微機原理及接口技術第4章總線技術4.1總線概述1總線：連接兩個以上數(shù)字系統(tǒng)元件的公共的信息通路?？偩€的分類：片內總線元件級總線系統(tǒng)總線（內總線）通信總線（外總線）總線標準化的優(yōu)點：簡化軟、硬件設計，簡化系統(tǒng)結構?！K化使系統(tǒng)易于擴展、便于更新。便于調試、維修。→各插件板分別調試；一級維修CPU內存總線控制邏輯掃描儀網卡聲卡SCSI卡主板主機外設2微機原理及接口技術第4章總線技術4.2內總線（系統(tǒng)總線）3PC機的內總線PC/XT總線ISA總線EISA總線PCI總線工控機的內總線STD總線基于PC的工控機總線PC/104總線PC/104-PLUSCompactPCI4.2內總線4ISA

：IBMPC/AT(286)MCA

：IBM壟斷(與ISA不兼容)EISA

：擴展ISA(與ISA兼容)VESA

：視頻；局部總線PCI

：圖形界面、高速數(shù)傳AGP

：圖形加速接口PCI-Express

：現(xiàn)在4.2內總線PC機的內總線5兼容性好可靠性高支持多微處理器結構簡單，小板結構，模塊化4.2內總線 4.2.2.1STD總線 P148一、特點：Page1486地址選擇信號產生時序4.2內總線 4.2.2.1STD總線 P148二、信號定義：擴展請求地址地址選擇IOEXP,MEMEXPIORQ,MEMRQ地址總線7WR讀寫時序4.2內總線 4.2.2.1STD總線 P148二、信號定義：地址選擇RD數(shù)據RD數(shù)據總線地址選擇數(shù)據WR數(shù)據總線讀時序寫時序8串行并行4.2內總線 4.2.2.1STD總線 P148三、中斷優(yōu)先級的實現(xiàn)：PCIPCOINTRQINTAKINTRQINTAKIRQ…………IRQ9串行并行BAIBAOBUSAKBUSRQ4.2內總線 4.2.2.1STD總線 P148四、總線優(yōu)先級控制：10利用MEMEX選擇存儲器組輸出接口存儲器選擇法4.2內總線 4.2.2.1STD總線 P148五、存儲器的擴展11輸出接口存儲器選擇法4.2內總線 4.2.2.1STD總線 P148五、存儲器的擴展向I/O寫一個數(shù)（如11111110，選擇MEM組0），即第一組64K）；對MEM組0操作（RD/WR）。64KB×8＝512KB124.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141BabyATATXIndustryStandardArchitecture134.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141一、ISA總線的特點：支持8位、16位數(shù)據操作。將XT與AT總線的運行速度提升至8MHz。更強調I/O處理能力：1KB的I/O空間、11級硬件中斷、7級DMA通道。地址、數(shù)據非多路復用。是多主控設備總線：除主CPU之外，DMA控制器、DRAM刷新控制器、帶處理器的只能卡都可以稱為ISA的主控設備。曾廣泛流行，支持的廠商眾多。144.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141XT總線AT總線一、ISA總線的特點：151617數(shù)據總線為16位（支持8位、16位數(shù)據操作）

SBHE、MEMCS16、IOCS16、0WS提速：0WS，零等待狀態(tài)，也叫NOWS（NoWaitState），ISA卡通知CPU不插Tw。升位：MEMCS16、IOCS16，插件板通知CPU進行16位數(shù)據傳送。位數(shù)可選：SBHE，總線高字節(jié)允許（SystemBusHighEnable），可選8位、16位操作?！咀⒁狻?/p>

當SBHE被主控設備（一般為系統(tǒng)主板）置為低電平時，ISA插卡必須及時將IOCS16或MEMCS16置為有效作為回應。4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義18數(shù)據總線為16位（支持8位、16位數(shù)據操作）

SBHE、MEMCS16、IOCS16、0WS4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義SBHESA0操作所用數(shù)據線00從偶地址開始讀/寫一個字(16位)D15～D001從奇地址讀/寫一個字節(jié)（8位）D15～D810從偶地址讀/寫一個字節(jié)（8位）D7～D011無效無19尋址能力達到16MB，地址、數(shù)據線不復用。LA17～LA23（非鎖存信號，可用BALE鎖存）LA17～LA19（不鎖存）與SA17～SA19（鎖存）重復。中斷擴充為11個（PC/XT為6個）

IRQ3～IRQ7，IRQ9～IRQ12，IRQ14～IRQ15IRQ0（定時器）、IRQ1（鍵盤）、IRQ2（級聯(lián)）

、IRQ8（定時器8254）

、IRQ13（協(xié)處理器）用于系統(tǒng)板上，總線上不出現(xiàn)。B4引腳：IRQ2（XT）→IRQ9（AT），早期由8259級聯(lián)實現(xiàn)。4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義204.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義INTIRQ8IRQ9IRQ10IRQ11IRQ12IRQ13IRQ14IRQ15IRQ0IRQ1IRQ3IRQ4IRQ5IRQ6IRQ7INTINTA高低優(yōu)先級：8259825921DMA擴充為7個（PC/XT為4個）DRQ0～3，DRQ5～7（新增），DACK0～DACK3，DACK5～DACK7優(yōu)先級：DRQ0＞DRQ1＞……＞DRQ7

（DRQ4用作8237級聯(lián)，不出現(xiàn)）DRQ0～3：8位傳輸

DRQ5～7：16位傳輸4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義22ISA總線是一種多主控總線：MASTER

若ISA插卡要控制總線，則：ISA卡置DRQx為高；DMAC送HOLD申請總線，若成功（CPU送來HOLDACK信號）則DMAC置相應的DACKx有效→ISA卡成為總線上的主控設備；此時AEN為高電平，若此時ISA卡需要訪問其它I/O設備（包括其它ISA卡），則置MASTER為低→釋放AEN（使AEN為低電平，無效）；……ISA卡釋放DRQx（置為低），釋放MASTER（置為高）→總線控制權又返回系統(tǒng)板。4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義23速度：CLK（B20，Output）

4.77MHz→8.3MHz（標準）→12MHz4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義時序8位I/O讀/寫16位I/O讀/寫標準周期：T1BALE有效；T2讀寫控制信號有效；T3T4T5等待；T6鎖存數(shù)據延長周期：IOCHRDY→T6采樣零等待周期：0WST3采樣，若有效→T3結束I/O讀/寫標準周期：T1T2T3延長周期要求ISA卡在譯碼條件成立的同時將IOCS16或MEMCS16置為低電平。24速度：CLK（B20，Output）

4.77MHz→8.3MHz（標準）→12MHz4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141二、信號定義速度8位，CLK=8MHz16位，標準周期標準：零等待：CLK＝8MHz：CLK＝12MHz：25早期的PC機后來：PentiumIII主板4.2內總線 4.2.1.2ISA總線 P141三、ISA總線的體系結構26南橋中斷控制器IDE控制器USB主控制器DMA控制器……274.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147PeripheralComponentInterconnectLocalBusBabyATATX局部總線，1992年28ABITKV7Motherboard(AMDAthlonXPSystemBoardSocket462)294.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147不依賴于處理器：

更換CPU→換PCI橋路即可→使PCI總線能為I/O功能而優(yōu)化一、PCI總線的特點：P142，①～⑥CPUPCI橋PCIBus304.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147擴充性好：

掛多個設備，驅動能力不夠→采用多PCI總線結構一、PCI總線的特點：P142，①～⑥CPU橋0PCIBus1存儲器橋1PCI設備PCIBus0橋2設備PCIBus2總線橋標準總線314.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147具有自動配置功能，支持即插即用（PnP）。

資源需求設置工作在系統(tǒng)初啟時由BIOS完成。數(shù)據、地址奇偶校驗功能

→保證數(shù)據完整性、準確性。（PAR）數(shù)據寬度32位，可擴展為64位；2.0版支持33MHz時鐘，2.1版增加了對66MHz總線操作的支持。信號復用，支持無限讀寫突發(fā)操作。

地址、數(shù)據信號共用信號線，信號不同階段表示不同含義。

33MHz

32位：132MB/s峰值傳送速率；

64位：264MB/s峰值傳送速率；

66MHz

64位：528MB/s峰值傳送速率。一、PCI總線的特點：P142，①～⑥324.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147適應性廣。臺式機、便攜機、服務器；3.3V、5V電源。并行總線操作。在PCI橋支持下，處理器總線、PCI總線與擴展總線可并行工作。一、PCI總線的特點：P142，①～⑥33設備識別供應商識別碼00H狀態(tài)寄存器命令寄存器04H分類代碼修改版本08H內含自測試頭標類型延時計數(shù)器Cache大小0CH基地址寄存器10H

14H

18H

1CH

20H

24H保留28H保留2CH擴展ROM基址寄存器30H保留34H保留38HMax-LatMin-Gnt中斷引腳中斷連線3CH目標設備的接口芯片中包含256字節(jié)的用于配置的存儲空間：344.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147以PCI總線讀操作為例：總線命令（地址節(jié)拍）C/BE[3:0]# 命令類型二、信號定義：P143～P1450000中斷應答0001特殊周期0010I/O讀0011I/O寫0110MEM讀0111MEM寫1010讀配置1011寫配置354.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147以PCI總線讀操作為例突發(fā)成組數(shù)據傳輸：一個分組＝一個地址節(jié)拍＋一個（多個）數(shù)據節(jié)拍（Addressphase）（Dataphase）二、信號定義：P143～P145364.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147二、信號定義：P143～P1451234CLK567FRAME#地址數(shù)據1數(shù)據2數(shù)據3主從AD[31:0]總線命令字節(jié)允許1字節(jié)允許2字節(jié)允許3C/BE[3:0]#IRDY#TRDY#DEVSEL#總線時鐘主設備準備好從設備準備好等待周期Tw地址節(jié)拍總線轉換周期數(shù)據節(jié)拍1數(shù)據節(jié)拍2數(shù)據節(jié)拍3總線傳送（一個分組）X374.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147FRAME#：幀周期信號，由主控設備驅動，表示一個總線周期的開始和結束。

DEVSEL#：設備選擇信號，從設備驅動?？偩€轉換周期：AD[31:0]既不被主設備也不被從設備驅動，以避免總線沖突。

寫操作無總線轉換周期。在同一個時鐘上升沿IRDY#和TRDY#都有效時，數(shù)據才可以傳送。第一個地址由地址節(jié)拍得到，以后線性相加。（線性增長方式）地址/數(shù)據復用：地址節(jié)拍、數(shù)據節(jié)拍二、信號定義：以PCI總線讀操作為例384.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147過程描述：二、信號定義：以PCI總線讀操作為例FRAME#地址節(jié)拍AD[31:0]：地址C/BE[3:0]：命令（總線讀）

0110總線轉換周期主：IRDY#從：DEVSEL#數(shù)據節(jié)拍FRAME#＝“0”FRAME#此為最后一個數(shù)據節(jié)拍若TRDY#或IRDY#在CLK為高電平，則主設備自動插入Tw39PCITimeline4.2內總線

4.2.1.4PCI總線三、PCI總線的發(fā)展404.2內總線 4.2.1.4PCI總線 P142～147三、PCI總線的發(fā)展：PCIExpress41ArchitectureComparisonPCIPCIExpressParallelSignaling33MT/Sto66MT/S32/64bitBusSidebandControlSignalsLoad-StoreArchitectureMemory,I/O,Config.PCIPowerManagementParityandECCSerialDifferentialInterface2.5GT/SScalableWidth:1X,2X…32XIn-bandcontrolLoadStoreArchitectureMemory,I/O,Config.&MessagesEnhancedConfigurationMechanism100%compatibleWithPCISoftwareAdvancedPowerManagementAdvancedRAS,NativeHotPlugSupportforQoS42PCIExpressenablesgreaterbandwidthandperformanceX16nextgenerationgraphicsfor4GBytes/second

perdirectionX1orgreaterI/Operformanceforfor

GbE,1394,etcfor250MBytes/second

perdirectionPCIExpressenablesnewusagemodelsIsochronoussupportforstreamingmediaforTVTuners,graphics,cameraNativeHotPlugsupportfornewformfactorsandmodules–ExpressCardTMGeneralPurposePCIExpressTopology43AGP(primarilyforgraphicscards)PCIExpressx132-bitPCIPCIExpressx1664-bitPCIISA常見的系統(tǒng)總線44微機原理及接口技術第4章總線4.3外總線（通信總線）45RS232C、RS-485Centronic、IEEE1284SCSI、SASIDE、ATA、SATAUSBIEEE1394IEEE4884.3外總線46DTE：數(shù)據終端設備DCE：數(shù)據通信設備4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口一、RS232C的特點：P159二、電氣特性、引腳功能：25針/9針D型連接器47信號傳送信息信號：TxD

②：發(fā)送數(shù)據線（DTE→DCE）RxD

③：接收數(shù)據線（DTE←DCE）聯(lián)絡信號：RTS④：請求發(fā)送（DTE→DCE）CTS⑤：清除發(fā)送（DTE←DCE）DTR(20)：DTE就緒（DTE→DCE）DSR⑥：DCE就緒（DTE←DCE）DCD：數(shù)據載波檢測（DTE←DCE）RI：振鈴指示（DTE←DCE）4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口二、電氣特性、引腳功能：25針/9針D型連接器48RTS：請求發(fā)送半雙工：RTS請求，CTS應答（DTE→DCE）全雙工：接恒定電平CTS：清除發(fā)送（DTE←DCE）DTR：DTE就緒，計算機一加電即有效（DTE→DCE）DSR：DCE就緒，Modem加電且連在線路時有效（DTE←DCE）DCD：數(shù)據載波檢測（DTE←DCE）“1”→本地DCE收到遠程DCE發(fā)的載波信號RI：振鈴指示（DTE←DCE）“1”→本地DCE收到遠程DCE發(fā)的振鈴信號4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口二、電氣特性、引腳功能：25針/9針D型連接器49電平（一般為±12V）4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口二、電氣特性、引腳功能：25針/9針D型連接器數(shù)據信號（RxD、TxD）控制信號（RTS等）邏輯1－3～－15V（傳號）＋3～＋15V（接通）邏輯0＋3～＋15V（空號）－3～－15V（斷開）50與TTL電平轉換TTL→RS232C：MC1488，SN75150，±15V供電RS232C→TTL：MC1489，SN75154，＋5V供電MAX232：單＋5V供電，內部有電壓倍增電路

CMOS/TTL←→RS232C4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口二、電氣特性、引腳功能：25針/9針D型連接器51使用Modem連接

電纜信號一一對應，共10線。

（保護地、信號地、……）軟硬件系統(tǒng)調試：控制臺、超級終端4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口三、RS232的應用計算機（DTE）Modem（DCE）Modem（DCE）計算機（DTE）電話線52直接連接：計算機（DTE）←→計算機（DTE）

用于近程通信，＜15米，多種連法，舉二例。交叉連接方式三線經濟方式4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口三、RS232的應用53直接連接：計算機（DTE）←→計算機（DTE）交叉連接方式4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口三、RS232的應用全雙工全雙工54直接連接：計算機（DTE）←→計算機（DTE）三線經濟方式

軟件不需要檢測CTS、DSR狀態(tài)。4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口三、RS232的應用55RS423：單端輸出、差分接收（非平衡傳輸）1200米 1Kbps90米 100KbpsRS422：差分輸出、差分接收（平衡差分傳輸）1200米 100Kbps90米 10Mbps4.3外總線4.3.1RS-232C串行通信接口四、RS423、RS422564.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165SCSI：SmallComputerSystemInterface，讀作“Scuzzy”開發(fā)目的：使用邏輯地址而非物理地址尋址數(shù)據

不依賴于計算機系統(tǒng)總線計算機外存SCSI574.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165AnassortmentofvariousSCSIconnectorsonthebacksoftwoZipdrivesandanexternalharddiskdrive.EachofthesedeviceshasacontrolonthebackforchangingtheSCSIID

numberoftheunit.EachalsohastwoSCSIportssothatadditionalSCSIdevicesmaybedaisy-chainedon.Notethediamond-shapedSCSIsymbolintheupper-rightcornerofthepicture.58適用范圍廣IDE接口：每個IDE通道占用一個IRQ；一塊標準主板只有兩個IDE通道，每個IDE通道最多可接兩個設備。SCSI：可連接設備數(shù)超過15個，所有設備只占用一個中斷號。傳輸速率高Ultra320SCSI：320MB/sSCSI5：640MB/s4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165一、特點59提高了CPU的效率，CPU占用率低SCSI控制卡/控制器中有專門的芯片，用來負責SCSI數(shù)據的處理。CPU只需將命令傳輸給SCSI的專用處理芯片，后面有關的處理工作由SCSI專用芯片處理。支持多任務在對一個設備進行數(shù)據傳輸?shù)耐瑫r，允許另一個設備對其進行數(shù)據訪問。對網絡服務器系統(tǒng)尤為重要。智能化SCSI卡上的專用處理芯片對CPU指令進行排隊。在多任務時，硬盤會根據當前磁頭位置，將鄰近的任務完成，再逐一處理后面的任務。4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165一、特點60是通用接口，是一種設備無關的I/O子系統(tǒng)。

磁盤、磁帶、CD-ROM、CDRW、……PC、服務器、工作站、小型機、……使用高級命令通信，不涉及物理地址總線上主機適配器＋外設控制器≤8個多任務：主機外設外設外設占用CPU資源少

智能：有專用命令集，

有總線仲裁、設備選擇功能。4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165一、特點：SCSI-1、SCSI-2接口本身的功能61兩種工作方式：同步數(shù)據傳輸

SCSI-1：5MB/s

SCSI-2：10MB/s異步數(shù)據傳輸

SCSI-1：1.5～3MB/sSCSI總線上的設備無主/從之分?？偩€上任何設備可作啟動設備，也可作目標設備。4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165一、特點：SCSI-1、SCSI-2ANSIX3.131-198662驅動方式單端：最大總線長度為6米。差分：最大總線長度為25米。LVD：最大總線長度為12米。三種驅動方式不能共存（驅動電路、接收電路）4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165一、特點：SCSI-1、SCSI-2LowVoltageDifferential，低壓差動負邏輯“1”低電平“0”高電平信號成對使用，無公共地“＋”＞“－”電平：“1”“＋”＜“－”電平：“0”634.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165二、設備連接644.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165三、總線信號啟動設備A電纜接口目標設備A電纜接口DB7～DB0，DBPREQACKC/DI/OSEL（OC）MSGBSY（OC）ATNRST（OC）65DB7～DB0，DBP：

命令，數(shù)據，狀態(tài)，消息，SCSI-ID

REQ，ACK：握手信號C/D “0”：DB7～DB0為數(shù)據

“1”：為命令、狀態(tài)、消息

I/O “0”：數(shù)據啟動設備→目標設備

“1”：數(shù)據啟動設備←目標設備

SEL “1”：處于選擇、再選擇階段

MSG “1”：處于消息階段4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165三、總線信號66ATN＝“1”：啟動設備有消息要傳送。

BSY＝“1”：SCSI總線正在使用。

RST＝“1”：復位SCSI總線上的所有設備。4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165三、總線信號67概述啟動設備（Initiator）選擇一個目標設備，并發(fā)送一條命令。目標設備（Target）被選中并接收命令，即獲得總線控制權，將命令傳送到相應的LUN（邏輯單元）去執(zhí)行。目標設備釋放總線。LUN：物理外設；

執(zhí)行SCSI命令所需的邏輯電路。

（每個Target至少有一個LUN）4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165四、工作過程68SCSIID

每個SCSI設備有一個ID，不能相同。

優(yōu)先級：ID7＞ID6＞……

＞ID0

SCSI適配器（SCSI卡）

可接7個設備4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165四、工作過程69總線階段 ①信號上的表現(xiàn)4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165四、工作過程總線階段SELMSGC/DI/O數(shù)據方向數(shù)據類型選擇1xx0I→T再選擇1xx1I←T數(shù)據輸出0000I→T數(shù)據數(shù)據輸入0001I←T數(shù)據命令0010I→T命令狀態(tài)0011I←T狀態(tài)消息輸出0110I→T消息消息輸入0111I←T消息70總線階段 ②

SCSI階段遷移圖（簡化）4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165四、工作過程SCSI-1總線空閑仲裁選擇消息數(shù)據命令消息狀態(tài)71總線階段

例：TestUnitReady命令階段遷移表

（6字節(jié)命令，命令碼為全0）4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165四、工作過程72階段序號階段名DB7～DB0說明0空閑1仲裁C0H110000002選擇81H100000013消息輸出80HIdentify消息→確認設備4命令00H發(fā)送“TestUnitReady”命令5命令00H6命令00H7命令00H8命令00H9命令00H10狀態(tài)00H操作成功（Good狀態(tài)）11消息輸入00HCommandComplete消息12空閑命令執(zhí)行完畢ID7與ID6競爭總線，ID7獲得控制權啟動設備（ID7）選擇目標設備（ID0）73串行SCSI總線：SAS總線4.3外總線4.3.2.1SCSI總線P161～165五、SCSI總線的發(fā)展744.3外總線4.3.2.3USB總線P167～169USB：通用串行總線，UniversalSerialBusAUSBportonthesideofaPowerBookcomputer,alongwiththematchingcableconnectoraboveit.NotetheUSBsymbolthatappearsnexttotheport.USBFlashDrives(keydrives)comeinavarietyofshapesandcolors(oneexampleisshownbelow).Theystoredataonflashmemorychips.Thestoragecapacityvaries,butanythingfrom16MBtooveragigabyteareavailable.75目前PC機I/O模式的缺點：PC外設日益豐富，接口、擴展槽有限；種類繁多的接口電纜線。I/O資源分配（I/O空間、IRQ、DMA）

→接口卡一多，上述資源可能耗盡。熱插拔、PnP的需求。4.3外總線4.3.2.3USB總線P167～169一、對USB的需求76USB的特點/優(yōu)點：單一接口類型。4芯接口每個USB總線支持127個外設。整個USB系統(tǒng)只用一個端口、一個中斷→

節(jié)省系統(tǒng)資源支持熱插拔、動態(tài)加載驅動程序：

帶電拔出后自動回收資源；

PnP，自動配置。4.3外總線4.3.2.3USB總線P167～169一、對USB的需求1：電源2：D－3：D＋4：GND采用差分傳送77USB的特點/優(yōu)點：三種速