微机原理与接口技术第10章课件.ppt
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- 微机 原理 接口 技术 10 课件
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1、第第1010章章 总线总线10.1 10.1 计算机的发展及应用计算机的发展及应用10.2 10.2 微型计算机的组成微型计算机的组成10.3 10.3 计算机中数据信息的表示方法计算机中数据信息的表示方法10.1 10.1 总线概述总线概述 超大规模集成电路(超大规模集成电路(VLSIVLSI)技术的发展,使得各种功能强)技术的发展,使得各种功能强大的逻辑部件可以集成在一块小小的印刷电路板上,同时任何大的逻辑部件可以集成在一块小小的印刷电路板上,同时任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外设相连接,但如果将一个微处理器都要与一定数量的部件和外设相连接,但如果将各部件和每一种外设都分别用一组线
2、路与各部件和每一种外设都分别用一组线路与CPUCPU直接连接,那么连直接连接,那么连线将会错综复杂,甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简线将会错综复杂,甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构,常用一组线路配置以适当的接口电路与各部件和化系统结构,常用一组线路配置以适当的接口电路与各部件和外设连接,这组共用的连接线路被称为总线。总线是各种信号外设连接,这组共用的连接线路被称为总线。总线是各种信号线的集合,是计算机各部件之间传输数据、地址和控制信息的线的集合,是计算机各部件之间传输数据、地址和控制信息的公共通道。采用总线结构便于各部件和设备的扩充,尤其是制公共通道。采用总线结构便于各部
3、件和设备的扩充,尤其是制定统一的总线标准更易于使不同设备之间实现互连。定统一的总线标准更易于使不同设备之间实现互连。1.1.总线概念和特点总线概念和特点 总线是计算机系统中的一组能为多个部件分时共享的公共传总线是计算机系统中的一组能为多个部件分时共享的公共传输通路。它是许多信号线的集合,是微型计算机芯片、各部件间输通路。它是许多信号线的集合,是微型计算机芯片、各部件间和外部设备间相互进行信息或数据交换的通路。计算机内部的信和外部设备间相互进行信息或数据交换的通路。计算机内部的信息流和数据流在总线中定向的流动形成了计算机的各种操作。在息流和数据流在总线中定向的流动形成了计算机的各种操作。在微型计
4、算机系统板上,微处理器、存储器部件、接口电路等各种微型计算机系统板上,微处理器、存储器部件、接口电路等各种部件之间有大量的信息需要使用总线相互传送;系统与系统之间、部件之间有大量的信息需要使用总线相互传送;系统与系统之间、插件与插件之间、同一插件上的各个芯片之间也都需要通过总线插件与插件之间、同一插件上的各个芯片之间也都需要通过总线传输信息。传输信息。10.1.1 10.1.1 总线基本概念和分类总线基本概念和分类 1.1.总线的概念特点总线的概念特点 总线是计算机系统中的一组能为多个部件分时共享的公共传输通总线是计算机系统中的一组能为多个部件分时共享的公共传输通路,是许多信号线的集合,是微型
5、计算机芯片、各部件间和外部设备路,是许多信号线的集合,是微型计算机芯片、各部件间和外部设备间相互进行信息或数据交换的通路。间相互进行信息或数据交换的通路。总线的特点如下:总线的特点如下:(1 1)通用性。)通用性。(2 2)便于用户的二次开发。)便于用户的二次开发。(3 3)便于系统的更新。)便于系统的更新。(4 4)可不断提高系统的功能。)可不断提高系统的功能。局部总线局部总线直接连接到直接连接到CPUCPU总线的总线的I/OI/O总总线,因此使有高需求的外设和线,因此使有高需求的外设和处理器更密集地集成,为外设处理器更密集地集成,为外设提供了更宽更快的高速通路。提供了更宽更快的高速通路。C
6、PU总线总线又称为片内总线,是微机系统又称为片内总线,是微机系统中速度最快的总线,位于中速度最快的总线,位于CPUCPU内内部,作为运算器、控制器、寄部,作为运算器、控制器、寄存器组等功能单元之间的信息存器组等功能单元之间的信息通路。通路。系统总线系统总线通常一个模块就是一块插件通常一个模块就是一块插件板,各个插件板的插座之间采板,各个插件板的插座之间采用总线连接,以实现相互间的用总线连接,以实现相互间的信息交换和数据传输,这样的信息交换和数据传输,这样的总线叫做系统总线。总线叫做系统总线。通信总线通信总线用于主机和用于主机和I/OI/O设备或者微设备或者微机系统与微机系统之间通信机系统与微机
7、系统之间通信的总线,又称为外部总线。的总线,又称为外部总线。1)按总线分级)按总线分级结构划分结构划分2.2.总线的分类总线的分类地址总线地址总线用于传输地址信息,用于传输地址信息,一般采用三态逻辑。一般采用三态逻辑。数据总线数据总线用于传输数据,具有双向用于传输数据,具有双向三态逻辑。数据总线的宽三态逻辑。数据总线的宽度表示了总线传输数据的度表示了总线传输数据的能力,反映了总线的性能。能力,反映了总线的性能。控制总线控制总线用于传输控制、状态和时用于传输控制、状态和时序信号,有些信号时单向序信号,有些信号时单向的,有些是双向的。的,有些是双向的。2 2)按总线功能或信号类型划分)按总线功能或
8、信号类型划分寻址阶段寻址阶段申请阶段申请阶段传输阶段传输阶段结束阶段结束阶段当系统总线上有多个主控模块时,需要使用总线当系统总线上有多个主控模块时,需要使用总线的总控模块提出申请,由总线仲裁部分确定把下的总控模块提出申请,由总线仲裁部分确定把下一传输周期的总线使用权授给哪个模块。若系统一传输周期的总线使用权授给哪个模块。若系统总线上只有一个主控模块,就无需这一阶段。总线上只有一个主控模块,就无需这一阶段。取得总线使用权的主控模块,通过总线发出本取得总线使用权的主控模块,通过总线发出本次打算访问的从属模块的地址及有关命令,以次打算访问的从属模块的地址及有关命令,以启动参与本次传输的从属模块。启动
9、参与本次传输的从属模块。主控模块和从属模块之间进行数据传输,数据主控模块和从属模块之间进行数据传输,数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。由源模块发出经数据总线流入目的模块。主控模块的有关信息均从系统总线上撤主控模块的有关信息均从系统总线上撤除,让出总线。除,让出总线。10.1.2 10.1.2 总线基本功能总线基本功能总线操作周期分为总线操作周期分为4 4个阶段个阶段 功能规范功能规范规定每个引脚信号的名称和规定每个引脚信号的名称和功能,对它们相互作用的协功能,对它们相互作用的协议进行说明。议进行说明。机械结构规范机械结构规范规定模块尺寸、总线插头、规定模块尺寸、总线插头、边沿联接器等规格
10、和位置。边沿联接器等规格和位置。电气规范电气规范 规定信号工作时的高低电规定信号工作时的高低电平、动态转换时间、负载能力平、动态转换时间、负载能力及最大额定值。及最大额定值。定时规范定时规范对于存储器和对于存储器和I/OI/O读、写操作,读、写操作,规定相应的总线信号时序,在规定相应的总线信号时序,在总线中定义这些信号的时序以总线中定义这些信号的时序以保证各功能的兼容性。保证各功能的兼容性。总线标准的基本总线标准的基本内容内容10.1.3 10.1.3 总线标准的基本内容总线标准的基本内容同步式传输同步式传输此方式用此方式用“系统时钟系统时钟”作为控作为控制数据传送的时间标准。主控制数据传送的
11、时间标准。主控制设备与从控制设备进行一次制设备与从控制设备进行一次传送所需的时间传送所需的时间(称为传输周称为传输周期或总线周期期或总线周期)是固定的,其是固定的,其中每一步骤的起止时刻,也都中每一步骤的起止时刻,也都有严格的规定,都以系统时钟有严格的规定,都以系统时钟来进行同步。来进行同步。异步式传输异步式传输异步式传输采用异步式传输采用“应答式应答式”传输技术。用传输技术。用“请求请求”和和“应答应答”两条信号线来协调两条信号线来协调传输过程,而不依赖于公共传输过程,而不依赖于公共时钟信号。它可以根据模块时钟信号。它可以根据模块的速率自动调整响应的时间,的速率自动调整响应的时间,连接任何类
12、型的外围设备,连接任何类型的外围设备,都不需要考虑该设备的速率,都不需要考虑该设备的速率,从而避免同步式传输的上述从而避免同步式传输的上述缺点。缺点。半同步式传输半同步式传输此种方式是前两种方式的折中。此种方式是前两种方式的折中。从总体上看,它是一个同步系从总体上看,它是一个同步系统,仍用系统时钟来定时,用统,仍用系统时钟来定时,用某一时钟脉冲的前沿或后沿判某一时钟脉冲的前沿或后沿判断某一信号的状态,或控制某断某一信号的状态,或控制某一信号的产生或消失,使传输一信号的产生或消失,使传输操作与时钟同步。操作与时钟同步。10.1.4 10.1.4 总线的控制及数据传输总线的控制及数据传输 早期的早
13、期的PCPC系列机采用的系统总线叫系列机采用的系统总线叫PCPC总线、总线、PC/ATPC/AT总线,后来经总线,后来经过标准化后称为过标准化后称为ISAISA(Industrial Standard ArchitectureIndustrial Standard Architecture)总线。)总线。为了赢得市场,为了赢得市场,IBMIBM公司公布了公司公布了ISAISA总线的全部规范和机器的硬件结构。总线的全部规范和机器的硬件结构。这确实见效,其机器迅速占领微机市场,但随之而来出现了一大批兼这确实见效,其机器迅速占领微机市场,但随之而来出现了一大批兼容机厂家。为此容机厂家。为此IBMIB
14、M公司在推出第一台公司在推出第一台8038680386机时创立了一种和机时创立了一种和ISAISA总总线不兼容的线不兼容的MCAMCA(Micro Channel ArchitectureMicro Channel Architecture)总线。)总线。IBMIBM公司吸取公司吸取以前的教训,未公布其标准,企图垄断市场。以前的教训,未公布其标准,企图垄断市场。10.1.5 PC10.1.5 PC系列机中系统总线的发展简介系列机中系统总线的发展简介 为了提高高速图像显示在总线上的传输效率,为了提高高速图像显示在总线上的传输效率,VESAVESA(Video Video Electronics
15、Standard AssociationElectronics Standard Association)与)与6060余家显示接口制造商联合余家显示接口制造商联合推出了一种全开放的通用的局部总线标准推出了一种全开放的通用的局部总线标准VL-BusVL-Bus(VESA Local BusVESA Local Bus)。)。VL-BusVL-Bus是在处理器与是在处理器与EISAEISA等传统系统总线之间另开辟的一条总线。采等传统系统总线之间另开辟的一条总线。采用该局部总线显示接口可以与微处理器同步工作。由于用该局部总线显示接口可以与微处理器同步工作。由于VL-BusVL-Bus具有较具有较高
16、的数据传输效率,因此在高的数据传输效率,因此在8048680486系统中得到了广泛应用。但系统中得到了广泛应用。但VL-BusVL-Bus存在诸多不足,例如,其数据线和地址线直接与微处理器相连,加重存在诸多不足,例如,其数据线和地址线直接与微处理器相连,加重了微处理器的负载,即要求微处理器有推动了微处理器的负载,即要求微处理器有推动VLVLBusBus的功率,微处理的功率,微处理器本身也会因此过热;器本身也会因此过热;VL-BusVL-Bus板卡比较长,它的插槽的前部是标准的板卡比较长,它的插槽的前部是标准的ISAISA插槽(以实现和插槽(以实现和ISAISA总线兼容),后部才是总线兼容),后
17、部才是VL-BusVL-Bus特色部分,接口特色部分,接口卡长使得插拔不方便,也增加了制造成本。因此在与另一个局部总线卡长使得插拔不方便,也增加了制造成本。因此在与另一个局部总线即即PCIPCI总线的竞争中败北。总线的竞争中败北。10.2 PCI10.2 PCI总线总线 PCI PCI总线称为外部设备互连总线,实现了微处理器与外围设备总线称为外部设备互连总线,实现了微处理器与外围设备之间的高速通道,总线频率之间的高速通道,总线频率33 MHz33 MHz,与,与CPUCPU的时钟频率无关;总线的时钟频率无关;总线宽度宽度3232位,并可以扩展到位,并可以扩展到6464位,所以其带宽达到了位,所
18、以其带宽达到了132264 MB/s132264 MB/s。PCIPCI总线是总线是IntelIntel公司于公司于19911991年下半年首先提出的,并与年下半年首先提出的,并与IBMIBM、CompaqCompaq、ASTAST、HPHP、DECDEC等等100100多家公司联合成立了多家公司联合成立了PCI Special PCI Special Interest GroupInterest Group(PCI SIGPCI SIG),于),于19921992年年6 6月推出了月推出了PCIPCI总线标准总线标准1.01.0版,版,19931993年年4 4月底发布了月底发布了2.02.
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