微型计算机的总线技术原理分析.ppt

本章主要教学内容本章主要教学内容l l总线的基本概念，微机总线的组成结构总线的基本概念，微机总线的组成结构l l片内总线、内总线、外总线的含义及其应用特点片内总线、内总线、外总线的含义及其应用特点l l常用系统总线的内部结构及引脚特性常用系统总线的内部结构及引脚特性l l常用局部总线的内部结构及引脚特性常用局部总线的内部结构及引脚特性l l微型计算机系统中采用的标准总线及特点和应用场微型计算机系统中采用的标准总线及特点和应用场合合第第4章章微型计算机的总线技术微型计算机的总线技术第第4章章微型计算机的总线技术微型计算机的总线技术本章教学目的及要求本章教学目的及要求 l l从总线的基本概念入手，分析常用的系统从总线的基本概念入手，分析常用的系统总线和局部总线，熟悉各类总线的特点和功能总线和局部总线，熟悉各类总线的特点和功能 。l l掌握系统总线、局部总线的应用。掌握系统总线、局部总线的应用。l l熟悉微型计算机系统中采用的标准总线熟悉微型计算机系统中采用的标准总线 。4.1总线技术概述总线技术概述4.1 总线技术概述总线技术概述 通常有以下3类总线：1.微处理器片内总线片内总线（有时也称为局部总线）是指在微处理器芯片内部各单元之间传输信息的总线，它主要用于芯片级的互连。2.内总线内总线（有时也称为板极总线或系统总线）用以实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接。3.外部总线这是微型计算机之间或微型计算机与外部设备之间进行通信的总线，也称为通信总线，主要用于设备级的互连。4.2 系统总线系统总线。系统总线从性能上可以分为低端总线和高端总线。低端总线一般支持8位、16位的微处理器，主要功能是进行I/O处理。高端总线可以支持32位、64位微处理器，它提高了数据传输率和处理能力，对微处理器的依赖性在减小，同时具备良好的兼容性、支持高速缓存Cache、支持多微处理器、可自动配置等特点。4.2.1 STD总线总线 STD（Standard）总线是在1978年推出的用于工业控制微型计算机的标准系统总线。STD总线不仅是国外流行的工业控制机标准总线，而且也是我国工业控制机的标准总线。1.STD总线的特点lSTD总线具有较好的兼容性lSTD总线的电路板采用小板结构，高度模块化，开发周期短lSTD总线采用一整套高可靠性措施lSTD总线结构简单，并且能够支持多微处理器系统lSTD总线品种齐全，价格低廉，性能良好，易选用 5 4.2.2 ISA总线总线ISA（IndustryStandardArchitecture工业标准体系结构）总线，是早期比较有代表性的总线。一般来说，ISA总线具有以下特点：l既支持8位数据操作，也支持16位数据操作l可以将PC/AT总线和PC/XT总线的运行速度提升至8MHzl强调I/O处理能力l总线中的地址、数据线采用非多路复用形式，使系统的扩展设计更为简便lISA是一种多主控设备总线l可供选择的ISA插件卡品种较多1.81.8位位ISAISA总线总线 8位ISA总线是最早的PC机系统总线，也叫做PC总线。它支持8位数据传输和10位寻址空间，其特点是把CPU视为总线的唯一总控设备，其余外围设备均为从属设备。8位ISA总线是一种开放式的结构总线，在总线母板上有8个系统插槽，用于I/O设备和PC机的连接。由于8位ISA总线具有价格低、可靠性好、使用灵活等特点，并且对插板兼容性好。8位ISA总线引脚信号总共有62条。通过一个31脚分为A、B两面的连接插槽来实现，其中，A面为元件面，B面为焊接面。符合ISA总线标准的接插件可以方便的插入，以便对微型计算机系统进行功能扩展。1.81.8位位ISAISA总线总线 8位ISA总线是最早的PC机系统总线，也叫做PC总线。它支持8位数据传输和10位寻址空间，其特点是把CPU视为总线的唯一总控设备，其余外围设备均为从属设备。8位ISA总线是一种开放式的结构总线，在总线母板上有8个系统插槽，用于I/O设备和PC机的连接。由于8位ISA总线具有价格低、可靠性好、使用灵活等特点，并且对插板兼容性好。8位ISA总线引脚信号总共有62条。通过一个31脚分为A、B两面的连接插槽来实现，其中，A面为元件面，B面为焊接面。符合ISA总线标准的接插件可以方便的插入，以便对微型计算机系统进行功能扩展。2.16位位ISA总线总线PC/AT总线在PC/XT62引脚总线的基础上增加了一个36引脚的插槽，形成前62引脚和后32引脚的两个插座，这样就构成了16位ISA总线。它可以利用前62引脚的插座插入与PC/XT总线兼容的8位接口电路卡，也可以利用整个插座插入16位接口电路卡。16位ISA总线的前62引脚的信号分布及其功能与8位ISA总线基本相同，仅有两处作了改动。16位ISA总线中新增加的36引脚插槽信号扩展了8位数据线、7位地址线、存储器和I/O设备的读写控制线、中断和DMA控制线、电源和地线等。新插槽中的引脚信号分为C（元件面）和D（焊接面）两列。3.ISA3.ISA总线的体系结构总线的体系结构在利用ISA总线构成的微机系统中，当内存速度较快时，通常采用将内存移出ISA总线并转移到自己的专用总线内存总线上的体系结构，如图4-5所示，微型计算机系统内部采用高速总线，DRAM通过内存总线与CPU进行高速信息交换。中断通常由一对8259A可编程中断控制器处理，两个8259A采取级联方式连接，ISA总线以扩展插槽形式对外开放，磁盘控制器、显示卡、声卡、打印机等接口卡均可插在8MHz、8/16位ISA总线插槽上，以实现ISA支持的各种外设与CPU的通信。图4-5ISA体系结构 4.2.3 EISA 4.2.3 EISA总线总线 EISA（Extended Industry Standard Architecture扩展的工业标准体系结构）总线是扩展的ISA总线。EISA总线最常见的应用是作为磁盘控制器和视频图形适配器。EISA总线用于32 位微型计算机中，它具有32位数据线，支持8位、16位或32位的数据存取，支持32位的寻址，可寻址4GB的存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。此外，还支持11级中断、支持高速传输、支持7个DMA通道、支持多主控器、支持I/O等待和I/O校验等。4.3局部总线局部总线4.3.1VESA总线总线VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation视频电子标准协会）总线是一种32位接口的局部总线，通常称为VL总线。由于EISA总线工作频率是8MHz，而VESA局部总线工作频率可以达到33MHz。因此，需要高速数据传输的系统可以采用VESA局部总线。它通常用于视频和磁盘到基于80486的PC机的接口。4.3局部总线局部总线4.3.1VESA总线总线VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation视频电子标准协会）总线是一种32位接口的局部总线，通常称为VL总线。由于EISA总线工作频率是8MHz，而VESA局部总线工作频率可以达到33MHz。因此，需要高速数据传输的系统可以采用VESA局部总线。它通常用于视频和磁盘到基于80486的PC机的接口。4.3.2 PCI4.3.2 PCI总线总线 PCI（Peripheral Component Interconnect 外部组件互连）是目前最常用的系统总线。该总线是厂家自发制定的一种企业联盟标准，是专门为Pentium系列芯片设计的。采用面向PCI标准的芯片时，可以大大降低构造系统的成本，对计算机总线的发展起到了积极的推动作用。PCI V2.0版本支持32/64位数据总线，总线时钟为2533MHz，数据传输率达132264MB/s。1995年推出的PCI V2.1版本支持64位数据总线，总线速度为66MHz，最大数据传输率达528MB/s。这个速度是最初的IBM PC总线的100倍，是最快的ISA总线的40倍。PCI总线的优良性能使它成为当前Pentium系列芯片的最佳选择，现在所有Pentium主板都使用了PCI V2.1和更新版的PCI总线。PCI总线的特点总线的特点l采用了数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，其目标设备可用47引脚，总线主控设备可采用 49引脚l提供两种工作信号环境，即5V和3.3Vl对32位与64位总线的使用是透明的，它允许32位与64位器件相互协作。l允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置，提供了即插即用的能力。lPCI总线独立于处理器，工作频率与CPU时钟无关，可以支持多机系统。lPCI总线具有良好的兼容性，可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多种总线，同时还预留了发展空间。4.3.3 AGP总线总线 AGP总线是对PCI总线的扩展和增强，但AGP接口只能为图形设备独占，不具有一般总线的共享特性。采用AGP接口，允许显示数据直接取自系统主存储器，而无需先预取至视频存储器中。AGP总线采用了地址和数据的多路复用，从而把整个32位的数据总线留出来给图形加速器。同时，采用内存请求流水线技术，隐含了对存储器访问造成的延迟，允许系统处理图形控制器对内存进行多次请求。AGP总线还通过把图形接口绕行到专用的适合传输高速图形、图像数据的AGP通道上，解决了PCI带宽问题。4.4 其它总线介绍其它总线介绍4.4.1 USB总线总线1.USB总线的特点 USB的全称是通用印行总线（Universal Serial Bus），它是一种支持即插即用的新型串行接口。USB总线具有以下特点：（1）USB为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的连接类型，简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽的任务。（2）USB排除了对鼠标、调制解调器、键盘和打印机不同接口的需求，采用四线电缆，两根作为数据传输线，其余两根用来为设备提供电源，从而减少了硬件设计的复杂性。（3）USB支持热插拔，也就是说在不关PC机的情况下可以安全地插上和断开USB设备。热插拔能力USB的安全、可靠和智能。其它普通的外部设备连接标准，如SCSI等必须在关掉主机的情况下才能增加或移走外围设备。（4）USB支持PNP（Plag and Play），也就是即插即用。当插入USB设备的时候，主计算机设备检测该外设并巳通过加载相关的驱动程序对该设备进行配置。（5）USB在设备供电方面提供了灵活性。USB直接连接的设备可以通过USB电缆供电，USB传输线中的两条电源线可以提供5V电源供USB设备使用。（6）USB传输线能够提供100mA的电流，而带电源的USB Hub使得每个接口可以提供500 mA的电流。（7）USB V1.1规范提供全速12Mbps的模式和低速1.5Mbps的模式，USB V2.0规范提供高达480Mbps的数据传输速率，可以适应各种不同类型的外设。（8）针对突然发生的非连续传输设备，如音频和视频设备，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。（9）为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB根供了四种不同的数据传输类型。（10）USB使得多个外围设备可以跟主机通信，最多支持127个设备。电脑的USB接口有限，必须使用USB Hub增加分支，根据USB规范，USB Hub最多提供7个分支。2.数据传输类型数据传输类型在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式。（1）控制（Control）传输方式：是双向传输，传输的不是数据，而是控制信号，主要被USB系统软件用来进行查询，配置和给USB设备发送通用的命令。（2）同步（Isochronous）传输方式：提供了确定的带宽和时间间隔。该方式用来连接需要连续传输的外围设备，对数据的正确性要求不高，但对时间较为敏感。（3）中断（Interrupt）传输方式：主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。设备端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1255ms之间（4）批量（Bulk）传输方式：主要应用在大量传输和接收数据上，同时又没有带宽和时间间隔的要求，保证传输数据正确无误，但对数据的实效性要求不高。3.USB3.USB总线的拓朴结构总线的拓朴结构USB设备和USB主机通过USB总线相连。USB的物理连接是一个星型结构，集线器（Hub）位于每个星形结构的中心，每一段都是主机和某个集成器，或某一功能设备之间的一个点到点的连接，也可以是一个集线器与另一个集线器或功能模块之间的点到点的连接。总线拓扑结构如图4-9所示。图4-9USB的拓扑结构4.4.2IEEE1394IEEEl394是一种高性能的串行总线。它的应用范围主要是那些带宽要求超过100kb/s的硬盘和视频外设。利用同样的四条信号线，IEEE1394即可以同步传输，也可以支持异步传输。这四根信号线分为差模时钟信号线对和差模数据线对。1.IEEE1394的特点及拓扑结构的特点及拓扑结构IEEEl394是一种新型的高速串行总线，它具有许多显著的特点：（1）高传输速率：它的传输速率可达到100Mbps、200Mbps、400Mbps（2）IEEE1394采用两种数据传输模式：同步传输模式和异步传输模式（3）IEEE1394可以实现即插即用并支持热插拔IEEE1394系统结构如下图IEEE1394系统结构如下图2.IEEE1394的寻址的寻址用1394联接起来的设备，它们采用一种内存编址方法，各设备就象内存空间中的存储单元一样。设备地址有64位宽，占用10位作为网络ID号，6位用作节点号，48位用作内部编址。这样可得到总共64个节点，每个节点上有1023个网络ID号，每个ID号又具有231TM的内存编址。内存编址显然优于通道编址，它可以把设备资源当作寄存器或内存，因而可以进行处理器到内存的直接传输。每一个总线段称作一个节点，可对节点分别编址、复位和校验，许多节点在物理上形成一个模块，多个端口又可以集中在一个节点上。3.IEEE1394协议协议 IEEE1394总线是一种基于数据包的数据传输，协议中实现了OSI七层协议的下三层：物理层、链路层和传输层。4.4.3I2C总线总线1.I2C总线简介总线简介I2C总线（InterICBus）是由Philips公司推出的一种芯片间的串行通信总线，广泛应用于单片机系统中。在单片机应用系统中推广I2C总线后将会大大改变单片机应用系统结构性能、对单片机的应用开发带来如下好处：（1）可最大限度地简化结构。（2）可实现电路系统的模块化、标准化设计。（3）标准I2C总线模块的组合开发方式大大地缩短了新品种的开发周期。（4）I2C总线各节点具有独立的电气特性.（5）I2C总线系统构成具有最大的灵活性。（6）I2C总线系统可方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，有极好的可维护性。2.I2C总线特点总线特点（1）二线传输。（2）系统中有多个主器件时，这些器件都可作总线的主控制器（无中心主机）。（3）I2C总线传输时，采用状态码的管理方法。（4）系统中所有外围器件及模块采用器件地址及引脚地址的编址方法。（5）所有带I2C接口的外围器件都具有应答功能。（6）I2C总线电气接口为开漏晶体管组成，其自身的电源可以独立，线上各个节点可在系统带电情况下接入或撤出。3.I2C总线原理总线原理（1）数据传输方式I2C总线上的器件之间通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL相连接并传送信息。每一个器件由唯一的地址连接到总线上，可以根据地址来识别器件。送到SDA线上的每个字节必须为8位，每次传送的字节数不限，但每个字节后面必须跟1个响应位。（2）I2C总线的寻址约定在I2C总线标准规约中，寻址字节由被控器的七位地址位（它占据了D7一D1位）和一位方向位（为D0位）组成。方向位为0时表示主控器将数据写入被控器，为1时则表示主控器从被控器读取数据。I2C总线系统中，主器件（单片机）作为被控器时，其7位从地址在I2C总线地址寄存器中约定，为纯软件地址。而非单片机类型的外围器件地址完全由器件类型与引脚电平给定，即器件的7位地址由器件编号地址（高4位D7D4）和引脚地址（低3位D3D0）组成，如8位I/O扩展器件PCF8574其器件编号地址为0111，引脚地址为A2、A1、A0。如果在I2C总线系统中NF8574地址引脚A2、A1、A0皆接地，则该器件的寻址字节为SLAW70H，SLAR7lH。I2C总线上同一编号地址器件最大允许接入数量取决于可利用的地址引脚数。在I2C总线系统中，带有I2C总线的单片机，其I2C总线输入输出口的电气结构、相关的特殊功能寄存器（SFR）设置以及所提供的标准程序模块，为用户掌握PC总线的系统设计和应用软件的编制带来极大方便。本章小结 总线是微型计算机系统的重要组成部分，它传递着CPU和其它部件之间的各类信息，以实现数据传输，使微型计算机系统具有组态灵活、易于扩展等优点。微型计算机的主板上通常配有CPU总线、Cache总线、内存总线、系统总线、局部总线、外设总线等。总线性能的好坏直接影响到微型计算机系统的整体工作性能。本章分析了常用的标准总线，阐述了各类总线的特点和功能。在学习过程中，要理解总线的基本概念，熟悉微型计算机总线的组成结构，注意常用系统总线和局部总线的内部结构及引脚特性，在各种不同的应用场合中合理地选择和使用总线。Thank you very much!本章到此结束，本章到此结束，谢谢您的光临！谢谢您的光临！