1、第9章 总 线第9章 总 线9.1 总线技术概述9.2 总线系统结构9.3 总线信息传送方式及定时9.4 总线的仲裁9.5 计算机中的总线9.6 新一代总线关联习题第9章 总 线9.1 总线技术概述总线技术概述计算机可以看成是由三大部件构成，即中央处理器(CPU)、存储器(M)和输入/输出(I/O)系统，而计算机工作过程中信息的流动，就表现在这三大部件之间的通信。总线(BUS)是一组传输公共信息的信号线的集合，是在计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通路。第9章 总 线总线能为多个部件服务，总线的基本工作方式通常是由发送信息的部件分时地将信息发往总线，再由总线将这些信息同时发往各
2、个接收信息的部件。究竟由哪个部件接收信息，要由CPU给出的设备地址经译码产生的控制信号来决定。第9章 总 线1工作原理工作原理当总线空闲(其他器件都以高阻态形式连接在总线上)且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到(或能够收到)与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出(输出变为高阻态)。第9章 总 线2总线的分类总线的分类1)按照总线的位置分(1)片内总线。它是位于大规模、超大规模集成芯片内部各单元电路之间的总线，作为这些单元电路之间的信息通路。如CPU内部ALU、寄存器组、控制器等部件之间
3、的总线。(2)局部总线(内部总线)。通常指微机主板上各部件之间的信息通路。由于是一块电路板内部的总线，故又称在板局部总线。较典型的局部总线有：IBM-PC总线、ISA总线、EISA总线和PCI总线等。第9章 总 线(3)系统总线(外部总线)。是指微机底板上的总线，用来构成微机系统的各插件板、多处理器系统各CPU模块之间的信道。较典型的系统总线如STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。(4)通信总线。它是微机系统与系统之间、微机系统与其它仪器仪表或设备之间的信息通路。这种总线往往不是计算机专有的，而是借用电子工业其它领域已有的总线标准并加以应用形成的。流行的通信总线如：EIA-RS-232
4、C、RS-422A、RS-485、IEEE-488、VXI等总线标准。第9章 总 线2)按照系统的功能分(1)数据总线用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即它既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理器的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。第9章 总 线(2)地址
5、总线是专门用来传送地址。由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为21664KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2201MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。第9章 总 线(3)控制总线用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。因此，控
6、制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。第9章 总 线3)按照传输数据的方式分按传输数据方式分可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2根。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。4)按时钟信号是否独立分按时钟信号是否独立分可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。SPI、I2C是同步串行总线，RS232采用异步串行总线。第9章 总 线3总线功能总线功能1)数据
7、传输功能数据传输功能是总线的基本功能，用总线传输率来表示，即每秒传输的字节数，单位是MB/s(兆字节每秒)。影响总线传输率的因素有：总线宽度、时钟频率等。2)多设备支持功能多个设备使用一条总线，首先是总线占用权的问题，哪一个主设备申请占用总线，由总线仲裁器确定。第9章 总 线3)中断中断是计算机对紧急事务响应的机制，是计算机反应灵敏与否的关键。4)错误处理错误处理包括奇偶校验错、系统错、电池失效等错误检测处理，以及提供相应的保护对策。第9章 总 线4总线的特性总线的特性在总线层次中，CPU总线、存储总线，因不同的计算机系统采用的芯片组不同，所以这些总线也不完全相同，互相没有互换性。而系统总线则
8、不同，它是与I/O扩展插槽相连接的。I/O插槽中可以插入各种扩冲板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。因此要求系统总线必须有统一标准，它们必须在以下几方面作出规定：第9章 总 线1)机械特性物理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的根数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列的等。例如：IBM-PC/XT的总线共有62根线，分两列编号。2)电气特性电气特性主要是定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围。一般规定送入CPU的信号称为输入信号，从CPU送出的信号称为输出信号。第9章 总 线3)功能特性确定引脚名称与功能，及其相互连接的协议。功能结构规范是总线的核心，通常以时序和状态描述信息
9、的交流、流向及管理规则。总线在功能结构方面的规范包括：数据线、地址线、读/写及其它控制线、状态线、时钟线、电源线和地线等；中断机制；总线主控仲裁；应用逻辑：如联络(也称握手)线、复位、自启动、休眠维护等。4)时间特性时间特性确定了每根线在什么时间有效，也就是每根线的时序。第9章 总 线5总线的数据传送总线的数据传送1)申请占用总线需要使用总线的总线主设备向总线仲裁机构提出占用总线的请求，经总线仲裁机构判定，若满足响应条件，则发出响应信号，并把下一个总线传送周期的总线控制权授予申请者。第9章 总 线2)寻址获得总线控制权的总线主设备，通过地址总线发出本次要访问的存储器和I/O端口的地址，经地址译
10、码选中被访问的模块并开始启动数据转换。3)传送数据总线主设备也叫主模块，被访问的设备叫从模块。主模块和从模块之间的操作是由主模块控制在两个从模块之间通过数据总线进行数据传送。4)结束主、从模块的信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它主模块使用。第9章 总 线6总线的性能指标总线的性能指标1)总线宽度数据总线一次能传送的数据位数(数据线根数)。总线宽度越宽则总线每次传输的数据量越大。2)总线带宽总线带宽又称为总线数据传输率，是单位时间内总线上传送的数据量(MB/s)。总线带宽越大其性能越高。3)总线工作时钟频率总线工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则总线工作速度越快。4)其他指标其他指标主
11、要包括负载能力、总线仲裁时间等。第9章 总 线9.2 总线系统结构总线系统结构9.2.1 总线通道组成总线通道组成早期总线实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般由50100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。简单总线结构的不足之处在于：第一，CPU是总线上的唯一主控者；第二，总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。第9章 总 线当代流行的总线是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足包括多个CPU在内的主控者环境需求。在当代总线结构中，CPU和它私有的Cache一起作为一个模
12、块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。而总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。整个总线分成如下四部分：第一部分，数据传送总线，由地址线、数据线、控制线组成；第二部分，仲裁总线，包括总线请求线和总线授权线；第三部分，中断和同步总线，用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线；第四部分，公用线，包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。第9章 总 线9.2.2 总线结构类型总线结构类型1单总线结构单总线结构单总线结构是用一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件，计算机系统的所有设备都挂在这条总线上，各大部件之间所有的信息传送都通过这组总线。
13、早期的计算机，如美国DEC公司PDP-11机只使用一组总线，所有的部件和设备都接在这唯一的总线上，包括数据总线、地址总线、控制总线，其优点是结构简单、成本低廉，缺点是运行效率低。其结构如图9-1所示。第9章 总 线图9-1 单总线结构第9章 总 线单总线结构能经同一总线实现I/O设备之间以及I/O设备与CPU之间的直接联系，这是一条共享总线，是微型机和小型机经常采用的一种总线结构。第9章 总 线单总线结构具有以下特点：所有连接到单总线上的计算机系统部件都共享同一地址空间。也就是说，主存储器的存储单元、各个子系统中所有能与总线实现通信的寄存器都可以统一编址。I/O设备地址都采取存储器映射方式编址
14、，因而指令系统中没有输入输出指令，任何访问存储器的指令都可以访问连接到总线上的任何设备。单总线采用异步通信方式，其传输速率只与设备固有速率有关，而与总线上其他子系统无关，与总线的物理长度无关。单总线不仅用在处理器级部件间互连，而且也可以用于各单元部件之间的连接。它们都具有标准总线的接口。与总线连接的所有部件是互相独立的，这种总线结构便于系统部件的扩充。第9章 总 线2双总线结构双总线结构单总线结构的缺陷是系统效率和连接到总线上的各设备的利用率不高。这是因为单总线不允许多于两台的设备在同一时刻交换信息。为了克服这一缺陷，在有些小型机和大、中型机中，让I/O总线与内存总线分开，形成了双总线结构。这
15、种总线结构有两条总线，一条是内存总线，用于CPU、内存和通道之间进行数据传送；另一条是I/O总线，用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。其结构如图9-2所示。第9章 总 线图9-2 双总线结构第9章 总 线在双总线结构中，通道是计算机系统中的一个独立部件，使CPU的效率大为提高，并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的，通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，所以双总线通常在大、中型计算机中采用。第9章 总 线3三总线结构三总线结构三总线结构计算机是基于上述思想，在CPU和主存之间设置了一条独立总线，以进一步提高计算机的效率。这种总线结构是在计算机系统的
16、各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是内存总线、输入/输出(I/O)总线和内存访问(DMA)总线，如图9-3所示。第9章 总 线图9-3 三总线结构第9章 总 线在三总线结构中，内存总线用于CPU和内存之间传送地址、数据和控制信息；I/O总线供CPU和各类外设之间的通信；DMA总线使内存和高速外设之间能够直接传送数据。一般来说，在三总线结构中，在任一时刻只使用一种总线，但若使用多入口存储器，内存总线可与DMA总线同时工作，此时，三总线系统可以比单总线运行得更快。但是三总线系统中，设备到设备不能直接进行信息传送，而必须经过CPU或内存间接传送，所以三总线系统总线的工作效率较
17、低。若再把不同速率的外部设备分类连接建立多条总线，则就是多总线结构了。第9章 总 线9.3 总线信息传送方式及定时总线信息传送方式及定时9.3.1 总线信息传送方式总线信息传送方式计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。第9章 总 线1串行传送串行传送当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号，每次一位，通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位。在串行传送时，被传送的数据需要在
18、发送部件进行并/串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要进行串/并变换，这称为装配。串行传送的主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。第9章 总 线2并行传送并行传送用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送。并行传送一般采用电位传送。由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。第9章 总 线3分时传送分时传送分时传送有两种概念：一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数
19、据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。第9章 总 线9.3.2 总线定时总线定时获得总线使用权的设备或部件可以在总线上进行数据通信。总线通信方式是实现总线控制和数据传送的手段。信息在总线上的传送方式通常有同步和异步两种方式。1同步通信同步通信总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号进行同步，部件之间按照约定时钟时间进行信息交换，这种方式称为同步通信。这个公共的时钟信号可以由总线控制部件发送到每一个部件或设备，也可以每个部件有自己的时钟发生器，但是，它们都必须由CPU发出的时钟信号进行同步
20、。由于采用统一的时钟，所有总线信号和命令必须以总线时钟有效时开始，所有总线操作以总线时钟为基本时间单位，即总线所用时钟数必须是整数。第9章 总 线同步通信的优点是具有较高的传输速率，数据传输速度快，总线控制逻辑也比较简单。同步通信适用于总线长度较短，各部件存取时间比较接近的情况。因此带来的缺点是假如总线长度长了，势必降低数据的传输速率。由于总线长度较短，不能及时进行数据通信的有效性检验。第9章 总 线2异步通信异步通信任何一个事件都只能是前面一个或一些事件的结果，所有设备以信号“握手”的方式进行联系，从而完成总线操作等工作，这种数据传送的方式称为异步通信。异步通信最根本的特征是总线系统中没有统
21、一的时间标志，允许总线上的各部件有各自的时钟，部件之间的通信不依靠公共的时间标准，而是利用应答方式的“握手”信号来实现。发送部件将数据放到总线上后，经过一定的时间延迟，便在控制线上发出“数据准备好”信号，而接收部件则应发“数据接收”信号来响应，把此信号送到源部件上，并接收数据。发送部件接收到响应信号后，去除原数据，本次传送结束。第9章 总 线异步通信方式的优点是，便于实现不同传输速率部件之间的数据传送，而且对总线长度也没有严格的要求，还能实现数据的有效性检验。缺点是速度一般不如同步通信方式高，而且总线控制逻辑也相对复杂一些。第9章 总 线9.4 总总线线的的仲仲裁裁由于存在多个设备或部件同时申
22、请对总线的使用权，为保证在同一时间只能有一个设备获得总线使用权，必须具有总线仲裁部件，总线仲裁部件按照申请者的优先权选择设备。只有获得了总线使用权的设备或部件，才能开始数据传送。按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。总线仲裁电路基本集中在一处的(如集中于CPU中)，称为集中式仲裁；而总线仲裁电路分散在总线各部件的，称为分布式仲裁。第9章 总 线9.4.1 集中式仲裁集中式仲裁集中式仲裁是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，集中式总线的仲裁方式主要有以下三种：链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。1链式查询方式链式查询方式在链式查询方式
23、电路中，除一般数据总线和地址总线外，在控制总线中有三根线用于总线的控制，它们分别是总线忙(BS)线、总线请求(BR)线和总线同意(BG)线，如图9-4所示。第9章 总 线图9-4 链式查询方式第9章 总 线BS：总线忙/闲状态线，当其有效时，表示总线正被某外设使用。BR：总线请求线，当其有效时，表示至少有一个外部设备要求使用总线。BG：总线同意，当其有效时，表示总线控制部件响应总线请求(BR)。第9章 总 线总线同意信号(BG)是串行地从一个I/O接口送到下一个I/O接口，如果BG到达的接口无总线请求，则继续往下传；如果BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下传，这意味着该I/O接口获得了
24、总线使用权。BG信号就像一条链一样串联所有的设备接口，故这种总线控制方式称为链式查询方式。在查询链中，离总线控制器最近的设备具有最高优先权；离总线控制器越远的设备，优先权越低。第9章 总 线这种方式的优点是只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。缺点是对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。第9章 总 线2计数器定时查询方式计数器定时查询方式计数器定时查询方式的工作原理是：总线上任一设备要求使用总线时，通过“总线
25、请求”(BR)线发出总线请求信号，总线控制器接到请求信号后，在“总线忙”(BS)为复位的情况下，让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发至各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备把“总线忙”(BS)置位，获得了总线控制权。此时，终止计数查询。每次计数可以从“0”开始，也可以从终止点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，即优先次序是固定的。如果从终止点开始，则是一种循环方法，每个使用总线的优先级是相同的。如图9-5所示。第9章 总 线图9-5 计数器定时查询方式第9章 总 线这种方式的优点是：由于查询可以被程序控制(计
26、数器的初值可由程序设定)，所以优先次序可以方便地改变。另外，这种查询方式不会出现链式查询那样当某个设备的接口中有关键的电路出现故障时，会影响其他设备使用总线。缺点是：要有一组设备地址线，从而增加了控制线的数量，而且控制也较为复杂。第9章 总 线3独立请求方式独立请求方式在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对“总线请求”(BR)和“总线同意”(BG)线。当设备要求使用总线时，便发出“总线请求”信号，总线控制部件中一般有一个排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，当请求的设备排上队，便收到“总线同意”(BG)信号，从而可以使用总线。如图9-6所示。第9章 总 线图9-6 独
27、立请求方式第9章 总 线独立请求方式的优点是：响应时间快，对优先次序的控制也相当地灵活，它可以预先固定优先次序，也可以通过程序来改变优先次序。并且在必要时屏蔽某些设备的请求。缺点是：控制线的数量多。比如要控制n个设备，必须有n根“总线请求”线和n根“总线同意”线，另外，独立请求方式的控制器也要复杂得多。第9章 总 线9.4.2 分布式仲裁分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号
28、。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。第9章 总 线9.5 计算机中的总线计算机中的总线总线是构成计算机系统的基础，它将影响系统的灵活性、成本、性能和可靠性。由于超大规模集成电路工艺的发展，系统的复杂性也在不断地增加，总线则往往成为提高性能、可靠性和模块化的制约因素。因此，在大多数微机系统中推行标准总线技术。标准总线使得总线接口部件标准化，简化了系统设计，缩短了开发时间，降低了开发成本，增加了系统配置的灵活性。下面就介绍几种常用标准总线。第9章 总 线9.5.1 内部总线内部总线1工业标准总线工业标准总线ISA最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/X
29、T电脑采用的系统总线，它基于8bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。1984年，IBM推出基于16bit Intel 80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称为PC/AT总线。而为了开发与IBM PC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBM PC总线规范为基础的ISA(Industry Standard Architecture,工业标准架构)总线。第9章 总 线ISA总线最大传输速率仅为8MB/s，但允许多个CPU共享系统资源。由于兼容性好，它在20世纪80年代是最广泛采用的系统总线，不过它的弱点也是显而易见的，比如传输速率过低、CPU
30、占用率高、占用硬件中断资源等。使用286和386SX以下CPU的电脑似乎和8/16bit ISA总线还能够相处融洽，但当出现了32bit外部总线的386DX处理器之后，总线的宽度就已经成为了严重的瓶颈，并影响到处理器性能的发挥。因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32bit，这就是著名的EISA(Extended ISA，扩展ISA)总线。第9章 总 线2EISA总线总线EISA总线插槽的外形与ISA总线完全相同，但插槽为两层结构，第一层的引线定义与ISA的一样，共98根引线；第二层的引线是EISA的扩充部分，共90根引线。EISA是32位总线，支持多处理器结构，具有较强的
31、I/O扩展能力和负载能力，支持多总线主控，传输率为33Mb/s，适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体等领域。由于EISA总线是兼容商共同推出的，技术标准公开，因而受到世界上众多厂家的欢迎。第9章 总 线EISA是一种支持多处理器的高性能32位标准总线，但由于兼顾了ISA的电气特性，因而妨碍了EISA总线速度的进一步提高，但由于是32bit总线的缘故，带宽提高了一倍，达到了32MB/s。可惜的是，EISA仍旧由于速度有限，并且成本过高，在20世纪90年代初的时候，被PCI总线给取代了。第9章 总 线3PCI总线总线PCI总线(Peripheral Component Interconnect，
32、即外部设备互连总线)，是Intel公司在1992年率先提出的。其引脚排列示意图如图9-7所示。第9章 总 线图9-7 PCI总线的引脚排列示意图第9章 总 线随着计算机技术的迅速发展和信息化水平的不断提高，对计算机外设的使用性能要求越来越高，特别是对图形显示的高要求，硬盘容量的增大和数据传输率的提高，要求有更高性能的总线。原有的ISA总线和EISA总线显然已不适应。当时CPU 的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接收数据，使得整机的性能受到严重的影响。第9章 总 线为了解决这个问题，1992年，Intel在发布486处理器的时候，同时
33、也提出了32bit的PCI总线。从数据宽度上看，PCI总线有32bit、64bit之分；从总线速度上分，有33MHz、66MHz两种。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到了133MB/s(33MHz32bit/8)，比ISA总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1993年提出了64bit的PCI总线，后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz。目前广泛采用的是32bit、33MHz的PCI总线。第9章 总 线PCI总线是独立于CPU的系统总线，采用了独特的中间缓冲器设计，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CP
34、U总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到充分的发挥。在PCI上包含有寄存器，上面带有配置所需的器件信息。第9章 总 线PCI总线的特点：(1)PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用。这样做的好处是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在作数据传输时，由一个PCI设备做发起者(Master)，而另一个PCI设备做目标(Slave)。总线上的所有时序的产生与控制，都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构，来决定谁有权力拿到总线的主控权。第9章 总 线(2)支持即插即用。当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，
35、如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不像旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。即插即用实际的实现远比说起来要复杂。在PCI板卡中，有一组寄存器，叫“配置空间”，用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。以内存地址为例。当上电时，板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要根据这个信息分配内存，并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。第9章 总 线(3)实现中断共享。ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又
36、用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电平。第9章 总 线软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡A用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现板卡B也用中断7，这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推，就会形成一个中断链。而当
37、有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。第9章 总 线4AGP总线总线三维图形应用的发展，对显卡的计算速度提出了越来越高的要求，PCI总线对于胃口越来越大的3D显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI总线的补充AGP总线就应运而生了。AGP总线不同于通用的PCI局部总线，它是供图形加速卡专用的。其地址和数据分离(PCI为49根信号线，而AGP总线是65根)，可实现“流水线”处理；地址线和数据线分离，没有切换的“开销”，
38、提高了系统实际数据传输速率和随机访问主内存时的性能。AGP总线的首要目的是将纹理数据置于主内存，以减少图形存储器的容量，从而可以生产廉价、高性能的图形卡，开通主内存到图形卡的高速传输通道。第9章 总 线AGP总线可以将系统主内存映射为AGP内存，用作图形卡上的专业显存的扩展，并通过直接内存执行方式提高系统的3D图形处理性能，减少图形设备对系统的占用。AGP总线最重要的特征是提高了数据传输的带宽。由于AGP总线宽为32位，基于66MHz时钟，并在时钟脉冲的“上升沿”和“下降沿”都能传输数据，因而可达到533Mb/s的理论传输率，比普通PCI接口图形卡提高了4倍。而且由于AGP总线还借用了处理器的
39、“流水线”技术，并有8条额外的“边际”数据请求线，支持对数据的“流水线”装入和预先读取，同时还可将需要的“边际数据”一起传输，从而大大增加了有效带宽。如果采用新潮的AGP 4模式，AGP总线的时钟频率将增加到133MHz，其数据传输率将突破1Gb/s大关。第9章 总 线9.5.2 外部通信总线外部通信总线1RS-232C总线总线RS-232C是一种串行通信总线标准，也是数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口标准，是1969年由美国电子工业协会(EIA)从CCITT远程通信标准中导出的一个标准。RS-232C标准包括机械指标和电气指标，其中机械指标规定：RS-232C标准接口通
40、向外部的连接器(插针和插座)是一个“D”型保护壳25针插头，如图9-8所示。第9章 总 线图9-8 RS-232C连接器第9章 总 线1)RS-232C的主要特点(1)信号线少。RS-232C总线共有25根线，它包括有主副两个通道，用它可进行双工通信。实际应用中，多数只用主信号通道(即第一通道)，并只使用其中几个信号(通常39根线)。(2)传输距离远。由于RS-232C采用串行传输方式，并将TTL电平转换成了RS-232C电平，在基带传输时，距离可达30m。若是采用光电隔离20A电流环传送，其传输距离可达1000m。第9章 总 线(3)可供选择的传输速率多。RS-232C规定的标准传送速率有：
41、50、75、110、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200Baud。可以灵活地使用于不同速率的设备。(4)抗干扰能力强。RS-232C采用负逻辑，空载时以+3+25V之间任意电压表示逻辑“0”，以-3-25V之间任意电压表示逻辑“1”，且它是无间隔不归零电平传送，从而大大提高了抗干扰能力。第9章 总 线2)RS-232C总线的功能规范(1)引脚分配。RS-232C总线共有25根信号线，其中，2根地线，4根数据线，11根控制线，3根定时线，5根备用线。引脚分配及定义如表9-1所示。第9章 总 线表表9-1 引脚分配及定义引脚分配及定义第9章 总 线(2)引脚信
42、号说明。在RS-232C总线中，虽然绝大多数信号线均已定义使用，但在一般的微型计算机串行通信中，经常使用的只有以下9个信号线，具体见表9-2，它们都是主信道组的信号线。第9章 总 线表表9-2 主信道组信号线主信道组信号线第9章 总 线这9根引脚分为两类：一类是基本的数据传送引脚，另一类是用于调制解调器(Modem)的控制和反映它的状态的引脚。基本的数据传送引脚：TXD、RXD、GND(2、3、7号引脚)是基本数据传送引脚。Modem的控制和状态引脚：从计算机通过RS-232C接口送给Modem的控制引脚包括DTR和RTS。从Modem通过RS-323C接口传送给计算机的状态信息引脚包括DSR
43、、CTS、DCD和RI。第9章 总 线 DTR数据终端准备完毕引脚，用于通知Modem计算机准备好，可以通信了。RTS为请求发送引脚，用于通知Modem计算机请求发送数据。DSR为数据通信设备准备就绪引脚，用于通知计算机，Modem准备好了。CTS为允许发送引脚，用于通知计算机Modem可以接收数据了。DCD为数据载体检测引脚，用于通知计算机Modem与电话线另一端的Modem已经建立联系。RI振铃信号指示引脚，用于通知计算机，有来自电话网的信号。第9章 总 线3)RS-232C电气总线的规范RS-232C电气总线的规范如表9-3所示。第9章 总 线表表9-3 RS-232C电气总线的规范电气
44、总线的规范第9章 总 线2IEEE 1394IEEE1394是由Apple公司于20世纪80年代中期开始开发的一种串行总线，中文译名为火线接口(firewire)，这个名称来源于它令人瞠目结舌的传输速度。该规范于1995年得到了标准化，其名称也由FireWire改为IEEE 1394。此外，索尼公司对IEEE 1394进行了许多改进，并且推出了它自己的版本dubbed i.Link，大部分的索尼计算机都使用了该版本的IEEE 1394规范。同USB一样，IEEE 1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备，支持同步数据传输。1394标准的最新版本是13
45、94b。IEEE1394接口如图9-9所示。第9章 总 线图9-9 IEEE 1394接口第9章 总 线IEEE 1394分为两种传输方式：Backplane模式和Cable模式。Backplane模式最小的速率也比USB 1.1最高速率高，分别为12.5 Mb/s、25 Mb/s、50 Mb/s，可以用于多数的高带宽应用。Cable模式是速度非常快的模式，分为100Mb/s、200 Mb/s、400 Mb/s和800Mb/s几种，在200Mb/s下即可传输不经压缩的高质量数据电影。第9章 总 线1394b是1394技术的升级版本，是仅有的专门针对多媒体视频、音频、控制及计算机而设计的家庭网络
46、标准。它通过低成本、安全的CAT5(五类)实现了高性能家庭网络。1394a自1995年就开始提供产品，1394b是1394a技术的向下兼容性扩展。1394b能提供800 Mb/s或更高的传输速度。近年来随着成本的下降，1394卡正迅速普及。虽然市面上还没有1394b接口的光储产品出现，但相信在不久之后也必然会出现在用户眼前。第9章 总 线1394接口具有把一个输入信息源传来的数据向多个输出机器广播的功能，特别适用于家庭视听AV(AUDIO-VISUAL)的连接。由于该接口具有等时间的传送功能，确保视听AV设备重播声音和图像数据质量，具有好的重播效果，严格地讲，IEEE 1394卡像USB一样只
47、是通用接口，而不是视频捕捉卡。比如说，我们可以连接一个高速外接硬盘到IEEE 1394卡上。不过因为IEEE 1394卡的绝大多数用途是与DV数码摄像机相连采集数字视频信号，所以，我们通常把它看做捕捉卡了。目前市场上的1394卡可以简单的分成两类：带有硬件DV实时编码功能的DV卡和用软件实现压缩编码的1394卡。带有硬件编码功能的DV卡一般价格在数千元，带有硬件编码的DV卡可以大大提高DV编辑的速度，可以实时地处理一些特技转换，而且许多此类卡带有处理MPEG-视频流的功能。第9章 总 线IEEE 1394和USB产生于相同的历史背景，要解决同一个问题，即如何使外设与计算机的连接变得更方便，更简
48、洁。但二者的立足点有所不同，前者立足于高速设备，而后者立足于中低速设备。当然，新的USB标准(USB 2.0)已提供对高速设备的支持。相比于USB接口，早期在USB 1.1时代，1394a接口在速度上占据了很大的优势，在USB 2.0推出后，1394a接口在速度上的优势不再那么明显。同时现在绝大多数主流的计算机并没有配置1394接口，要使用必须要购买相关的接口卡，增加额外的开支。第9章 总 线Apple公司对IEEE 1394的评价是：高速，高速，还是高速。这也说明了IEEE 1394总线的速率和USB总线相比，确实要快许多，然而，其电气特性、接口电路和通信协议都要比USB复杂，因而价格也高出
49、许多。第9章 总 线下面所列是IEEE 1394总线的一些特点：(1)采用点对点模型，所有连接设备建立一种对等网络，设备之间可以互相通信而不通过主机。(2)单一总线最多连接63个物理节点，但一个计算机系统中最多可以有1024条IEEE 1394总线。(3)支持三种速率模式：100Mb/s、200Mb/s和400Mb/s。1394b又定义了三种更高的速率：800Mb/s、1.6Gb/s和3.2Gb/s。而速率的选择是通过在总线上加入不同的共模电流来实现的。第9章 总 线(4)支持等时和异步两种传输方式。等时传输的概念是按一定的速率进行传输，拥有固定的带宽，和USB不同的是，除了点对点的传输外，还
50、可以一对多，进行广播式传输。异步传输通过唯一地址指定响应节点，通信时请求方(即发送方)与响应方(即接收方)需要进行联络。响应方在收到请求时要作出应答表示已收到请求，而请求方在收到响应方对请求所作的响应信息时也要作出应答，表示已收到响应。(5)以125s为循环周期。异步传输有至少20%带宽可用，等时传输则至多80%。(6)采用六线制，包括两对双绞线和一对电源线。一对双绞线传输数据，另一对传输选通信号，数据和选通进行“异或”运算后可得到时钟信号。第9章 总 线(7)采用四层传输协议，由上至下依次为：总线管理层、事务层、链路层和物理层。总线管理层负责总线配置、电源和带宽管理、节点活动管理等。事务层为
