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1、,第六章 总线系统第一节 总线的基本概念一 总线的概念微型计算机由若干个系统部件组成，每一个部件能够完成一定的功能。这些部件之间必然有信息交换，这些信息交换通过总线来完成。什么是总线？它是一种将微处理器、存储器和输入/输出接口等相对独立的部件连接起来并传送信息的公共通道。总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。二总线的分类根据微机总线的规模、用途及应用场合，大致分为三类： (1) 芯片总线：又称元件级总线。指一些大规模集成电路的内部总线或芯片之间的总线。它所连接的所有部件都处在同一个硅片上，追求速度是它的主要目标，一般采用并行总线。CPU内部连接各寄存器及
2、运算部件之间的总线。(2) 内部总线：又称系统总线。是计算机系统内连接各插件板的总线，用于插件与插件之间的信息传送。(3) 外总线：又称通信总线。用于微机系统与系统之间或微型机系统与外设之间的数据交换。是多个计算机之间相互连接的通信线路。根据总线传送的信息的不同，微机总线可以分为以下3类： 数据总线：是一种3态控制的双向的通信总线，用于实现CPU、存储器和输入/输出接口之间的数据交换。微机内部数据信息（可以是数值数据，也可以是指令码等）均通过数据总线传送。数据总线的宽度决定了计算机的位数。总线的3态控制对于快速数据传送方式即DMA方式是十分必要的。当进行DMA传送时，从外部看，CPU是与总线脱
3、开的，外部设备可以利用总线直接与内存交换数据。 地址总线：由CPU向外发出的单向通信总线，用于向存储器或i/o接口提供地址码，以选择相应的地址单元或寄存器。即由CPU发出的地址信息均通过地址总线传送。地址总线的宽度决定了CPU的寻址范围。地址总线的数量是很规范的，例如：某8位微型机有16根地址线，它的寻址范围是64K，即0000H-0FFFFH；又如，某16位微型机有20根地址线，它的寻址范围是1M，即00000H-0FFFFFH。 控制总线：传送的是保证微机各部件同步协调工作的定时和控制信号，也是单向通信总线。其中有的用于传送从CPU发出的信息，如读、写等信号，有的是其他部件发给CPU的信号
4、，如复位、中断请求等。控制总线的根数据因机器的不同而不同，它不像数据总线和地址总线那么规范。按总线传送信息的方式不同，又可以分为以下两类：并行总线：计算机中的信息一般都是由若干个二进制数码组成的，传送时，每一位占用一条信号线，即有多少位数码，就占用多少条信号线。例如：传送一个8位的数据，使用8条信号线。这样的传送方式的总线，称为并行总线。这种总线的特点是结构复杂，成本高，但传送的速度快，常用于传输距离较短，传输速度要求较快的场合。 串行总线：只使用一条信号线，让数据的每一位分时在信号线上传送。这样传送方式的总线，称为串行总线。这种总线的特点是结构简单，成本低，常用于距离较远，传输速度要求不高的
5、场合。三信息传送方式总线信息传送方式，即通信方式通常有3种，就是同步方式、半同步方式和异步方式。1 同步方式总线上数据传送时，通信双方使用一个共同的时钟，以保持通信双方的时序同步。这种方式称为同步方式。这种方式的时序控制比较简单，可以获得较高的通信速度。但这种方式要求通信双方速度比较接近。若速度差距较大，只能按速度低的一方所设置的时钟，否则，数据无法正常传送。若通信距离较长的话，需要考虑数据在线路上的传送延迟，以保证数据通信正确。2 半同步方式：是对同步方式的一种改进通信双方式在同一时钟下工作，考虑设备的速度的差异，在低速设备不能在规定时间内完成操作的话，可以申请延长操作时间，从而保证不同速度
6、的设备之间的正常通信。3异步方式 异步方式允许通信双方有不同的时钟。发送方在发送数据的同时，发送相应的时间标志，使对方了解数据的起始点和结束点，或由应答信号来控制传送过程。异步方式分为单向方式和双向方式。单向方式不能判断数据是否被对方正确接收，一般采用双向方式，在双向方式中，通信双方有状态信号，可以通过读对方的状态信号了解对方的工作情况，从而保证双方正确通信.第二节 总线的仲裁连接在总线上的设备分为两种：一种是主模块，另一种是从模块。主模块指的是它具备总线控制权，换句话说，它具有控制总线的能力，例如：8086/8088 CPU和DMA控制器8237等；从模块可以对总线上的数据请求做出响应，但本
7、身不具备控制总线的能力。总线上往往有若干个主模块。当同时有若干个主模块发出总线请求时，总线控制器响应哪一个请求呢？主模块的功能各不相同，所完成的工作也是不相同的，有轻重缓急之分。为了高效、合理地使用总线资源，使总线资源发挥最大作用，总线仲裁器应该按一定的原则进行判优，决定由哪个模块使用总线，这就是总线仲裁。只有获得了总线使用权的模块，才能传送数据。常用的总线仲裁方式有三种：串行、并行和计数器方式。一、串行总线的仲裁1、当总线正在使用期间，总线控制器发出BS信号，宣布总线占用，若其他模块需要使用总线，则需要等待，直到BS无效。2、当总线处在空闲状态，任何模块都可以通过BR发出总线请求信号BR。3
8、、总线控制器接到BR信号，并不判定哪个部件发出，而是立即送出“总线同意”信号BG。BG信号直接发给靠总线控制器最近的部件1，若部件1并未发出总线请求，则传递BG到部件2，以此类推。直到传送给发出请求的部件，该部件获总线控制权，可向总线发送数据信息。特点：结构简单，效率低下二、并行仲裁1、当总线正在使用期间，总线控制器发出BS信号，宣布总线占用，任何部件不再发出总线控制请求。2、当部件检测到总线BS信号消失、总线空闲时可发出请求信号BR。每部件发出的BR信号，都有独立（有标志）地送总线控制器。3、总线控制器根据发来的请求，按各部件在控制器内部优先权的排名顺序，选择优先权高的部件，独立地发出总线控
9、制允许信号BG，该部件获总线控制权。控制器发出BS信号，宣布总线忙。4、其他部件没有接到BG信号，继续等待总线再次释放，再发出BR信号。特点：结构和控制均较复杂，效率高，灵活性强。三、计数器仲裁方式（与串行仲裁相似）不同之处：各部件在控制器中预留地址码，在各部件发出BR信号后，总线控制器在当前地址码基础上加1，然后广播（通过一组地址线，将BG信号与地址码信号一并发送各部件），各部件接到信号，将其携带的地址码与本身的地址码核对，如相同，则自动获取BG信号，拥有总线控制权。若不相同，则等待。特点：结构和控制均不太复杂，效率较高，也比较灵活。第三节 总线通信协议总线完成数据传送，并确保传送、接收双方
10、的协同工作，避免发生传输错误。这就需要通信协议来保证。 所谓通信协议，指为保证正确通信，而对通信双方的约定规则，是发送、接收双方都要遵守的规则。所谓总线的通信协议，实际上是总线操作的若干总线周期。如：读/写I/O总线周期； 读/写内存总线周期第四节 总线标准化总线标准化就是各厂家生产计算机部件时，遵循一致的总线标准，使得零部件得以通用。总线标准化推动了计算机行业的发展。 总线标准：指总线的结构上的标准，如尺寸大小、引脚的电气特性、信号的定义、数据宽度、地址空间、传输速率等。目前，芯片级总线的标准尚未得到妥善解决。原因是主要生产厂家生产标准无法统一。即使是同一厂家，不同级别和年代的产品也不能简单
11、地通用。一、ISA/EISA总线标准 二、PCI总线标准 三、AGP总线标准 四IEEE 488 总线标准IEEE 488 总线是由惠普公司提出的，它是一个并行的外部总线，主要用于表之间的连接以及微机与仪表之间的连接。在1995年，被采纳为IEEE 288标准。它的电气特性有：1 数据传输速率不超过1MB/S。2 总线上所挂接的设备不能超过15个3 所有连接设备的电缆总长度应小于设备数乘以2，且在任何情况下不超过20米，任何两个设备之间的距离不超过4米。五EISA总线 随着32位微处理器的出现，ISA总线已不能满足要求。IBM公司为了垄断32位计算机市场，推出了微通道总线，并申请了专利，别人不
12、允许使用。1988年由COMPAQ等9家公司联合推出了EISA总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来的ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，在实际使用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。六Multibus总线Multibus总线是INTEL公司提出的标准。Multibus总线已经被IEEE标准化，称为IEEE796标准总线。Multibus总线已经得到市场的认可，有许多公司生产Multibus总线的插件板。Multibus总线是一种异步的多重处理系统总线，数据宽度可以是16位，也可以是8位，支持主设备、从设备和智能设备。 在Multibus总线构成的系统中，各模块
13、之间具有主从关系。主模块可以控制系统总线的部件，它能发出地址信号和控制命令。一般，系统中可以有多个主模块，它们通过总线接口器件Multibus总线相连，并通过总线裁决逻辑来共享系统总线。从模块是不能控制Multibus总线的，只能通过Multibus总线上的地址进行译码或根据总线主设备的命令进行操作。七通用串行总线接口USB由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，USB总线技术应运而生。USB（UniversalSerialBus）即通用串行总线，是由Conpaq，DEC，IBM，Intel，Microsoft等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免
14、费的标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。已经被广泛应用于鼠标、键盘、打印机、扫描仪、Modem、音箱等各种设备。USB总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了280Mbps。 USB接口的主要特点是：即插即用，可热插拔。USB可以自动检测和安装外设，实现真正的即插即用。另一个显著特点是支持“热”插拔，即不需要关机断电，也可以在正运行的电脑上插入或拔除一个USB设备。随着时间的推移，USB将成为PC的标准配置。USB连接器可以轻松地为计算机添加设备，同时不占用计算机的并口和串口。只要将设备一插就可以使用了。现在大部分的计算机都有USB端口
15、。而一些老式的计算机则没有USB端口的，只有USB连接器，但它是不起作用的，你可以在启动计算机时查看BIOS，确定它是否支持USB。你可选择USBLegacy支持选项（如果有该选项的话）。如果你的老式主板真的不支持USB设备，你只有去买一块USB连接卡，这就可以把USB设备添加到你的计算机里了。现在的WINDOWS98对很多外设都提供了全面的支持。只有WINDOWS3.X及更早版本的WINDOWS及WINDOWSNT都不支持USB，如果你想查看你的计算机是否安装了USB控制器，可进入“控制面板”，双击其中的“系统”图标，然后选择“设备管理器”选项卡。你就会看到“通用串口总线控制器”点击该控制器
16、，你会看到两个项目：UniversalHostController和UnicersalRootHub。如果你还没有安装USB的驱动程序，则从你的WINDOWS安装光盘的OTHERUSB文件夹中找到这些项目，双击Usbsupp.exe即可安装USB驱动程序。一般的计算机只有两个USB端口，如果你想连接更多的USB外设，则利用USB集线器，该集线器可提供多个USB端口，你只要将该集线器直接插入你的计算机即可。USB接口还支持级联，最多可接21个集线器， 127个USB设备。八常见的总线接口所谓总线接口是把微型计算机总线通过电路插座提供给用户的一种总线插座，供插入各种功能卡。插座的各个管脚与微型计算
17、机总线的相应信号线相连，用户只要按照总线排列的顺序制作外部设备或用户电路的插线板，即可实现外部设备或用户电路与系统总线的连接，使外部设备或用户电路与微型计算机系统成为一体。常用的总线接口有：AT总线接口、PCI总线接口、IDE总线接口等。AT总线接口多用于连接16位微型计算机系统中的外部设备，如16位声卡、低速的显示适配器、16位数据采集卡以及网卡等。PCI总线接口用于连接32位微型计算机系统中的外部设备，如3D显示卡、高速数据采集卡等。IDE总线接口主要用于连接各种磁盘和光盘驱动器，可以提高系统的数据交换速度和能力。通信接口是指微型计算机系统与其它系统直接进行数字通信的接口电路，通常分串行通
18、信接口和并行通信接口两种，即串口和并口。串口用于把像MODEM这种低速外部设备与微型计算机连接，传送信息的方式是一位一位地依次进行。串口的标准是EIA(Electronics Industry Association 即电子工业协会)RS-232C标准。串口的连接器有D型9针插座和D型25针插座两种，位于计算机主机箱的后面板上。鼠标器就是连接在这种串口上。并行接口多用于连接打印机等高速外部设备，传送信息的方式是按字节进行，即8个二进制位同时进行。PC机使用的并口为标准并口Centronics。打印机一般采用并口与计算机通信，并口也位于计算机主机箱的后面板上。I/O接口一般做成电路插卡的形式，所
19、以通常把他们称为适配卡，如软盘驱动器适配卡、硬盘驱动器适配卡(IDE接口)、并行打印机适配卡(并口)、串行通讯适配卡(串口)，还包括显示接口、音频接口、网卡接口(RJ45接口)、调制解调器使用的电话接口(RJ11接口)等。在386以上的微型计算机系统中，通常将这些适配卡做在一块电路板上，称为复合适配卡或多功能适配卡，简称多功能卡。1.IDE接口 COMPAQ公司开发，磁盘控制器接口，40线，可用于硬盘、光驱的连接。IDE接口也叫做ATA端口，只可以接两个容量不超过528M的硬盘驱动器，接口的成本很低，因此在386、486时期非常流行。但大多数IDE接口不支持DMA数据传送，只能使用标准的PC
20、IO端口指令来传送所有的命令、状态、数据。几乎所有的586主板上都集成了两个40针的双排针IDE接口插座，分别标注为IDE1和IDE2。2.EIDE接口EIDE接口较IDE接口有了很大改进，是目前最流行的接口。首先，它所支持的外设不再是2个而是4个了，所支持的设备除了硬盘，还包括CDROM驱动器磁盘备份设备等。其次，EIDE标准取消了528MB的限制，代之以8GP限制。第三，EIDE有更高的数据传送速率，支持PIO模式3和模式4标准。3. SCSI接口SCSI（Small Computer System Interface）小计算机系统接口，在做图形处理和网络服务的计算机中被广泛采用SCSI接
21、口的硬盘。除了硬盘以外，SCSI接口还可以连接CDROM驱动器、扫描仪和打印机等，它具有以下特点： 一般SCSI口传输速度快可同时连接7个外设；总线配置为并行8位、16位或32位；允许最大硬盘空间为8.4GB（有些已达到9.09GB）；更高的数据传输速率，IDE是2MB每秒，SCSI通常可以达到5MB每秒，FAST SCSI（SCSI2）能达到10MB每秒，最新的SCSI3甚至能够达到40MB每秒，而EIDE最高只能达到16.6MB每秒；成本较IDE和EIDE接口高很多，而且，SCSI接口硬盘必须和SCSI接口卡配合使用，SCSI接口卡也比IED和EIDE接口贵很多。SCSI接口是智能化的，可以彼此通信而不增加CPU的负担。在IDE和EIDE设备之间传输数据时，CPU必须介入，而SCSI设备在数据传输过程中起主动作用，并能在SCSI总线内部具体执行，直至完成再通知CPU。4、UDMA33/UDMA66接口 即常说的ATA-33、ATA-66口。接口仍为40针，但传输线ATA-66增加为80线。一般用于连接硬盘、光驱。5、IEEE1394接口一种串型接口标准。允许把外设、家电简单地连接到一起，常用于连接数码像机、摄像机。