1、1 本章主要教学内容本章主要教学内容总线的基本概念，微机总线的组成结构总线的基本概念，微机总线的组成结构 常用系统总线的结构及引脚特性常用系统总线的结构及引脚特性常用局部总线的结构及引脚特性常用局部总线的结构及引脚特性外部设备总线及外部设备总线及USB总线的特点和应用总线的特点和应用第第5 5章章 总线技术总线技术 2 本章教学目的及要求本章教学目的及要求 通过学习，应该理解总线的基本概念，熟悉通过学习，应该理解总线的基本概念，熟悉微机总线的组成结构，掌握常用系统总线、局部微机总线的组成结构，掌握常用系统总线、局部总线、外部设备总线以及总线、外部设备总线以及USB总线的结构和引脚总线的结构和引
2、脚特性，并侧重其应用。特性，并侧重其应用。第第5章章总线技术总线技术 3第第5章章5-1 总线的基本概念 5.1.1 总线概述 总线是指计算机中多个部件之间公用的一组连线，由它构成芯片、插件或系统之间的标准信息通路。微机采用总线技术的目的是为了简化硬、软件的系统设计，在硬件方面，设计者只需按总线规范设计插件板，保证它们具有互换性与通用性，支持系统的性能及系列产品的开发；在软件方面，接插件的硬件结构带来了软件设计的模块化。用标准总线连接的计算机系统结构简单清晰，便于扩充与更新。总线技术总线技术 4第第5章章5.1.2 总线分类1. 芯片总线 是在构成一块CPU插件或用微处理机芯片组成一个很小系统
3、时常用的总线，用于各CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片之间的信息传送。2. 内总线 又称为系统总线，是微型计算机系统内连接各插件板的总线，用于插件与插件之间的信息传送。3. 外总线 又称通信总线，用于微型计算机系统与系统之间或微型计算机系统与外部设备之间的通信。总线技术总线技术 5以上3类总线在微型计算机系统中的位置及相互关系如图5-1所示扩充存储器打印机接口通信接口网络接口仪表接口计算机打印机智能仪表局域网络ROMRAMI/O接口CPU内总线芯片总线外总线主机板图5-1 微型计算机的总线层次结构第第5章章6 5.1.3 总线的数据传送1. 总线数据的传送方式数据在总线上有串行传送、并行传
4、送和并串行传送3种方式。（1）串行传送方式：该方式在传输线上按顺序传送表示一个数码的所有二进制位的脉冲信号，每次一位，如图5-2（a）中所示。串行传送只需要一条传输线，适合长距离传输，成本比较低廉。串行传送是外总线中常用的传送方式。 第第5章章总线技术总线技术 7第第5章章总线技术总线技术 源目的01010110010101108位数据线(b)源01101010目的8T(a)图5-2 总线数据的传送方式 (a) 串行传送 (b) 并行传送8第第5章章（2）并行传送方式：传送二进制信息时每个数据位都需要一条单独的传输线，二进制信息在不同的线上同时进行传送，如图5-2（b）所示。（3）并串行传送方
5、式：是并行传送与串行传送方式的结合。信息在总线上以并串行方式传送时，如果一个数据字由两个字节组成，当传送一个字节时采用并行方式，而字节之间则采用串行方式。总线技术总线技术 9第第5章章2. 总线数据传送的通讯协议（1）同步通讯方式：是指总线上的部件通过总线进行信息交换时用一个公共的时钟信号进行同步。（2）异步通讯方式：允许总线上的各个部件有各自的时钟，部件之间进行通讯时没有公共的时间标准，而是在发送信息的同时发出该部件的时间标志信号，用应答方式来协调通信过程。总线技术总线技术 10第第5章章 5.1.4 总线标准 目前有两类：一类是IEEE（美国电气及电子工程师协会）标准委员会定义与解释的标准
6、，如IEEE-488总线和RS-232C串行接口标准等；另一类是因广泛应用而被大家接受与公认的标准，如S-100总线、IBM PC总线、ISA总线、EISA总线、PCI总线等。 总线能达到什么样的性能是由总线的指标体现的，主要有：（1）总线宽度（2）总线频率 总线技术总线技术 11第第5章章 5.2 系统总线 系统总线是组成微机系统所用的总线。常用的系统总线有8/16位ISA和EISA两种。8位ISA总线也称为PC总线，16位ISA总线也称为PC/AT总线，80年代末期又出现了32位的EISA总线。 5.2.1 PC/XT总线 PC/XT总线也叫做PC总线，是PC/XT微机中采用的系统总线，支
7、持8位数据传输和10位寻址空间。特点是把CPU视为总线的唯一总控设备，其余外围设备均为从属设备，且价格低、可靠性好、兼容性好、使用灵活。 PC总线有62条引脚，分为A、B两面连接插槽，A面为元件面，B面为焊接面。这62条引脚信号分为地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线与电源等5类接口信号线。总线技术总线技术 12第第5章章 5.2.2 ISA总线 1. ISA总线的特点 ISA总线即PC/AT总线，ISA总线的数据传送速率最快为8 MB/s，地址总线宽度为24位，可以支持16 MB的内存。总线中的地址、数据线采用非多路复用形式，使系统的扩展设计更为简便，可供选择的ISA插件卡品种也较多。 I
8、SA总线在PC总线62引脚的基础上增加一个36引脚插槽，形成前62引脚和后32引脚的两个插座，它可以利用前62引脚的插座插入与PC总线兼容的8位接口电路卡，也可以利用整个插座插入16位接口电路卡。总线技术总线技术 13第第5章章 2. 引脚信号功能 16位ISA总线的前62引脚的信号分布及其功能与PC总线基本相同，新增加的36引脚插槽信号扩展了数据线、地址线、存储器和I/O设备的读写控制线、中断和DMA控制线、电源和地线等。 新插槽中的引脚信号分为元件面C和焊接面D两列。 总线技术总线技术 14第第5章章 3. ISA总线的体系结构 在利用ISA总线构成的微机系统中，当内存速度较快时，通常采用
9、将内存移出ISA总线并转移到自己的专用总线内存总线上的体系结构，如图5-3所示。总线技术总线技术 15内存CPUPIC系统DMACISA卡ISA卡ISA卡ISA 总线局部总线（内存总线）图5-3 ISA体系结构第第5章章16第第5章章 5-2-3 EISA总线 EISA（Extended Industry Standard Architecture扩展的工业标准体系结构）总线是扩展的ISA总线，引脚由原来ISA总线的62个加32个扩展到了198个，其数据总线被扩展到32位。由于EISA总线性能稳定，适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体等领域，最常见的应用是作为磁盘控制器和视频图形适配器。总线
10、技术总线技术 17第第5章章 1. EISA总线的特点（1）用于32 位微机中，可寻址4GB的存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。（2）具有32位数据线，保证了系统性能的提高，使最大数据传输速率达33 MB/S。（3）支持多处理器结构，支持多主控总线设备，具有较强的I/O扩展能力和负载能力。（4）具有自动配置功能，可以根据配置文件自动地初始化，配置系统板和多扩展卡。（5）扩展了DMA的范围和传输速度，支持7个DMA通道，DMA数据传输既可在ISA方式下也可在EISA方式下进行。（6）采用同步数据传送协议，可支持常规的一次传送，也可支持突法方式即高速分组传送。总线技术总线技术 18第第5章
11、章 2EISA总线的主要信号及其功能 EISA插槽与ISA插卡和EISA插卡均兼容，采用了双层结构，上面一层包含了ISA的全部信号，信号的排列、引脚间的距离、信号的定义规定与ISA完全一致；下层包含全部新增加的EISA信号。总线技术总线技术 19第第5章章5-3 局部总线5-3-1 VESA总线 VESA（Video Electronics Standards Association 视频电子标准协会）总线是一种32位接口的局部总线，通常称为VL总线。 总线技术总线技术 20第第5章章 VESA局部总线工作频率可以达到33MHz，常用在需要高速数据传输的系统。 与EISA总线一样，VESA局部
12、总线也是ISA总线的扩展，不同之处在于VESA局部总线没有在16位ISA总线连接器上增加任何器件，而是在16 位ISA总线连接器的后面增加了第3个连接器，即VESA连接器。 VESA局部总线上的连线与EISA总线卡非常相似，VESA局部总线还包括一个32位地址和数据总线，用于将存储器和I/O设备连接到微处理器上。总线技术总线技术 218位ISA16位ISAVESAVESA局部总线卡图5-4 VESA局部总线连接器和接口卡第第5章章总线技术总线技术 22第第5章章 5-3-2 PCI总线 PCI总线（外部设备互连）是Intel公司的一种同步且独立于处理器的32/64位的局部总线，它允许外设与CP
13、U进行智能对话，避免了中断请求、DMA和I/O通道之间的冲突，最大传输率达528MB/s。 PCI总线支持64位数据传输、多总线主控和线性突发方式，是高速外设与CPU间的桥梁，它在CPU 与外设间插入了一个复杂的管理层以协调数据传输，该管理层提供信号的缓冲，使PCI能支持10种外设，并在高时钟频率下保持高性能，PCI总线所具有的主控和同步操作功能有利于提高PCI总线的性能，而且PCI总线不受处理器限制，兼容性强，适用于各种机型，目前在Pentium等高档微机中普遍使用。总线技术总线技术 23第第5章章 1. PCI总线的特点采用数据线和地址线复用结构，目标设备可用47引脚，总线主控设备可用 4
14、9引脚。提供5V和3.3V两种工作信号环境，可在两种环境中根据需要进行转换。允许32位与64位器件相互协作。允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置，提供了即插即用的能力。PCI总线独立于处理器，它的工作频率与CPU时钟无关，可以支持多机系统。PCI总线具有良好的兼容性，可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多种总线。 总线技术总线技术 24第第5章章2. PCI总线信号的定义 PCI总线规定了两种PCI扩展卡及连接器：一种称为长卡，另一种称为短卡。长卡提供64位接口，插槽A、B两边共定义了188个引脚；短卡提供32位接口，插槽A、B两边共定义了124个引脚。 除去电源、地、未定
15、义引脚之外，其余信号按功能分类列于图5-5中。 总线技术总线技术 25PCI总线设备ADAD3263ADAD031C/BE0C/BE3PAR64FRAMETRDYIRDYSTOPDEVSELIDSELPERRSERRREQGNTCLKRSTPARC/BE4C/BE7REQ64ACK64LOCKINTAINTBINTCINTDSBOSDONETDITDOTCKTMSTRST64位总线扩展信号接口控制中断信号支持Cache的信号边界扫描信号地址/数据线接口控制信号错误报告信号仲裁信号系统信号必需的可选的图5-5 PCI总线引脚信号第第5章章26第第5章章 3. PCI总线的系统结构 PCI局部总线
16、与Pentium机内部总线组合构成了多总线系统结构，典型的PCI系统如图5-6所示。总线技术总线技术 27Cache控制器/PCI桥CPU内存图形加速器IDE 控制器SCSI 控制器Ethernet 控制器PCI-PCI 桥设备设备PCI 设备功能部件 0功能部件 7PCI 设备功能部件 0功能部件 7PCI- 桥ISAEISAISA/EISA/总线PCI 总线PCI 总线CPU总线内存总线（32/64位）（32/64位）图5-6 PCI总线系统结构第第5章章28第第5章章 5-3-3 AGP总线 为了解决高速视频或高品质画面的显示，Intel公司在1997年推出了高速图形接口的局部总线标准A
17、GP总线。AGP总线是对PCI总线的扩展和增强，但AGP接口只能为图形设备独占，不具有一般总线的共享特性。采用AGP接口允许显示数据直接取自系统主存储器，而无需先预取至视频存储器中。 总线技术总线技术 29第第5章章 AGP总线的主要特点如下：（1）具有双重驱动技术，允许在一个总线周期内传输两次数据。 （2）在总线上可实现地址/数据多路复用，把32位的数据总线给图形加速器使用。（3）通过内存请求流水线技术对各种内存请求进行排队来减少延迟，一个典型的排队可处理12个以上的请求，大大加快了数据传输的速度。（4）把图形接口绕行到AGP通道上，解决了PCI带宽问题，使PCI有更多的能力负责其它数据传输
18、。总线技术总线技术 30第第5章章5.4 外部设备总线5.4.1 IEEE1394总线 IEEE l394是一种新型的高速串行总线，应用范围主要是那些带宽要求超过100KB/s的硬盘和视频外设。它具有较高的传输速率、总线可采用即同步传输和异步传输模式、可即插即用并支持热插拔等显著特点。 IEEE 1394的系统结构如图5-7所示，总线通过一根1394桥接器与计算机的外部设备相连。总线技术总线技术 31CPU内存I/O1394桥接器扫描仪驱动器CPUCD-ROM驱动器数字照相机打印机1394内部总线联接并行总线1394总线1394线缆联接设备图5-7 IEEE1394系统结构和接口卡 第第5章章
19、32第第5章章总线技术总线技术 5-4-2 I2C总线总线1. I2C总线简介 I2C总线（Inter IC Bus）是由Philips公司推出的一种芯片间的串行通信总线，广泛应用于单片机系统中。 在单片机应用系统中推广I2C总线后大大改变了单片机应用系统结构性能，对单片机的应用开发带来如下好处：33（1）可最大限度地简化结构。（2）可实现电路系统的模块化、标准化设计。（3）标准I2C总线模块的组合开发方式大大缩短了新品种的开发周期。（4）I2C总线各节点具有独立的电气特性。（5）I2C总线系统的构成具有最大的灵活性。（6）I2C总线系统可方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，有极好的可维护
20、性。第第5章章总线技术总线技术 342. I2C总线特点（1）总线上所有的节点，如主器件、外围器件、接口模块等都连到同名端的双向数据线和时钟线上。（2）系统中有多个主器件时，在I2C总线工作时任何一个主器件都可成为主控制器。（3）总线传输时采用状态码的管理方法，对应于总线数据传输时的任何一种状态，寄存器中会出现相应的状态码，且自动进入相应的状态处理程序中进行处理。（4）所有外围器件及模块采用器件地址及引脚地址的编址方法；主控制器对任何节点的寻址采用软件寻址方法。（5）所有带I2C接口的外围器件都具有应答功能。第第5章章总线技术总线技术 35第第5章章5.5 USB总线 5.5.1 USB总线概
21、述 USB总线（Universal Serial BUS，通用串行总线）采用通用连接器、热插拔技术以及相应的软件，使得外设的连接和使用大大简化，受到了普遍欢迎，目前已经成为流行的外设总线接口。1. USB总线的特点（1）为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的连接类型。（2）采用四线电缆，两根作为数据传输线，两根为设备提供电源，减少了硬件设计的复杂性。 （3）支持热插拔，实现安全、可靠和智能化。总线技术总线技术 36第第5章章（4）支持PNP（Plag and Play）即插即用。（5）设备供电灵活，可以通过USB电缆供电。（6）USB传输线能够提供100mA电流，带电源的USB Hub每个
22、接口可提供500 mA电流。（7）USB V2.0规范提供480Mbps的数据传输速率，可以适应各种不同类型的外设。（8）USB提供了4种不同的数据传输方式来适应各种不同类型外围设备的要求。（9）USB使多个外围设备可以跟主机通信，最多支持127个设备。 总线技术总线技术 37第第5章章 2. 数据传输方式 USB总线上的数据传输是“主从式”的传输，所有的传输都由USB主机发起，USB设备仅仅在主机对它提出要求时才进行传输，在USB规范中规定了4种不同的数据传输方式。（1）控制（Control）传输方式（2）同步（Isochronous）传输方式（3）中断（Interrupt）传输方式（4）批
23、量（Bulk）传输方式总线技术总线技术 38第第5章章 3. USB总线的电气特性 USB总线通过一条4芯电缆传送电源和数据，电缆以点到点方式在设备之间连接。USB接口的4条连接线分别是VBUS、GND、D+和D。 VBUS和GND用来向设备提供电源，D+和D是发送和接收数据的半双工差分信号线。总线技术总线技术 39第第5章章 5.5.2 USB总线的构成（1）控制器：负责执行由控制器驱动程序发出的命令。（2）控制器驱动程序：在控制器与USB设备之间建立通信信道。（3）USB芯片驱动程序：提供对USB的支持。（4）USB设备：包括与PC相连的USB集线器（Hub）及设备。（5）USB设备驱动程
24、序，用来驱动USB设备的程序。总线技术总线技术 405.5.3 USB设备的接入和应用1. 操作系统对USB的支持 支持USB的操作系统应满足以下三个要求：（1）当一个设备连接到USB上或从USB中撤除，能自动检测出来；（2）与新连接的设备通信，可找到如何与它们通信的方法；（3）提供软件驱动与计算机的USB硬件以及访问USB的外设的应用程序通信。 第第5章章总线技术总线技术 41第第5章章 2主机对USB的支持 使用USB设备必须激活主机板BIOS中的USB功能，在Windows 2000下先打开“设备管理器”，具体操作为：在桌面“我的电脑”图标上点击鼠标右键，弹出的菜单中选择“属性”选项，在
25、“系统”窗口的菜单栏内选择“设备管理器”选项，提示框会出现“通用串行总线控制器”的选项。然后选中“通用串行总线控制器”，可看到主机系统中存在两个USB设备：一个是“USB Universal Host Controller”，另一个是“USB Root Hub”。总线技术总线技术 42第第5章章 3. USB设备的热插拔 USB总线协议支持热插拔功能，在Windows运行过程中可以接入任何符合USB规范的USB设备。 当接入一个USB设备后，操作系统会自动检测到该硬件设备，Windows 会显示以下信息：“New Hardware Found”或“Unknow Device”。如果设备首次接入
26、这个系统，则Windows还需要定位驱动。 总线技术总线技术 43第第5章章 4. USB设备的应用 USB已经在PC机的多种外设上得到应用，包括扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。总线技术总线技术 44第第5章章 总线是微型计算机系统中各个部件信息交换的公共通道，在计算机中起着重要的作用。它传递着CPU和其它部件之间的各类信息，以实现数据传输，使微型计算机系统具有组态灵活、易于扩展等优点。总线性能的好坏直接影响到微型计算机系统的整体工作性能。 目前，应用广泛的微型计算机总线都实现了标准化，便于连接各个部件时遵守共同的总线规范。在应用时只需根据总线标准的要求来实现和完成
27、接口的功能，形成了一种通用的总线接口技术。总线技术小结总线技术小结 45第第5章章 微机系统中的总线可以分为芯片总线、系统总线、局部总线、外部设备总线等类别。芯片总线用于CPU、存储器、I/O接口等芯片之间的信息传送。系统总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线，用于模板之间的连接，主要有8/16位ISA和32位的EISA总线。局部总线是一种专门提供给高速I/O设备的总线，具有较高的时钟频率和传输率，常用的有VESA、PCI、AGP总线等。外部设备总线主要用于微机系统之间或微机与外部设备、仪器仪表之间的通信，在学习过程中，要理解总线的基本概念，熟悉微型计算机总线的组成结构，注意常用的系统总线、局部总线的内部结构及引脚特性，在各种不同的应用场合中要合理地选择和使用总线，为微机的开发及应用打下坚实的基础。 总线技术小结总线技术小结46 第第5 5章内容到此结束章内容到此结束
