第4章微型计算机总线技术.ppt

《第4章微型计算机总线技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章微型计算机总线技术.ppt（41页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术【任务驱动】本章主要是介绍总线的概念、分类以及一些计算机常用总线的特点。通过本章学习，要求学生掌握总线的概念、微型计算机中总线的分类以及微机中采用面向总线的结构有什么优点，另外对系统总线、局部总线、外部总线的特点应该有所了解。【重点难点】1总线的概念及分类2STD总线的特点3PCI局部总线的特点第第4章章 微型计算机总线技术微型计算机总线技术1微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术4.1总线的概念总线的概念4.2 微机常用总线微机常用总线2微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术4.1总线的概念总线的概念4.1.1

2、总线的概念总线的概念 总线是连接计算机有关部件的一组信号线，是计算机中用来传送信息代码的公共通道。在各功能板之间采用系统总线连接的情况下，我们希望所接插件之间具有通用性，以便于一个系统的各功能板可以插在任何一个插座上，就象我们日常生活中用的电源插座一样，为用户带来方便，所以这就要求有一个规格化的可通用的标准的系统总线。微型计算机面向总线的结构主要有以下优点：（一）简化了系统结构，便于系统设计制造；（二）大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性；（三）便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口；（四）便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化；（五）便于设备的软

3、件设计，所有接口的软件就是对不同的口地址进行操作；（六）便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。3微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术4.1.2 总线的分类总线的分类 总线可以按其功能、性能和级别分类（一）按传输信号的性质分类，总线按其信号线上传输的信息性质可分为三组：1数据总线，一般情况下是双向总线；2地址总线，单向总线，是微处理器或其他主设备发出的地址信号线；3控制总线，微处理器与存储器或接口等之间的控制信号。通常这部分线的含义和特性最复杂。4微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（二）按照信号的功能分类 1基本信息总线，包括地址线、数据线及内存和I/O的读写控

4、制信号线等。2数据握手总线，又称联络总线，是控制启动和停止总线操作、实现数据传送同步的信号线，是为保证总线上能容纳各种存取速度的设备而设计的信号线。3判决总线，包括总线判决（总线请求、总线确认线）和中断判决线（中断请求线、中断响应线）等。4定时信号总线，包括时钟信号线、复位信号线等。5电源信号总线，包括电源线和地线。5微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（三）按照层次位置分类 如图4.1所示，为计算机按照层次位置分类的总线示意图。1片内总线：片内总线位于微处理器或I/O芯片内部。2系统总线（内总线、板级总线）：用于微机系统中各插件之间的信息传输。3外部总线（设备总线、通信总线）

5、：用于系统之间的连接，如微机与外设或仪器之间的连接。如通用串行总线RS-232C、智能仪表总线IEEE-488、并行打印机总线Centronics、并行外部设备总线SCSI和通用串行总线USB等。4局部总线：这是相对较新的概念，许多文献也把它称为片总线。一般将插件板内部的总线叫做局部总线以区别于系统总线。6微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术 ISA卡 ISA卡 ISA卡 PCI卡 PCI卡微处理器 L2 Cache显示卡显示器 内存AGP总线PCI总线ISA总线微处理器总线局部总线系统总线图图4.1典型微机系统中的总线层次结构典型微机系统中的总线层次结构7微微 机机 原原 理

6、理 与与 接接 口口 技技 术术4.1.3 总线的性能指标总线的性能指标（一）总线宽度总线宽度又称总线位宽，指的是总线能同时传送数据的位数。（二）总线频率总线工作频率是总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。（三）总线带宽总线带宽又称总线的最大数据传输速率，是指在一定时间内总线上可传送的数据总量，用每秒钟最大传送数据量来衡量。总线带宽或最大数据传输率（总线宽度/8位）总线频率，单位为MB/s（总线频率以MHz为单位）。8微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术4.2 微机常用总线微机常用总线4.2.1 系统总线系统总线1ISA总线ISA总线是PC微机最基本的总线标准，分

7、为XT总线（62线）和AT总线（98线）两种。PC/XT机是最早的8位个人机，它采用XT总线；后来IBM推出16位AT机，采用了在原总线基础上的扩展，将62线延长到98线，叫AT总线。如图4.2所示，A、B两面是XT总线，再加上C、D两面是AT总线，总称为ISA总线。9微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术图图4.2 ISA 4.2 ISA 总线插槽示意图总线插槽示意图10微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术2EISA总线 EISA总线是ISA总线的扩展，与ISA总线完全兼容，支持多个总线主控器，增加了突发式传送，是一种高性能的32位标准总线，最高数据传输率为33

8、MB/S，而ISA最高数据传输率为8MB/S。它是在原AT总线的基础上进行扩展的，由原来的AT总线的98脚扩展到196个引脚。11微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术3STD总线STD总线是1987年推出的用于工业控制微型计算机的标准系统总线。它的高可靠性，小板结构，高度模块化等优越的性能在工业领域得到了广泛应用和迅速发展。STD总线起初是8位微处理器为廉价模块化总线结构使用而提供的技术规范。总线上的信号通常来自微处理器，并经过缓冲但不重新定时。这种总线结构简单，使得某些模块依附于所选处理器的类型，能支持多微处理器系统。随着新技术的发展和实际应用的需要，STD总线经过修订和改进

9、，利用复用技术，在保证同原有的I/O功能板兼容的条件下，提供了全16位数据传送能力，地址总线可以扩展到24位。目前，国内所采用的大多是这种8位、16位兼容的STD总线。12微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术STD总线共有56个引脚，按功能分为5个功能组，各组的引脚表示如下。逻辑电源总线：16脚数据总线：714脚地址总线：1530脚控制总线：3152脚辅助电源总线：5356脚STD总线引脚信号说明如下：（1）电源总线这种双电源总线适合于逻辑电源和模拟电源，最多可提供5个独立的电源及2个独立的地。独立的地使得模拟地和数字地分开，实际工程中是将所有的地都连到电源地。13微微 机机

10、原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（2）数据总线数据总线是双向三态8位工作总线。数据总线的流向由当前主板来控制并受读信号（RD），写信号（WR）及中断响应信号INTAK的影响。当地址范围扩充时，数据总线可以被复用。利用机器周期同步信号MCSYNC可复用数据总线，传送高位地址A23A16。（3）地址总线地址总线是16位三态工作总线。通过复用，数据总线可作为地址总线使用，地址总线可以扩展到24位。当数据超过8位时，例如传送16位数据，通过复用地址总线，可用它传送数据的高8位。14微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（4）控制总线控制总线的信号线分为5组，分别是存储器及I/O控

11、制、外围设备定时、中断及总线控制、时钟定时和复位、串行优先链中断。这些控制总线是使用STD总线的关键。15微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术4.2.2 PCI局部总线局部总线随着各种应用软件的发展，需要在微处理器与外部设备之间进行大量的高速的数据传输，以往的ISA总线，及以后发展的EISA总线都未能解决总线及高效率传输的问题。于是 由Intel公司首先推出PCI总线，继而由多家公司联合建立、发展和推广了PCI总线。采用PCI总线的系统结构如图4.3所示。16微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术图图4.3 PCI总线系统结构图总线系统结构图17微微 机机 原原

12、理理 与与 接接 口口 技技 术术PCI总线解决了微处理器与外围设备之间的高速通道，总线的频率为33MHz，与CPU的时钟频率无关，总线宽度为32位，并可以扩展到64位，所以其带宽达到132MB/s264MB/s。PCI总线与ISA、EISA总线完全兼容，尽管每台微型计算机系统的插槽数目有限，但PCI局部总线规格可以提供“共用插槽”，以便容纳一个PCI及一个ISA。PCI总线采用了一种独特的中间缓冲器的设计，把处理器子系统与外围设备分开，这样使得PCI的结构不受处理器种类的限制。18微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术PCI局部总线的特点可以总结如下：（1）高性能（2）兼容性强

13、（3）可靠性和可操作性（4）低成本（5）自动配置19微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术4.2.3 外部总线外部总线（一）RS-232C总线RS-232C总线是为了用电话网络进行数据通信而制定的标准，通常通过调制器将表示逻辑1和0的高低电压转换成高和低的频率在电话网络中传递，在接收端用解调器把频率变成一系列高和低的电压以表示“1”和“0”。近程通信和微机之间的连接可直接采RS-232C接口标准进行连接。它是一种串行的外部总线，利用它实行计算机和终端的串行通信。20微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术RS-232C总线规定有25个引脚，使用了21个引脚，图4.4中

14、给出了RS-232C的标准管脚图，各信号线说明如下：TXD：发送数据线，输出。RXD：接收数据线，输入。RTS：请求发送信号，输出，高电平有效。RTS1，表示终端要向modem或其他通信设备发送数据。21微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术图图4.4 RS-232C引脚分配图引脚分配图22微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术CTS：清除发送信号，输入，高电平有效。当modem或外设已准备好接收终端发送来的数据，使CTS1，通知终端可以开始发送数据，也可以认为是对请求发送信号RTS的回答信号。DTR：数据终端准备就绪信号，输出，高电平有效。DTR1，表示终端准备好

15、接收来自modem或其他设备的数据。DSR：数据装置准备就绪信号，输入，高电平有效。表示modem和设备准备好发送数据，实际上是对DTR的回答信号。DCD：接收检出信号，输出，高电平有效。DCD1，表示modem已接收到通信线路另一端modem送来的信号。RI：振铃指示信号，输入，高电平有效。RI=1，表明modem收到了交换台送来的振铃信号，用它来通知终端。RS-232C信号线的连接方式有以下三种，如图4.5、4.6、4.7所示23微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术1使用MODEM连接图图4.54.5（a a）使用）使用MODEMMODEM和专用线通信时信号线的连接和专用线

16、通信时信号线的连接专用电话线 计算 机2接口8CTSRxDRTSTxDDSRSGDCD 调 制 解 调 器 调 制 解 调 器82终端CTSTxDRxDRTSDSRSGDCD24微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术电话线 调 制 解 调 器 计 算 机接口282022TxDSGRxDRTSCTSDSRDCDDTRRI电话分机电话分机 调 制 解 调 器TxDRxDRTSCTSDSRSGDCDDTRRI终端282022图图4.54.5（b b）使用）使用MODEMMODEM和电话网通信时信号线的连接和电话网通信时信号线的连接25微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术

17、2直接连接逻辑地接计算机口或终端请求发送发送数据接送数据清除发送DCE就绪DTE就绪接计算机口或终端123456207发送数据接送数据请求发送清除发送DCE就绪DTE就绪图图4.6 4.6 使用使用RS-232CRS-232C的直接连接法的直接连接法123456207保护地26微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术3三线连接法RXDRTSCTSDSRDTRSGND接口23接口SGNDDTRDSRCTSRTSTXDRXD23信号地(a)RXD TXD RS-232-C SGND接口23TXDRXDRS-232-CSGND接口2377信号地(b)图图4.7 4.7 最简单的最简单的R

18、S-232CRS-232C连接方式连接方式27微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（二）Centronics和IEEE 1284并行接口标准 1.Centronics并行接口 PC机中连接打印机的接口是一个典型的并行接口，通常为称之Centronics的并行接口，其最早的用途是连接打印机，但由于它有许多先天不足，如只能单向传输、速度不高，使后来许多高速并行设备如扫描仪，外置光盘、磁带机等无法采用它作为与计算机通信的接口。这促使生产厂商改进Centronics。1991年，Lexmark、IBM和德州仪器共同制订了一个标准，支持在并行接口上的高速双向数据传输，最终成为IEEE 1

19、284标准。28微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术2.IEEE 1284并行接口标准 如图4.8所示，IEEE 1284并行接口标准是目前用于计算机连接打印机等并行设备的流行标准。目前几乎所有的PC机的主板都集成了并行口插座，标注为 Parallel 1或LPT1，通过BIOS的设置，可同时支持IEEE 1284标准的多种操作模式（如SPP、EPP和ECP）。29微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术图图4.8 IEEE 1284并行接口标准并行接口标准 30微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术（三）通用串行总线USB 如今，随着计算机在各个领域

20、中的应用日益普及和深入，其外设也越来越多，如打印机、扫描仪、游戏杆、MIC、MODEM等。因计算机本身只提供高性能的运算处理等方面的基本能力，当我们将一台计算机应用于某个具体实际需要时，往往需要对他的基本功能进行扩展。而在对计算机功能扩展时，原则上每个外设都必须插在一个接口上。当外设多了以后，会产生一些问题。首先，外设增多，计算机接口也必须增多，但计算机的标准接口总是有限的，虽然可以通过增加功能接口插卡来扩展接口，但可增插卡的数量受计算机插槽个数的限制，并且扩展接口卡存在以下问题：31微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术(1)接口卡的插拔过程必须关机，并且需打开机箱进行安装和拆

21、卸；(2)接口插卡设备驱动程序的安装、调试直至正常运行的过程仍需要各种技术的支持，其安装和配置过程仍需人工干预。当扩展插卡较多时，常会出现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃；(3)接口插卡质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性将直接影响计算机的寿命和系统的稳定性、可靠性；32微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术(4)笔记本电脑之类的小体积PC很难用接口插卡进行功能扩展；(5)PC插槽中的各种接口卡受到内部的射频辐射干扰，使其性能受到很大影响，除非接口卡是全数字化的。所以扩展接口卡终究不是解决问题的根本方法。其次，随着技术不断发展，

22、大量新外设不断出现，这些外设对计算机接口提出了更高的要求，如高速度、双向传输数据等。传统的计算机接口，如并行打印机接口（数据传输率为1 MB/s）、串行RS232接口（数据传输率为115230 KB/s）已经不能满足用户需要。33微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术还有，计算机越来越向简单、实用、方便、方向发展。传统计算机外设安装过程中，在加、减设备时，必须关掉电源，完成之后再重新启动机器。由于传统计算机接口有上述缺点，不能满足当前计算机发展的需要，于是，INTEL，Microsoft，Compaq，NEC，IBM，DIGITAL，Northern Telecom等7家世界著名

23、的计算机公司和通讯公司联合制定了一种新的通用外部设备总线规范，即通用串行总线USB（Universal Serial Bus）。1994年11月发表了标准的最早版本Ver0.7，1998年9月23日公布的Ver1.1是目前普遍采用的标准。现在已经发展到2.0版本。USB协议出台后得到各计算机生产商和外设厂商的广泛支持。如今计算机主板都带有USB接口，Windows 98/CE/2000全面支持USB技术标准，很多计算机外设都采用USB接口。34微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术USB与传统的外围接口相比，主要有以下优点：(1)使用方便。在USB系统中，所有的USB设备可以随时

24、接入和拔离系统，USB主机能够动态识别设备的状态，并自动给接入的设备分配地址和配置参数。这样，安装USB设备时，不必打开机箱，甚至在计算机工作时也无需关机和重新启动即可加、减已安装过的设备，也不必用手动跳线或拨码开关来设置新的外设。USB的驱动程序和应用软件可以自动启动，USB设备单独使用自己的保留中断，也不涉及IRQ冲突问题，不会同其他设备争用PC有限的资源，省去了硬件配置的烦恼，为用户带来了极大的方便。35微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术(2)速度快。快速性能是USB技术的突出特点，USB Ver1.1标准有全速12 Mb/s和低速1.5 Mb/s两种模式，主模式为全速

25、，他比串口快了整整100倍，比并口快了十多倍。USB Ver2.0提供高达480Mb/s的数据传输率，可以在其上开发功能更多的电子产品，包括高分辨率的视频摄像机、下一代的扫描仪和打印机，并且，在USB 2.0上多个高速外设可同时运行。(3)易于扩展。通过USB HUB 扩展，可连接多达127个外设，且各种外设均采用统一USB接口标准的连接器，大大地简化了安装过程。标准USB电缆长度为3 M（5 M低速），通过HUB 或中继器可以使外设距离达到30 M。36微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术(4)独立供电。USB 接口提供了内置电源，他能向低压设备提供5 V电源，因此，新的设备

26、就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本，并提高了性价比。(5)使用灵活。为适应各种不同类型外围设备的要求，USB 提供了4种不同的数据传输模式：控制(CONTROL)传输、同步(Synchronization)传输、中断(Interrupt)传输、批量(BULK)传输。(6)支持多个外设同时工作USB系统支持多种数据传输的要求。数据带宽可以从几k到480 MB/s，他允许在同一电缆上传输实时和非实时数据，在主机和外设之间可以同时传输多个数据和信流，允许多个外设同时操作，并支持复合设备。37微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术总之，USB是一种电缆总线，支持在主机和各

27、式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。按照协议的规定，多个设备分享USB带宽，当主机和其他设备在运行时，总线允许添加、设置、使用和拆除外设。USB总线拓扑为层叠的星形结构，如图4.9所示。系统由主控制器（Host CONTROLler），USB HUB和USB器件（DEVICE）组成。(1)主控制器USB系统与主机之间的接口称为主控制器，通常，他被集成在主机系统中，由硬件、系统软件、应用软件构成。主控制器提供一个根结点（Root HUB），他可以直接与USB设备相连，也可以连接USB HUB，通过USB HUB来扩展接口。主控制器的主要功能有：动态检测USB设备的连接和拆除、管理主机和USB

28、设备之间的数据通信，给新接入的设备分配地址和配置参数，为连接的USB设备提供电源。38微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术(2)USB HUB（集线器）用来扩展接口，以使系统连接更多的外设。他可以被集成到一个设备内部，如键盘和显示器（称为复合设备），或者作为一个单独的设备实现。在即插即用的USB结构体系中，集线器是一种重要设备。HUB简化了USB互连的复杂性。HUB串接在HUB上，可让不同性质的更多设备连在USB上。连接点称为端口。每个HUB上行端口向主机方向连接，下行端口允许连接另外的HUB或设备。HUB可检测每个下行端口的设备的安装或拆卸，并分配电源给下行设备，他能处理属于

29、自己的信号，并将其他的信号放大传输给外设或主机。(3)USB设备是指带有USB接口的外部设备，如扫描仪、MP3播放器、鼠标等。他们使用标准的USB数据结构与主机进行通信，能识别主机发出的各种命令，并对其做出响应。39微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术扬声器电话USB主控制器/根HubPCI总线宿主机高速高速高速显示器集线器高速高速高速高速键盘低速低速鼠标光笔低速=1.5Mb/s高速=12Mb/s图图4.9 USB4.9 USB的拓扑结构的拓扑结构40微微 机机 原原 理理 与与 接接 口口 技技 术术本章小结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和其他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。微型计算机的主板通常配有CPU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。41