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第9章 总线

第9章 总线. 教学目的和要求. 通过本章的学习，使学生掌握微机 总线 和 接口标准 的 基本概念 ，掌握主要 总线 及主要 接口 的 性能指标 和 特点 。熟悉 RS-232C 串行通信接口标准，为今后开发 RS-232C 串行通信奠定良好的基础。了解 PCI 总线 的基本知识 。. 总线与接口标准. 重点. 总线 与 接口标准 的基本概念 PCI 总线 等几种典型总线 RS-232C 串行通信接口. 9.1 总线和接口标准的基本概念. 9.1.1 总线的基本概念与分类. 一、 基本概念. ⒈ 总线

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第9章 总线

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  1. 第9章 总线

  2. 教学目的和要求 通过本章的学习，使学生掌握微机总线和接口标准的基本概念，掌握主要总线及主要接口的性能指标和特点。熟悉RS-232C串行通信接口标准，为今后开发RS-232C串行通信奠定良好的基础。了解PCI总线的基本知识 。

  3. 总线与接口标准 重点 • 总线与接口标准的基本概念 • PCI总线等几种典型总线 • RS-232C串行通信接口

  4. 9.1 总线和接口标准的基本概念 9.1.1总线的基本概念与分类 一、基本概念 ⒈ 总线 总线是指一组进行互连和传输信息的信号线，这组信号线一般都包括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线。微型机系统所使用的芯片内部、电路插件板元器件之间、系统各插件板之间、系统与系统之间的连线，都由各自的总线把各部分组织起来，从而组成一个能彼此传输信息和对信息进行加工处理的整体

  5. ⒉ 总线标准 总线标准是指国际工业界正式公布或推荐的把各种不同的模块组成微机系统时必须遵守的规范。具体来讲，它是指芯片之间，插件板之间及微机系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议和规范

  6. 总线标准一般包括硬件和软件两方面的内容。硬件方面主要有总线的信号线定义、时钟频率、系统结构、仲裁及配置、电气规范、机械规范等方面的内容，软件方面主要有总线协议、驱动程序和管理程序等。总线标准为微型机系统中各模块的互连提供了一个统一的标准，为接口的软、硬件设计者和开发应用者提供了方便

  7. ⒊ 总线标准的一般特点 （1）总线标准的最重要特点是公用性。具有相同总线的不同功能的模块都可以挂接到总线上，共享总线，扩充性能好 （2）信号一般以并行方式传输，传输速率快 （3）一般在微机主板上以多个扩展插槽形式提供 （4）所定义的信号线种类齐全。一般都有分离的数据线、地址线和控制线

  8. 二、总线的分类 (5类) ⒈ 片内总线 片内总线也称为CPU总线，它是位于微处理器内部的总线，是ALU及各种寄存器等功能单元之间的通路

  9. 二、总线的分类 (5类)(续一） ⒉ 元件级总线 元件级总线也称为片间总线。该总线限制在一块电路板内，它是实现板内各元器件相互连接的信号线。片间总线通常包括地址线、数据线和控制线等，是各种总线中速度最快、效益最高、功能最直接的总线。一般指CPU引脚没有经过组合、驱动隔离，而被直接引用的信号线

  10. 二、总线的分类 (5类)(续二） ⒊ 通信总线 通信总线也叫外部总线，是微机系统之间或微机系统与通信设备之间进行通信的一组信号线。如串行通信采用的RS-232-C、RS-485总线，微机与智能仪器之间通信采用的IEEE488、VXI总线以及最近流行和正在迅速发展的用于微机与外部设备之间进行通信的USB通用串行总线等。这些通信总线的特点更符合接口标准的特点，因此，常称为接口标准

  11. 二、总线的分类 (5类)(续三） ⒋ 系统总线 系统总线也叫板级总线或标准总线，它主要用于微机系统内部各插件板之间进行连接和传输信息，是微机系统最重要的一种总线，一般在主板上做成扩展插槽形式。如ISA总线构成了IBM PC/AT微机系统

  12. 二、总线的分类 (5类)(续四） 　⒌ 局部总线 局部总线是介于CPU总线和系统总线之间的一级总线，是目前高档微机中常采用的一种重要总线。它的两侧分别由桥芯片连接，分别面向CPU总线和系统总线，但局部总线离CPU总线更近一些。采用局部总线的优点在于一些高速外设通过局部总线和CPU总线直接连接，而不必象早期的微机中那样将高速外设和慢速外设统统挂在较慢的系统总线上，从而可以显著提高数据传输的速率和充分发挥CPU高速的优势

  13. 二、总线的分类 (5类)(续五） 局部总线又可分专用局部总线、VL总线（486机中采用）、PCI总线3种。其中前两种已很少用或不用，目前微机系统中的局部总线主要是指PCI总线，它是一种先进的局部总线标准　

  14. 9.1.2接口标准与接口标准的分类 一、基本概念 ⒈ 接口 所谓接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，不同的外设有不同的输入/输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，CRT显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等　

  15. ⒉ 接口标准 接口标准是指外设接口的规范和定义，它涉及外设接口的信号线定义、传输速率、传输方向、拓朴结构、电气和机械特性等方面

  16. ⒊ 接口标准的一般特点 （1）接口标准的最大特点是专用性，一般情况下是一种接口只连接一类设备，不能混用　 （2）一般在机箱外，以插头或插座形式提供　 （3）信号传输形式既有并行传输又有串行传输　 （4）定义信号线较少，且种类不多　

  17. “7”号和“9”号位置都是USB接口。它也是一种串行接口，目前最新的标准是2.0版，理论传输速率可达480MB/s。目前许多上设都采用这种设备接口，如Modem、打印机、扫描仪、数码相机等。它的优点就是数据传输速率高、支持即插即用、支持热拨插、无需专用电源、支持多设备无PC独立连接等 “8” :IEEE 1394接口，1.6GB/s的传输速率。即插即用、热拨插。使用费比较高，目前仍受到许多限制，只是在一些高档设备中应用普遍，如数码相机、高档扫描仪等“10”号位置是指双绞以太网线接口，也称之为“RJ-45接口”。这要主板集成了网卡才会提供的，它是用于网络连接的双绞网线与主板中集成的网卡进行连接　

  18. 二、接口标准的分类 • 接口标准的分类方法也较多，根据所连设备的性质及功能，一般分为以下5种　 • 　图形显示接口标准 • 　传统串并行接口标准 • 　外存设备接口标准 • 通用外设接口标准 • 测试仪器接口标准

  19. ⒈ 图形显示接口标准 支持图形显示卡的接口标准。如高速显示的新型接口标准AGP ⒉ 传统串并行接口标准 它是微机系统中进行串行和并行输入输出的端口。如RS-232-C、RS-485、I2C、IEEE1284）等接口标准　 ⒊ 外存设备接口标准 支持硬盘、光盘、CD-ROM和磁带等存储介质的接口标准，如IDE和SCSI接口标准　

  20. ⒋ 通用外设接口标准 支持多种新型外设的通用型接口标准。如USB、IEEE1394等，如前所述，它们常被叫做外设总线是因为这些接口标准已经具备了总线的一些特征，还具有一些网络特性　 ⒌ 测试仪器接口标准 提供和一些测试仪器仪表相连接的接口标准。如IEEE-488和VXI接口标准　

  21. 9.1.3总线的组成及性能指标 一、总线的组成 总线按信号类型或功能一般可分为以下五种 ⒈ 数据总线 数据总线一般为双向三态，用来传输数据，数据总线的宽度（位数）反映了总线传输数据的速率　 ⒉ 地址总线 地址总线一般为单向三态，用来传输地址信息，地址线的位数决定了微机系统的寻址范围　

  22. ⒊ 控制总线 控制总线用来传输控制或状态信号。它根据使用条件不同，有的为单向，有的为双向传输，有的是三态，有的是非三态。控制总线代表了总线的控制能力　 　⒋ 电源和地线 电源和地线是总线中不可缺少的，它决定了总线使用的电源种类，地线分布及用法　 　⒌ 备用线 备用线主要是留作功能扩充和用户的特殊要求使用　

  23. 二、总线的性能指标 ⒈ 总线宽度 总线宽度是指一次可以同时传输数据的位数，单位为位(bit) ⒉ 总线频率 它是指总线在每秒钟内能传输数据的次数，单位为MHz。如ISA的总线频率为8MHz，而PCI总线有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率

  24. ⒊ 传输速率 　传输速率指总线在每秒钟内能传输的最多字节数，单位为MB/s。三者的关系是： 传输速率=总线宽度/8×总线频率 总线宽度越宽，总线频率越高，则总线传输速率越快　 例【11-1】PCI总线频率为33.3MHz，总线宽度32位，则： 传输速率=32b/8×33.3 MHz =133.2MB/s

  25. 9.2 几种典型总线及接口标准 在微机系统中，通常由多种总线构成。如386主板板上常有ISA总线和EISA总线，486主板上常有ISA 总线和VESA总线，Pentium主板上常有ISA总线和PCI总线，PⅡ、PⅢ主板常有ISA总线、PCI总线和AGP总线，而PⅣ主板上常有用PCI总线和AGP总线，或称AGP接口标准等。微机系统的一种总线层次结构图如图11－1所示

  26. 微机系统的一种总线层次结构图

  27. 9.2.1 PC/XT总线和ISA总线 PC/XT总线是最早的PC机的系统总线，是IBM公司于1981年推出的基于准16位机PC/XT的总线，也称PC总线，PC/XT总线支持8位数据传输和20位地址寻址空间　

  28. 一、ISA总线的主要特点 ⒈ ISA总线是16位的总线，可以只用低8位数据线：当作8位数据线使用时，只用其前62个引脚，此时，它有8位数据线，20位地址线；当作16位数据线使用时，用到全部98个引脚，此时，它有16位数据线，24位地址线　 ⒉ ISA总线的最高工作频率为8MHz，数据宽度为16位，由公式（11-1）计算可得 数据传输速率为16MB/s。地址线24条，可寻址16MB的内存空间　

  29. 一、ISA总线的主要特点（续） ⒊ ISA总线共有15个外部中断输入端，其中保留3个没有用。另外还有7个DMA通道 ⒋ ISA总线是开放式总线结构，具备了一定的多主控功能，即允许有多个主控模块分时共享总线

  30. 二、ISA总线信号及ISA插座 ISA总线98根线分成7类 • 地址线 • 数据线 • 总线周期控制线 • 总线控制线 • 中断信号线 • DMA信号线 • 电源线

  31. ISA插座和信号分布图

  32. 1.地址线 ⑴ SA0  SA19 和LA17 LA 23 (O)SA0  SA19为地址总线0  19位，是可锁存的地址信号，LA17 LA23为地址总线17  23位，是非锁存信号。地址信号用于寻址存储器和I/O设备。SA0  SA19加上LA17  LA23，允许寻址多达16MB存储空间 ⑵ AEN地址允许信号，输出。此信号用来在DMA期间禁止I/O端口的地址译码。AEN信号有效，表示DMA控制器正在控制系统总线，进行DMA传输。此时CPU放放弃了总线控制权，用AEN信号来禁止I/O端口的地址译码

  33. ⑶ BALE地址锁存允许信号，输出。它由总线控制器8288提供，可用BALE信号的下降沿将系统总线上的地址信号SA0  SA19锁存 ⑷ SBHEI/O线，数据总线高字节允许信号。SBHE有效，表示数据总线上传输的是高字节数据（SD8  SD15）

  34. 2.数据线 SD0~SD7和SD8~ SD15，双向。SD0是最低有效位，SD15是最高有效位。CPU既可以按字节传输，也可按字传输

  35. 3.控制线 ⑴ MEMR*存储器读信号 (2)MEMW*存储器写信号 SMEMR*、SMEMW* 存储器读写控制 (用于A0A19寻址的1M内存空间的访问） (3)IOW* I/O写命令 (4)IOR* I/O读命令 (5)MEMCS16*、I/OCS16*，存储器和I/O 16位片选信号 (6) OWS*，输入，零等待状态信号

  36. ⑺ I/O CHRDY，输入，I/O通道就绪信号 ⒋ 总线控制线 ⑴MASTER*，输入，主控设备信号 ⑵ IOCHCK*，I/O通道检验信号，输入 ⑶ RESET DRV，系统复位驱动信号，输出 ⑷ CLK，总线系统时钟，输出。 ⑸ OSC，振荡器信号，输出，由晶振产生　 ⑹ REFRESH*，I/O线，刷新信号

  37. ⒌ 中断信号线 IRQ3~ IRQ 7、IRQ9~IRQ12、IRQ14~IRQ15，输入 上述中断请求线用于I/O设备向CPU发出中断请求信号。IRQ9优先级最高，其次是IRQ10~ IRQ 12，IRQ14~ IRQ 15，最低是IRQ3~IRQ7。另外IRQ0~ IRQ 2、IRQ8和IRQ13用于系统板上。当IRQ线上由低变高时，产生一个中断请求

  38. ⒍ DMA信号线 ⑴ DRQ0~ DRQ3、DRQ5~ DRQ7，输入 ⑵ DACK0*~ DACK3*， DAK5*~ DAK7*，输出，DMA响应信号，用来响应DMA请求。低电平有效 ⑶ T/C，计数结束信号，输出。在任何一个DMA通道的终点计数计满时发出此脉冲

  39. ⒎ 电源信号线 • 共有4组： • ＋12V＋5％ • －12V＋10％ • ＋5V＋5％ • －5V＋10％ • 4个地(GND )

  40. 三、ISA总线周期 • ISA支持八种类型的总线周期 • 存储器读 • 存储器写 • I/O端口读 • I/O端口写 • 中断响应 • DMA传输 • 刷新 • 仲裁周期 了解和掌握ISA总线周期的时序，特别是I/O端口读和I/O端口写总线周期，对于开发接口电路是非常重要的

  41. 9.2.2 PCI总线 PCI总线(Peripheral Component Interconnct Special Interest Group)，即外围部件互联专业组，简称PCISIG。是由Intel、IBM、Compaq、AST、HP、Apple、DEC等100多家公司于1991年共同推出的一种局部总线，广泛应用于当前高档微机、工作站及笔记本电脑中

  42. PCI局部总线的结构示意图

  43. PCI总线引线示意图 AD31~AD0 C/BE#3~BE#0 AD63~AD32 C/BE#7~BE#4 地址和 数据 PAR 64位扩充 PAR64 REQ64# ACK64# FRAME# TRDY# IRTY# STOP# DEVSEL# IDSEL 接口控制 接口控制 LOCK# PCI卡 INTA# INTB# INTC# INTD# 中断 PERR# SERR# 出错 REQ# GNT# 仲裁 TD1 TD0 TCK TMS TRST# JTAG CLK RST# 系统

  44. 一、PCI总线的特点 与ISA等总线相比，PCI总线具有如下的特点 ⒈ 传输速率高　 ⒉ 允许多总线共存　 ⒊ PCI总线不依赖于某一具体的微处理器，它支持多种 微处理器和将来发展的微处理器　 ⒋ 总线数据宽度32位或64位 ⒌ 支持64位寻址　 ⒍ 5V和3.3V两种电源供电　 ⒎ 自动识别与配置外设，方便用户使用　

  45. 9.2.3 AGP总线 AGP加速图形端口于1996年8月提出的一种新型视频接口标准，它是专门为3D加速而设置的加速图形端口，允许3D图形数据越过PCI总线，把主存和显存直接连接起来，从而解决了PCI总线设计中对于超高速系统的瓶颈问题　 AGP应该是一种接口标准，因为它是一种点对点的连接端口，除图形控制器专用外，没有别的设备能够使用AGP，但是，我们习惯上也称其为AGP总线　

  46. 一、AGP总线的结构 采用AGP总线的系统结构图

  47. 二、AGP总线的特点 设计AGP的目的是为了实现高性能的3D图像，提高显示的速度，因此采用了一些先进技术 ⒈ 双时钟技术 ⒉ 流水线技术进行读写内存 ⒊ DIME(Direct Memory Excute)技术 ⒋ 当CPU访问系统RAM时，AGP显示卡同时可以访问AGP RAM，两种总线同时传输数据 ⒌ 多路信号分离技术 ⒍ 显示系统不占用PCI总线

  48. 三、AGP的工作模式 AGP支持3种工作模式：×1，×2和×4模式。3种工作模式的图形性能是依次提高的。目前微机的BIOS中基本上都是采用×4模式

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