64位总线扩展信号（AD32-AD63、字节选择等）n高速缓存支持信号32PCI总线n总线命令总线命令nI/O和存储器读写控制信号都是通过命令码给出n命令码出现在C/BE3:0这4根线上n共有12种命令n中断响应、存储器读/写、IO读/写、配置读/写、等等n总线传输机制总线传输机制n存储器读写采用突发传输（要求地址必须连续）n包括一个地址期和多个数据期nI/O读写不支持突发传输，每次仅读写一个数据33PCI总线nPCI总线配置总线配置n目的：实现设备的自动配置、加载（PnP）n微机启动时，配置软件将扫描PCI总线n确定有哪些设备，设备配置要求是什么n每个PCI设备都有一个配置存储区n
17、包括了64个32位配置寄存器n前16个寄存器（标题区）的格式由PCI标准化组织定义n后48个寄存器的格式由厂家自行定义n标题区的内容包括：n设备识别信息（被OS用来自动定位驱动程序）n厂商/设备标识、版本、子系统厂商标识、子系统标识n设备分类代码n设备控制信息n设备状态信息n基址寄存器（用于映射设备使用的存储区域或I/O地址区域）34PCI总线nPCI BIOSnOS、应用程序、驱动程序不能直接访问PCI配置寄存器，必须通过PCI BIOS访问n提供了一组访问PCI的函数n16位实模式下通过INT 1AH中断来调用nAH=0B1H，AL=子功能号n子功能有13个，包括：nPCI BIOS检测、
18、查找PCI设备、读/写配置信息、分配中断等35三、AGP接口n不是系统总线不是系统总线n高速图形接口，在视频卡与内存之间提供一条直接的通路（不再通过高速图形接口，在视频卡与内存之间提供一条直接的通路（不再通过PCI传输，传输，32位位PCI的传输速率最高的传输速率最高266MB/s）。）。n图形、纹理、Z轴距离、Alpha变换等数据的数据量为370840MB/sn4种模式（注意：种模式（注意：1X/2X与与4X/8X不兼容，不兼容，3.3V/1.5V）n1X（66MHz，266MB/s）n2X（133MHz，533MB/s ）n4X（266MHz，1066MB/s ）n8X（533MHz，21
19、33MB/s ）n系统中只支持一个系统中只支持一个AGP扩展插槽（点对点）扩展插槽（点对点）36四、IDE接口（ATA）n主要用于硬盘主要用于硬盘/光驱光驱/磁带驱动器磁带驱动器n现已发展为现已发展为EIDE（增强的（增强的IDE）和串行）和串行ATA（SATA）n已集成到硬盘驱动器中，无需接口卡已集成到硬盘驱动器中，无需接口卡n主板提供主板提供2-4个接口个接口n每接口可连接2个硬盘（主/从）n数据传输方式：数据传输方式：nPIO方式：PIO0PIO4（3.3MB/s16.6MB/s）n40针接口，扁平电缆n硬盘最大容量528MBnDMA方式：DMA0DMA2（11MB/s16.6MB/s）
20、n40针接口n硬盘最大容量8.4GBnUDMA方式：UDMA3UDMA6（33.3MB/s133MB/s）n80针接口，地线和信号线交叉排列n通过特殊的扩展BIOS，可支持200GB以上的硬盘37五、USB总线nUSB概况概况n主机与外设的通用接口，可用于不同的设备n串行、打包传送n2根数据线电源地线n两个版本：n1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s）n设备连线最长5米n即插即用n必须要有USB主机存在，设备不能独立工作38USB总线的优点n易于使用易于使用n即插即用，可热插拔；nWindowsNT/2000/XP/2003下不需安装驱动程序n具级联方式，并可智能识别链上外围设备的插
21、拔；n提供电源n5V，500mAn节省硬件资源nIRQ、I/O地址n易于连接n主板上提供26个USB接口，通过集线器最多可支持127个外设n4芯电缆（D、-D、+5V、GND） 39USB总线的优点n传送速率可满足大多数外设要求传送速率可满足大多数外设要求n1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0）n可靠性高可靠性高n能进行错误校验和控制，且由硬件实现n低成本低成本n主板已集成USB接口n设备端的USB接口控制芯片很便宜 n低功耗低功耗n不工作时能够自动进入休眠状态，并能自动恢复 40USB设备及拓扑结构nUSB设备设备 集线器集线器 扩展接口数量扩展接口数量 功能部件功能部件 即
22、即USB设备设备 复合部件复合部件 n拓扑结构拓扑结构n星形（树形）、级连 41USB接口工作原理nUSB系统分为两大部分：系统分为两大部分：USB主机、主机、USB设备设备nUSB主机主机n由PC系统中的USB硬件和驱动程序组成；n整个微机中只能有一个USB主机；n其接口称为USB控制器；nUSB硬件在微机中被集成在南桥中。n功能：n检测USB设备的插拔操作n在主机与设备之间管理数据流n通信总是由主机发起，并由主机控制传输过程n多个设备传输时，采用分时复用（每个时间槽1ms）n错误检查（CRC校验）n为设备提供电源42USB接口工作原理nUSB设备设备n分为集线器和功能设备n集线器：1个上连
23、端口和若干个下连端口n自动探测设备的插拔并向USB主机报告n为下行设备分配电源n分离高速数据流和低速数据流n功能设备：可以从USB总线上收发数据的设备n包含自己的各种配置信息，以供USB主机查询n不能主动发起通信n功能：监视与自己的通信、对主机的请求进行响应、错误检查、管理电源（没有总线活动（3ms）时进入挂起状态）43USB接口工作原理nUSB通信模型通信模型客户USB主机USB接口功能模块USB设备USB接口主机设备消息数据包位流44USB接口工作原理nUSB主机的软件和硬件主机的软件和硬件客户软件USB驱动程序（USBD）USB接口主控制器驱动程序（HCD）USB主机软件USB主机主机4
24、5USB接口工作原理nUSB数据包格式（主要的）数据包格式（主要的）PIDUSB地址(7位) 端点号CRCPID数据(1-1023字节)CRC标识包数据包PID: 包的类型编号PID应答D2H：ACK5AH：NAKC3H：偶数包4BH：奇数包46六、IEEE 1394总线n可用于数字化视频、音频，硬盘可用于数字化视频、音频，硬盘n结构类似于结构类似于USB，树形拓扑，树形拓扑n串行、打包传送n6芯电缆：4根信号线电源地线n设备之间距离最大4.5米，总长度为50100米n设备可独立工作，无需微机的控制设备可独立工作，无需微机的控制n设备之间可直接连接，如数字摄像机连接到电视机n最大传输速率：最大
25、传输速率：400MB/s（将来可达（将来可达3.2GB/s）n100MB/s，200MB/s，400MB/sn支持异步和同步两种传输模式支持异步和同步两种传输模式n支持带电插拔和即插即用支持带电插拔和即插即用n可提供可提供8V40V/1.5A的电源的电源n一个接口上可连接一个接口上可连接63台设备台设备47结束语n掌握总线的基本概念、分类和主要指标；掌握总线的基本概念、分类和主要指标；n了解总线的基本结构；了解总线的基本结构；n掌握总线的基本功能；掌握总线的基本功能；n了解总线锁存器和总线驱动器；了解总线锁存器和总线驱动器；n了解常用的系统总线了解常用的系统总线/接口及外设总线。接口及外设总线。48作业：n4.2n4.6n4.9n4.13n4.1549
