第5章PC总线.ppt

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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

17、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,5.5.4 PCI总线周期和地址空间,PCI总线的数据传输不但依靠时钟信号作为定时基准，而且还使用了联络信号。PCI总线属于半同步总线。,5.5.4 PCI总线周期和地址空间,2. PCI的地址空间,5.5.4 PCI总线周期和地址空间,PCI总线定义了3个物理地址空间：内存地址空间、I/O地址空间和配置地址空间。,PCI总线的编址是分布式的，每

18、个设备都有自己的地址译码电路，不需要进行统一译码。,PCI支持正向和负向两种类型的地址译码。所谓正向译码就是每个设备都监听地址总线，判断访问地址是否落在它的地址范围，如果是，使有效以示应答，响应速度较快。负向译码是指没有一个设备做出响应时，由一个指定的设备（负向译码设备）做出响应。由于它要等到总线上其他所有设备都拒绝之后才能行动，所以速度较慢。,Pentium以上处理器的PC机推出了由微型计算机自动配置各种资源的方法即插即用（Plug and Play，P&P），它要求每块支持P&P的板卡设置一组称为配置空间的寄存器，这些寄存器保存了该板卡对系统资源的需求。,5.5 PCI总线,5.5.5 P

19、CI总线配置空间,1. PCI头标区信息 PCI总线的一个物理设备可能包含一个或多个PCI功能设备，每个PCI功能设备都有64个配置双字单元。PCI协议定义了开头16个双字的格式和用途，称为设备的配置空间头区域，另外的48个双字用途和设备有关。,5.5.5 PCI总线配置空间,2. 访问配置空间,5.5.5 PCI总线配置空间,通过PCI控制器对配置空间读写的周期称为配置周期，该周期中使用引脚作为选择信号。系统上电后，屏幕上可以看到配置空间的一些信息：,通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是2000年以来普遍使用的连接外围设备和微型计算机的一种新型串行总线标准。20

20、00年4月，发布了USB2.0；2008年8月，发布了最新的USB3.0，支持超速模式，传输速度最高可达5.0Gbps。,5.6 通用串行总线USB,5.6.1 USB概述,特点： （1）支持即插即用（Plug-and-Play）。 （2）可以使用总线电源。 （3）硬件接插口标准化、小巧化。 （4）支持多种速度和操作模式。,一个USB系统中只能有一个主机。主机内设置了一个根集线器，提供了外设在主机上的初始附着点。包括根集线器上的一个USB端口在内，最多可以级联127个USB设备，层次最多7层。,5.6.1 USB概述,1. USB主机,5.6 通用串行总线USB,5.6.2 USB总线的构成,

21、USB主机指的是包含USB主控制器，并且能够控制完成主机和USB设备之间数据传输的设备。 USB的所有数据通信（不论是上行通信还是下行通信）都由USB主机发起，所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。 USB主机可分为三个功能模块：客户软件、USB系统软件和USB总线接口。,（1）客户软件 客户软件负责和USB设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。客户软件不能直接访问USB设备，其与USB设备功能单元的通信必须经过USB系统软件和USB总线接口模块才能实现。,USB设备驱动程序负责和USB系统软件进行通信。 界面应用程序负责和USB设备驱动程序进行通信，以控制USB设备。,5.6

22、.2 USB总线的构成,（2）USB系统软件 负责和USB逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据传输。USB系统软件一般包括USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序这两部分。,（3）USB总线接口 包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为USB系统提供连接起点，用于给USB系统提供一个或多个连接点（端口）。主控制器负责完成主机和USB设备之间数据的实际传输，包括对传输的数据进行串行编解码、差错控制等。,2. USB设备,5.6.2 USB总线的构成,USB协议中将USB设备定义为具有某种功能的逻辑或物理实体。在最底层，设备指一个独立的硬件部件；在较高层，设备可以是表现出一定功能的硬件

23、部件的集合，如一USB接口设备；在更高层次上，设备是指连接到USB总线上的那个实体所具有的功能，如一个数据/传真调制解调器。,3. USB总线拓扑结构,5.6.2 USB总线的构成,USB的物理连接是一个层次性的星形结构，集线器（HUB）位于每个星形结构的中心。星形结构的每一段都是主机、集线器或某一功能件之间的连接。,USB总线包括4个信号线，用来传送信号和提供电源。其中，D+和D-为信号线，传送信号，它们是一对双绞线；另两根是电源线和地线，提供电源。,5.6 通用串行总线USB,5.6.3 USB系统的接口信号,USB总线上的每个设备都有一个由主机分配的唯一地址，由主机通过集线器在一个自动识

24、别过程中分配。USB总线上的数据传输是一种“主从”式的传输，所有的传输都由USB主机发起，USB设备仅仅在主机对它提出要求时才进行传输。,5.6 通用串行总线USB,5.6.4 USB数据传输,USB总线有4种传输模式： 1）同步传输：主要用于数码相机、扫描仪等中速外围设备。 2）中断传输：用于键盘、鼠标等低速设备。 3）批量传输：供打印机、调制解调器、数字音响等不定期传送大量数据的中速设备使用。 4）控制传输：配置设备时使用。USB设备第一次被USB主机检测到时，与USB主机交换信息，提供设备配置。,通过USB总线的传输包含一个或多个交换，而交换又是由所谓“包”组成的，包是组成USB交换的基

25、本单位。USB总线上的每一次交换至少需要3个包才能完成。,5.6.4 USB数据传输,USB设备之间的传输总是首先由主机发出标志包（令牌）开始。标志包中有设备地址码、端点号、传输方向和传输类型等信息。 其次是数据源向数据目的地发送的数据包或者发送无数据传送的指示信息。在一次交换中，数据包可以携带的数据最多为1024B。 最后是数据接收方向数据发送方送一个握手包，提供数据是否正常发送出去的反馈信息，如果有错误，要重发。,IEEE1394是一个串行接口，它支持400MB/s的数据传输速率，支持异步传送和同步传送两种模式，其中的同步传送模式专用于实时地传送视频和音频数据。IEEE1394结构的所有资

26、源都是用存储器映射方式实现资源配置和管理的。,5.7 其他串行总线标准,5.7.1 IEEE1394,1. 主要性能特点 1）通用性强 2）传输速率高。IEEE1394a支持100Mb/s、200Mb/s及400Mb/s的传输速率，IEEE1394b规范定义了800Mb/s、1.6Gb/s甚至3.2Gb/s的高传输速率。 3）实时性好,4）总线提供电源。提供410V和1.5A的电源。 5）系统中各设备之间的关系是平等的。 6）连接方便。允许热插拔和即插即用。,5.7.1 IEEE1394,2. IEEE1394数据传输方式,IEEE1394支持异步和同步（等时）两种数据传输方式。 异步方式把数

27、据交换层信息送到一个特定的64位地址。这种传输不需要以固定的速率传送数据，也不要求有稳定的总线带宽。 同步方式基于通道号来广播数据，而不是基于特定地址来传输数据。这种传输要求有规则的总线访问，比异步传输有更高的总线优先级。,3. IEEE1394拓扑结构,5.7.1 IEEE1394,IEEE1394采用事务层、链接层和物理层3层协议层，使请求者和响应者实现了标准化的数据交换。,5.7.1 IEEE1394,4. IEEE1394协议结构,计算机网络是指通过通信介质将地理上分散的微型计算机连接起来，以实现相互通信和资源共享（硬件和软件资源）。,5.7 其他串行总线标准,5.7.2 以太网,1.

28、 以太网拓扑结构 网络拓扑结构反映出网络中各实体的连接关系，它是实现各种网络协议的必然依托，对网络性能和系统可靠性都有重大影响。常用的结构有总线型拓扑结构和星型拓扑结构。,总线型拓扑结构：将网络中所有设备通过相应的硬件接口直接连接到公共总线上，结点之间按广播方式通信，某个结点发出的信息，其它所有结点均可“收听”到。 优点：结构简单、布线容易、易于扩充。 缺点：带宽受限且出现故障时诊断较为困难。,星型拓扑结构：每个结点都有单独的通信线路与中心结点连结，中心节点采用专门的网络设备，如交换机。 优点：管理方便，且连接点的故障容易监测和排除。 缺点：网络稳定性差。,5.7.2 以太网,2. 网络协议模

29、型,5.7.2 以太网,（1）OSI参考模型,（2）TCP/IP协议模型,5.7.2 以太网,3. 协议的封装过程,5.7.2 以太网,5.7.2 以太网,4. 以太网中主要物理设备,5.7.2 以太网,（1）网卡 主要实现微型计算机与外界网络的连接。网卡又称为网络适配器（Adapter）或网络接口卡NIC（Network Interface Card）等。它是工作在数据链路层的组件。,（2）网线 用于局域网连接，常见的网线主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种。具有以太网功能的嵌入式终端设备常用双绞线与网络系统连接。 常用网线的内部8根线按数字顺序其颜色分别为橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。1和2用于差分发送，3和6则用于差分接收，4、5、7和8暂不使用。,（3）交换机 交换机（Switch），或称交换式集线器，工作在数据链路层，它在内部维护一个MAC地址/端口映射表和缓存区域，实现依据MAC地址与端口映射关系来转发数据的功能。,5.7.2 以太网,（4）路由器 工作在网络层，用于连接多个逻辑上分开的网络，它屏蔽了各子网使用的硬件设备的差异。其主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，实现基于IP地址的数据转发。,