1、微型计算机总线微型计算机总线Unibus 总线总线1970年美国年美国 DEC公司在公司在其其PDP11/20小型计算机上小型计算机上采用采用。总线结构在系统设计、生产、使用总线结构在系统设计、生产、使用和维护上都显示出其优越性。和维护上都显示出其优越性。采用总线结构主要有以下优点采用总线结构主要有以下优点：便于采用模块结构设计方法，简化了系便于采用模块结构设计方法，简化了系统设计；统设计；标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件；便于生产与之兼容的硬件板卡和软件；模块结构方式便于系统的扩充和升级；模块结构方式便于系统的扩充和升级
2、；便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。总线基本概念：总线基本概念：总线定义总线定义 总线上信息传送规则总线上信息传送规则 总线基本收发器件总线基本收发器件 总线分类总线分类 总线主要性能指标总线主要性能指标 总线标准与规范总线标准与规范 总线数据传输总线数据传输一一.总线定义总线定义计算机系统中，模块与模块，设备计算机系统中，模块与模块，设备与设备之间传输交换信息的公共通道。与设备之间传输交换信息的公共通道。二二.总线上信息传送规则总线上信息传送规则l 同一时刻只能有一个信息源（模同一时刻只能有一个信息源（模块或设备）发送信息块或设备）发送信息；l多模块
3、传输信息采用分时操作。多模块传输信息采用分时操作。三三.总线基本收发器件总线基本收发器件 三态缓冲器三态缓冲器 锁存器锁存器发送设备通过三态缓冲器与总线连接；发送设备通过三态缓冲器与总线连接；接收设备通过三态缓冲器（同步）接收设备通过三态缓冲器（同步）或或 锁存器（异步）接到总线。锁存器（异步）接到总线。四四.总线分类总线分类按不同的范畴分类常用以下几种：按不同的范畴分类常用以下几种：1.按信息传输性质分按信息传输性质分2.按所处位置分按所处位置分1.按信息传输性质分按信息传输性质分 数据总线：双向，有数据总线：双向，有8根（字节），根（字节），16根根（字），（字），32根（双字）；根（双字
4、）；地址总线：单向，由地址总线：单向，由CPU发出，指定信发出，指定信息源或目的的地址。有息源或目的的地址。有20根（根（8086），），24根（根（80286），），32根（根（80386及以后的及以后的CPU）；）；控制总线：单双向都有，控制读写，数控制总线：单双向都有，控制读写，数据传输，联络，总线判决和中断控制等据传输，联络，总线判决和中断控制等功能。功能。2.按所处位置分按所处位置分 片内总线：芯片内用于各功能单元连接；片内总线：芯片内用于各功能单元连接；片总线：插件板内用于各芯片连接；片总线：插件板内用于各芯片连接；系统总线：微机系统内各功能插件板连系统总线：微机系统内各功能插件板
5、连接；接；外总线：微机系统间，微机系统与其他外总线：微机系统间，微机系统与其他仪器设备间的连接。仪器设备间的连接。五五.总线主要性能指标总线主要性能指标 总线频率：总线工作时钟频率，单位总线频率：总线工作时钟频率，单位 为为MHz；总线位宽：总线数据线的根数，有总线位宽：总线数据线的根数，有8，16，32，64位之分；位之分；总线带宽：即总线传输率，单位为总线带宽：即总线传输率，单位为MB/S。三者关系为三者关系为:总线带宽总线带宽=总线位宽总线位宽总线频率总线频率 Mb/S总线带宽总线带宽=1/8 总线位宽总线位宽总线频率总线频率MB/S六六.总线标准与规范总线标准与规范 制定标准的出发点：
6、使与该总线连接制定标准的出发点：使与该总线连接的各厂家的各种产品电路板都能正常使的各厂家的各种产品电路板都能正常使用，即在机械结构，电气及逻辑等方面用，即在机械结构，电气及逻辑等方面均达到统一。均达到统一。制定标准的机构：一些国际级，国家制定标准的机构：一些国际级，国家级或相关行业协会及公认的著名企业联级或相关行业协会及公认的著名企业联合会合会。总线标准与规范内容总线标准与规范内容 机械结构规范：规定模板尺寸机械结构规范：规定模板尺寸、插头插头、连接器的形状、连接器的形状、尺寸等规格位置；尺寸等规格位置；功能结构规范：规定每个引脚名称功能结构规范：规定每个引脚名称、功功能能、时序及适用协议；时
7、序及适用协议；电气结构规范：规定信号的逻辑电平电气结构规范：规定信号的逻辑电平、最大额定负载能力及电源电压等。最大额定负载能力及电源电压等。七七.总线数据传输总线数据传输总线数据传输有以下几种方式：总线数据传输有以下几种方式：1.同步传输同步传输2.异步传输异步传输3.半同步传输半同步传输4.分离式传输分离式传输同步传输：收发部件以系统时钟作为同步传输：收发部件以系统时钟作为控制数据传输的时间标准。控制数据传输的时间标准。一次传输所需的时间是固定一次传输所需的时间是固定的，即传输传输周期固定。的，即传输传输周期固定。严格地按部就班地进行读写严格地按部就班地进行读写操作，地址和数据出现的时操作，
8、地址和数据出现的时刻是严格的。刻是严格的。异步传输：不依赖系统时钟，采用异步传输：不依赖系统时钟，采用应答式传输技术。用请求应答式传输技术。用请求（REQ）和应答（）和应答（ACK）协调传输过程，常用全互协调传输过程，常用全互锁异步总线协定。锁异步总线协定。全互锁：完全用一问一答方式联络协调，全互锁：完全用一问一答方式联络协调，一方下一个动作必须在对方的指一方下一个动作必须在对方的指 示或应答有效后才进行。示或应答有效后才进行。发方数据有效时发方数据有效时,使使READYREADY有效有效收方收到收方收到READYREADY有效才有效才开始接收数据开始接收数据收方取走数据后使收方取走数据后使A
9、CKACK有效，表示数据已收到有效，表示数据已收到发方收到发方收到ACKACK有效，撤除数据线有效，撤除数据线,并使并使READY=0READY=0收方测到收方测到READY=0READY=0即通知发方开始新的周期即通知发方开始新的周期收方收使收方收使ACK=0ACK=0，即开始下一总线周期，即开始下一总线周期半同步传输：总体看是同步系统。传半同步传输：总体看是同步系统。传输输用系统时钟同步，但对慢速用系统时钟同步，但对慢速设备可延长传输数据的周期。设备可延长传输数据的周期。方法是采用增加一条信号线方法是采用增加一条信号线（WAIT或或READY）控制是）控制是否增加（插入）等待周期来否增加（
10、插入）等待周期来延长传输周期。延长传输周期。分离式传输：将一个读周期分解成二分离式传输：将一个读周期分解成二个分离子周期，提高总线个分离子周期，提高总线传输率。传输率。第一子周期主模块发完第一子周期主模块发完地址，命令即释放总线，地址，命令即释放总线，使其他模块能使用总线；使其他模块能使用总线；第二子周期地址选中的第二子周期地址选中的从模块准备就绪即启动进从模块准备就绪即启动进行同步高速信息传输。行同步高速信息传输。PC机中系统总线机中系统总线PC/XT总线总线 1981年IBM推出8位,适用于以 8088为CPU的PC/XT PC机PC/AT总线总线 1984年IBM推出以80286为CPU
11、 的16位PC机总线(未公布)ISA总线总线 同期,Intel、IEEE和EISA集团联 合开发出与AT总线相近的ISA工 业标准结构总线ISA总线主要性能：总线主要性能：lI/O空间0100H03FFH；l24位地址线，16MB寻址空间l8/16位数据线l62+36引脚l最大位宽16位l8MHz时钟频率l带宽16MB/Sl具有中断和DMA通道功能 IBM公司专为其PS/2系统开 发的32位微通道总线结构。由于与老的PC机总线不完全兼容,并且执行的是使用许可证制度，因此未能得到有效推广。MCAMCA总线总线 1988年 compaq、AST、EPSON 等 推出32位微机总线的，结构与ISA
12、总线兼容，与IBM的MCA总线抗衡。Intel 为其推出一套配套芯片。EISA总线主要性能：总线主要性能：l开放结构，与ISA总线兼容l32位地址线，4GB寻址能力l32位数据线l最大时钟频率8.3MHzl带宽33MB/SEISAEISA总线总线VESA组织(1992年由IBM、Compaq等发起，有120多家公司参加,按Local Bus(局部总线)标准设计的一种开放性总线。VESA总线总线一一.概述概述 1991年下半年，Intel公司首先 提出了PCI的概念，并联合IBM、compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团，其英文全称为：Peripheral Compon
13、ent Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。PCI总线总线二二.PCI总线主要性能：总线主要性能：l总线时钟频率：33.3MHz/66MHzl带宽：时钟频率33.3MHz 位宽32位时为133MB/s，位宽64位时为266MB/s 时钟频率66MHz 位宽32位时 为266MB/s，位宽64位时为532MB/sl总线宽度：32位（5V）/64位（3.3V）l时钟同步方式l独立于处理器与CPU及时钟频率无关其它特点：其它特点：l支持突发式读写方式，提供首地址即可顺序读写数据。l支持并发操作，CPU和PCI可并行工作。PC
14、I控制器能自动执行数据缓冲区到外设的传输，无须CPU干预。l支持总线主控技术。允许主控部件（智能设备或多处理器中任一处理器）取得总线控制权，加速数据传输。l具有自动配置功能，支持即插即用。l支持5V和3.3V扩展卡，由插槽结构保证。lPCI2.2版支持热插拔。三三.PCI总线总线系统结构系统结构CPU总线和PCI总线由桥接电路（习惯上称为北桥芯片）相连。PCI总线和ISA/EISA总线之间也通过桥接电路（习惯上称为南桥芯片）相连。PCI桥路：实现控制PCI总线的全部控制，PCI桥路与CPU接口引入先进先出（FIFO）缓冲器，使PCI上的部件与CPU并发工作。将PCI总线转换为标准总线 桥路内含
15、有桥路内含有:8259中断控制器8254定时/计数器8237 DMA控制器 等可编程电路标准总线桥路：标准总线桥路：桥路芯片组举例：intel 815EP芯片组intel 815EP芯片组支持intel P3 CPU，不支持ISA总线。有下列芯片：82815EPMCH82801BA 82815EPMCH：内含SDRAM控制器、CPU总线接 口、AGP接口、时钟和中心接 口（Hb interface）82801BA：内含PCI接口、处理器接口、两个8259中断接口、IDE接口、USB控制器、中心接口（Hb interface）、两个8254定时/计数器、两个8237 DMA控制器四四.PCI总线
16、总线基本引脚和扩展引脚基本引脚和扩展引脚必备信号（左边）49条可选信号（右边）51条 包含电源、地、保留 引脚：总引脚数 120条不含电源：PCI总线通过PCI插槽与I/O板卡连接PCI应用系统：32位应用系统用左边的必备信号即 可（主设备49根，从设备47根）64位应用系统接口信号为必备信号可选信号（共100根）PCI总线信号线注释：32位数据线 4根C/BE3：0线指定4个字节64位数据线 C/BE7：4和C/BE3：08根 选择线确定8个字节PCI总线数据传输控制基本上由三条线控制：FRAME#：由主设备驱动，控制一次数据传输 周期的起始和结束。IRDY#：由主设备驱动，低电平有效，高电
17、平 允许插入等待周期。TRDY#：由从设备驱动，低电平有效，高电平 允许插入等待周期。PCI总线周期：总线周期：CLK时钟同步控制时钟同步控制1.主设备发出FRAME#有效信号，PCI总 线周期开始，每个周期由一个地址期多个数据期组成；2.PCI总线周期开始，首先是地址期，主控器送出地址线和总线命令（C/BE）；3.下一周期若IRDY#，TRDY#有效，则 按C/BE字节读/写选中的字节数据；4.以后在CLK控制下逐个传输后续数据；5.当FRAME#高电平，IRDY#低电平则表示本数据传输周期最后一个数据期。即插即用功能的保障 资源：地址空间，中断号和DMA 通道号 计算机对功能板卡的资源配置
18、：早期PC机：由用户通过跳线或拨动 开关来设置 Pentium以上PC机：计算机自动配 置（Plug and Play）,降低了 对用户的要求。五五.PCI配置空间配置空间PCI板卡即插即用原理：板卡即插即用原理：每一块PnP板卡上都有一组称为配置空间的寄存器。其中保存有对系统资源的需求参数。Windows9X系统启动时，由BIOS引导程序读出这些参数，经对每块板卡对资源的需求进行综合后，对整个系统资源进行分配。PCI配置空间：长度为配置空间：长度为256字节字节其内容为：其内容为：1.设备单元识别码设备单元识别码 2.扩展扩展ROM基地址基地址3.销售商识别码销售商识别码 4.中断线中断线、
19、中断引脚中断引脚5.修正识别码寄存器修正识别码寄存器、类代码寄存器类代码寄存器6.PCI命令字命令字 7.PCI状态字状态字8.cache线大小寄存器线大小寄存器 9.基地址寄存器基地址寄存器六PCI新标准PCIX是PCI总线的扩展架构PCIX的性能比PCI总线提高14一35总线频率:66MHZ，100MHZ和133MHZ带宽分别是 533MBs，800MB/s和 1066MBsPCIX总线有着很好的向下兼容性USB(Universal Serial Bus)通用串行总线通用串行总线USB是由是由Intel、IBM、Microsoft、Compaq、Digital、NEC、Northern T
20、elecom七家公司联合推出的一种串行七家公司联合推出的一种串行总线规范总线规范.背背景景2019推出USB1.0版本：低速15MbPs、高速12MbPs20004推出USB2.0版本：低速15MbPs、全速12MbPs、高速达480 MbPs基本思想基本思想：利用通用连接器热插拔，即 插即用的简单快速连接，资 源自动配置，资源共享.基本要求：基本要求：易 用 性：即插即用、热插拔端口可扩充性：具有端口不断扩充性，可快速、动态连接和低 价格特点兼 容 性：支持高速与低速数据 智能与一般外设 有源与无源设备主要内容：一.USB的主要特点二.USB设备连接器协议三.接口信号线四.USB系统组成五.
21、USB插拔接通关闭过程六.USB拓朴结构七.USB数据流类型和传输类型1即插即用，可自动识别总线上的设备并为其配置软件和硬件资源。2可以动态连接和重新配置外设，支持热插拔功能。3总线上的设备的传输带宽可以从几Kbps到几百Mbps，速率最高可达480Mbpss。一一.USB的主要特点的主要特点4允许最多达127台USB设备同时操作。5可向USB总线上设备供电，USB设备也可自备电源。6具有很高的容错性能，协议中规定了出错处理和差错恢复机制。此外USB总线还具有使用灵活、性价比高等特点。二二.USB设备设备连接器连接器协议协议连接器：由插头和插座构成，为A系列B系列两种。A系列连接器：用于与主机
22、连接B系列连接器：用于与设备连接USB图标：插头上提供凹凸型图标，方便用户使用。一般由厂商提供，电缆一端为A系列插头，另一端为B系列插头（与设备上系列B插座连接）。USB设备标准可分离电缆：设备标准可分离电缆：高速设备用双绞数据对，非双绞电源对的屏蔽电缆，低速设备可用平行非屏蔽电缆。红电源线，+5V（4.755.25V）黑地线绿D+高速设备端有有上拉电阻，Hub端有下拉电阻白D-低速设备端有有上拉电阻，Hub端有下拉电阻注：D+、D-为数据的半双工差分信号线 下拉电阻保证Hub端口无设备连接时,电压接地为零吸入最大电流500mA三接口信号线（三接口信号线（4根）根）主机第一次从主机第一次从D+
23、、D-检测到设检测到设备时备时,设备吸入电流设备吸入电流 100 mA D+、D-电压电压 V 2.5V，持续，持续2.5S，则设备连接端口，则设备连接端口四四USB系统组成系统组成1.硬件：USB主控器/集线器 （USBHC/RH），于主机中。USB集线器（USBH）USB设备：Hub设备 功能设备 接在Hub上的外设。USB设备驱动程序（客户驱动软件）用于和某一特定的USB设备进行通信，常为操作系统一部分或由厂商提供 USBD USB系统驱动软件 一般捆绑于操作系统，用于判断决 策指挥层。HCD（Host controller Driver）主控器驱动程序,完成对USB交换的调度，通过根H
24、ub或其它Hub完成对交换的初始化。2.软件软件五五USBUSB插拔接通关闭过程插拔接通关闭过程接通过程须经过5个状态：连接状态上电状态默认状态地址状态配置状态，设备即可使用。关闭过程比较简单，主机测到USB设备插头拔离Hub，设备进入无能状态，即关闭端口。USB接设备于总线HubHub通知主机发生设备接入事件，设备处于连接状态，Hub 与该设备相接端口处于关闭状态。主机检测Hub确认设备接入事件和接入端口。主机使能（允许）该端口传送一个RESET命令。Hub向端口送持续100mS RESET 信号，结束时端口被打开。Hub提供 100 mA 电流给USB设备，USB设备进入上电状态，响应默认
25、地址。USB访问默认管道（端点0），主机读设备描述符获得有关信息（最大数据传输量）。主机给USB设备分发一唯一地址，设备进入地址状态。主机读取设备配置信息。主机分析读取的配置信息向设备分发配置值。设备进入配置状态。设备各端点就绪开始工作，设备可使用。如第四步上电未获总线访问权进入挂起状态 USB设备插头拔离HubHub通知主机发生设备移走事件设备进入无能状态，关闭端口主机更新局部拓朴逻辑信息。主控器/根集线器集成于芯片组，如815EP芯片组的82801BA就包含了2个USB主控器/根集线器，故一一台主机有4个USB端口。根Hub都为下行端口，与下层功能部件和Hub点对点连接。下层Hub只有一个
26、上行端口，几个下行端口。这种级联方式最多可连接127个设备。六六USB拓朴结构拓朴结构七七.USB数据流类型和传输类型数据流类型和传输类型 USB数据流类型：控制信号流 块数据流 中断数据流 实时数据流USB的基本传输类型：的基本传输类型：控制传输 批传输 中断（Interrupt）传输 等时传输USB总线传输类顺序：总线传输类顺序：传输幀时间：1mS，以SOF（幀起始包）开始，EOF（幀结束包）结束数据流传输中优先传输等时数据，批传输最后。U S B 数 据 传 输 称 为 交 换数 据 传 输 称 为 交 换（Transaction）,总线传输包含一总线传输包含一个或多个交换。个或多个交换。USB交换的基本单位为交换的基本单位为包包，一个交换至少要一个交换至少要3个包方能完成。个包方能完成。标志包：SOF（幀起始包）、接受包、发送包和设置包。数据包：紧跟于（IN、OUT包）后面，有DATA0和DATA1。握手包：接收方向发送方报告状态，有正确接收应答（ACK）、非正确接收应答（NAK）和挂起应答。特殊包：用于低速设备通信。主机发特殊包作为开始包，予告后将与低速设备通信。包种类：包种类：
