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1、第十章 总线,第一节 概述,一、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。面向总线的结构主要有以下优点：简化了系统结构，便于系统设计制造；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；便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口；便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化；便于设备的软件设计，所有接口的软件就是,对不同的口地址进行操作；便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。总线的逻辑电路有些是三态的，即输出电平有三种状态：逻辑“0”，逻辑“1”和“高阻”态。二、总线的分类 总线可以按其功能、性能和级别分类。1、按传输信号
2、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：数据总线，一般情况下是双向总线；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；控制总线，微处理器与存储器或接口等之间,控制信号。通常这部份线的含义和特性最复杂。2、按照信号的功能分类 基本信息总线，包括地址线、数据线及内存和I/O的读写控制信号线等。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。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。,定时信号总线，包括时钟信号线、复位信号线等。电源信号总线，
3、包括电源线和地线。3、按照层次位置分类 如图10.1所示，为计算机按照层次位置分类的总线示意图。片内总线：片内总线位于微处理器或I/O芯片内部。片总线（元件级总线、芯片总线）：用于单板计算机或一块CPU插件板的电路板内部，用于芯片一级的连接。,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。设备总线（外总线、通信总线）：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。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
4、件板内部的总线叫做局部总线以区别于系统总线。,三、总线的仲裁 总线的仲裁是指在总线上有多个总线主模块同时请求使用总线时，决定由哪个模块获得总线使用权 1、菊花链（daisy-chain）式查询方式 如图10.2所示，这种方式也称为串行仲裁。,逻辑上离总线仲裁器越近的部件拥有越高的总线优先级。图中有三条控制线：BB：总线忙信号，高电平表示总线正被占用。BR：总线请求信号，BR有效表示至少有一个部件正在申请使用总线。BG；总线响应信号，高电平表示总线仲裁器响应总线请求。2、计数器定时查询方式 这种方式不使用BG信号线，但需利用地址线。若总线上有N个部件，则在总线控制部件内设置一个计数器，可以从0计
5、数至N-1，每个值对应一,个部件。不论哪个部件要使用总线，均通过BR提出申请。控制部件通过地址总线定时送出计数器的当前值。提出申请的部件检查地址总线，若发现其上的值与自身的编号相等，则取得总线使用权，并通过BB有效通知控制部件。若控制部件在一定时间内未收到BB有效，则令计数器加1（或减1），发下一个地址。若计数器从0开始计数，则优先级顺序与不见编号顺序一致。若每次计数从上次计数终止的值开始计数，则从统计效果上看，各部件的优先级基本相等。,3、独立请求方式（并行判决）如图10.3所示，每个部件都有自己的BR和BG，由控制部件对申请进行排队和管理。优点是速度快、可使用软件灵活控制。缺点是电路复杂。
6、,4、二唯判决方式 这种方式综合前几种方式的优点，在一个系统中综合使用菊花链和并行判决，如图10.4所示。二唯判决适合于主设备很多的场合。,四、总线体系结构 1、单总线体系结构 如图10.5所示，所谓单总线体系结构是指微机中所有模块都连到单一总线上，在整个系统中，只,有一条数据通路。2、并发总线体系结构 如图10.6所示，并发总线体系结构是把存储器和I/O的数据通路分开，所以CPU对存储器访问,和对I/O的控制可同时进行，即“并发”。3、带Cache的并发总线体系结构 如图10.7所示，类似于上面一种，只是在CPU和存储器的数据通路上多了一个Cache控制器。,第二节 PC系列微机的系统总线,
7、一、ISA总线 ISA总线是PC微机最基本的总线标准，分为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10.8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。,ISA总线的信号定义参见图10.9，图中A、B、C、和D四列是ISA总线的引脚。,二、EISA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，最高数传率为33M字节/秒，而ISA最高数传率为8
8、M字节/秒。EISA总线的信号有近200条，参见图10.9。图中在ISA总线基础上，又增加了E、F、G和H。EISA总线出现在32位微机中，具有32位的数据线，支持8位、16位或32位的数据存取，支持数据突发式传输；地址线支持32位寻址，可寻址4GB存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。,第三节 VESA（VL-Bus）和PCI总线,一、局部总线概述 局部总线仅仅属于一个子系统，在局部总线上挂有局部存储器和局部的I/O接口，而系统总线上挂有全局的公共存储器和公共的I/O接口。这样可把很大一部分数据传输通过局部总线来完成，减轻了系统总线的负担，图10.10是局部总线与系统总线的关系。,二、V
9、ESA的VL-Bus介绍 VESA（视频电子标准协会）与60多家公司联,。,合推出了VL-Bus局部总线标准，简称VESA标准，如图10.11所示。VESA标准局部总线是面向i486设计的，故与486匹配最佳，但很难与Pentium以上的CPU匹配，所以现在已很少使用。三、PCI总线介绍 PCI总线是由Intel公司在1991年首先提出的，是目前用得最广泛的局部总线。PCI总线的系统结构如图10.12所示。1、PCI总线的特点,高性能 PCI总线的数据宽度为32位，可扩展到64位。时钟频率为33MHz，与CPU时钟无关。数据传输,率可达132MB/S 264MB/S。1995年推出的PCI新标
10、准的时钟频率为66MHz，数据宽度为64位，最高数据传输率达528 MB/S。PCI总线还支持突发工作方式，并且后面可跟无限个数据周期。这意味着可以从某一地址起读出或写入大量数据。减少存取延迟 对于支持PCI总线的设备，可以减小存取延迟，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间，以保证数据传输的畅通。这对以太网接口有非常重要的意义。,采用总线主控和同步操作 PCI总线所具有的总线主控和同步操作功能有利于提高PCI总线性能。这可以使微处理器与PCI上总线主控器同时并行操作。不受处理器限制 PCI总线以一种独特的中间缓冲方式独立于处理器，并将中央处理器子系统与外围设备分开。这样可保证不会因处
11、理器技术的变化而导致其他互连外设系统的设计变更。适用于各种机型 PCI总线适用于各种机型，如台式机、便携机和,服务器等。成本低 PCI总线采用多路复用技术，大大减少了引线数和PCI部件，其他系统上的扩展卡也可以在PCI系统上工作。兼容性好，易于扩展 PCI总线可与ISA、VESA等总线兼容。工作电压可以是+5V，也可以是+3.3V。自动配置（即插即用，Plug and Play）PCI总线具有即插即用功能，可以自动配置，这给用户带来极大方便。,规范严格 PCI总线标准对协议、时序、负载、电气特性和机械特性等都作了严格的规定，这保证了它的可靠性和兼容性。2、PCI总线的系统结构 图10.13是微
12、机中PCI总线的系统结构，PCI总线与ISA/EISA总线共存。图10.14是工作站中PCI总线的系统结构，图10.15是服务器中PCI总线的系统结构,3、PCI总线的信号 PCI局部总线的信号线有100条，如图10.16所示，图中左边是必备信号的引脚，右边是可选信号的引脚。PCI局部总线的信号分为地址和数据线、接口控制线、仲裁线、系统线、中断请求线、高速缓存支持和出错报告等信号线。,四、AGP总线 Intel公司开发的AGP总线旨在提高图形，尤其是3D图形的处理能力。AGP总线在主存与显示卡之间提供了一条直接通路，使3D图形数据越过PCI总线直接送入显示系统。目前AGP总线有三种，即 AGP
13、1：266Mb/s，时钟66MHz AGP2：532Mb/s，时钟66MHz AGP4：1.064Mb/s，时钟66MHz,1、AGP局部总线的特点 AGP局部总线是对PCI局部总线的扩充与增强，AGP总线的时钟 是66MHz，后来是133MHz。新的3.3V电气规范允许在一个时钟内传输一次或两次数据，在66MHz的上升沿和下降沿都进行32位数据传输，使有效带宽提高4倍，达到532Mb/s，这种技术称为双重驱动。通过一种新的电压电气规范，允许在单个66MHz的时钟内传输4次数据，相当于将AGP的时钟频率提高一倍，使数据传输率达到1.064Mb/s。采用边带信号传输技术，在总线上调制地址与,数据
14、的多路复用。采用内存请求流水线技术，允许系统出理图形控制器对内存进行多次请求，对各种内存请求进行排队来减少延迟，一个典型的队列可以处理12个以上的请求。AGP也能延长了PCI总线寿命，通过把图形接口绕行到专用适合传输告速图形、图像数据的AGP通道上，解决了PCI带宽中最大的问题，当AGP负担起传输图形图像数据的重担后，PCI将会有更多的能力负责其他应用的数据传输。AGP对MPEG2视频的再生具有积极作用，但这限于不用专用解压硬件而用处理器解压MPEG2,视频数据的情况。在MPEG2规格中，主要是使用720576像素、30帧/秒的视频。理论上，传送解压后的数据需要36Mb/s的数据传送能力。PC
15、I的实际传送速率为30-40Mb/s，若用PCI传送，画面会发生抖动。2、AGP总线的系统结构 AGP总线的系统结构如图10.17所示，除了从核心逻辑上分出单独的数据通道至AGP设备外，其他与PCI局部总线基本相同。总结上面几种总线的性能，从宽度和数据传输,两方面看如表10-1所示。,第四节 通用外设接口标准USB 基本思想是采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应的润件，实现资源共享和外设简单快速连接。提出了USB和IEEE 1394两种通用外设接口标准。一、USB的物理接口和电气特性 1994年开始，1996年公布USB1.0版本，现在是USB2.0版。Windows 98等设置了USB
16、接口的支持模块。1、接口信号线 USB总线只有4根线，如图10.18（a）所示。其中D+、D-为信号线，传送信号，是一对双绞线；VBUS和GND是电源线，提供电源。相应的USB接口插头也比较简单，只有4芯。在满速连接时，如图10.18（b）所示。,2、电气特性 USB主机或根Hub对设备提供的电源电压是4.75V-5.25V，设备能吸入的最大电流为500mA。USB设备的电源供给有两种方式：自给方式和总线供给方式。USB Hub是前一种方式。二、USB设备及描述器 1、USB设备 USB设备分成Hub设备和功能设备两种。Hub设备即集线器，是USB即插即用技术中的核心部分，完成USB设备的添加
17、、插拔检测和电源管理等功能。一个集线器由中继器和控制器构成。中继器负责连接的建立和断开，控制器负责管理主机与集线器间的通信及帧定时。功能设备能在总线上发送和接收数据和控制信息，如鼠标。,2、端点 在USB接口中，只给每个USB外设分配一个逻辑地址。而USB外设本身包含一定数量的独立的寄存器端口，并能由USB设备驱动程序直接操作。这些寄存器也就是USB设备的端点（Endpoint）。每个设备上的端点有不同的端点号，通过端点号和设备地址，主机软件就可以和每个端点通信。3、管道 USB设备支持功能性和控制性的数据传送，这些传送发生在主机软件和USB设备的端点之间，我们把USB设备的端点和主机软件的联
18、合称为管道（Pipe）。4、USB设备描述器 USB设备是通过描述器来报告它的属性和特点的。描述器是一个有一定格式的数据结构。每个USB设备都必需有设备描述器、设置描述器、接口描述器和端点描述器。这,些描述器提供的信息包括目标USB设备的地址、要进行的传输类型、数据包的大小和带宽请求等。三、USB系统组成和拓扑结构 1、USB系统的组成 包括硬件和软件两部分。USB硬件部分 如图10.19所示。它包括USB主机、USB设备（Hub和功能设备）和连接电缆。其中USB主机是一个带有USB主控制器的PC机，在USB系统中，只有一个主机。USB主控制器/根Hub分别完成对传输的初始化和设备的接入。US
19、B Hubs 除了根Hub 外，为了接入更多的设备，需要其他USB Hubs。连接电缆有两种，用于全速通信的包有防护物的双绞线和用于低速通信的不带防护物的非双绞线。,USB软件部分 USB设备驱动程序，通过I/O请求包（IRPs）发出给USB设备的请求。USB驱动程序，在设备设置时读取描述寄存器以获取USB设备的特征。主控制器驱动程序，完成对USB交换的调度，并通过根Hub或其他的Hub完成对交换的初始化。2、USB的拓扑结构 如图10.20所示。USB协议定义了系统中宿主Host与USB设备之间的连接和通信。允许最多连接127个设备，最上层是USB主控器。对于PC微机的USB系统，宿主Hos
20、t就是一台带USB主控制器的PC机，如图10.21所示，只有一台USB 主机。,四、USB传输类型 USB有4种基本的传输类型：1、控制传输 控制传输是双向的，主要用于设备配置，也可作设备的其他特殊用途。,2、批传输 批（Bulk）传输可以是单向或双向。用于传送大批数据。其典型应用是扫描仪的静态图片输入。3、中断传输 中断传输是单向的，且仅输入到主机，它用于不固定的少量的数据传送。USB的中断是查询类型的。4、等时传输 等时（Isochronous）（同步）传输可以是单向或双向，用于传送连续性、实时的数据。五、USB交换的包格式 包是组成USB交换的基本单位，USB总线上的每一次交换至少需要3
21、个包才能完成。包的种类如表10-2所示。表中包的分类编码由PID表示。8位PID中只有高4位用于包,的分类编码，低4位作校验用，其含义如图10.22所示。,1、标志包 USB总线是一种基于标志的总线协议，所有的交换都以标志包为首部。如图10.23所示。SYNC：同步域，输入电路利用它来同步，长度为8位。PID：包类型域。Token包有4种类型，它们是OUT、IN、Setup和SOF。ADDR：设备地址域，7位，共有128个地址。ENDP：端点域，确定包要传输到设备的哪个端点，4位，一个设备可以有16个端点号。,CRC：检查域，用于ADDR域和ENDP域的校验。帧开始包（SOF）USB的总线时间
22、划分为帧。一个帧周期为：主机发帧开始标志后，总线处于工作状态，主机将发送和接收几个交换，交换完毕。然后进入帧结束间隔区，此时总线处于空闲状态，等待下一个帧启动的到来，再开始下一帧。一帧的持续时间为1ms，每一帧都有单独的编号。帧开始包（SOF）的格式如图10.24所示。,接受包（IN）从设备中读取信息时，便使用接受包，此时包类型定义为IN类型。接受标志包包括PID类型域，类型检查域，端点号。USB设备地址，以及5位CRC字节。发送包（OUT）将数据传送到目标设备时，便使用发送包，此时包类型定义为OUT类型。发送包包含有：PID类型域，类型检查域，端点号。USB目标设备地址，以及5位CRC字节。
23、设置包（Setup）设置包只用于控制传输的设置。2、数据包 一个数据包包括PID域、数据域和CRC域3部分，其格式如图10.25所示。,3、握手包（Handshake）握手包用来报告交换的状态。它有三种类型，即ACK、NAK和STALL。应答包（ACK），表示接受数据正确。发送设备会收到一个ACK。无应答包（NAK），表示功能设备不能接受来自Host的数据。,挂起包（STALL），表示功能设备无法完成数据传输，需要主机插手来解决故障。如图10.26所示。4、预告包 当主机希望在低速方式下与低速设备通信时，主机将送预告包，作为开始包，然后与低速设备通信。六、USB设备状态和总线枚举 当USB设备
24、插到USB总线上或从USB总线移走，主机通过一个叫总线枚举的过程来确认和管理设备状态的变迁。,以下是USB设备从插到总线上，到设备可用的整个枚举过程。（1）当USB设备接到Hub上，该Hub就会通知主机发生了设备接入事件，设备进入连接状态。（2）主机检测Hub，确认设备的接入事件和接入端口。（3）主机知道了有新设备接入端口，则将该端口使能，并传送一个重起（Reset）命令。（4）Hub向端口送一个持续100ms的重起（Reset）命令信号，当该信号结束时，端口已使能，被打开。Hub提供100mA电流给USB设备，USB设备进入上电状态。（5）在USB设备收到唯一地址前，可以通过设备的默认地址访
25、问默认管道。主机读取设备的描述器获得设备 默认管道的最大数据传输量。这时设备处于地址默认状态。,（6）主机给Hub设备分发一个唯一的地址，设备进入地址（Addressed）状态。（7）主机读取设备的配置信息。（8）主机以配置信息和USB设备的用途，向设备分发一个配置值。设备进入配置（Configured）状态，所有端点准备就绪可以开始工作，设备可以使用。在第（4）步中，当进入上电（Powered）状态后，若未获得总线的访问权，则进入挂起（Suspended）状态，直到总线激活以后才返回原状态，这是为节能设计的。当USB设备从总线上移走时，Hub通知主机发生了设备移走事件，该设备的端口进入无能状
26、态，关闭端口，主机将更新局部的拓扑逻辑信息。,七、USB的特点及应用 1、特点：USB技术的应用是计算机外设总线的重大变革。（1）用一种连接器类型连接多种外设。（2）用一个接口连接大量的外设。（3）连接简单快速。（4）总线提供电源。（5）速度加快了。USB设备有两种速度，高速（全速）为12Mb/s，低速为1.5Mb/s。USB设备也存在一些问题，理论上USB可连接许多层，127个设备，但实际上连接到3-4个设备就可能导致一些设备失效。又如，USB可以提供500mA的电流，但遇到高功耗的设备，就会导致供电不足等。,2、应用 目前，USB 已经在PC机的多种外设上得到应用，如数码相机、扫描仪、音频系统、显示器、软驱、网卡、数码摄象机及I/O设备等。另外有一种高性能串行总线标准IEEE1394，1995年正式成为一个工业标准。该接口采用6芯电缆和6针插头，其中4根信号线组成两对双绞线传送信息，2根电源线，向被连接设备提供电源。在电缆环境下，传送速率有98.304 Mb/s、196.608 Mb/s和393.216 Mb/s。正在制订的还有1 Gb/s。有关该标准的详细情况可参阅有关资料。,
