微型計算機的總線技術(shù).ppt

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1、本章主要教學(xué)內(nèi)容 l總線的基本概念，微機總線的組成結(jié)構(gòu) l片內(nèi)總線、內(nèi)總線、外總線的含義及其應(yīng)用特點 l常用系統(tǒng)總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳特性 l常用局部總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳特性 l微型計算機系統(tǒng)中采用的標準總線及特點和應(yīng)用場合,第4章 微型計算機的總線技術(shù),,第4章 微型計算機的總線技術(shù),本章教學(xué)目的及要求 l從總線的基本概念入手，分析常用的系統(tǒng)總線和局部總線，熟悉各類總線的特點和功能 。 l掌握系統(tǒng)總線、局部總線的應(yīng)用。 l熟悉微型計算機系統(tǒng)中采用的標準總線 。,,4.1 總線技術(shù)概述 4.1 總線技術(shù)概述 通常有以下3類總線： 1. 微處理器片內(nèi)總線 片內(nèi)總線（有時也稱為局部總線）是指在微處

2、理器芯片內(nèi)部各單元之間傳輸信息的總線，它主要用于芯片級的互連。 2. 內(nèi)總線 內(nèi)總線（有時也稱為板極總線或系統(tǒng)總線）用以實現(xiàn)微機系統(tǒng)與各種擴展插件板之間的相互連接，是微機系統(tǒng)所特有的總線，一般用于模板之間的連接。 3. 外部總線 這是微型計算機之間或微型計算機與外部設(shè)備之間進行通信的總線，也稱為通信總線，主要用于設(shè)備級的互連。,,,,4.2 系統(tǒng)總線 在微型計算機系統(tǒng)中，系統(tǒng)總線是主板上微處理器和外部設(shè)備之間進行通訊時所采用的數(shù)據(jù)通道。 系統(tǒng)總線從性能上可以分為低端總線和高端總線。低端總線一般支持8位、16位的微處理器，主要功能是進行I/O處理。高端總線可以支持32位、64位微處理器，它提

3、高了數(shù)據(jù)傳輸率和處理能力，對微處理器的依賴性在減小，同時具備良好的兼容性、支持高速緩存Cache、支持多微處理器、可自動配置等特點。,4.2.1 STD總線 STD（Standard）總線是在1978年推出的用于工業(yè)控制微型計算機的標準系統(tǒng)總線。STD總線不僅是國外流行的工業(yè)控制機標準總線，而且也是我國工業(yè)控制機的標準總線。 1. STD總線的特點 lSTD總線具有較好的兼容性 lSTD總線的電路板采用小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化，開發(fā)周期短 l STD總線采用一整套高可靠性措施 lSTD總線結(jié)構(gòu)簡單，并且能夠支持多微處理器系統(tǒng)l STD總線品種齊全，價格低廉，性能良好，易選用,,,5 4.2.2

4、ISA總線 ISA（Industry Standard Architecture工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)）總線，是早期比較有代表性的總線。 一般來說，ISA總線具有以下特點： l 既支持8位數(shù)據(jù)操作，也支持16位數(shù)據(jù)操作 l可以將PC/AT總線和PC/XT總線的運行速度提升至8MHz l強調(diào)I/O處理能力 l總線中的地址、數(shù)據(jù)線采用非多路復(fù)用形式，使系統(tǒng)的擴展設(shè)計更為簡便 l ISA是一種多主控設(shè)備總線 l可供選擇的ISA插件卡品種較多,,1. 8位ISA總線 8位ISA總線是最早的PC機系統(tǒng)總線，也叫做PC總線。它支持8位數(shù)據(jù)傳輸和10位尋址空間，其特點是把CPU視為總線的唯一總控設(shè)備，其余外圍設(shè)備

5、均為從屬設(shè)備。 8位ISA總線是一種開放式的結(jié)構(gòu)總線，在總線母板上有8個系統(tǒng)插槽，用于I/O設(shè)備和PC機的連接。由于8位ISA總線具有價格低、可靠性好、使用靈活等特點，并且對插板兼容性好。 8位ISA總線引腳信號總共有62條。通過一個31腳分為A、B兩面的連接插槽來實現(xiàn)，其中，A面為元件面，B面為焊接面。符合ISA總線標準的接插件可以方便的插入，以便對微型計算機系統(tǒng)進行功能擴展。,,2. 16位ISA總線 PC/AT總線在PC/XT 62引腳總線的基礎(chǔ)上增加了一個36引腳的插槽，形成前62引腳和后32引腳的兩個插座，這樣就構(gòu)成了16位ISA總線。它可以利用前62引腳的插座插入與PC/XT總線

6、兼容的8位接口電路卡，也可以利用整個插座插入16位接口電路卡。 16位ISA總線的前62引腳的信號分布及其功能與8位ISA總線基本相同，僅有兩處作了改動。 16位ISA總線中新增加的36引腳插槽信號擴展了8位數(shù)據(jù)線、7位地址線、存儲器和I/O設(shè)備的讀寫控制線、中斷和DMA控制線、電源和地線等。 新插槽中的引腳信號分為C（元件面）和D（焊接面）兩列。,3. ISA總線的體系結(jié)構(gòu) 在利用ISA總線構(gòu)成的微機系統(tǒng)中，當(dāng)內(nèi)存速度較快時，通常采用將內(nèi)存移出ISA總線并轉(zhuǎn)移到自己的專用總線內(nèi)存總線上的體系結(jié)構(gòu)，如圖4-5所示，微型計算機系統(tǒng)內(nèi)部采用高速總線，DRAM通過內(nèi)存總線與CPU進行高速信息交換

7、。 中斷通常由一對8259A可編程中斷控制器處理，兩個8259A采取級聯(lián)方式連接，ISA總線以擴展插槽形式對外開放，磁盤控制器、顯示卡、聲卡、打印機等接口卡均可插在8MHz、8/16位ISA總線插槽上，以實現(xiàn)ISA支持的各種外設(shè)與CPU的通信。,,,圖4-5 ISA體系結(jié)構(gòu),4.2.3 EISA總線 EISA（Extended Industry Standard Architecture擴展的工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)）總線是擴展的ISA總線。 EISA總線最常見的應(yīng)用是作為磁盤控制器和視頻圖形適配器。EISA總線用于32 位微型計算機中，它具有32位數(shù)據(jù)線，支持8位、16位或32位的數(shù)據(jù)存取，支持

8、32位的尋址，可尋址4GB的存儲空間，也支持64KB的I/O端口尋址。此外，還支持11級中斷、支持高速傳輸、支持7個DMA通道、支持多主控器、支持I/O等待和I/O校驗等。,4.3 局部總線 4.3.1 VESA總線 VESA（Video Electronics Standards Association 視頻電子標準協(xié)會）總線是一種32位接口的局部總線，通常稱為VL總線。 由于EISA總線工作頻率是8MHz，而VESA局部總線工作頻率可以達到33MHz。因此，需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)可以采用VESA局部總線。它通常用于視頻和磁盤到基于80486的PC機的接口。,4.3.2 PCI總線 PC

9、I（Peripheral Component Interconnect 外部組件互連）是目前最常用的系統(tǒng)總線。該總線是廠家自發(fā)制定的一種企業(yè)聯(lián)盟標準，是專門為Pentium系列芯片設(shè)計的。采用面向PCI標準的芯片時，可以大大降低構(gòu)造系統(tǒng)的成本，對計算機總線的發(fā)展起到了積極的推動作用。 PCI V2.0版本支持32/64位數(shù)據(jù)總線，總線時鐘為2533MHz，數(shù)據(jù)傳輸率達132264MB/s。1995年推出的PCI V2.1版本支持64位數(shù)據(jù)總線，總線速度為66MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率達528MB/s。這個速度是最初的IBM PC總線的100倍，是最快的ISA總線的40倍。PCI總線的優(yōu)良性能使它

10、成為當(dāng)前Pentium系列芯片的最佳選擇，現(xiàn)在所有Pentium主板都使用了PCI V2.1和更新版的PCI總線。,PCI總線的特點 l采用了數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了總線引腳數(shù)，其目標設(shè)備可用47引腳，總線主控設(shè)備可采用 49引腳 l提供兩種工作信號環(huán)境，即5V和3.3V l 對32位與64位總線的使用是透明的，它允許32位與64位器件相互協(xié)作。 l允許PCI局部總線擴展卡和元件進行自動配置，提供了即插即用的能力。 lPCI總線獨立于處理器，工作頻率與CPU時鐘無關(guān)，可以支持多機系統(tǒng)。 lPCI總線具有良好的兼容性，可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多種總線，同時還預(yù)留了

11、發(fā)展空間。,,4.3.3 AGP總線 AGP總線是對PCI總線的擴展和增強，但AGP接口只能為圖形設(shè)備獨占，不具有一般總線的共享特性。采用AGP接口，允許顯示數(shù)據(jù)直接取自系統(tǒng)主存儲器，而無需先預(yù)取至視頻存儲器中。 AGP總線采用了地址和數(shù)據(jù)的多路復(fù)用，從而把整個32位的數(shù)據(jù)總線留出來給圖形加速器。同時，采用內(nèi)存請求流水線技術(shù)，隱含了對存儲器訪問造成的延遲，允許系統(tǒng)處理圖形控制器對內(nèi)存進行多次請求。 AGP總線還通過把圖形接口繞行到專用的適合傳輸高速圖形、圖像數(shù)據(jù)的AGP通道上，解決了PCI帶寬問題。,4.4 其它總線介紹 4.4.1 USB總線 1. USB總線的特點 USB的

12、全稱是通用印行總線（Universal Serial Bus），它是一種支持即插即用的新型串行接口。USB總線具有以下特點： （1）USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的連接類型，簡化了用戶在判斷哪個插頭對應(yīng)哪個插槽的任務(wù)。 （2）USB排除了對鼠標、調(diào)制解調(diào)器、鍵盤和打印機不同接口的需求，采用四線電纜，兩根作為數(shù)據(jù)傳輸線，其余兩根用來為設(shè)備提供電源，從而減少了硬件設(shè)計的復(fù)雜性。,,（3）USB支持熱插拔，也就是說在不關(guān)PC機的情況下可以安全地插上和斷開USB設(shè)備。熱插拔能力USB的安全、可靠和智能。其它普通的外部設(shè)備連接標準，如SCSI等必須在關(guān)掉主機的情況下才能增加或移走外圍設(shè)備

13、。 （4）USB支持PNP（Plag and Play），也就是即插即用。當(dāng)插入USB設(shè)備的時候，主計算機設(shè)備檢測該外設(shè)并巳通過加載相關(guān)的驅(qū)動程序?qū)υ撛O(shè)備進行配置。 （5）USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性。USB直接連接的設(shè)備可以通過USB電纜供電，USB傳輸線中的兩條電源線可以提供5V電源供USB設(shè)備使用。,（6）USB傳輸線能夠提供100mA的電流，而帶電源的USB Hub使得每個接口可以提供500 mA的電流。 （7）USB V1.1規(guī)范提供全速12Mbps的模式和低速1.5Mbps的模式，USB V2.0規(guī)范提供高達480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)。 （8）針對

14、突然發(fā)生的非連續(xù)傳輸設(shè)備，如音頻和視頻設(shè)備，USB在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。 （9）為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求，USB根供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型。 （10）USB使得多個外圍設(shè)備可以跟主機通信，最多支持127個設(shè)備。電腦的USB接口有限，必須使用USB Hub增加分支，根據(jù)USB規(guī)范，USB Hub最多提供7個分支。,2. 數(shù)據(jù)傳輸類型 在USB規(guī)范中規(guī)定了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。 （1）控制（Control）傳輸方式：是雙向傳輸，傳輸?shù)牟皇菙?shù)據(jù)，而是控制信號，主要被USB系統(tǒng)軟件用來進行查詢，配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令。 （2）同步（Isochronous）傳

15、輸方式：提供了確定的帶寬和時間間隔。該方式用來連接需要連續(xù)傳輸?shù)耐鈬O(shè)備，對數(shù)據(jù)的正確性要求不高，但對時間較為敏感。 （3）中斷（Interrupt）傳輸方式：主要用于定時查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸。設(shè)備端點模式器的結(jié)構(gòu)決定了它的查詢頻率，從1255ms之間 （4）批量（Bulk）傳輸方式：主要應(yīng)用在大量傳輸和接收數(shù)據(jù)上，同時又沒有帶寬和時間間隔的要求，保證傳輸數(shù)據(jù)正確無誤，但對數(shù)據(jù)的實效性要求不高。,3. USB總線的拓樸結(jié)構(gòu) USB設(shè)備和USB主機通過USB總線相連。USB的物理連接是一個星型結(jié)構(gòu)，集線器（Hub）位于每個星形結(jié)構(gòu)的中心，每一段都是主機和某個集成器，或某一功能設(shè)備之間的一

16、個點到點的連接，也可以是一個集線器與另一個集線器或功能模塊之間的點到點的連接。 總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。,圖4-9 USB的拓撲結(jié)構(gòu),,,,,4.4.2 IEEE1394 IEEEl394是一種高性能的串行總線。它的應(yīng)用范圍主要是那些帶寬要求超過100kb/s的硬盤和視頻外設(shè)。利用同樣的四條信號線，IEEE1394即可以同步傳輸，也可以支持異步傳輸。這四根信號線分為差模時鐘信號線對和差模數(shù)據(jù)線對。 1. IEEE1394的特點及拓撲結(jié)構(gòu) IEEEl394是一種新型的高速串行總線，它具有許多顯著的特點： （1）高傳輸速率：它的傳輸速率可達到100Mbps、200Mbps、400Mbps

17、（2）IEEE1394采用兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：同步傳輸模式和異步傳輸模式 （3）IEEE1394可以實現(xiàn)即插即用并支持熱插拔,,IEEE1394系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖,,2. IEEE1394的尋址 用1394聯(lián)接起來的設(shè)備，它們采用一種內(nèi)存編址方法，各設(shè)備就象內(nèi)存空間中的存儲單元一樣。設(shè)備地址有64位寬，占用10位作為網(wǎng)絡(luò)ID號，6位用作節(jié)點號，48位用作內(nèi)部編址。這樣可得到總共64個節(jié)點，每個節(jié)點上有1023個網(wǎng)絡(luò)ID號，每個ID號又具有231TM的內(nèi)存編址。 內(nèi)存編址顯然優(yōu)于通道編址，它可以把設(shè)備資源當(dāng)作寄存器或內(nèi)存，因而可以進行處理器到內(nèi)存的直接傳輸。每一個總線段稱作一個節(jié)點，可對節(jié)點分別編址、

18、復(fù)位和校驗，許多節(jié)點在物理上形成一個模塊，多個端口又可以集中在一個節(jié)點上。,,3. IEEE1394協(xié)議 IEEE1394總線是一種基于數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議中實現(xiàn)了OSI七層協(xié)議的下三層：物理層、鏈路層和傳輸層。,,4.4.3 I2C總線 1. I2C總線簡介 I2C總線（Inter IC Bus）是由Philips公司推出的一種芯片間的串行通信總線，廣泛應(yīng)用于單片機系統(tǒng)中。 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中推廣I2C總線后將會大大改變單片機應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能、對單片機的應(yīng)用開發(fā)帶來如下好處： （1）可最大限度地簡化結(jié)構(gòu)。 （2）可實現(xiàn)電路系統(tǒng)的模塊化、標準化設(shè)計。 （3）標準I2C總線模塊的組合開發(fā)方式

19、大大地縮短了新品種的開發(fā)周期。 （4）I2C總線各節(jié)點具有獨立的電氣特性. （5）I2C總線系統(tǒng)構(gòu)成具有最大的靈活性。 （6）I2C總線系統(tǒng)可方便地對某一節(jié)點電路進行故障診斷與跟蹤，有極好的可維護性。,,2. I2C總線特點 （1）二線傳輸。 （2）系統(tǒng)中有多個主器件時，這些器件都可作總線的主控制器（無中心主機）。 （3）I2C總線傳輸時，采用狀態(tài)碼的管理方法。 （4）系統(tǒng)中所有外圍器件及模塊采用器件地址及引腳地址的編址方法。 （5）所有帶I2C接口的外圍器件都具有應(yīng)答功能。 （6）I2C總線電氣接口為開漏晶體管組成，其自身的電源可以獨立，線上各個節(jié)點可在系統(tǒng)帶電情況下接入或撤出。,,3. I

20、2C總線原理 （1）數(shù)據(jù)傳輸方式 I2C總線上的器件之間通過串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL相連接并傳送信息。每一個器件由唯一的地址連接到總線上，可以根據(jù)地址來識別器件。 送到SDA線上的每個字節(jié)必須為8位，每次傳送的字節(jié)數(shù)不限，但每個字節(jié)后面必須跟1個響應(yīng)位。 （2）I2C總線的尋址約定 在I2C總線標準規(guī)約中，尋址字節(jié)由被控器的七位地址位（它占據(jù)了D7一D1位）和一位方向位（為D0位）組成。方向位為0時表示主控器將數(shù)據(jù)寫入被控器，為1時則表示主控器從被控器讀取數(shù)據(jù)。,,I2C總線系統(tǒng)中，主器件（單片機）作為被控器時，其7位從地址在I2C總線地址寄存器中約定，為純軟件地址。而非單片機類型的

21、外圍器件地址完全由器件類型與引腳電平給定，即器件的7位地址由器件編號地址（高4位D7D4）和引腳地址（低3位D3D0）組成，如8位I/O擴展器件PCF8574其器件編號地址為0111，引腳地址為A2、A1、A0。如果在I2C總線系統(tǒng)中NF8574地址引腳A2、A1、A0皆接地，則該器件的尋址字節(jié)為SLAW70H，SLAR7lH。I2C總線上同一編號地址器件最大允許接入數(shù)量取決于可利用的地址引腳數(shù)。 在I2C總線系統(tǒng)中，帶有I2C總線的單片機，其I2C總線輸入輸出口的電氣結(jié)構(gòu)、相關(guān)的特殊功能寄存器（SFR）設(shè)置以及所提供的標準程序模塊，為用戶掌握PC總線的系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用軟件的編制帶來極大方便。,

22、本章小結(jié),總線是微型計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它傳遞著CPU和其它部件之間的各類信息，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使微型計算機系統(tǒng)具有組態(tài)靈活、易于擴展等優(yōu)點。微型計算機的主板上通常配有CPU總線、Cache總線、內(nèi)存總線、系統(tǒng)總線、局部總線、外設(shè)總線等?？偩€性能的好壞直接影響到微型計算機系統(tǒng)的整體工作性能。 本章分析了常用的標準總線，闡述了各類總線的特點和功能。在學(xué)習(xí)過程中，要理解總線的基本概念，熟悉微型計算機總線的組成結(jié)構(gòu)，注意常用系統(tǒng)總線和局部總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳特性，在各種不同的應(yīng)用場合中合理地選擇和使用總線。,,,,,,,Thank you very much ! 本章到此結(jié)束， 謝謝您的光臨！,