第2章-总线技术课件.ppt
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1、2022-8-5计算机接口技术1第第2章章 总线技术总线技术本章主要内容本章主要内容 总线的组成和作用、性能参数、标准总线的组成和作用、性能参数、标准 总线传输操作过程总线传输操作过程 现代微机系统总线新技术现代微机系统总线新技术 ISA总线总线 PCI总线总线 2.1 总线的作用与组成总线的作用与组成2022-8-5计算机接口技术2微机体系结构的重要组成部分系统中传递各类信息的通道系统中各模块间的物理连接数据总线地址总线控制总线电源线和地线作用作用组成组成 2.2 总线的性能参数总线的性能参数 2022-8-5计算机接口技术3反映总线工作速率数据总线的位数总线上可传输的数据总量总线传输率(总
2、线宽度8位)总线频率同步和异步 2022-8-5计算机接口技术4地址线和数据线能共用一条物理线,如PCI一般采用“可连接的扩增电路板的数量”来表示数据线、控制线和地址线的总和如传输方式、设备配置方式、中断分配和仲裁方式等 2.3 总线传输操作过程总线传输操作过程 总线传输总线传输是指在主控器(如在主控器(如CPUCPU、DMACDMAC等)控制下通过等)控制下通过 各级总线进行的信息传送各级总线进行的信息传送(数据读写)操作操作。总线完成一次数据传输操作总线完成一次数据传输操作,一般经过四个阶段四个阶段。2022-8-5计算机接口技术51.申请与仲裁阶段2.寻址阶段3.传输阶段4.结束阶段 2
3、.4 总线标准与总线插槽总线标准与总线插槽 总线标准总线标准是指微机系统的各成员之间利用总线进行信息微机系统的各成员之间利用总线进行信息传输时应遵守的协议和规范传输时应遵守的协议和规范。包括信号线定义信号线定义、电气特性电气特性、机械特性机械特性、插头插头/插座插座等一系列规定。有内总线与外总线之分。内部总线标准内部总线标准:如ISA、EISA、PCI-X、PCIE等外部总线标准外部总线标准:如RS-232C、RS-485、USB、SPI、IEEE-488、GPIB/VXI等2022-8-5计算机接口技术6 总线插槽总线插槽是将总线的每根信号线都分配一个总线将总线的每根信号线都分配一个总线引脚
4、,并按一定的顺序排列做成一个个插槽引脚,并按一定的顺序排列做成一个个插槽,把这种插槽叫做系统总线插槽。如图如图2.1所示所示的PCI总线的标准插槽。2022-8-5计算机接口技术7图2.1 PCI总线标准插槽 2.5 现代微机系统总线的新技术现代微机系统总线的新技术 1.多总线技术多总线技术 在一个微机系统中同时存在几种性能不同的总线,并按其性能的高低分层次构成总线系统的技术多总线技术多总线技术大大增强了系统的兼容性。增强了系统的兼容性。2.总线结构层次化技术总线结构层次化技术 将总线按性能高低分层组织,主要有三个层次。总线结构层次化技术总线结构层次化技术直接促成接口分层次概念直接促成接口分层
5、次概念2022-8-5计算机接口技术8提供系统的数据、地址,控制命令等,速度最快提供高速外设与CPU间的数据通路提供系统与一般速度或慢速设备的连接现代微机系统的多总线的层次化结构多总线的层次化结构如图如图2.2所示所示。2022-8-5计算机接口技术9图2.2 总线的层次化结构2022-8-5计算机接口技术103总线桥总线桥 (1)总线桥的概念)总线桥的概念 总线桥总线桥是不同总线之间是不同总线之间的转换器和控制器转换器和控制器。桥的内部桥的内部包含有一些相当复杂的兼容相当复杂的兼容协议协议及总线信号和数据的及总线信号和数据的缓冲电路缓冲电路,以便把一条总线映射到另一条总线上。实现“即插即用即
6、插即用”的的配置空间配置空间也放也放在在桥内桥内。桥与桥与I/0设备接口之不同设备接口之不同,一是一是所连接的对象不一样对象不一样,二是二是传递传递信息的方法不同信息的方法不同。桥桥是间接传递信息是间接传递信息,桥桥两端的信息是一种映射两端的信息是一种映射的关系的关系,因此可动态改变。接口接口是直接传递信息是直接传递信息,接口接口两端的信两端的信息通过硬件直接传递信息息通过硬件直接传递信息,是一种固定的关系。实现桥两端信息映射关系实现桥两端信息映射关系的是桥内的桥内的配置空间配置空间,它既不是不是I/O空空间间,也不是存储器空间不是存储器空间,而是专门用于为是专门用于为两种总线之间两种总线之间
7、进行进行资源资源动态配置动态配置的特殊地址空间的特殊地址空间,正是由于这种资源的可动态分配,才使现代微机的即插即用技术得以实现。(2)PCI总线芯片组总线芯片组 实现这些总线桥功能实现这些总线桥功能的是一组大规模集成专用电路大规模集成专用电路,称为PCI总线芯片组或PCI总线组件。4.多级总线结构中,多级总线结构中,设备设备与与总线总线的连接的连接2022-8-5计算机接口技术11低速低速IO设备设备,扩展存储器扩展存储器与本地总线(本地总线(ISA)连接)连接高速外设高速外设通过其内部的总线桥直接挂在直接挂在PCI总线上总线上高速主存储器高速主存储器通过自身的总线桥直接连到直接连到Host桥
8、桥多级总线结构中设备与总线的连接多级总线结构中设备与总线的连接如图如图2.3所示所示2022-8-5计算机接口技术12图2.3 现代微机多级总线与各类外设接口的连接2.6 ISA总线总线2.6.1 ISA总线在多总线结构中的作用总线在多总线结构中的作用早期早期ISA总线作为16位微机系统的系统总线系统总线,现代微机现代微机系统中系统中作为本地本地或用户总线用户总线。PCIPCI高速总线出现后高速总线出现后ISAISA总线作为总线作为用户总线用户总线连接连接一些低低速设备速设备。在现代微机系统中在现代微机系统中,ISAISA总线还在使用总线还在使用,只是不用做系只是不用做系统总线了统总线了,而用
9、于低速设备,处在总线层次结构中的最底层。2022-8-5计算机接口技术132.6.2 ISA总线的信号线和插槽总线的信号线和插槽 ISAISA总线标准总线标准共有共有9898根根信号线信号线,分别是地址线地址线、数据线数据线、控控制线制线、时钟和电源线。主要信号线定义主要信号线定义如表如表2.12.1所示所示。2022-8-5计算机接口技术14信号线名称信号线名称功能定义功能定义SA0SA19(出)地址线,传输20位地址SD0SD15(双向)数据线 传输16位数据AEN(出)地址允许 AEN=1 DMA传输;AEN=0,非DMA传输IOR(出)I/O读命令IOW(出)I/O写命令SMEMR(出
10、)存储器读命令SMEMW(出)存储器写命令表2.1 ISA总线主要信号线定义接上表接上表2022-8-5计算机接口技术15信号线名称信号线名称功能定义功能定义MEMCS16(出)16位存储器片选信号I/OCS16(出)16位I/O设备片选信号SBHE(出)总线高字节允许信号IRQ2IRQ7(入)INTR中断请求线,连到主中断控制器 IRQ10IRQ15(入)INTR中断请求线,连到从中断控制器DRQ1DRQ3(入)DMA请求线,连到主DMA控制器 DRQ5 DRQ7(入)DMA请求线,连到从DMA控制器 DACK1DACK3(出)主DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期DACK5DACK7(
11、出)从DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期MASTER(入)请求占用总线,由有主控能力的I/O设备卡驱动接上表接上表2022-8-5计算机接口技术16信号线名称信号线名称功能定义功能定义RSTDRV(出)系统复位信号,复位和初始化接口和I/O设备I/OCHCK(出)I/O 通道检查信号,当I/O奇偶校验错时,产生NMI中断I/OCHRDY(入)I/O 通道就绪信号,当该信号变低,请求插入等待状态周期OWS(入)零等待状态信号,该信号为低电平时,无需插入等待周期OSC/CLK(入)时钟12V、5V(入)电源ISA总线引脚插槽总线引脚插槽分布分布如图如图2.4所示。所示。2022-8-5计算机
12、接口技术172.6.3 ISA总线的特点及应用总线的特点及应用1.ISA总线的总线的特点特点2022-8-5计算机接口技术18特点特点支持16MB存储器地址的寻址能力和64KB I/O64KB I/O端口端口地址地址的访问能力支持8 8位位和1616位数据位数据读/写能力支持1515级外部硬件中断级外部硬件中断处理和7 7级级DMADMA传输传输能力支持8/16 I/O、存储器读/写周期,中断周期和DMA周期 2.ISA总线的应用总线的应用I/O设备接口与设备接口与ISA总线的连接总线的连接如图如图2.5所示所示。2022-8-5计算机接口技术19图2.5 ISA(用户)总线与I/O设备接口的
13、连接 使用使用ISA总线需要注意的问题总线需要注意的问题2022-8-5计算机接口技术20确定实际使用的总线数目总线的隔离与驱动对一些有特殊要求的总线的使用 2.7 PCI 总线总线 PCIPCI(Peripheral Component Interconnect)的 含义含义是外围器件互连外围器件互连。随着PCI总线技术的不断发展,继继PCIPCI总线之后总线之后又有PCI-XPCI-X 总线和PCI ExpresPCI Expres总线总线。2022-8-5计算机接口技术21计算机接口技术21采用分离事物处理方式,大幅度地提高了总线的利用率。PCI Expres PCI Expres 总线
14、总线基于串行差动传输、高带宽、点对点的总线技术,适用于高速设备。PCI-X PCI-X 总线总线2.7.1 PCI总线的主要特点:总线的主要特点:2022-8-5计算机接口技术22特点特点n 独立于微处理器独立于微处理器n 多总线共存多总线共存n 支持突发传输支持突发传输n 支持即插即用支持即插即用n 支持三类地址空间访问支持三类地址空间访问2.7.2 PCI 总线的信号线总线的信号线 PCI 主设备主设备和和从从(目标目标)设备设备:取得了总线控制权的设备取得了总线控制权的设备称为主设备主设备。被主设备选中被主设备选中进行数据交换的设备的设备称为从从(目标目标)设备设备。必须信号线和可选信号
15、线:必须信号线和可选信号线:对于必须信号线必须信号线,主设备有主设备有4949条条,从设备有从设备有4747条条。对于可选信号线可选信号线,有有5151条条,主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等。2022-8-5计算机接口技术23 PCI PCI总线信号线总线信号线如图如图2.62.6所示所示:2022-8-5计算机接口技术24图2.6 PCI总线信号线 1.地址和数据信号地址和数据信号地址期地址期 当FRAME#有效时的第1个时钟,AD3100AD3100上传输的是地址上传输的是地址信号。数据期数据期 当IRDY#和TRDY#同时有效时,AD3100AD3100上传输的为数据上传输的
16、为数据信号。在地址期在地址期,这4条线上传输传输的是总线命令总线命令(代码)。在数据期在数据期,它们传输传输的是字节允许信号字节允许信号,用来指定在整个数据期中指定在整个数据期中,AD3100上哪些字节哪些字节为有效数据有效数据。2022-8-5计算机接口技术25AD31AD310000地址和数据复用的输入/输出信号,分为地址期和数据期C/BE C/BE#03#030000 总线命令和字节允许复用信号 2.接口控制信号接口控制信号2022-8-5计算机接口技术26FRAME#FRAME#帧周期帧周期信号,由当前主设备驱动,表示表示一次传输的开始一次传输的开始和持续持续。IRDY#IRDY#主设
17、备准备好主设备准备好信号TRDY#TRDY#从设备准备好从设备准备好信号IDSEL INIDSEL IN 初始化设备选择初始化设备选择信号DEVSEL#DEVSEL#设备选择设备选择信号 3.仲裁信号仲裁信号2022-8-5计算机接口技术27REQ#REQ#总线占用请求总线占用请求信号。GNT#GNT#总线占用允许信总线占用允许信号 4.中断信号中断信号2022-8-5计算机接口技术28PCIPCI有有4 4条中断线条中断线,分别是INTA#INTA#、INTB#INTB#、INTC#INTC#、INTD#INTD#。中断申请触发方式中断申请触发方式,电平触发电平触发,低电平有效低电平有效。中
18、断线使用中断线使用,单功能设备单功能设备只有一条中断线只有一条中断线,并且只能使用并且只能使用INTA#INTA#,多功能设备多功能设备最多可以使用使用4 4条中断线条中断线。2.7.3 PCI 总线的三种地址空间总线的三种地址空间 PCI总线总线定义了内存地址空间内存地址空间、I/OI/O地址空间地址空间、配置地址空间配置地址空间 3种种物理地址空间物理地址空间。其中,内存地址空间内存地址空间和I/O地址空间是地址空间是通常意义通常意义的地址空间,而配置地址空间配置地址空间用于支持硬件资源配置硬件资源配置和进行地址映射进行地址映射,并且被安排存放在总线桥内存放在总线桥内。一般用户不使用配置空
19、间地址一般用户不使用配置空间地址。三者地址的寻址范围、寻址数据的宽度及所处的位置不同。2022-8-5计算机接口技术29地址空间类型地址空间类型寻址范围寻址范围寻址宽度寻址宽度位置位置 I/O地址空间4G 字节字节接口电路的寄存器接口电路的寄存器 内存地址空间1G 双字节双字节存储器存储器 配置地址空间64个双字节双字节总线桥的配置寄存器总线桥的配置寄存器2.7.4 PCI 设备与设备与PCI功能功能 1.PCI设备设备 PCIPCI设备设备是能够理解能够理解PCIPCI协议协议和支持标准的支持标准的PCIPCI操作操作,并且拥有由拥有由PCIPCI-SGSG分配的唯一固定的厂商标志码分配的唯
20、一固定的厂商标志码的各类设备。PCIPCI设备设备可以可以通过设备自带的总线桥总线桥直接挂到直接挂到PCIPCI总线总线,包括PCI总线上的PCI器件和PCI插槽上的PCI卡。如PCI-ISA总线接口卡、高速PCI显示器卡等。ISA设备与设备与ISA设备不同之处:设备不同之处:ISAISA设备,设备,如键盘、打印机、鼠标、LED显示器,不具备不具备PCIPCI设备的特点设备的特点,不能直接与不能直接与PCIPCI高速总线相连高速总线相连,而是与本地与本地ISAISA总线相连总线相连。ISAISA设备设备必须通过通过ISAISA总线和总线和PCI-ISAPCI-ISA桥桥才能与与PCIPCI总线
21、连总线连接接而进入微机系统中来。2022-8-5计算机接口技术302022-8-5计算机接口技术31图2.7 PCI设备与ISA设备 PCI设备和设备和ISA设备与系统的连接设备与系统的连接如图如图2.7所示所示。2.PCI功能功能 PCIPCI功能功能是一个PCIPCI物理设备物理设备可能包含包含的具有独立功能的具有独立功能的逻辑设备逻辑设备,一个一个PCIPCI设备设备可包含1818个个PCIPCI功能功能。若是单功能设备,则无PCI设备与PCI功能的区别,就统称PCI设备。PCIPCI规范规范要求对每个每个PCIPCI功能功能都配备都配备一个一个256256字节的配置空字节的配置空间间。
22、2022-8-5计算机接口技术322.7.5 PCI 设备配置空间设备配置空间1.PCI配置空间的作用配置空间的作用 PCIPCI配置空间配置空间是PCIPCI设备和设备和PCIPCI功能功能专用的地址空间专用的地址空间。2022-8-5计算机接口技术33作用n 分配给PCI设备,存放必要的配置信息n 建立本地用户总线与PCI总线资源的映射关系n 支持设备的即插即用2.PCI配置空间的格式配置空间的格式 每个 PCI 设备都分配有 64 个双字的配置空间,其开头开头16 16 个双字个双字称为称为 PCI PCI 设备的设备的配置空间头区域配置空间头区域,分为分为三类三类。它们的用途和格式均不
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