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1、1,第4章 微机总线与标准,计算机教学实验中心,2,主要内容,掌握： 总线的基本概念和分类； 总线的系统结构 总线的主要功能及原理； 常用系统总线标准； 通用串行总线（USB）,3,4.1 总线的基本概念,总线概念； 总线分类及其特点,4,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,总线的分类及特点,按传送信息的类型划分 数据总线（Data Bus，DB） 传输数据信息，双向三态 其宽度决定了其数据传输能力 例如，ISA总线为16位，PC
2、I总线为32/64位 地址总线（Address Bus，AB） 传输地址信息，单向三态 其宽度决定了微机系统的寻址能力 例如，ISA为24位，可寻址16MB；PCI为32/64位，可寻址4GB/224TB 控制总线（Control Bus，CB） 传输控制信号、时序信号和状态信号 特点各异：三态、入/出/双向等特性均不相同,6,总线的分类及特点（续）,按总线的层次结构 CPU总线/前端总线（FSB） 直接由CPU引脚引出的总线，例如，P4 CPU与GMCH（北桥）之间的总线 局部总线（只出现在80386以后的微机系统中） CPU总线与系统总线之间的总线 它一侧通过北桥与CPU总线连接，另一侧通
3、过南桥与系统总线连接，例如PCI总线 系统总线 与总线扩展槽连接的总线，如ISA和EISA总线 外部总线 主机与外设之间的总线，如USB和IEEE1394 其他 AGP，专用视频接口，专用于显卡与内存之间的数据传输 SCSI，标准的设备接口，可连接15台外设 IDE/EIDE，外部存储设备接口，每个接口可连接2台设备,7,4.2 总线的结构,系统各部件与总线的连接方式 单总线结构 双总线结构 多总线结构,8,单总线结构,CPU,M,M,I/O,I/O,I/O,缺点：高速的存储器与低速的I/O接口竞争总线，影响了存储器的读写速度,9,双总线结构,面向CPU的双总线结构,CPU,M,I/O,I/O
4、,I/O,缺点：存储器与I/O设备的数据传输必须通过CPU,10,双总线结构,面向存储器的双总线结构,CPU,M,I/O,I/O,I/O,11,多总线结构,系统中拥有两个以上的总线,12,4.3 总线的基本功能,数据传送控制 仲裁控制 数据校验与纠错 隔离与驱动,13,一、总线传送控制,同步方式 收、发双方严格地按统一的基准时钟信号执行相应的动作 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 PCI总线属于同步方式总线 异步方式 传输过程无需统一时钟的同步，用“请求”和“应答”信号来协调 传输速度慢 半同步方式 总体上仍是同步方式(使用基准时钟)，传输操作与时钟同步 设置“等待”状态线，
5、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 ISA总线即属于半同步方式总线,14,同步方式的时序,地址,数据,时钟,总线周期,总线周期,时钟周期,15,异步方式的时序,地址/数据,(发送方)请求,(接收方)应答,16,半同步方式的时序,地址,数据,时钟,就绪,等待一个时钟周期,17,二、总线的仲裁控制,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。 80x86微机中采用的是独立请求方式,链式查询方式 独立请求方式,18,三、总线隔离与驱动,不操作时把功能部件与总线隔离 同一时刻只能有一个部件发送数据到总线上 提供驱动能力 数据发送方必须提供足够的电流以驱动多个部件
6、提供锁存能力 信息缓存和信息分离,19,总线电路中常用的芯片,三态总线驱动器 驱动、隔离 单向、双向 锁存器 信息缓存（有些同时具有总线驱动能力） 信息分离（如地址与数据的分离）,20,三态总线驱动器,输入,输出,OE,输入,输出,OE,输入,输出,OE,输入,输出,OE,21,典型总线驱动器芯片,8286 / 74LS245 8双向总线驱动器 内部包含8个双向三态门,8286 74LS245,A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 OE,B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 T,OE：输出允许。 T： 方向。 T=0，BA；T=1，AB,22,典型总线驱动器芯片,74LS2
7、44 8总线驱动器 内部包含8个单向三态门，分为两组分别控制,74LS244,E1 E2 1A1 1A2 1A3 1A4 2A1 2A2 2A3 2A4,1Y1 1Y2 1Y3 1Y4 2Y1 2Y2 2Y3 2Y4,1组输出,2组输出,1组输入,2组输入,23,锁存器,D,CP,Q,Q,CP D Q Q 0 0 1 1 1 0,D,CP,Q,OE,O,CP D Q 0 0 1 1,I,STB,24,典型锁存器芯片,8282 / 74LS373 具有三态正相输出的锁存器 内部包含8个D触发器,8282 74LS373 8D 锁存器,DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7
8、 STB,DO0 DO1 DO2 DO3 DO4 DO5 DO6 DO7 OE,25,四、总线的主要性能指标,总线带宽（B/S）：每秒可传送的字节数 总线位宽（bit）： 一次传送的数据位数 工作频率（MHz） 总线带宽=（总线位宽/8）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/s,26,4.4 常用系统总线及外部总线
9、,常用系统总线标准 ISA（工业标准体系总线） Industry Standard Architecture PCI（外围部件互连总线） Peripheral Component Interconnect 常用系统接口标准 AGP（加速图形接口） Accelerated Graphics Port IDE（集成设备接口），又称ATA接口 Integrated Device Electronics SCSI（小型计算机系统接口） Small Computer System Interface 外部总线 USB（通用串行总线） IEEE 1394（高性能串行总线）,27,一、ISA总线,主要特性
10、16位数据线（早期的为8位，已被淘汰） 24位地址线（可寻址16MB存储器） 时钟频率8MHz 数据传输率16MB/s 提供11个中断请求输入 提供7个DMA通道 用于80286PIII（个别P4微机也支持）,28,ISA总线插槽,外形见P121，共98个引线 主要引线信号： SA0SA19（锁存的），LA17LA23（非锁存的）（地址） SD0SD15（数据） SBHE（高字节允许） MEMR、MEMW IOR、IOW AEN（地址允许，1表示处于DMA控制周期） IRQ3IRQ7、IRQ9IRQ11、IRQ14、IRQ15 DRQ0DRQ3、DRQ5DRQ7 DACK0DACK3、DACK
11、5DACK7 注：ISA总线的DMA操作和I/O操作使用相同的地址线、数据线和I/O读写控制线（IOR和IOW），所以AEN应参加I/O地址译码。,29,简单的ISA总线接口(输入接口),D7-D0,D7-D0,A/D转换器,模拟量输入,START,READY,数字量输出,IN,74LS244,1100 0000 0000 0000B 1100 0000 0010B,转换结束,启动转换,D0,C000H 读数据 C001H 启动转换 C002H 读转换状态,A2 A1 A0,1,A13-A3,&,A15A14,AEN IOR,I S A 总线,30,简单的ISA总线接口(输出接口),驱动 电路
12、,D7-D0,A2 A1 A0,1,A13-A3,&,A15A14,AEN IOW,I S A 总线,发光 器件 组合,C000H 改变灯光图案样式,选通,31,二、PCI总线,独立于微处理器； 支持即插即用功能； 通过PCI桥与CPU连接（北桥） 总线宽度：32/64位； 工作频率：33.3MHz/66.6MHz 传送速率： 32位PCI总线：133MB/s，266MB/s 64位PCI总线：266MB/s，533MB/s,PCI总线体系,32,PCI总线插槽,外形见P124，共62根引线（64位PCI有94根） 包括： 系统接口信号（时钟、复位等） 地址与数据（复用）信号（AD0-AD31
13、） 接口控制信号（主从设备控制信号等） 总线仲裁信号（总线请求、总线允许） 错误报告信号（系统错、奇偶错） 中断控制信号（中断请求） 64位总线扩展信号（AD32-AD63、字节选择等） 高速缓存支持信号,33,PCI总线,总线命令 I/O和存储器读写控制信号都是通过命令码给出 命令码出现在C/BE3:0这4根线上 共有12种命令 中断响应、存储器读/写、IO读/写、配置读/写、等等 总线传输机制 存储器读写采用突发传输（要求地址必须连续） 包括一个地址期和多个数据期 I/O读写不支持突发传输，每次仅读写一个数据,34,PCI总线,PCI总线配置 目的：实现设备的自动配置、加载（PnP） 微机
14、启动时，配置软件将扫描PCI总线 确定有哪些设备，设备配置要求是什么 每个PCI设备都有一个配置存储区 包括了64个32位配置寄存器 前16个寄存器（标题区）的格式由PCI标准化组织定义 后48个寄存器的格式由厂家自行定义 标题区的内容包括： 设备识别信息（被OS用来自动定位驱动程序） 厂商/设备标识、版本、子系统厂商标识、子系统标识 设备分类代码 设备控制信息 设备状态信息 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）,35,PCI总线,PCI BIOS OS、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 提供了一组访问PCI的函数 16位实模式下
15、通过INT 1AH中断来调用 AH=0B1H，AL=子功能号 子功能有13个，包括： PCI BIOS检测、查找PCI设备、读/写配置信息、分配中断等,36,三、AGP接口,不是系统总线 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，32位PCI的传输速率最高266MB/s）。 图形、纹理、Z轴距离、Alpha变换等数据的数据量为370840MB/s 4种模式（注意：1X/2X与4X/8X不兼容，3.3V/1.5V） 1X（66MHz，266MB/s） 2X（133MHz，533MB/s ） 4X（266MHz，1066MB/s ） 8X（533MHz，2133MB/
16、s ） 系统中只支持一个AGP扩展插槽（点对点）,37,四、IDE接口（ATA）,主要用于硬盘/光驱/磁带驱动器 现已发展为EIDE（增强的IDE）和串行ATA（SATA） 已集成到硬盘驱动器中，无需接口卡 主板提供2-4个接口 每接口可连接2个硬盘（主/从） 数据传输方式： PIO方式：PIO0PIO4（3.3MB/s16.6MB/s） 40针接口，扁平电缆 硬盘最大容量528MB DMA方式：DMA0DMA2（11MB/s16.6MB/s） 40针接口 硬盘最大容量8.4GB UDMA方式：UDMA3UDMA6（33.3MB/s133MB/s） 80针接口，地线和信号线交叉排列 通过特殊的
17、扩展BIOS，可支持200GB以上的硬盘,38,五、USB总线,USB概况 主机与外设的通用接口，可用于不同的设备 串行、打包传送 2根数据线电源地线 两个版本： 1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s） 设备连线最长5米 即插即用 必须要有USB主机存在，设备不能独立工作,39,USB总线的优点,易于使用 即插即用，可热插拔； WindowsNT/2000/XP/2003下不需安装驱动程序 具级联方式，并可智能识别链上外围设备的插拔； 提供电源 5V，500mA 节省硬件资源 IRQ、I/O地址 易于连接 主板上提供26个USB接口，通过集线器最多可支持127个外设 4芯电缆（D、-
18、D、+5V、GND）,40,USB总线的优点,传送速率可满足大多数外设要求 1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0） 可靠性高 能进行错误校验和控制，且由硬件实现 低成本 主板已集成USB接口 设备端的USB接口控制芯片很便宜 低功耗 不工作时能够自动进入休眠状态，并能自动恢复,41,USB设备及拓扑结构,USB设备 集线器 扩展接口数量 功能部件 即USB设备 复合部件 拓扑结构 星形（树形）、级连,42,USB接口工作原理,USB系统分为两大部分：USB主机、USB设备 USB主机 由PC系统中的USB硬件和驱动程序组成； 整个微机中只能有一个USB主机； 其接口称为USB控
19、制器； USB硬件在微机中被集成在南桥中。 功能： 检测USB设备的插拔操作 在主机与设备之间管理数据流 通信总是由主机发起，并由主机控制传输过程 多个设备传输时，采用分时复用（每个时间槽1ms） 错误检查（CRC校验） 为设备提供电源,43,USB接口工作原理,USB设备 分为集线器和功能设备 集线器：1个上连端口和若干个下连端口 自动探测设备的插拔并向USB主机报告 为下行设备分配电源 分离高速数据流和低速数据流 功能设备：可以从USB总线上收发数据的设备 包含自己的各种配置信息，以供USB主机查询 不能主动发起通信 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
20、线活动（3ms）时进入挂起状态）,44,USB接口工作原理,USB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,45,USB接口工作原理,USB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,46,USB接口工作原理,USB数据包格式（主要的）,PID,USB地址(7位),端点号,CRC,PID,数据(1-1023字节),CRC,标识包,数据包,PID: 包的类型编号,PID,应答,47,六、IEEE 1394总线,可用于数字化视频、音频，硬盘 结构类
21、似于USB，树形拓扑 串行、打包传送 6芯电缆：4根信号线电源地线 设备之间距离最大4.5米，总长度为50100米 设备可独立工作，无需微机的控制 设备之间可直接连接，如数字摄像机连接到电视机 最大传输速率：400MB/s（将来可达3.2GB/s） 100MB/s，200MB/s，400MB/s 支持异步和同步两种传输模式 支持带电插拔和即插即用 可提供8V40V/1.5A的电源 一个接口上可连接63台设备,48,结束语,掌握总线的基本概念、分类和主要指标； 了解总线的基本结构； 掌握总线的基本功能； 了解总线锁存器和总线驱动器； 了解常用的系统总线/接口及外设总线。,49,作业：,4.2 4.6 4.9 4.13 4.15,