1、第六章第六章 总线技术总线技术 6.1 概述概述6.2 总线判决和握手技术总线判决和握手技术6.3 PC系列微机的系统总线系列微机的系统总线6.4 微机常用系统总线微机常用系统总线6.5 微机常用通信总线微机常用通信总线 总线定义总线定义l所谓总线，就是在模块与模块之间或者设备与所谓总线，就是在模块与模块之间或者设备与设备之间传送信息、相互通信的一组公用信号设备之间传送信息、相互通信的一组公用信号线，是系统在总线主控器线，是系统在总线主控器(模块或设备模块或设备)的控制下，的控制下，将发送器将发送器(模块或设备模块或设备)发出的信息准确地传送给发出的信息准确地传送给某个接收器某个接收器(模块或
2、设备模块或设备)的信号载体或通路。的信号载体或通路。总线的结构主要有以下优点总线的结构主要有以下优点 l简化了系统结构简化了系统结构 l大大减少连线数目大大减少连线数目 l便于接口设计便于接口设计 l便于系统的扩充、更新与灵活配置便于系统的扩充、更新与灵活配置 l便于设备的软件设计便于设备的软件设计 l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。6.1 概述概述l6.1.1 总线上的信息传送方式总线上的信息传送方式l一般情况下，同一时刻总线上最多只能有一个一般情况下，同一时刻总线上最多只能有一个模块发送信息。当有多个模块都要使用总线进模块发送信息。当有多个模块都
3、要使用总线进行信息传输时，只能采用分时方式，每个模块行信息传输时，只能采用分时方式，每个模块轮流交替使用总线。轮流交替使用总线。6.1.2 总线的分类总线的分类1.按传输信息的性质分类按传输信息的性质分类2.按照信号线的功能分类按照信号线的功能分类3.按照层次位置分类按照层次位置分类6.1.3 总线的标准化与总线规范总线的标准化与总线规范l每种总线标准都有详尽的规范说明每种总线标准都有详尽的规范说明 1.机械结构规范机械结构规范 2.功能结构规范功能结构规范 3.电气规范电气规范 6.1.4 总线的性能指标总线的性能指标1.总线宽度总线宽度2.总线定时方式总线定时方式3.总线传输率总线传输率4
4、.总线频宽总线频宽6.2.1 总线的操作过程总线的操作过程1.总线主设备和总线从设备总线主设备和总线从设备2.总线数据传输周期总线数据传输周期(1)总线请求和仲裁阶段总线请求和仲裁阶段 (2)寻址阶段寻址阶段 (3)数据传输阶段数据传输阶段 (4)结束阶段结束阶段 6.2 总线判决和握手技术总线判决和握手技术6.2.2 总线使用权的分配总线使用权的分配 l仲裁算法分为仲裁算法分为 1.优先级仲裁优先级仲裁 2.公平仲裁公平仲裁6.2.3 总线仲裁技术总线仲裁技术1.集中仲裁集中仲裁(1)菊花链菊花链(daisy-chain)式式(2)计数器定时查询方式计数器定时查询方式(轮询判决轮询判决)(3
5、)独立请求方式独立请求方式(并行判决并行判决)(4)二维判决方式二维判决方式 图图6.2 菊花链式总线判决方式菊花链式总线判决方式 总线仲裁器C1CnC2BGBGI1BGO1BGI2BGO2BGInBRBB图图6.3 独立式请求总线判决方式独立式请求总线判决方式 总线仲裁器主设备1BR0BB主设备2主设备nBR1BRnBG0BG1BGn图图6.4 二维总线判决方式二维总线判决方式总线仲裁器主设备1BR0BB主设备2主设备nBR1BRnBG0BG1BGn 2.分布仲裁分布仲裁 l与集中仲裁方法不同，分布仲裁的仲裁器是分与集中仲裁方法不同，分布仲裁的仲裁器是分布于各个主设备中的，没有独立的中央仲裁
6、器。布于各个主设备中的，没有独立的中央仲裁器。图图6.5 分布总线判决方式分布总线判决方式主设备1n位优先级BB主设备2主设备nBG主设备1的仲裁机构主设备2的仲裁机构主设备n的仲裁机构BGBGn位优先级n位请求响应线n位优先级总线6.2.4 总线传输握手技术总线传输握手技术1)同步总线方式同步总线方式 2)异步总线方式异步总线方式 3)半同步总线协定半同步总线协定 4)分离式总线传输协定分离式总线传输协定 图图6.6 全互锁总线协定示意全互锁总线协定示意 图图6.7 半互锁总线协定的时序关系示意半互锁总线协定的时序关系示意DATAREADYACK图图6.8 非互锁总线协定的时序关系示意非互锁
7、总线协定的时序关系示意DATAREADYACK6.3 PC系列微机的系统总线系列微机的系统总线l由于由于ISA总线是自总线是自PC机问世以来应用时间最长机问世以来应用时间最长的系统总线，至今仍有应用，所以本节首先较的系统总线，至今仍有应用，所以本节首先较详细地讨论详细地讨论ISA总线，然后介绍目前在总线，然后介绍目前在PC系列系列微机上使用最广泛的微机上使用最广泛的PCI局部总线。局部总线。6.3.1 ISA总线总线1.机械和电气特性机械和电气特性 lISA总线的机械特性如图总线的机械特性如图6-9所示。所示。图图6-9 ISA总线机械特性总线机械特性2.ISA总线总线62脚插槽上的引脚脚插槽
8、上的引脚 l在在ISA总线的总线的62脚插槽中定义的信号可以按照功脚插槽中定义的信号可以按照功能分为几组，如图能分为几组，如图6.10所示。所示。图图6.10 1SA总总线上线上的的62脚插脚插槽信槽信号号 3.AT总线增加的总线增加的36脚插槽信号脚插槽信号 lAT总线对原有的总线对原有的XT总线信号进行了部分改动，总线信号进行了部分改动，但仍能保持与但仍能保持与XT总线的兼容。为了进行总线的兼容。为了进行16位总位总线操作并支持更大的寻址空间，线操作并支持更大的寻址空间，AT总线另外增总线另外增加了一个加了一个36脚插槽。在脚插槽。在AT总线上，总线上，8位扩展卡可位扩展卡可以只使用原有的
9、以只使用原有的XT总线插槽，总线插槽，16位扩展卡则利位扩展卡则利用两个插槽进行高速传输。用两个插槽进行高速传输。4.ISA总线的操作和时序总线的操作和时序（1）8比特操作比特操作（2）16比特操作比特操作6.3.2 PCI总线总线 lPCI总线能够支持多个外围设备，并有严格的规总线能够支持多个外围设备，并有严格的规范保证高度的可靠性和兼容性。范保证高度的可靠性和兼容性。PCI总线的特点总线的特点(1)高性能高性能(2)独立于处理器独立于处理器(3)兼容性好兼容性好(4)高效益，低成本高效益，低成本(5)即插即用即插即用(自动配置自动配置)(6)预留了发展空间预留了发展空间PCI总线的体系结构
10、总线的体系结构 PCI总线的信号总线的信号 PCI总线上的基本信号有下面几类总线上的基本信号有下面几类(1)时钟复位线时钟复位线(2)数据地址线数据地址线(3)传输控制线传输控制线(4)仲裁信号线仲裁信号线(5)出错报告信号线出错报告信号线(6)中断信号线中断信号线 PCI总线的操作总线的操作l（1）PCI总线命令总线命令l一次一次PCI总线的操作由总线的操作由 信号标志，具体信号标志，具体执行什么动作，由执行什么动作，由 信号在总线周期的第一信号在总线周期的第一个时钟周期给定。个时钟周期给定。FRAMEBEC/（2）基本操作时序）基本操作时序 lPCI总线是同步总线，总线上的信号由时钟信号总
11、线是同步总线，总线上的信号由时钟信号CLK同步。每个总线周期由多个时钟周期组成。同步。每个总线周期由多个时钟周期组成。PCI总线的每个总线周期由一个地址阶段和一个总线的每个总线周期由一个地址阶段和一个或多个数据阶段组成。或多个数据阶段组成。图图6.18 PCI总线的基本时序总线的基本时序（3）配置操作和配置空间）配置操作和配置空间l在配置操作周期，插卡的选择由在配置操作周期，插卡的选择由IDSEL信号进信号进行。该信号一般由行。该信号一般由PCI母板位每个插槽独立提供。母板位每个插槽独立提供。当某个插卡的当某个插卡的IDSEL信号有效时，即表示该插信号有效时，即表示该插卡被选中进行配置操作。卡
12、被选中进行配置操作。图图6.19 PCI配置操作时序配置操作时序l根据根据PCI规范，每一个规范，每一个PCI设备或功能都必须有设备或功能都必须有一个一个PCI配置空间，容量为配置空间，容量为256字节，也被称为字节，也被称为配置寄存器（配置寄存器（Configuration Registers）。）。图图6.20 PCI type 0类类型的型的配置配置空间空间头部头部区区（4）PCI总线的仲裁总线的仲裁lPCI总线独立请求的使用集中仲裁方式。每个设总线独立请求的使用集中仲裁方式。每个设备有独立的总线请求信号备有独立的总线请求信号 和总线允许信和总线允许信号号 。设备使用它的设备使用它的 信
13、号提出总线请信号提出总线请求，中央仲裁器经过仲裁，通过求，中央仲裁器经过仲裁，通过 允许某允许某个申请的设备使用总线。个申请的设备使用总线。REQGNTREQGNT图图6.20 PCI仲裁时序仲裁时序 PCI BIOSl为了提供对各个平台的兼容性和可移植性，所为了提供对各个平台的兼容性和可移植性，所有针对有针对PCI的操作都需要通过一个平台无关的接的操作都需要通过一个平台无关的接口来进行，这个接口就是口来进行，这个接口就是PCI BIOS。它可以在它可以在BIOS中实现，也可以在操作系统的硬件抽象层中实现，也可以在操作系统的硬件抽象层中实现。中实现。PCI BIOS重要的功能重要的功能 1)查
14、找查找PCI设备设备2)读配置字读配置字3)写配置字写配置字6.4 微机常用系统总线微机常用系统总线l6.4.1PC1046.4.1PC104总线总线PC/104PC/104总线是应用于超小型的嵌入式总线是应用于超小型的嵌入式PCPC微机系微机系统的总线。统的总线。这种这种PCPC机的总线有两个总线插头，其中机的总线有两个总线插头，其中P1P1有有6464脚，脚，P2P2有有4040脚，共脚，共104104脚，故名脚，故名PC/104PC/104。6.4.2 STD6.4.2 STD总线总线 lSTD经过扩展后，依靠地址、数据线复用可以经过扩展后，依靠地址、数据线复用可以支持支持16位位CPU
15、。为了能应用于为了能应用于32位处理机，近位处理机，近年又定义了年又定义了STD32标准，并与标准，并与8位的模板保持兼位的模板保持兼容。容。6.5 微机常用通信总线微机常用通信总线l通信总线用于计算机系统的独立设备的相通信总线用于计算机系统的独立设备的相互连接。按照通信的并行性，通信总线可互连接。按照通信的并行性，通信总线可以分为串行通信总线和并行通信总线。以分为串行通信总线和并行通信总线。6.5.1 ATA系列总线接口系列总线接口1.ATA-1/IDE接口标准接口标准2.ATA-2/EIDE接口标准接口标准3.UltraATA接口标准接口标准6.5.2 SCSI总线总线1.SCSI总线的工业标准与发展历程总线的工业标准与发展历程2.SCSI总线的主要特点总线的主要特点3.SCSI总线的信号线总线的信号线6.5.3 GP-IB/HP-IB/IEC-IB/IEEE 488总线总线l连接到连接到GP-IB上的所有设备都有三种工作模式上的所有设备都有三种工作模式听者听者(1istener)方式方式 讲者讲者(talker)方式方式 控者控者(controller)方式方式 6.5.4 USB总线总线 1.USB的特点的特点2.总线拓扑总线拓扑3.电气特性电气特性4.机械特性机械特性5.总线操作总线操作6.基本通信过程基本通信过程7.USB报文格式报文格式
