1、熱能與動力工程熱能與動力工程第第4章總線與總線接口技術章總線與總線接口技術熱能與動力工程熱能與動力工程4.1 總線與總線操作總線與總線操作 4.1.1總線及總線信號分類總線及總線信號分類一、總線定義一、總線定義總線：是在模塊和模塊之間或設備與設備之間的一組進行總線：是在模塊和模塊之間或設備與設備之間的一組進行互連和傳輸信息的互連和傳輸信息的，信息包括指令、數據和地址。，信息包括指令、數據和地址。 總線不僅僅是一組傳輸線，它還包括一套管理信息傳輸的總線不僅僅是一組傳輸線，它還包括一套管理信息傳輸的規則規則(協議協議)。 在計算機系統中，總線可以看成一個具有獨立功能的組成在計算機系統中，總線可以看

2、成一個具有獨立功能的組成部件。部件。熱能與動力工程熱能與動力工程 主控模塊（master,主模塊) 可以控制總線并啟動數據傳送的任何模塊可以控制總線并啟動數據傳送的任何模塊 受控模塊（slave,從模塊) 能夠響應總線主模塊發出命令的任何模塊能夠響應總線主模塊發出命令的任何模塊 分時復用模塊有時用作主控模塊，有時用作受控模塊有時用作主控模塊，有時用作受控模塊熱能與動力工程熱能與動力工程三、三、總線的分類總線的分類 1) 按總線功能或信號類型劃分為：按總線功能或信號類型劃分為： ：雙向三態邏輯，線寬表示了總線數據傳輸的能力。：雙向三態邏輯，線寬表示了總線數據傳輸的能力。：單向三態邏輯，線寬決定了

3、系統的尋址能力。：單向三態邏輯，線寬決定了系統的尋址能力。：就某根來說是單向或雙向?？刂瓶偩€最能體現總線：就某根來說是單向或雙向。控制總線最能體現總線特點，決定總線功能的強弱和適應性。特點，決定總線功能的強弱和適應性。熱能與動力工程熱能與動力工程2) 按總線的層次結構分為：按總線的層次結構分為： ：微機系統中速度最快的總線，主要在：微機系統中速度最快的總線，主要在cpu內部，內部，連接連接cpu內部部件，在內部部件，在cpu周圍的小范圍內也分布該總線，周圍的小范圍內也分布該總線，提供系統原始的控制和命令。提供系統原始的控制和命令。：在系統總線和：在系統總線和cpu總線之間的一級總線，提供總線之

4、間的一級總線，提供cpu和主板器件之間以及和主板器件之間以及cpu到高速外設之間的快速信息通到高速外設之間的快速信息通道。道。：也稱為：也稱為i/o總線，是傳統的通過總線擴展卡連接總線，是傳統的通過總線擴展卡連接外部設備的總線。由于速度慢，其功能已經被局部總線替代外部設備的總線。由于速度慢，其功能已經被局部總線替代。：也稱為外部總線，是微機與微機，微機與外設之：也稱為外部總線，是微機與微機，微機與外設之間進行通信的總線。間進行通信的總線。熱能與動力工程熱能與動力工程四、信號線的類型四、信號線的類型熱能與動力工程熱能與動力工程4.1.2總線操作及控制總線操作及控制 總線操作的總線操作的4個階段個

5、階段 1： 主模塊向總線仲裁機構提出總線使用申請，總線仲裁機構決定主模塊向總線仲裁機構提出總線使用申請，總線仲裁機構決定使用總線的主模塊。使用總線的主模塊。2： 擁有總線使用權的主模塊發出本次要訪問的從模塊的地址及有擁有總線使用權的主模塊發出本次要訪問的從模塊的地址及有關命令，該從模塊被選中并啟動關命令，該從模塊被選中并啟動。3： 主模塊和從模塊間進行雙（單）向數據傳送。主模塊和從模塊間進行雙（單）向數據傳送。4： 主、從模塊均撤出總線。主、從模塊均撤出總線。熱能與動力工程熱能與動力工程4.1.3性能指標性能指標 總線帶寬：即總線帶寬：即最大傳輸速率，最大傳輸速率，指總線在每秒鐘內能傳輸指總線

6、在每秒鐘內能傳輸的最多字節數，單位為的最多字節數，單位為mb/s。三者的關系是：。三者的關系是： 傳輸速率傳輸速率=總線位寬總線位寬總線頻率總線頻率 總線寬度越寬，總線頻率越高，則總線傳輸速率越快總線寬度越寬，總線頻率越高，則總線傳輸速率越快 總線位寬：總線位寬：是指一次可以同時傳輸數據的是指一次可以同時傳輸數據的位數位數，單位為，單位為位位(bit) 工作頻率：工作頻率：它是指總線在每秒鐘內能傳輸數據的它是指總線在每秒鐘內能傳輸數據的次數次數，單位為單位為mhz。如。如isa的總線頻率為的總線頻率為8mhz，而，而pci總線有總線有33.3mhz、66.6mhz兩種總線頻率兩種總線頻率 熱能

7、與動力工程熱能與動力工程 總線帶寬、總線位寬、總線工作頻率三者之間的關總線帶寬、總線位寬、總線工作頻率三者之間的關系就像高速公路上的車流量、車道數和車速的關系。系就像高速公路上的車流量、車道數和車速的關系。車流量取決于車道數和車速，車道數越多、車速越車流量取決于車道數和車速，車道數越多、車速越快則車流量越大：同樣，總線帶寬取決于總線寬度快則車流量越大：同樣，總線帶寬取決于總線寬度和工作頻率，總線寬度越寬、工作頻率越高則總線和工作頻率，總線寬度越寬、工作頻率越高則總線帶寬越大。帶寬越大。熱能與動力工程熱能與動力工程常見總線的帶寬和傳輸率常見總線的帶寬和傳輸率返回本節熱能與動力工程熱能與動力工程4

8、.2.1總線仲裁控制總線仲裁控制 總線仲裁是指在總線上有多個總線仲裁是指在總線上有多個總線主模塊同時請求使用總線同時請求使用總線時，決定由哪個模塊獲得總線控制權。時，決定由哪個模塊獲得總線控制權。 所謂所謂“總線主模塊總線主模塊”，就是具有總線控制能力的模塊，在獲，就是具有總線控制能力的模塊，在獲得總線控制權之后能啟動數據信息的傳輸，如得總線控制權之后能啟動數據信息的傳輸，如cpu或或dma控控制器都可成為這種具有總線控制能力的主模塊；制器都可成為這種具有總線控制能力的主模塊； 與總線主模塊相對應的是與總線主模塊相對應的是“總線從模塊”，它是指能夠對總，它是指能夠對總線上的數據請求作出響應，但

9、本身不具備總線控制能力的模線上的數據請求作出響應，但本身不具備總線控制能力的模塊。塊。4.2總線操作控制總線操作控制熱能與動力工程熱能與動力工程 總線作為一種重要的公共資源，各個總線主模塊隨時都可總線作為一種重要的公共資源，各個總線主模塊隨時都可能請求使用總線，這樣就可能會有不止一個總線主模塊同能請求使用總線，這樣就可能會有不止一個總線主模塊同時請求使用總線。時請求使用總線。 為了讓多個總線主模塊合理、高效地使用總線，就必須在為了讓多個總線主模塊合理、高效地使用總線，就必須在系統中有系統中有處理上述總線競爭的機構，這就是總線仲裁器(bus arbiter)。 它的任務是響應總線請求，合理分配總

10、線資源。它的任務是響應總線請求，合理分配總線資源。熱能與動力工程熱能與動力工程 基本的總線仲裁方式有三種，即基本的總線仲裁方式有三種，即串行總線仲裁方式串行總線仲裁方式、并行并行總線仲裁方式總線仲裁方式和和串并二維仲裁方式串并二維仲裁方式。 1. 串行總線仲裁方式串行總線仲裁方式串行鏈接仲裁簡稱串鏈仲裁、串行仲裁，又叫串行鏈接仲裁簡稱串鏈仲裁、串行仲裁，又叫“菊花鏈菊花鏈”仲裁仲裁(robin daisy chaining)。該仲裁法又有二線菊花鏈、三線菊花鏈、。該仲裁法又有二線菊花鏈、三線菊花鏈、四線菊花鏈之分，其中三線菊花鏈使用普遍，最具代表性。四線菊花鏈之分，其中三線菊花鏈使用普遍，最具

11、代表性。 在串行總線仲裁方式中，各個總線主模塊獲得的總線優先在串行總線仲裁方式中，各個總線主模塊獲得的總線優先權決定于該模塊在串行鏈中的位置，如圖所示。權決定于該模塊在串行鏈中的位置，如圖所示。熱能與動力工程熱能與動力工程n n允許允許請求請求總線忙總線忙圖圖18.2 串行總線仲裁方式串行總線仲裁方式熱能與動力工程熱能與動力工程圖中的圖中的、n 等等n個模塊都是總線主模塊。當一個模塊需要個模塊都是總線主模塊。當一個模塊需要使用總線時，先檢查使用總線時，先檢查“總線忙”信號。若該信號有效，則表示當前正信號。若該信號有效，則表示當前正有其他模塊在使用總線，因此該模塊必須等待，直到有其他模塊在使用總

12、線，因此該模塊必須等待，直到“總線忙總線忙”信號信號無效。無效。在在“總線忙總線忙”信號處于無效狀態時，任何需要使用總線的主模塊都可信號處于無效狀態時，任何需要使用總線的主模塊都可以通過以通過“請求”線發出總線請求信號。線發出總線請求信號?？偩€總線“允許”信號是對總線信號是對總線“請求請求”信號的響應。信號的響應。熱能與動力工程熱能與動力工程“允許允許”信號在各個模塊之間串行傳輸，直到到達一個發出了總線信號在各個模塊之間串行傳輸，直到到達一個發出了總線“請求請求”信號的模塊，這時信號的模塊，這時“允許允許”信號不再沿串行模塊鏈傳輸，并信號不再沿串行模塊鏈傳輸，并且由該模塊獲得總線控制權。且由該

13、模塊獲得總線控制權。由串行的總線仲裁方式的工作原理可以看出，由串行的總線仲裁方式的工作原理可以看出，越靠近串行模塊鏈前面的模塊具有越高的總線優先權。熱能與動力工程熱能與動力工程 2. 并行總線仲裁方式并行總線仲裁方式的示意圖如圖并行總線仲裁方式的示意圖如圖18.3所示。所示。圖中，模塊圖中，模塊到到n都是總線主模塊。每個模塊都有總線都是總線主模塊。每個模塊都有總線“請求”和總線和總線“允許”信號。信號。各模塊間是獨立的，沒有任何控制關系。各模塊間是獨立的，沒有任何控制關系。當一模塊需要使用總線時，也必須先檢測當一模塊需要使用總線時，也必須先檢測“總線忙總線忙”信號。當信號。當“總線忙總線忙”信

14、號有效時，則表示其他模塊正在使用總線，因此該信號有效時，則表示其他模塊正在使用總線，因此該模塊必須等待。模塊必須等待。當當“總線忙”信號無效時，所有需要使用總線的模塊都可以發出信號無效時，所有需要使用總線的模塊都可以發出總線總線“請求請求”信號。信號。熱能與動力工程熱能與動力工程仲仲 裁裁 器器模塊模塊1. . .模塊模塊n. . .請求請求請求請求允許允許允許允許總線忙總線忙圖圖18.3 并行總線仲裁方式并行總線仲裁方式熱能與動力工程熱能與動力工程總線仲裁器中有總線仲裁器中有優先權編碼器和和優先權譯碼器。總線總線“請求請求”信號經優先權編碼器產生相應編碼，并由優先權譯碼器信號經優先權編碼器產

15、生相應編碼，并由優先權譯碼器向優先權最高的模塊發出總線向優先權最高的模塊發出總線“允許允許”信號。信號。得到總線得到總線“允許允許”信號的模塊信號的模塊撤銷總線“請求”信號，并置“總線忙”信號為有效狀態，當該模塊使用完總線后再置“總線忙”信號為無效狀態。熱能與動力工程熱能與動力工程在串行、并行兩種總線仲裁方式中，串行方式由于信號的串行傳輸會在串行、并行兩種總線仲裁方式中，串行方式由于信號的串行傳輸會加大延遲加大延遲(當串行模塊鏈上的模塊數目過多時甚至可能會超過系統允當串行模塊鏈上的模塊數目過多時甚至可能會超過系統允許的總線優先權仲裁時間許的總線優先權仲裁時間)，而且當高優先級的模塊頻繁使用總線

16、時，而且當高優先級的模塊頻繁使用總線時，低優先權的模塊可能會長時間得不到總線。低優先權的模塊可能會長時間得不到總線。串行方式只用于較小的系統中。而并行方式則允許總線上連接許多主模塊，而且仲裁電路也不復雜，而并行方式則允許總線上連接許多主模塊，而且仲裁電路也不復雜，因此是一種比較好的總線仲裁方法。因此是一種比較好的總線仲裁方法。熱能與動力工程熱能與動力工程3、串并二維仲裁方式、串并二維仲裁方式 總線判決器 br1 bg1 br2 bg2 in in c1 c2 c3 c4 bb bclk out out out 去下一臺設備 去下一臺設備 in in out 各鏈路上優先級由各鏈路上優先級由總線

17、判決器總線判決器內部邏輯決定內部邏輯決定同一鏈路上則由同一鏈路上則由離總線判決器的遠近程度離總線判決器的遠近程度確定確定熱能與動力工程熱能與動力工程1 1、同步并行總線時序、同步并行總線時序 t 寫 讀 其他控制線 db ab 同步時鐘 rd/wr 同步時鐘頻率同步時鐘頻率和和數據總線寬度數據總線寬度確定數據傳輸速度確定數據傳輸速度數據傳輸與時鐘同步數據傳輸與時鐘同步要求各個設備的速度相當要求各個設備的速度相當4.2.2總線握手控制總線握手控制1、同步總線協定、同步總線協定熱能與動力工程熱能與動力工程 ab 寫 讀 master slave rd/wr db 通過聯絡應答信號實現握手通過聯絡應

18、答信號實現握手適應能力強，速度取決于較慢的設備適應能力強，速度取決于較慢的設備握手信號握手信號2、異步并行總線時序、異步并行總線時序熱能與動力工程熱能與動力工程在同步的基礎上，插入在同步的基礎上，插入等待周期等待周期能兼容總線上各種不同能兼容總線上各種不同響應速度響應速度的設備的設備使同步總線達到與異步總線相同的功能使同步總線達到與異步總線相同的功能 tw clk(m) ab db rd/wr wait(s) 寫 讀 3、半同步并行總線時序、半同步并行總線時序熱能與動力工程熱能與動力工程4.3常見總線介紹常見總線介紹4.3.1isa總線總線 20世紀世紀80年代初期，年代初期，ibm在推出自己

19、的微機系統在推出自己的微機系統ibm pc/xt時，就定義了一種總線結構，稱為時，就定義了一種總線結構，稱為xt總線。這總線。這是是8位數據寬度的總線。位數據寬度的總線。 隨著隨著ibm采用采用80286 cpu，推出，推出ibm pc/at微機系統，微機系統，又定義了與又定義了與xt總線兼容的總線兼容的16位的位的at總線?？偩€。 isa總線(industrial standard architecture)即即at總總線，它是在線，它是在8位的位的xt總線基礎上擴展而成的總線基礎上擴展而成的16位的總位的總線體系結構。線體系結構。熱能與動力工程熱能與動力工程在一段時間內，大多數在一段時間內

20、，大多數pentium系列的系列的pc機主板上仍保留機主板上仍保留34個個isa總線總線擴充槽，即可以插入擴充槽，即可以插入8位位isa卡，又可以插入卡，又可以插入16位位isa卡?？ā?isa總線插槽isa總線插槽有一長一短兩個插口總線插槽有一長一短兩個插口.長插口有長插口有62個引腳，以個引腳，以a31a1和和b31b1表示，分別列于插槽的兩面；表示，分別列于插槽的兩面；短插口有短插口有36個引腳，以個引腳，以c18c1和和d18d1表示，也分別列于插槽的兩表示，也分別列于插槽的兩面。面。熱能與動力工程熱能與動力工程d18d1c18c1b31b1a31a1圖圖18.4 isa總線插槽總線插

21、槽熱能與動力工程熱能與動力工程4.3.2pci總線總線pci總線(peripheral component interconnect，外圍部件互連，外圍部件互連總線總線)于于1991年由年由intel公司首先提出，并由公司首先提出，并由pci sig(special interest group)來發展和推廣。來發展和推廣。pci sig是一個包括是一個包括intel、ibm、compaq、apple和和dec等等100多家公司在內的組織集團。多家公司在內的組織集團。1992年年6月推出了月推出了pci 1.0版，版，1995年年6月又推出了支持月又推出了支持64位數據通路、位數據通路、66m

22、hz工作頻率的工作頻率的pci 2.1版。版。由于由于pci總線先進的結構特性及其優異的性能，使之成為現代微總線先進的結構特性及其優異的性能，使之成為現代微機系統總線結構中的佼佼者，并被多數現代高性能微機系統所廣機系統總線結構中的佼佼者，并被多數現代高性能微機系統所廣泛采用。泛采用。熱能與動力工程熱能與動力工程熱能與動力工程熱能與動力工程cpu存儲器存儲器cpu總線總線cpu總線總線/pci總線橋（總線橋（北橋北橋）pci總線總線/isa總線橋（總線橋（南橋南橋）pci圖形圖形適配器適配器pci網卡網卡pci硬盤硬盤控制器控制器pci總線總線isa總線總線isa卡卡. . .isa卡卡pci總

23、線結構框圖總線結構框圖熱能與動力工程熱能與動力工程由上圖可見，這是一個由由上圖可見，這是一個由cpu總線、總線、pci總線及總線及isa總線組成的總線組成的三層總線結構。cpu總線也稱總線也稱“cpu-主存總線主存總線”或或“微處理器局部總線微處理器局部總線”，cpu是該總線的主控者。此總線實際上是是該總線的主控者。此總線實際上是cpu引腳信號的延伸。引腳信號的延伸。通過橋芯片通過橋芯片(北橋和南橋)，上邊與高速的，上邊與高速的cpu總線相連，下邊與總線相連，下邊與isa總線相連?？偩€相連。pci總線是一個總線是一個32位位/64位總線，且其地址和數據是同一組線，分時位總線，且其地址和數據是同

24、一組線，分時復用。在現代復用。在現代pc機機(如如pentium系列系列)主板上一般都有主板上一般都有23個個pci總總線擴充槽。線擴充槽。熱能與動力工程熱能與動力工程4.3.3通用串行總線通用串行總線usb usb（universal serial bus）通用串行總線是由通用串行總線是由compaq、digital equipment、intel、microsoft、ibm、nec及及northern telecom等等7家公司聯合開發的一種流行的家公司聯合開發的一種流行的外設接口標準外設接口標準 熱能與動力工程熱能與動力工程1996年年2月公布了月公布了usb 1.0版本，傳輸速率有低速

25、版本，傳輸速率有低速1.5mbps和高速和高速12mbps兩種模式。兩種模式。usb 2.0已于已于2000年年4月月27日由日由compaq、hp、intel、lucent、micrsoft、nec、philips正式對外發布，作為新一代正式對外發布，作為新一代usb標準，標準，usb 2.0兼容所有兼容所有usb 1.0外部設備及電纜線等，傳輸速外部設備及電纜線等，傳輸速率達率達480mbps。usb 2.0不僅使不僅使usb大大提速，而且使更大大提速，而且使更多的設備可以經多的設備可以經usb連接到連接到pc熱能與動力工程熱能與動力工程usb外設外設汽車鑰匙汽車鑰匙電話電話數碼相機數碼相

26、機電子眼電子眼銀行刷卡機銀行刷卡機u u盤盤/ /手表手表游戲桿游戲桿手機手機鍵盤鍵盤/ /鼠標鼠標鼠標鼠標u u盤盤計算機計算機熱能與動力工程熱能與動力工程usb的性能特點的性能特點 傳輸速度快傳輸速度快連接簡單快捷連接簡單快捷通用連接器通用連接器無須外接電源無須外接電源 擴充外設能力強擴充外設能力強 熱能與動力工程熱能與動力工程1）傳輸速度快usb 1.0 提供了兩種速度：usb低速1.5mbps，低速的usb支持低速設備，例如，調制解調器、鍵盤、鼠標、優盤、硬盤、光驅、網卡、掃描儀、數碼相機等；usb全速12mbps， usb全速的數據傳輸速度比rs-232c串口的9600bps快100

27、0多倍，它用于大范圍的多媒體設備。而usb 2.0的數據傳輸速度可以高達480mbps熱能與動力工程熱能與動力工程2）連接簡單快捷usb連接簡單快捷，可以進行熱插拔。即設備連到usb時，不必打開機箱，也不必關閉主機電源 熱能與動力工程熱能與動力工程3）通用連接器usb用一種通用的連接器可以連接多種類型的外設，其外型為4針插頭 熱能與動力工程熱能與動力工程usb接頭接頭熱能與動力工程熱能與動力工程4）無須外接電源由usb總線提供電源到外部設備，usb能提供+5v/500ma的電源，供低功耗usb設備如usb鍵盤、usb鼠標、優盤等作電源使用；但需高功耗的usb設備,如掃描儀等仍需自帶電源； us

28、 b 還 采 用 a p m （ a d v a n c e d p o w e r management）技術，可以有效地節省電源功耗熱能與動力工程熱能與動力工程4.3.41394總線 usb總線是一種新型計算機外設接口標準。但總線是一種新型計算機外設接口標準。但usb總線總線的數據傳輸主要還是適合于中、低速設備，而對于那些的數據傳輸主要還是適合于中、低速設備，而對于那些高速外設高速外設(如多媒體數字視聽設備如多媒體數字視聽設備)就顯得有些不夠了。就顯得有些不夠了。 ieee 1394(又稱又稱i.link或或fire wire)，是由，是由apple公司和公司和ti(德克薩斯儀器德克薩斯儀

29、器)公司開發的高速串行接口標準，其數據公司開發的高速串行接口標準，其數據傳輸率已達傳輸率已達100m bps、200m bps、400m bps、800m bps，即將達到1gbps和1.6g bps。熱能與動力工程熱能與動力工程熱能與動力工程熱能與動力工程 采用樹形或菊花鏈結構，以級聯方式在一采用樹形或菊花鏈結構，以級聯方式在一個接口上最多可以連接個接口上最多可以連接63個不同種類的設備。個不同種類的設備。 ieee1394a支持支持100mb/s, 200mb/s及及400mb/s的傳輸速率。的傳輸速率。 高傳輸率加上同步傳送方式高傳輸率加上同步傳送方式 可可向被連接的設備提供向被連接的設

30、備提供410v和和1.5a的電源的電源 任何兩個該接口的設備任何兩個該接口的設備可以直接連接而不需要通過可以直接連接而不需要通過pc機的控制機的控制 采用設備自動配置技術，允許熱插拔和即采用設備自動配置技術，允許熱插拔和即插即用插即用 。ieee1394的主要性能特點的主要性能特點熱能與動力工程熱能與動力工程 與與usb相似，相似，ieee 1394也完全支持也完全支持“即插即用即插即用”(pnp)。任何。任何時候，都可以在總線上添加或拆卸時候，都可以在總線上添加或拆卸ieee 1394設備，即使總線設備，即使總線正處于全速運行的狀態。正處于全速運行的狀態。 總線配置發生改變以后，節點地址會自動重新分配，而不需用總線配置發生改變以后，節點地址會自動重新分配，而不需用戶進行任何形式的介入。戶進行任何形式的介入。 通過通過ieee 1394連接的設備包括多種高速外設如硬盤、光驅、連接的設備包括多種高速外設如硬盤、光驅、新式新式dvd以及數碼相機、數字攝錄機、高精度掃描儀等。以及數碼相機、數字攝錄機、高精度掃描儀等。 一個一個ieee 1394的典型應用實例如圖所示的典型應用實例如圖所示熱能與動力工程熱能與動力工程熱能與動力工程熱能與動力工程4.3.5 agp總線