第十章 总线与接口标准

1. 第十章　总线与接口标准 主讲老师：张伟民

2. 总线 　　在微机系统中，利用总线实现芯片内部、印刷电路板各部件之间、机箱内各插件板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。总线是构成微型计算机应用系统的重要技术，总线设计好坏会直接影响整个微机系统的性能、可靠性、可扩展性和可升级性。 　　采用标准总线可以简化系统设计、简化系统结构、提高系统可靠性、易于系统的扩充和更新等等。

3. 10.1　概述 一、总线标准与总线体系结构 总线是一组信号线的集合，是一种在各模块间传送信息的公共通路。

4. 总线标准 • 　　为使不同供应商的产品间能够互换，给用户更多的选择，总线的技术规范要标准化。 • 总线标准（技术规范）包括以下几部分： • 机械结构规范：模块尺寸、总线插头、总线接插件以及按装尺寸均有统一规定。 • 功能结构规范：确定引脚名称与功能，以及其相互作用的协议。是总线的核心，通常包括如下内容：

5. 总线标准　续 • 数据线、地址线、读/写控制逻辑线、时钟线和电源线、地线等； • 中断机制； • 总线主控仲裁; • 应用逻辑，如握手联络线、复位、自启动、休眠维护等。　 • 电气规范：总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。

6. 接口标准 　　接口标准是外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输方向、拓扑结构，以及电气特性和机械特性等。不同类型的外设，有不同的接口及接口标准，只有符合接口标准的外设，才能使用这种接口。因此，从传统的观念来看，不同接口标准是不能通用的。但是，随着计算机技术的迅速发展，目前一些新型接口标准，如USB、IEEE1394等，和传统的接口标准不同，允许同时连接不同的外设，具有公用性，因此，也将它们称作“外设总线”。

7. 总线标准和接口标准的特点 • 总线标准与接口标准在概念上是不同的，但是，往往把一些接口标准说成是总线标准。其实两者之间是有区别的，两种标准的特点如下： • (1)总线标准的特点： • 公用性同时挂接多种不同类型的功能模块； • 在机箱内以总线扩展槽形式提供使用； • 一般为并行传输； • 定义的信号线多且齐全，包括分离的数据、地址和控制线以及电源线。

8. 接口标准的特点 • 专用性，一般是一个接口只接一类或一种设备； • 一设在机箱外，以接口插头(座)形式提供使用； • 有并行和串行两种传输； • 定义的信号线少，且不齐全，一般是控制信号线、数据信号线、地址信号线共用。

9. 总线的接口标准的分类 1.　总线分类 　　总线的分类方法很多，从总线的性质和应用来看，可分成3大类。 • 　系统总线(标准总线、板级总线）：微机内部各部件(插板)之间进行连接和传输信息的一组信号线，如ISA总线等。 • 　局部总线：介于CPU总线和系统总线之间的一级总线。它有两侧，一侧直接面向CPU，另一侧面向系统总线，分别由桥接电路连接。特点：数据传输速度快(原因：离CPU总线更近)。

10. 总线分类 • 　局部总线又可分为3种: • 　专用局部总线，是一些大公司为自己系统开发的专用总线，无通用性。 • VL总线(VESALocalBUS)，用于486机型的一种过渡通用局部总线标准，目前已淘汰。 • PCI总线，先进的新的局部总线标准，目前高档微机普遍采用。　

11. 接口标准的分类(使用最多的外设) • 　通信总线：又称为外总线，是系统之间或微机系统与设备之间进行通信的一组信号线。 　　根据接口所连的设备的性质与功能来进行分类。 (1)　传统的串/并接口标准 (2)　通用外设接口标准 (3)　外存储设备接口标准 (4)　图形显示器接口标准 (5)　测试仪器接口标准

12. 总线的组成 　　微机总线主要由数据总线、地址总线、控制总线、电源线和地线4部分组成。 • 　数据总线。用于传输数据，采用双向三态逻辑。ISA总线是16位数据线，EISA总线是32位数据线，PCI总线是32位或64位数据线。　总线中数据总线的宽度表示总线数据的传输能力，反映了总线的性能。

13. 总线的组成　续 • 　地址总线 　　是微机传送地址信息用的，采用单向三态逻辑。总线中的地址数目决定了该总线构成的微机系统所具有的寻址范围。例如，ISA总线为24位地址线，可寻址16MB。EISA总线有32位地址线，可寻址4GB。PCI总线有32位或64位地址线。 • 　控制总线　　 提供系统操作所必需的控制信号，对操作过程进行控制与定时。 • 　电源线和地线

14. 总线的性能参数 • 　总线时钟频率：总线工作频率，以MHz表示，它是影响总线传输速率的重要因素之一。总线信号中有一个CLK时钟，CLK越高每秒钟传输数据的速度越快。ISA、EISA为8MHz，PCI为33.3MHz，　PCI-2可达66.6MHz。 • 　总线宽度：数据总线的位数，用位(bit)表示。如总线宽度为8位、16位、32位和64位。例：S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。

15. 总线传输速率 • 在总线上每秒钟传输的最大字节数，MB/s表示。 总线数据传输率=(总线位宽/8)×总线工作频率(MB/s) 若总线工作频率为8MHz，总线宽度为8位，则最大传输速率为8MB/s　。另PCI总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为64位的情况下，总线数据传输率为266MB/s　。　

16. 几种微型计算机总结性能参数 • 　　同步方式：总线工作方式有同步和异步之分。 • 　　多路复用：数据线和地址线是否共用。 • 　　负载能力：一般采用“可连接的扩展槽电路的数量”来表示。 • 　　信号线数：表明总线拥有信号线的数目，是数据、地址、控制线的总和。 • 　　总线控制方式：如传输方式，并发工作，设备自动配置，中断及仲裁方式。 • 　　其它性能：电源电压等级是5V还是3.3V，能否扩展64位宽度等。

17. 总线传输过程及握手技术 1.总线传输过程 　　挂在总线上的模块，通过进行信息交换。系统总线的基本任务是保证数据能在总线上高速可靠地传输。 总线上完成一次数据传输要经历4个阶段：　

18. 总线传输过程 ①　申请(Arbitration)占用总线阶段。需要使用总线的主控模块(如CPU或DMAC)。向总线仲裁机构提出占有总线控制权的申请。由总线仲裁机构判别确定，把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。 ②　寻址(Addressing)阶段。获得总线控制权的主模块，通过地址总线发出本次打算访问的从属模块，如存储器或I/O接口的地址。通过译码使被访问的从属模块被选中，而开始启动。

19. 总线传输过程　续（1） ③传数(AataTransferring)阶段。主模块和从属模块进行数据交换。数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。对于读传送，源模块是存储器或I/O接口，而目的模块是总线主控者CPU；对于写传送，则源模块是总线主控者，如CPU，而目的模块是存储器或I/O接口。 ④结束(Ending)阶段。主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模块能继续使用。

20. 总线传输过程　续（2） 　　对于只有一个总线主控设备的简单系统，对总线无需申请、分配和撤除。而对于多CPU或含有DMA的系统，就要有总线仲裁机构，来授理申请和分配总线控制权。总线上的主、从模块通常采用以一定方式用握手信号的电压变化来指明数据传送的开始和结束，用同步、异步或半同步这3种方式之一实现总线传输的控制。

21. 总线数据传输的握手方式 • 　同步方式：该方式使用一个“系统时钟”控制数据传输的时间标准。 同步总线所用的控制信号是时钟振荡器，时钟的上升沿和下降沿分别表示一个总线周期的开始和结束。典型的同步协定的定时信号如图所示。

22. 总线数据传输的握手方式　续（1） 　　　　同步系统的主要优点是简单，数据传送由单一信号控制。然而，同步总线在处理接到总线上慢速的受控设备方面存在一系列问题。如对于接到总线上的快慢不同的受控设备，必须降低时钟信号的频率，以满足总线上响应最慢的受控设备的需要。这样，即使低速设备很少被访问，它也会使整个系统的操作速度降低很多。

23. 总线数据传输的握手方式　续（2） • 异步总线(全互锁异步总线) • 对于具有不同存取时间的各种设备，是不适宜采用同步总线协定的。因为这时总线要以最低速设备的速度运行。因此，如果对高速设备能具有高速操作，而对低速设备能具有低速操作，从而对不同的设备具有不同的操作时间，就可采用异步总线。异步总线的定时信号及控制信号如图所示。

24. 总线数据传输的握手方式　续（3） 　　在全互锁协定中阴影区表示的意义和同步协定中相同，建立时间至少要足以允许地址译码和缓冲器被选通。保持时间没有表示出来，然而它是存在的。通常保持时间是通过在WRITE完成之后或对于READ是在总线上出现数据之后，延迟SLAVE信号一个保持时间而被加进受控设备的。而主控接收到受控信号的转变之后，使它的动作推迟一个保持时间也同样可以把保持时间加到主控设备上。 全互锁异步协定的优点主要可靠性以及在处理通过较长总线连接且具有各种不同响应时间的设备时的高效率。

25. 总线数据传输的握手方式　续（4） • ⒊半同步总线 • 　　　　因为异步总线的传输延迟严重地限制了最高的频带宽度，因此，总线设计师结合同步和异步总线的优点设计出混合式的总线，即半同步总线，半同步总线的定时信号如图所示。

26. 使用标准总线的优点 • 　　简化了软硬件的设计 • 　　简化了系统结构。由于采用标准总线，各模块(板)之间只要挂在总线上就可以构成微型计算机的硬件系统。 • 　便于系统的扩充。只要按扩充的要求自行设计或直接购买适当的模块，插到总线上即可。 • 　便于系统的更新。

27. 总线的发展趋势 • 　传输速率不断提高。除采用并行传输措施外，还引入突发(burst)数据传输技术。此外，流水线技术，多级缓冲概念也广泛应用于总线规范。为适应多媒体技术的发展，双引入音频视频总线，甚至在光计算机中，应用光传输总线。总线的传输速率从几MB/s发展到几百MB/s。 • 　降低功耗。　绿色芯片及绿色计算机 • 　功能结构不断调整更新。

28. 总线的层次化结构 • PC总线的层次—3个层次 • 微处理器总线(或称HostBus) • 局部总线(以PCI总线为主) • 系统总线(如　ISA总线)

29. 总线桥及芯片组 桥：是一个总线转换器和控制器，不对称。 北桥：用于实现各类微处理器总线到PCI总线的连接，并允许相互通信。主要挂高速设备。 南桥：用于实现PCI总线到各类标准总线(如ISA、EISA等总线)的连接，并允许相互通信。主要挂低速设备。　

30. 总线桥及芯片组 处理器 第一级总线 　　　处理器总线 • 处理器总线与PCI总线桥接器 • Cache控制器 • Memory控制器 高速缓冲器 Cache 主存储器 数据缓冲器 第二级总线 PCI总线 SCSI控制器 PCIISA桥接器 PCIEISA桥接器 图形加速器 PCI-PCI　　　　桥接器 Ethernet控制器 PCMCIA控制器 IDE控制器 高速I/O EISA总线 PCI总线 第三级总线 ISA总线 I/O支持 I/O支持 基础I/O 软盘 键盘 串口 并口 游戏 声频 PCI可选槽

31. 10.2　系统总线(PC总线) PC总线又称为在板局部总线。即只是单板机上的I/O扩展总线，不支持多主CPU的并行处理，不存在多CPU共享资源，不存在也不需要总线仲裁。PC机采用开放式的结构，即在底板上设置一些标准扩展插槽(Slot)，要扩充PC机的功能，只要设计符合插槽标准的适配器板，然后将板插入插槽即可。

32. ISA总线 ISA是工业标准体系结构(IndustrialStandardArchitecture)的缩写，是一种在原始IBMPC引入的8位总线结构，1984年在IBMPC/AT中将其扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础，是目前市场上大多数PC系统采用的主要体系结构。

33. 8位ISA总线 主要用在早期的IBMPC/XT计算机的底板上，共有8个62芯的I/O扩展插槽，引脚间隔为2.54mm。常称为IBMPC总线或PC/XT总线。各引脚的安排如右图所示。

34. 16位ISA总线 1984年IBM公司推出286机（AT机）时，将原来8位的ISA总线扩展为16位的ISA总线，它保持原来8位ISA总线的62个引脚信号，以便原先的8位ISA总线适配器板可以插在AT机的插槽上。同时为使数据总线扩展到16位，地址总线扩展到24位，而增加一个延伸的36引脚插槽。新增加的36个引脚排列如图所示，各引脚功能列于教材P338图12.2　。

35. 16位ISA总线 98根线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线、电源线。 1.地址线 SA0~SA19和LA17~LA23SA0~SA19：　是可锁存的地址信号，　LA17~LA23为非锁存的信号，由于没有锁存延时，因而给外设插板提供了一条快捷途径。　SA0~SA19加上LA17~LA23加上可实现16MB空间的寻址。 2.　数据线 SD0~SD7为低8位数据线，SD8~SD15为高8位数据线。

36. 控制线 (5)SMEMR和SMEMW：存储器读/写命令，低电平有效，用于对A0-A19这20位地址寻址的1MB内存的读/写操作。 (6)MEMR和MEMW：存储器读/写命令，低电平有效，用于对24位地址线全部存储空间读/写操作。 (7)MEMCS16和I/OCS16：它们是存储器16位片选信号和16位I/O片选信号，分别指明当前数据传送是16位存储器周期和16位I/O　周期。 (8)SBHE：总线高字节允许信号，该信号有效时，表示数据总线上传送的高位字节数据。

37. 控制线　续（1） • AEN：地址允许信号，输出线，高电平有效。AEN=1，表明处于DMA控制周期AEN=0，表明非DMA控制周期 • BALE：允许地址锁存，输出线。由系统总线控制器8288提供，作为CPU地址的有效标志，当BALE为高电平时，将SA0-SA19接到系统总线，其下降沿用来锁存SA0-SA19。 • IOR：I/O读命令。 • IOW：I/O命令

38. 控制线　续（2） (8)SBHE：总线高字节允许信号，该信号有效时，表示数据总线上传送的是高位字节数据。 (9)IRQ3-IRQ7和IRQ10-IRQ15：用于作为来自外部设备的中断请求输入线，分别连到主片8259A和从片8259A中断控制器的输入端。 (10)DRQ0-DRQ3和DRQ5-DRQ7：来自外部设备的请求输入线，高电平有效，分别连到主片8237A和从片8237ADMA控制器输入端。　DRQ0优先级最高，　DRQ7优先级最低，　DRQ4用于级连，在总线上不出现。

39. 控制线　续（3） (11)DACK0-DACK3和DACK5-DACK7：DMA回答信号，低电平有效。有效时，表示DMA请求被接受，DMA控制器占用总线，进入DMA周期。 (12)T/C:DMA终未/计数结束，输出线。该信号是一个正脉冲，表明DMA传送的数据已达到其程序预置的字节数，用来结束一次DMA数据块传送。 (13)MASTER：输入信号，低电平有效。　ISA主模块确立信号，ISA发出此信号，与主机内DMAC配合使ISA卡成为主模块，全部控制总线。 (14)RESETDRV：系统复位信号，输出线，高电平有效。此信号在系统电源接通时为高电平，当所有电平都达到规定电平生就低，即上电复位时有效。用它来复位和初始化接口和　I/O设备。

40. 控制线　续（4） (15)I/OCHCK:I/O通道检查，输出线，代电平有效。ISA卡奇偶校验错。 (16)I/OCHRDY：　I/O通道就绪，输入线，高电平表示“就绪”。ISA卡准备好，可控制插入等待周期。 (17)：OWS零等待状态信号，输入线。该信号为代电平时，无需插入等待周期。 (18)OSC/CLK及电源12V、　5V、地线等。 ISA总线的数据宽度为16位，工作频率为8MHz，最大数据传输速率为16MB/s。

41. EISA总线 1988年9月COMPAQ公司联合HP，AST，AT&T，TANDY，NEC等9家计算机公司，宣布研制一种新的总线标准，这种总线不仅具有MCA的功能，而且与ISA结构完全兼容。这就是扩展的工业标准体系结构EISA(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)总线。

42. EISA总线　续（1） 　　为做到完全兼容，EISA总线插座把EISA总线的所有信号分成深度不同的上、下两层。上面一层包含ISA的全部信号，信号的排列、信号引脚间的距离以及信号的定义规约与ISA完全一致。下层包含全部新增加的EISA信号，这些信号在横向位置上与ISA信号线错开。为保证ISA标准的适配器板只能和上层ISA信号相连接，在下层的某些位置设置了几个卡键，用来阻止ISA适配器板滑入到深处的EISA层；而在EISA的适配器板相应卡键的位置上，则制作了大小相匹配的凹槽，从而保证EISA标准的适配器板能畅通无阻地插到深处层，和上下两层信号相连接。

43. EISA总线　续（2） 为构成EISA总线而增加到ISA总线上的主要信号线有： •BE0~BE3字节允许信号。这4个信号分别用来表示32位数据总线上哪个字节与当前总线周期有关。它们与80386或80486CPU上的~功能相同。 •M/IO访问存储器或I/O接口指示。用该信号的不同电平，来区分EISA总线上是访问内存还是访问I/O接口周期。 •START起始信号。它有效表明EISA总线周期开始。 •CMD定时控制信号。在EISA总线周期中提供定时控制。

44. EISA总线　续（3） •LA2~LA31地址总线。这些信号在底板上没有锁存，可以实现高速传送，它们与~一起，共同对4GB的寻址空间进行寻址。 •D16~D31高16位的数据总线。它们与原ISA总线上定义的D0~D15共同构成32位数据总线。使EISA总线具备传送32位数据的能力。 •MACKn总线认可信号。n为相应插槽号。利用该信号来表示第n个总线主控器已获总线控制权。 •MIREQn主控器请求信号。当总线主控器希望获得总线时，发出此信号，用以请求得到总线控制权。当然，该信号必须纳入总线裁决机构进行仲裁。

45. EISA总线　续（4） •　该信号用来指明一个主控器有能力完成一次猝发传送周期。 •　该信号用来指明一个受控器有能力接受一次猝发传送周期。 •EX32，EX16指示受控器是一块EISA标准的板子，并能支持32位或16位周期。若一个周期开始，这两个信号都无效，则总线变成ISA总线兼容方式。 •EXRDY该信号用来指示一个EISA受控器准备结束一个周期。

46. EISA总线　续（5） EISA总线的数据传输速率可达33MB/s，以这样高的速度进行32位的猝发传输。因此很适合高速局域网、快速大容量磁盘及高分辨率图形显示，其内存寻址能力达4GB。EISA还可支持总线主控，可以直接控制总线进行对内存和I/O设备的访问而不涉及主CPU。

47. VESA总线　 随着80486和Pentium等高性能CPU的问世，因其内部处理速度大大提高了，再加上集成高速缓存和数字协处理器FPU，高速的CPU和内存访问同慢速I/O操作成为PC技术中的瓶颈。多媒体的出现，对于图形和高速显示提出能更快速传送大量信息的要求。而这些问题ISA和EISA总线都无法解决。为此，PC机领域出现两种比较优秀的局部总线，即VESA(视频电子标准协会)的VESABUS和PCI。具有局部总线的PC体系结构如图所示。

48. VESA总线　续（1）

49. VESA总线　续（2） VESA总线是1992年8月由VESA(视频电子标准协会)公布的基于80486CPU的32位局部总线。VESA总线支持16MHz到66MHz的时钟频率，数据宽度为32位，可扩展到64位。与CPU同步工作时，总线传送速率最大为132MB/s，这对于需要快速响应的视频、内存及磁盘控制器等部件都可通过VESA局部总线连接到CPU上，使系统运行速度更快。但是VESA总线是一种在CPU总线基础上扩展而成的。这种总线使I/O速度可随CPU的速度不断加快而加快。它是与CPU类型相关的，因此开放性差，并且由于CPU总线负载能力有限。目前VESA总线扩展槽只支持3个设备。实际是VESA总线并不是新标准，所有VESA卡都占用一个ISA总线槽和一个VESA扩展槽。 VESA总线是1992年8月由VESA(视频电子标准协会)公布的基于80486CPU的32位局部总线。VESA总线支持16MHz到66MHz的时钟频率，数据宽度为32位，可扩展到64位。与CPU同步工作时，总线传送速率最大为132MB/s，这对于需要快速响应的视频、内存及磁盘控制器等部件都可通过VESA局部总线连接到CPU上，使系统运行速度更快。但是VESA总线是一种在CPU总线基础上扩展而成的。这种总线使I/O速度可随CPU的速度不断加快而加快。它是与CPU类型相关的，因此开放性差，并且由于CPU总线负载能力有限。目前VESA总线扩展槽只支持3个设备。实际是VESA总线并不是新标准，所有VESA卡都占用一个ISA总线槽和一个VESA扩展槽。

50. 10.3PCI局部总线 一、PCI总线的特点 (1)传输速率高。最大数据传输率为133MB/s，当数据宽度升级到64位，数据传输率可达266133MB/s，这是其它总线难以比拟的。它大缓解了数据I/O瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥，适应高速设备数据传输的需要。