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1、微计算机总线,总线出现的背景：,计算机部件要具有通用性，适应不同系统与不同用户的需求，设计必须模块化。计算机部件产品(模块)供应出现多元化。模块之间的联接关系要标准化，使模块具有通用性。模块设计必须基于一种大多数厂商认可的模块联接关系，即一种总线标准。,总线的标准,总线是一类信号线的集合是模块间传输信息的公共通道，通过它，计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。为使不同供应商的产品间能够互换，给用户更多的选择，总线的技术规范要标准化。总线的标准制定要经周密考虑，要有严格的规定。,总线的标准,总线标准（技术规范）包括以下几部分：机械结构规范：模块尺寸、总线插头、总线接插件以及按装尺寸均有统一规
2、定。功能规范：总线每条信号线（引脚的名称）、功能以及工作过程要有统一规定。电气规范：总线每条信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等。,总线的发展情况,S-100总线：产生于1975年，第一个标准化总线，为微计算机技术发展起到了推动作用。IBM-PC个人计算机采用总线结构（Industry Standard Architecture,ISA)并成为工业化的标准。先后出现8位ISA总线、16位ISA总线以及后来兼容厂商推出的EISA（Extended ISA)32位ISA总线。,总线的发展情况,为了适应微处理器性能的提高及I/O模块更高吞吐率的要求，出现了VL-Bus(VESA Local B
3、us)和PCI(Peripheral Component Interconnect,PCI）总线。适合小型化要求的PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association)总线，用于笔记本计算机的功能扩展。,总线的指标,计算机主机性能迅速提高,各功能模块性能也要相应提高,这对总线性能提出更高的要求。总线主要技术指标有几方面：总线宽度：一次操作可以传输的数据位数，如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。,总线的指标,总数工作频率：总线信号中有一个CLK
4、时钟，CLK越高每秒钟传输的数据量越大。ISA、EISA为8MHz，PCI为33.3MHz,PCI-2可达达66.6MHz。单个数据传输周期：不同的传输方式，每个数据传输所用CLK周期数不同。ISA要2个，PCI用1个CLK周期。这决定总线最高数据传输率。,5.总线的分类与层次,系统总线：是微处理器芯片对外引线信号的延伸或映射，是微处理器与片外存储器及I/0接口传输信息的通路。系统总线信号按功能可分为三类：地址总线（Where）：指出数据的来源与去向。地址总线的位数决定了存储空间的大小。,5.总线的分类与层次,系统总线：数据总线（What）提供模块间传输数据的路径，数据总线的位数决定微处理器结
5、构的复杂度及总体性能。控制总线（When）：提供系统操作所必需的控制信号，对操作过程进行控制与定时。,5.总线的分类与层次,扩充总线：亦称设备总线，用于系统I/O扩充。与系统总线工作频率不同，经接口电路对系统总统信号缓冲、变换、隔离，进行不同层次的操作（ISA、EISA、MCA)局部总线：扩充总线不能满足高性能设备（图形、视频、网络）接口的要求，在系统总线与扩充总线之间插入一层总线。由于它经桥接器与系统总线直接相连，因此称之为局部总线（PCI）。,总线层次结构,微处理器,桥与RAM 控制器,Cache,声音处理,视频接口,LAN,SCSI,扩充总线接口,基本I/O 接口,图形设备接口,PCI
6、Local Bus,ISA/EISA Micro channel,DRAM,6.总线操作,总线一个操作过程是完成两个模块之间传送信息，启动操作过程的是主模块，另外一个是从模块。某一时刻总线上只能有一个主模块占用总线。总线的操作步骤：主模块申请总线控制权，总线控制器进行裁决。,6.总线操作,总线的操作步骤：主模块得到总线控制权后寻址从模块，从模块确认后进行数据传送。数据传送的错误检查。,6.总线操作,总线定时协议：定时协议可保证数据传输的双方操作同步，传输正确。定时协议有三种类型：,6.总线操作,同步总线定时：总线上的所有模块共用同一时钟脉冲进行操作过程的控制。各模块的所有动作的产生均在时钟周期
7、的开始，多数动作在一个时钟周期中完成。异步总线定时：操作的发生由源或目的模块的特定信号来确定。总线上一个事件发生取决前一事件的发生，双方相互提供联络信号。,时钟,读,地址,应答,数据,读,地址,MSYN,数据,SSYN,同步总线定时图,异步总线定时图,6.总线操作,总线定时协议半同步总线定时：总线上各操作的时间间隔可以不同，但必须是时钟周期的整数倍，信号的出现,采样与结束仍以公共时钟为基准。ISA总线采用此定时方法。,6.总线操作,数据传输类型：分单周方式和突发(burst)方式。单周期方式：一个总线周期只传送一个数据。,地址线,地址,数据线,数据,寻址,信息传送,总线占用期间,单周期数据传送
8、方式,6.总线操作,数据传输类型：突发方式：取得主线控制权后进行多个数据的传输。寻址时给出目的地首地址，访问第一个数据，数据2、3到数据n的地址在首地址基础上按一定规则自动寻址（如自动加1）。,地址线,地址,无效,数据线,数据1,数据2,数据3,数据n,寻址,总线占用期间,信息传送,突发数据传送方式,7.总线仲裁,基本概念 总线上可以连接多个主模块，它们均可占用总线传送数据。当出现多个主模块申请占用总线时，要进行仲裁，将总线控制权交给一个主模块。总线仲裁的主要方法有分布式仲裁与集中式仲裁两种方法。,7.总线仲裁,菊花链式分布串行总线仲裁：每个主模块包含有总线控制逻辑，多个主模块分享总线。所有主
9、模块总线请求“线或”在一起，CPU响应信号级联传播，占用总线的模块发出忙信号。此方法优先级排定，灵活性差。,总线应答,主设备1,主设备2,总线请求,忙信号,应答 应答,CPU,菊花链式总线仲裁,7.总线仲裁,集中式并行总线仲裁 有一个集中的总线仲裁逻辑，各主模块的请求及响应信号独立。仲裁逻辑进行优先级判断，可有不同的仲裁策略。,总线应答,主设备1,主设备2,总线请求,忙,CPU,集中式并行总线仲裁,总线请求1,忙信号,总线请求1,总线应答1,总线应答2,总线仲裁逻辑电路,:,ISA总线原理,ISA总线概况:ISA总线来源于IBM-PC微计算机。开始时PC机面向个人及办公室，定义了8位的ISA总
10、线结构，对外公开，成为标准（ISO ISA标准）。第三方开发出许多ISA扩充板卡，推动了PC机的发展。1984年推出IBM-PC/AT系统，ISA从8位扩充到16位，地址线从20条扩充到24条。,ISA总线原理,62芯8位基本ISA插槽,36芯16位扩充ISA插槽,ISA总线插槽示意图,ISA总线引线示意图,总线基本信号,BACK OSC RESET,总线访问信号,SA19SA0,BALE AEN SMEMR#SMEMW#IOR#IOW#,总线控制信号,总线访问信号,LA23LA17 SBHE#MEMR#MEME#,DACK3#DACK1#T/C,总线控制信号,DACK7#DACK5#DACK
11、0#MASTER,总线访问信号,SD7SD0I/O CHRDYI/OCHCK#NOWS#,IRQ7IRQ3DRQ3DRQ1,SD15SD8MEMCS16#IOCS16#,IRQ15、IRQ14、DRQ12DRQ9DRQ7DRQ5 DRQ0,总线控制信号,总线访问信号,总线控制信号,ISA总线原理,ISA总线引线定义：主要信号说明RESET、BCLK：复位及总线基本时钟，BLCK=8MHz。SA19-SA0：存储器及I/O空间20位地址，带锁存。LA23-LA17：存储器及I/O空间20位地址，不带锁存。,ISA总线原理,ISA总线引线定义：主要信号说明BALE：总线地址锁存，外部锁存器的选通。
12、AEN：地址允许，表明CPU让出总线，DMA开始。SMEMR#、SMEMW#：8位ISA存储器读写控制。,ISA总线原理,ISA总线引线定义：主要信号说明MEMR#、MEMW#：16位ISA存储器读写控制。SD15-SD0：数据总线，访问8位ISA卡时高8位自动传送到SD7-SD0。SBHE#：高字节允许，打开SD15-SD8数据通路。MEMCS16#、IOCS16#：ISA卡发出此信号确认可以进行16位传送。,ISA总线原理,ISA总线引线定义：主要信号说明I/OCHRDY：ISA卡准备好，可控制插入等待周期。NOWS#：不需等待状态，快速ISA发出不同插入等待。I/OCHCK#：ISA卡奇
13、偶校验错。IRQ15、IRQ14、IRQ12-IRQ9、IRQ7-IRQ3：中断请求。,ISA总线原理,ISA总线引线定义：主要信号说明DRQ7-DRQ5、DRQ3-DRQ0：ISA卡DMA请求。DACK7#-DACK5#、DACK3#-DACK0#：DMA请求响应。MASTER#：ISA主模块确立信号，ISA发出此信号，与主机内DMAC配合使ISA卡成为主模块，全部控制总线。,PCI总线原理,PCI总线的特点：数据总线32位，可扩充到64位。可进行突发（burst)式传输。总线操作与处理器-存储器子系统操作并行。总线时钟频率33MHZ或66MHZ，最高传输率可达528MB/S。,PCI总线原
14、理,PCI总线的特点：中央集中式总线仲裁全自动配置、资源分配、PCI卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息，可实现即插即用（PNP）。PCI总线规范独立于微处理器，通用性好。PCI设备可以完全作为主控设备控制总线。,PCI总线原理,PCI总线引线：高密度接插件，分基本插座（32位）及扩充插座（64位）。,PCI总线引线示意图,地址和 数据,AD31AD0C/BE#3BE#0,接口控制,FRAME#TRDY#IRTY#STOP#DEVSEL#IDSEL,REQ#GNT#,PERR#SERR#,CLK RST#,64位扩充,PAR64REQ64#ACK64#,INTA#INTB#INTC#INT
15、D#,TD1TD0TCKTMSTRST#,出错,仲裁,系统,AD63AD32C/BE#7BE#4,LOCK#,接口控制,中断,JTAG,PAR,PCI卡,PCI总线原理,PCI配置空间：PCI设备内有一个256B的配置存储器，为系统提供本设备的信息及申请系统存储空间所必需的参数。PCI主要设备信息：制造商标识（Vendor ID）：PCI组织分配给厂家。设备标识（Device ID）：按产品分类给本卡的编号。,PCI总线原理,PCI配置空间：分类码(Class Code):本卡功能的分类码，如图卡、显示卡、解压卡等。申请存储器空间：PCI卡内有存储器、以存储器编址的寄存器和I/O空间，为使驱动
16、程序和应用程序能访问它们，需申请一段存储区域将它们定位。配置空间的基地址寄存器是专门用于申请存储器空间的。,PCI总线原理,PCI配置空间：申请I/O空间：配置空间的基地址寄存器也用来进行系统I/O空间的申请。中断资源申请：配置空间中的中断引脚和中断线用来向系统申请中断资源。,PCI配置空间分配,31,16,15,0,00H,04H,08H,0CH,10H,14H,18H,1CH,20H,24H,28H,2CH,30H,34H,38H,3CH,设备标识,制造商标识,状态,命令,修正标志,分类码,BIST,头类型,延迟定时器,行大小,基地址寄存器,卡总线CIS指针,子系统标识,子系统制造商标识,
17、扩展ROM基地址,保留 Reserved,容量指针,保留 Reserved,中断线,中断引脚,Max_Lat,Max_Gnt,9.PCI总线原理,PCI总线访问：以读操作为例。PCI总线是半同步方式操作，信号是否有效由时钟CLK的上升边采样来确定。主设备启动总线周期：首先发出FRAME#信号，表明一次访问（总线周期）开始，地址及操作命令字信号出现在AD与C/BE#线上。,9.PCI总线原理,PCI总线访问：以读操作为例。从设备响应：对地址和命令字译码后通过发出DEVSEL#有效信号进行响应，通知主设备，从设备已经被选中。数据读取：主设备与从设备都准备好即IRDY#及TRDY#均有效，主设备将数
18、据取走。,9.PCI总线原理,PCI总线访问：多数据传送周期：PCI支持突发访问方式。主模块占用一次总线可实现多个周期的数据访问。第一数据地址由地址周期给出。以后地址在此基础上按AD1、AD0的编码规定变化，如AD1、AD0为 00 时地址线性增加（每次加4）。,9.PCI总线原理,PCI总线访问：错误校验及报告：PCI总线对AD线的有效信息都进行奇偶校验操作。PAR为校验位，发送方为AD与C/BE#线（共36位）配好校验值。接收方在地址周期用SERR#报告校验结果，用PERR#报告数据周期校验结果。,9.PCI总线原理,PCI总线访问：配置空间访问：配置空间的访问决定于命令字编码，在IDSEL线上发出有效信号，地址线低8位用于访问配置空间的256字节存储器。总线仲裁：PCI总线主设备通过REQ#与GNT#信号向总线仲裁器申请占用总线并得到确认。,
