第6讲 微机总线.ppt

第第6 6讲讲 微机总线微机总线 苏 放北京邮电大学 信息与通信工程学院1总线概述 微机总线是在计算机系统中，CPU和其他模块，模块和模块之间传输某种信息的公共通道。从总线上传输的信息来看，总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线。2不同层次的总线 3系统总线的主要性能指标 总线宽度系统总线的数据线的数目。早期的系统总线宽度只有8位、16位，现在都是32位、64位。总线宽度越宽，同时传输的数据就越多，吞吐量就越大。总线时钟频率总线传输也是要在时钟控制下进行。时钟频率越高，每秒在每条数据线上传输的信息就越多。时钟频率的单位为MHz。有的书上以总线传输率作为指标，单位是Mbit/s，是指每秒在一条数据线上传输的数据量，数值上和时钟频率相同。4系统总线的主要性能指标总线带宽是总线的所有数据线每秒可以传输的数据量，也就是最大传输率。单位为MB/s。总线带宽=总线宽度总线时钟频率/8，单位是MB/s。总线电源电压早期的总线单元电压都是5V。现在随着总线性能的提高，单元电压趋于降低，有使用3.3V，甚至是2.2V的电源电压。5微型计算机系统总线的发展 PC总线最早的微型计算机标准总线是以8088为CPU的IMBPC/XT机所使用的总线，称为“PC”总线。也称为“PC/XT”总线。PC总线的数据线只有8条，是一种8位宽度的总线。1984年，IBM公司推出基于Intel80286CPU的IBMPC/AT个人计算机，所使用的总线是16位的AT总线。但是IBM没有发布AT总线的规格，所以不是一种通用的总线标准。6微型计算机系统总线的发展ISA总线1987年IEEE发布ISA（Industry Standard Architecture）总线标准。ISA总线采用8位和16位模式，它的最大数据传输率为8MB/s和16MB/s。ISA总线在Intel286和Intel386SX时代得到了普遍的使用。7微型计算机系统总线的发展EISA总线在32位386DX处理器出现之后，16位宽度的ISA总线就遇到问题。总线数据传输速度也不能满足新的CPU的需要。1988年开始，康柏、惠普、AST、爱普生等九家厂商协同将ISA总线扩展到32位宽度，制订了32位总线标准EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准架构）。EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA总线。EISA总线的工作频率是8MHz，由于总线宽度增加到32位，它的总线带宽提升到32MB/s。8微型计算机系统总线的发展PCI总线1992年英特尔公司提出32位PCI总线的概念，并迅速获得认可成为新的工业标准。PCI总线是一种连接外部设备的局部总线。它和CPU相对独立，不会因为CPU的更换而不能使用。显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等外部设备或者外部设备的接口直接连接到PCI总线，再和CPU连接。也就是实现了一种新的总线连接方式。PCI总线的工作频率是33MHz，总线带宽达到133MB/s，在20世纪90年代是相当好的性能。在PCI标准发布一年之后，Intel公司又发布了64位的PCI总线，它的总线带宽达到了266MB/s。64位PCI主要使用于服务器和工作站，为它们提供高性能的总线传输。后来，用于服务器的PCI总线的工作频率又提高到66MHz。9单总线和多总线 总线的体系结构也在变化：从单总线发展到多总线。单总线结构早期的总线结构都是单总线结构。PC总线、ISA总线等都是单总线的标准。单总线就是在微型计算机中只有一种总线，所有的部件，包括CPU、存储器、外部设备的接口等，都连接到同一种总线。这种总线对于所有的部件都使用相同的传输速度。10单总线11双总线结构 双总线结构就是除了系统总线还引入了局部总线，通过高性能的局部总线，在基本的系统总线不变的情况下，将一些需要高速数据传输的外设如网络适配器、GUI图形板、多媒体接口等，直接通过局部总线与CPU相连，使之与高速CPU相匹配。12双总线结构13多总线结构14PC总线 PC总线共有62条信号线，有A、B两面插槽，A、B两面各有31条信号线。这些信号线可以分为：地址线20条，A0A19，寻址空间是1MB。数据线8条，D0D7读写控制线存储器写控制信号；存储器读控制信号；I/O写控制信号；I/O读控制信号I/O CH RDY：通道就绪信号：相当于CPU的READY信号，控制读写周期的延长；ALE：地址锁存信号。15PC总线中断控制线IRQ2IRQ7：中断请求信号，加到8259A的中断输入；I/O通道检测信号，可以用来申请8088的不可屏蔽中断（NMI）。DMA控制线DRQ1DRQ3：DMA请求信号，共3个DMA通道可用；DMA应答信号，可用的通道仍然是3个AEN：地址允许信号，在进行DMA操作时，AEN为高电平，只有在AEN是低电平时，才可以进行一般的I/O操作；T/C：终止DMA计数，标识一个通道DMA操作的结束。其他控制线其他控制线例如时钟输入、振荡器输出、复位驱动，电源和地，等。16总线仲裁和握手技术 总线主设备和从设备 连接到总线上的设备对于总线的控制能力是不一样的。根据它们对于总线传输的控制能力，可以划分为总线主设备和从设备。总线主设备是指可以发起和控制总线数据传输的设备。总线从设备不能直接发起和控制总线的数据传输。它们只能接受主设备的要求，在主设备的控制下，接收主设备传送过来的数据，或者把数据传送给主设备。17总线仲裁 总线仲裁就是在总线上有多个总线主设备并且同时要求控制总线时，决定将总线控制权交给哪一个主设备。也就是裁决哪个主设备可以控制总线。总线仲裁的目的是防止因为多个主设备同时传输数据而产生的冲突。基本的处理方法，就是由总线仲裁器来判定哪个主设备可以控制总线。18总线仲裁19PCI总线仲裁机制的示意图 20总线握手 总线上的主设备和从设备在工作速度上可以有较大的差别。如果主设备发送数据的速度快，从设备接收数据的速度慢，就会造成数据的丢失。因此，必须对于总线的数据传输进行控制，即总线握手。总线握手的基本方式有同步方式、异步方式和半同步方式。21同步方式同步方式的总线主、从设备在同一时钟的控制下进行传送，一次数据传输的时间是固定的。采用同步方式时，发送地址和数据的时间是固定的，总线主、从设备严格按照一定的时序进行数据的读写操作。22异步方式 异步传输控制方式没有统一的时钟，总线主设备和从设备可以具有不同的工作速度。在主、从设备之间增加了一条请求线Req，一条应答线Ack。也就是采用请求应答的握手方式，来进行传输控制。一般来说，异步方式的工作过程首先是主设备发送一个总线请求信号Req，要求和某个从设备进行数据传输，从设备收到请求后，如果可以通信，就发回一个应答信号Ack，然后再开始具体的数据传输过程。23异步方式24半同步方式半同步方式半同步方式仍然具有统一的时钟，但是增加了一条WAIT信号线。主设备在正式接收数据前，先检测WAIT信号线，如果WAIT信号是高电平，则意味着需要等待，主设备将继续等待，继续在下一个时钟周期检测WAIT信号，一直到WAIT信号等于低电平，就是不需要继续等待时，才开始正式的数据传输。半同步方式比同步方式增加了灵活性，对于主、从设备工作速度的不一致有一定的适应能力。但增加了等待周期，也就相当于降低了总线传输速度。而且，WAIT周期的多少是需要具体设计的，并不能随着从设备的不同而自动调节。所以，增加的灵活性也是很有限的。25Thanks！2627