1、第三章第三章 總總 線線2011/10 2011/10 東北大學東北大學 計算機系統研究所計算機系統研究所第三章第三章 總總 線線3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.2 IBM PC 總線總線3.3 ISA 總線總線習習 題題3.4 PCI 總線總線3.5 PCI Express總線總線總線的優點總線的優點：模塊化結構設計方法，簡化系統設計；模塊化結構設計方法，簡化系統設計；各廠商的產品互相兼容；各廠商的產品互相兼容；便于系統擴充和升級；便于系統擴充和升級；便于故障診斷和維修。便于故障診斷和維修。3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念總線的分類總線的分類：片內總線，元件級總線片內總線

2、，元件級總線(內總線）內總線），插件板級總線（系統總線），設備級總線（外總插件板級總線（系統總線），設備級總線（外總線）。線）。 內部總線是微機內部各外圍芯片與處理器之間的內部總線是微機內部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；而系統總線是微機總線，用于芯片一級的互連；而系統總線是微機中各插件板與系統板之間的總線，用于插件板一中各插件板與系統板之間的總線，用于插件板一級的互連；外部總線則是微機和外部設備之間的級的互連；外部總線則是微機和外部設備之間的總線，微機作為一種設備，通過該總線和其他設總線，微機作為一種設備，通過該總線和其他設備進行信息與數據交換，它用于設備一級的互連備進行信

3、息與數據交換，它用于設備一級的互連。 3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念*前端總線（前端總線（FSB）：）：是將是將CPUCPU連接到北橋連接到北橋芯片的總線。通常指外頻芯片的總線。通常指外頻( (以前指系統總以前指系統總線的頻率），如線的頻率），如266MHz266MHz、333MHz333MHz、400MHz400MHz、533MHz533MHz、800MHz800MHz、1066MHz1066MHz、1333MHz1333MHz幾種，代表著幾種，代表著CPUCPU與內存之間的數據傳輸量（與內存之間的數據傳輸量（* *數據位數據位/8/8）。）。 * *FSB=FSB=外頻外頻*

4、 *4 4（IntelIntel）/ /外頻外頻* *2 2（AMDAMD） 3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念總線的組成總線的組成：數據總線：數據總線DB，地址總線，地址總線AB，控，控制總線制總線CB。（電源線和地線）。（電源線和地線）。總線的規范總線的規范：機械規范，功能規范，電氣規范。機械規范，功能規范，電氣規范。3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念總線的性能指標總線的性能指標：總線的定時協議總線的定時協議 同步，異步，半同步同步，異步，半同步總線頻寬總線頻寬 總線本身所能達到的最高數據總線本身所能達到的最高數據 傳輸速率。傳輸速率。總線傳輸率總線傳輸率 系統在一定方

5、式下總線所能達系統在一定方式下總線所能達到的數據傳輸速率。到的數據傳輸速率。3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念單位時間（如1秒）內所產生的脈沖個數稱為頻率（單位是Hz）。CPU的主頻，即CPU內核工作的時鐘頻率，時鐘周期的倒數。？指令周期：取指周期和執行周期。第三章第三章 總總 線線3.3 ISA 總線總線習習 題題3.4 PCI 總線總線3.5 PCI Express總線總線3.2 IBM PC 總線總線3.1 總線的基本概念總線的基本概念IBM PC 總線總線82848088808782828286828882598237A1916AD70A190D70PC BUSIRQ70DR

6、Q30DACK30IOR/IOWMEMR/MEMWCLKAEN I/O CHCK I/OCHRDY 為什么有多個地線和電源線？為什么有多個地線和電源線？3.2 IBM PC 3.2 IBM PC 總線總線第三章第三章 總總 線線3.2 IBM PC 總線總線習習 題題3.4 PCI 總線總線3.5 PCI Express總線總線3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.3 ISA總線總線IBM PC 總線總線8228480286802878259x28237x2A230AD160A230D160ISA BUSIRQ150DRQ73,1,0DACK73,1,0IOR/IOWMEMR/MEMWCLK

7、AEN I/O CHCK I/OCHRDY 如何保持兼容？如何保持兼容？3.3 ISA 3.3 ISA 總線總線鎖存鎖存器器收發收發器器總線總線控制控制器器SBHE PC總線總線：8位位DB，20位位AB，62Pin，適用于適用于8086/8088。ISA總線總線：16位位DB，24位位AB，98Pin，適用于適用于80286，在，在80386及及以后的以后的CPU的主板上應用了很長時間，目前正逐漸被淘汰。向下兼的主板上應用了很長時間，目前正逐漸被淘汰。向下兼容，即容，即PC總線上的設備也可以用在總線上的設備也可以用在ISA總線上。總線上。A1A31B1B31C1D1C18D18PC 總線總線

8、ISA 總線總線接口插板布線圖接口插板布線圖C、DA、B3.3 ISA 3.3 ISA 總線總線EISA總線總線：32位位DB，32位位AB，188Pin，適用于適用于 8086/80486，同樣也向下兼容，即原，同樣也向下兼容，即原AT機上的各種機上的各種插板也可以插在插板也可以插在EISA總線上。總線上。A1A31B1B31C1D1C18D18EFHGA、BE、FG、HC、D接口插板布線圖接口插板布線圖* * EISA EISA 總線總線第三章第三章 總總 線線3.2 IBM PC 總線總線習習 題題3.3 ISA 總線總線3.5 PCI Express總線總線3.1 總線的基本概念總線的

9、基本概念3.4 PCI總線總線局部局部總線總線：速度更快，介于速度更快，介于CPU和和ISA之間。適用于之間。適用于80486以上的以上的CPU的主板。如的主板。如VL總線，總線，PCI總線。與其總線。與其它總線不兼容。它總線不兼容。CPUMEMISA總線控制器總線控制器硬盤適配器硬盤適配器CRT適配器適配器ISA總線總線局部總線控制器局部總線控制器ISA總線控制器總線控制器CPUMEM網絡適配器網絡適配器CRT適配器適配器FAX適配器適配器打印機適配器打印機適配器ISA總線總線PCI總線總線3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線PCIPCI總線的特點總線的特點支持一種線性突發數據傳輸模式，

10、即由一個地支持一種線性突發數據傳輸模式，即由一個地址順序讀寫大量數據。址順序讀寫大量數據。總線主控，任何一個有處理能力的外設都可暫總線主控，任何一個有處理能力的外設都可暫時接管總線。時接管總線。同步操作功能，確保同步操作功能，確保CPU與總線同步操作。與總線同步操作。PCI芯片將大量系統功能高度集成，而且芯片將大量系統功能高度集成，而且AB和和DB多路復用。多路復用。PCI總線與總線與CPU時鐘頻率無關，以其獨特的中時鐘頻率無關，以其獨特的中間緩沖器，獨立于間緩沖器，獨立于CPU ，不必擔心外設在不同，不必擔心外設在不同時鐘頻率下引起性能沖突。時鐘頻率下引起性能沖突。自動設置參數（自動設置參數

11、（I/O端口，中斷號等），即端口，中斷號等），即PnP。3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線PCIPCI總線的系統結構總線的系統結構Processor橋/RAM控制器DRAMCache擴展總線橋 網卡顯卡. 聲卡IDE卡. 3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線PCIPCI總線的接口信號總線的接口信號在在PCI應用系統中，有主設備和從設備，主設備需要應用系統中，有主設備和從設備，主設備需要49根信號根信號線，從設備至少需要線，從設備至少需要47根根 系統接口信號系統接口信號:CLK、RST。 地址數據接口信號：地址數據接口信號：AD031/3263、C/BE03/47、PAR。 接口控制

12、信號：接口控制信號：FRAME、IRDY、TRDY、STOP、LOCK、IDSEL、DEVSREL 總裁信號：總裁信號：REQ、GNT。 錯誤報告信號：錯誤報告信號：PERR、SERR、 中斷接口信號：中斷接口信號：INTA、INTB、INTC、INTD 其它接口信號：其它接口信號：SBO、SDONE3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線PCIPCI總線的配置空間總線的配置空間設備ID廠商ID狀態命令類別代碼版本IDBIST頭部類型延時定時器Cache行大小基地址寄存器卡總線CIS指針子系統ID子系統廠商ID擴展ROM基地址寄存器保留保留中斷引腳中斷請求線Max_LatMin_Gnt0151

13、63100H04H08H0CH10H24H28H2CH30H34H38H3CH性能指針3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線PCIPCI總線的配置空間總線的配置空間00H01H:廠商標識，廠商標識，R/W，從擴展從擴展ROM裝入。裝入。02H03H：設備標識，：設備標識，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。04H05H：PCI命令，命令，W/R，未用。，未用。06H07H：PCI狀態，狀態，R，未用。，未用。08H：版本標識，：版本標識，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。09H0BH：設備類別碼，：設備類別碼，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。0CH：高速緩存行大小，：高速緩存行大小，R

14、，未用。，未用。3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線0DH：延時定時器，：延時定時器，W/R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。0EH：首區類型，：首區類型，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。0FH：內建自測區，：內建自測區，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。PCIPCI總線的配置空間總線的配置空間10H27H:基地址寄存器，高位基地址寄存器，高位R/W，低位低位R，從擴展從擴展ROM裝入。裝入。28H2FH：保留。：保留。30H：擴展：擴展ROM基地址，從擴展基地址，從擴展ROM裝入。裝入。34H3BH：保留。：保留。3CH：中斷線寄存器，：中斷線寄存器，R/W，從擴展，從擴展ROM裝

15、入。裝入。3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線3DH：中斷引腳寄存器，：中斷引腳寄存器，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。3EH：最小允許，：最小允許，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。3FH：最大延時，：最大延時，R，從擴展，從擴展ROM裝入。裝入。40HFFH ：保留。：保留。基 地 址 寄 存 器PCIBUS奇 偶 校 驗命 令 狀 態 寄 存 器基 地 址 寄 存 器EPROM延 遲 定 時 器中 斷 寄 存 器初 始 化 器目 標 設 備PARPERRSERRAD0AD31FRAMEIRDYREQGNTTRDYDEVSELSTOP圖圖3-19 PCI接口基本結構接口基本結構

16、3.4 PCI 3.4 PCI 總線總線第三章第三章 總總 線線3.2 IBM PC 總線總線3.4 PCI總線總線3.3 ISA 總線總線習題習題3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.5 PCI Express總線總線PCI ExpressPCI Express鏈路鏈路3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express總線總線PCI Express 鏈路：鏈路：2個低電壓差分信個低電壓差分信號對組成，分別完成發送和接收。數據號對組成，分別完成發送和接收。數據時鐘信號采用時鐘信號采用8b/10b編碼。編碼。PCI ExpressPCI Express拓撲結構拓撲結構3.5 PC

17、I -Express3.5 PCI -Express總線總線根組件：用于處理器、內存和根組件：用于處理器、內存和I/O設備之間的連接。設備之間的連接。交換器：取代橋接器，為交換器：取代橋接器，為I/O總線提供轉發。總線提供轉發。終端設備：總線事務的發送者、執行者或完成者，分為傳終端設備：總線事務的發送者、執行者或完成者，分為傳統終端設備和統終端設備和PCI Express設備設備。PCI Express終端設備根組件PCI Express 終端設備CPUPCI Express-PCI 橋存儲器交換器PCI Express 終端設備Legacy 終端設備Legacy 終端設備PCI Expres

18、sPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI ExpressPCI Express交換器交換器3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express總線總線 多個虛擬多個虛擬PCI-PCI橋設備的邏輯組合，使用橋設備的邏輯組合，使用PCI橋機制傳遞事務，只能在橋機制傳遞事務，只能在2個下游端口個下游端口之間進行點對點的傳輸。之間進行點對點的傳輸。PCI ExpressPCI Express體系結構體系結構3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express總線總線物理層、數據鏈

19、路層、事務層。物理層、數據鏈路層、事務層。PCI ExpressPCI Express體系結構體系結構3.5 PCI -Express3.5 PCI -Express總線總線物理層物理層:決定總線的物理特性，如點對點串行連接、決定總線的物理特性，如點對點串行連接、差分信號驅動、熱插拔、可配置帶寬。包括所有的差分信號驅動、熱插拔、可配置帶寬。包括所有的接口電路，如驅動器接口電路，如驅動器/緩沖器、串緩沖器、串/并轉換、鎖相和并轉換、鎖相和阻抗匹配等。阻抗匹配等。數據鏈路層：確保數據包可靠正確的傳輸數據鏈路層：確保數據包可靠正確的傳輸事務層：對事務層數據包的封裝和解封。事務層：對事務層數據包的封裝

20、和解封。第三章第三章 總總 線線3.2 IBM PC 總線總線3.4 PCI總線總線3.3 ISA 總線總線3.5 PCI Express總線總線3.1 總線的基本概念總線的基本概念習習 題題 解釋下列名詞：解釋下列名詞：ISA EISA PCI AGP PCMCIA ISA EISA PCI AGP PCMCIA 。 總線分為那些類？總線的參數有哪些？總線分為那些類？總線的參數有哪些？ 什么是總線的頻寬？什么是總線的頻寬？ 什么是總線的傳輸率？什么是總線的傳輸率？ ISAISA總線如何與總線如何與PCPC總線保持兼容？總線保持兼容？ ISAISA總線如何與總線如何與PCPC總線保持兼容？總線

21、保持兼容？ ISAISA總線的總線的I/OI/O及及MEMMEM的可尋址范圍？的可尋址范圍？ 利用利用ISAISA總線制作一塊總線制作一塊I/OI/O擴展卡，其擴展卡，其I/OI/O地址范圍地址范圍如何如何 選擇？設定選擇？設定4 4個個I/OI/O端口地址，并設計譯碼電路？端口地址，并設計譯碼電路？習習 題題 PCIPCI總線的特點？總線的特點？ PCIPCI總線的命令有哪些？總線的命令有哪些？ PCIPCI總線中有哪幾種地址空間？總線中有哪幾種地址空間？ 配置寄存器的頭空間由哪些部分組成？配置寄存器的頭空間由哪些部分組成？ 何為信號的多路復用？采用多路復用方法的優缺點？何為信號的多路復用？

22、采用多路復用方法的優缺點？習習 題題AGP-AGP-加速圖形端口加速圖形端口主要目的是配合主要目的是配合DIB雙重獨立總線技術和雙重獨立總線技術和MMX多媒體技多媒體技術，提高圖形尤其是術，提高圖形尤其是3D圖形的顯示能力。圖形的顯示能力。圖（圖（A）表示用軟件對表示用軟件對MPEG2影像數據解壓，然后通過影像數據解壓，然后通過PCI總線將數據傳送到顯卡。總線將數據傳送到顯卡。圖圖2（B）表示將數據通過表示將數據通過AGP傳送到顯卡。傳送到顯卡。CPU芯片組內存顯卡IDE CPU芯片組內存顯卡IDE（A）（B）PCIPCIAGP* * AGP AGP 總線總線AGP-加速圖形端口* * AGP

23、 AGP 總線總線AGP（Accelerated Graphics Port）加速圖形端口）加速圖形端口是在是在PCI圖形接口的基礎上發展而來的。隨著圖形接口的基礎上發展而來的。隨著3 D游游戲做得越來越復雜，使用了大量的戲做得越來越復雜，使用了大量的3 D特效和紋理，特效和紋理，使原來傳輸速率為使原來傳輸速率為133MB/S的的PCI總線越來越不堪重總線越來越不堪重負，因此高帶寬的負，因此高帶寬的AGP才得以浮出水面。這是一種與才得以浮出水面。這是一種與PCI總線迥然不同的圖形接口，它完全獨立于總線迥然不同的圖形接口，它完全獨立于PCI總總線之外，直接把顯卡與主板控制芯片聯在一起，使得線之外

24、，直接把顯卡與主板控制芯片聯在一起，使得3D圖形數據省略了越過圖形數據省略了越過PCI總線的過程，總線的過程，從而很好地解決了低帶寬從而很好地解決了低帶寬PCI接口造成的接口造成的系統瓶頸問題。可以說，系統瓶頸問題。可以說，AGP代替代替PCI成成為新的圖形端口是技術發展的必然。為新的圖形端口是技術發展的必然。AGP-AGP-加速圖形端口加速圖形端口* * AGP AGP 總線總線AGP 8X作為新一代作為新一代AGP并行接口總線，在數據傳輸頻并行接口總線，在數據傳輸頻寬上和它的先輩寬上和它的先輩AGP 4X一樣都是一樣都是32bit，但總線速度將，但總線速度將達到史無前例的達到史無前例的66

25、MHz8=533MHz，在數據傳輸帶寬，在數據傳輸帶寬上也會達到上也會達到2.1GB/s的高度，這些都是原來的的高度，這些都是原來的AGP并行并行接口無法企及的。它的推出正好適應了現今接口無法企及的。它的推出正好適應了現今CPU和和GPU（圖形工作站）的飛速發展。隨著（圖形工作站）的飛速發展。隨著CPU主頻的逐步提升主頻的逐步提升以及以及GPU的性能的日新月異，系統單位時間內所要處理的性能的日新月異，系統單位時間內所要處理的的3D圖形和紋理越來越多，大量的數據要在極短的時間圖形和紋理越來越多，大量的數據要在極短的時間內頻繁地在內頻繁地在CPU和和GPU之間反復交換，這使之間反復交換，這使原來運

26、行頻率為原來運行頻率為66MHz的的AGP接口已越來越接口已越來越跟不上它們交換的速度，系統的性能因此而跟不上它們交換的速度，系統的性能因此而大受影響，正像當年大受影響，正像當年AGP取代取代PCI總線一樣，總線一樣，AGP 8X終于走上了時代的舞臺。終于走上了時代的舞臺。AGP-AGP-加速圖形端口加速圖形端口* * AGP AGP 總線總線 最初的顯示設備是采用最初的顯示設備是采用PCI總線，工作頻率為總線，工作頻率為33MHz，數，數據模式為據模式為32bit，傳輸帶寬為，傳輸帶寬為133MB/s。隨著。隨著AGP 1.0規范的規范的推出，推出，AGP 1x和和2x顯示設備成為主流。顯示設備成為主流。1X模式的工作頻率達模式的工作頻率達到到PCI總線的兩倍總線的兩倍66MHz，傳輸帶寬理論上可達到，傳輸帶寬理論上可達到266MB/s。2X工作頻率同樣為工作頻率同樣為66MHz，但