第11章微型計算機總線

1L1總線概述

11.2ISA總線

11.3EISA總線

11.4PCI總線

11.5外部總線

0(

K

011.1概述

總線（BUS）是微機系統中連接各個部分的信息傳輸通

道，通過總線可以傳輸數據信息、地址信息、各種控制

命令和狀態信息。

1970年DEC公司PDP-11小型計算機首次采用總線技術。

總線結構的優點：

,便于采用模塊化結構設計方法，簡化系統設計；

,便于開發相互兼容的硬件板卡和軟件，標準總線

得到各廠商的支持；

/便于系統的擴充和升級，乂活性好;III

/便于故障診斷和維修；

0概述

按總線傳送信息的類別，可以把總線分成控制總線、地址總線和

數據總線。總線也包括電源線和地線。

!|

0概述

控制總線

/控制總線上傳送一個部件對另一個部件的控制信號;

,在總線上，可以控制其他部件的部件稱為總線主控

(master),被控部件稱為從控(slave)；

,根據不同的使用意義，有的為雙向，有的為三態,有

的非三態；

0概述

地址總線

/地址總線上傳送地址信號，總線主控用地址信號

指定其需要訪問的部件（如外設、存儲器單元）；

/總線主控發出地址信號后，總線上的所有部件均

感受到該地址信號，但只有經過譯碼電路選中的部

件才接收主控的控制信號，并與之通信；

/地址總線是單向的，即地址信號只能由總線主控

至從控。地址總線也是三態的，非主控部件不能驅

動地址總線；

0概述

數據總線

,數據總線上傳送數據信息，數據總線是雙向的，

數據信息可由主控至從控（寫），也可由從控至主

控（讀）；

,數據總線是三態的，未被地址信號選中的部件，

不驅動數據總線（其數據引腳為高阻）；

,數據總線的根數稱為總線的寬度。16位總線，指「

其數據總線為16根；

!|

0總線的層次結構

?片內總線：CPU或10芯片內部，用于各功能部件之間

互連；

ACPU總線

/CPU、RAM、ROM、控制芯片組等芯片之間的信號

連接關系稱為CPU總線，包括控制總線、地址總線和

數據總線；

?CPU總線實現了CPU與主存儲器、Cache＞控制芯片

組、以及多個CPU之間的連接，并提供了與系統總線

的接口；,

K

0總線的層次結構

?局部總線

/局部總線為主機板上的信息通道，連接主機板上各主要部件,

通過擴展槽連接各種適配器。

/意指本地、局部計算機使用的總線系統，相對于多處理器超

級計算機的更高層次的系統總線，如VME總線等。

ISA:IndustryStandardArchitecture一工業標準體系結構，16位標

準總線，數據傳輸率8MB/S；

EISA:ExtendedIndustryStandardArchitecture一擴展工業標準體系

結構，32位標準總線，數據傳輸率33MB/S；

PCI:PeripheralComponentInterconnect—夕卜部設備互連。32/64位

標準總線，數據傳輸率132MB/S

0局部總線

■ISA:IndustryStandardArchitecture一工業

標準體系結構，16位標準總線，數據傳輸率

8MB/S

■MCA:MicroChannelArchitecture一微通道

體系結構，32位標準總線，數據傳輸率

40MB/s

■EISA:ExtendedIndustryStandard

Architecture一擴展工業標準體系結構，32

位標準總線，數據傳輸率33MB/Sp

K

0局部總線

■VESA:VideoElectronicStandard

Association一視頻電子標準協會。VESA總

線也稱為VL-bus(VESALocalBus),32位

標準總線，數據傳輸率133MB/S

■PCI:PeripheralComponentInterconnect一

外部設備互連。32/64位標準總線，數據傳

輸率132MB/S

■AGP:AcceleratedGraphicsPort一加速

形接口，專為提高視頻帶寬而設計的

規范。它是點對點連接，連接控制芯片組和

AGP顯示卡，因此嚴格說AGP不能稱為總

線，而是一種接口標準

0總線的層次結構

?系統總線

/多處理器系統連接各CPU插件板的信息通道;

/系統機箱底板上；

/MULTIBUS,VME,VXS，VPX等。

?外部總線

/用來提供I/O設備與系統中其他部件間的公共通信通路。

/外部總線標準化程度最高，適用各種處理器

例如：SCSI—小型計算機系統互連；

USB一通用串行總線；

/外部總線本質上應該算作主機與外設的接口0(

PC/ATISA總線的微機系統結構

SIMMS

PCAT/ISA核心邏輯8042MPU

位總線

芯片組8KBD/Mous

內含：控制器

7個DMA通道

實時時鐘/日歷后備電池

15級中斷

CMOSRAM

時間/計數器

總線緩沖器

擴展總線控制器

64K-128K—ISA總線

ROMBIOSPC/AT或ISA插槽■1。（

!|LJ

。PCI總線的微機系統結構

CPU(486/Pcntium)

32/64位CPU局部總線

SIMMS

L2CacheDRAM與L2局部總線到PC1主存DRAM

一般為512KCache控制器橋電路4-768MB

2至3個PCI總線

PCI插槽

LANSCSIIDE

64K-128K

可選擇的主板PCI芯片級適配器

ROMBIOS

8042MPUPCI到

個位插槽

鍵盤/鼠標ISA48XT

控制器橋電路

（南橋）

實時時鐘

CMOSRAM

o總線的層次結構

Accelerated

GraphicsPort'

4PCISlots

Programmable

2MbiIFlashROM

3ISASlots

K

0總線的性能

?總線寬度：指一次可以同時傳輸的數據位數。比如，ISA為16位

總線,一次可以傳輸16位二進制數。EISA、PCI為32位總線，一次

可以傳輸32位數。

?總線頻率：指總線工作時每秒鐘內能傳輸數據的次數。比如，

ISA、EISA的頻率為8MHz,PCI的頻率為33MHz,PCI-2的頻率為

66MHz等。

》傳輸速率：指每秒鐘能夠傳輸的字節數，用MB/歹、,

例如，PCI總線的寬度為32位，總線頻率為33MHZ,所以，PCI的

數據傳輸率為132MB/S。LJL

o11.2ISA總線

>ISA總線又名PC/AT總線，它是在原PC/XT總

線的基礎上增加36線插槽進行擴展，形成

16位總線結構，由主槽和附加槽兩部分組成;

?主槽有A1?A31、B1?B31共62腳，這就

是IBMPC/XT系統中的62芯總線槽；

?附加槽有C1?C18、D1?D18共36腳。兩

個槽一共98腳。

ISA總線

A面為元件面

ISA總線

MEMCS16-DICl-SBHE

I/OCS16-D2C2_LA23

IRQ10-D3C3_LA22

IRQ11-D4C4_LA21

IRQ12-D5C5_LA20

IRQ15-D6C6-LA19

IRQ14-D7C7-LA18

DACKO-D8C8-LA17

DRQO-D9C9-MEMR

DACK5-DIOCIO-MEMW

DRQ5-DllCll-SD08

DACK6-D12C12-SD09

DRQ6-D13CIASD10

DACK7-D14C14SD11

DRQ7-D15C15-SD12

+5V-D16C16-SD13

MASTER-D17C17-SD14

GND-D18C18-SD15

oISA總線特點

■數據線擴展為16位；

■地址線擴展為24位，直接尋址16MB；

■總線時鐘為8MH乙傳輸率16MB/S；

■具有15個外部中斷輸入和7個DMA通

道。

JOC

!|K

0ISA總線

■總線高位字節允許(SBHE：SystemByteHighEnable)此信

號為高電平時，表示數據總線SD8-SD15傳送的是高位字節,

并用以控制數據總線緩沖器接到SD8-SD15上。

■存儲器16位片選(MEMCS16#：Memory16BitChipSelect)

和IO端口16位片選(I/OCS16#：I/O16-BitChipSelect)當存

儲器或IO端口要求進行16位數據傳輸時，使此信號有效，否

則只能進行8位數據傳輸。

■總線主模塊信號(MASTER#)當擴展卡上有CPU或DMA控制

器時，可以申請總線控制權，得到響應后，置MASTER#有效,

獲得總線控制權，并訪問系統資源。

■零等待狀態(OWS)(ZeroWaitState)信號，它通知CPU能夠

完成當前的總線周期，無需插入等待周期。

0ISA總線

■系統存儲器讀寫信號SMEMR#和SMEMW#用來

對系統16MB存儲器讀寫，原MEMR#MEMW#只

對1MB范圍內的存儲器有效。

■中斷請求(IRQ0-IRQ15)AT主機板上有2片主從式

8259A,主片的IRQ2和從片的中斷請求端INT相連。

■DMA請求(DRQO、DRQ5-DRQ7)和DMA應答信號

(DACKO、DACK5-DACK7)

■AT主板上有2片主從式8237A,其中，主片的

DRQO接從片的DMA請求端，主槽和附加槽共有7

個DMA通道。

011.3EISA總線

EISA總線(ExtendedIndustryStandard

Architecture)

■EISA總線是基于ISA的擴展，主要是從提高

尋址能力、增加總線寬度和增加控制信號三

方面擴展；

/EISA的數據寬度為32位，能夠根據需要自動進

行8位、16位、32位數據轉換，這種機制使主機

能夠訪問不同總線寬度的存儲器和外設；

/時鐘頻率為8.3MHz,傳輸率為

8.3MHzX32b/8b=33.2MB/s；

/地址線為32條，直接尋址范圍可達4GB；

■EISA共有198條信號線，其中，98條

原有的。一

o11.4PCI局部總線

■PCI(PeripheralComponentInterconnect,外

部設備互連)

■PCI是PCISIG(PeripheralComponent

InterconnectSpecialInterestGroup)簡稱；

■它有四個主要的標準規格，分別支持32位與

64位，其下又分成3.3V與5V兩種信號；

■運行在33MHz或66MHz，總線寬度32位或

64位，其數據傳輸率最大可達528MB/S；

-CPCI/PCI-X/PCI-E;

0PCI總線特點

■高傳輸率

-PCI頻率限于66MHz,最高傳輸率528MB/S；

-PCI-X最高工作頻率533MHz,32位傳輸率為

2131MB/S；

-PCI-e工作頻率高達2.5GH乙串行基于交換的點

到點連接；

■高效率

-PCI總線控制器中集成了高速緩沖器用于緩沖

CPU數據；/

-PCI總線控制器支持突發數據傳輸模式；[][

oPCI總線特點

■即插即用功能是由系統和適配器兩方面配

合實現的。

■適配器中設置EEPROM存放按照PCI規范建

立的配置信息，包括制造商標識碼、設備標

識碼、適配器的分類碼等，還含有向PCI總

線控制器申請建立配置表所需要的各種參數,

如存儲空間的大小、I/O地址、中斷源等；

■PCI總線控制器能夠自動測試和調用配置信

息中的各種參數，并為每個PCI設備配置

256字節的空間來存放配置信息

0PCI總線特點

■獨立于CPU

-PCI控制器用獨特的與CPU結構無關的中間連接

件機制設計；

-使CPU不再需要對外設直接控制；

-支持當前的和未來的各種CPU,使其能夠在未來

有長久的生命期。

■負載能力強、易于擴展

-PCI的負載能力比較強，而且PCI總線上還可以連

接PCI控制器，從而形成多級PCI總線，每級PCI

總線可以連接多個設備。

PCI總線信號

AD31~AD。、

Si——......./

地址和數據彳C/BE廠C/BE。C/BE??7BE鈿位擴充

N

PAR一呼64_一

rREQg,

'—.FRAME一.ACKz.

TRDY

接口控制（.-LWK一總線鎖定

.DEVSELPCIINTA

一IDSEL

總線INTB

JNTC

出錯指小｛二^TKT5

y~坦0—~\Cache信號

總線仲裁.SDONE.J口

.TD1、

系統信號TDO_

.TCK＞測試信號

■TMS1(

TRST

0PCI總線信號定義

1.系統信號

■CLK：總線時鐘輸入信號，其值決定

了PCI總線工作頻率，總線時鐘頻率

可為OHZ?66MHz,除RST#,

INTA?D#之外，其余信號都在CLK

的上升沿同步。

■RST#：復位輸入信號，用來復位

PCI總線上的接口設備，使PCI

寄存器和定時器相關的信號恢

定的初始狀態。

oPCI總線信號定義

2.地址和數據信號

■AD[31:00]地址/數據復用信號

-32位地址/數據復用雙向（輸入/輸出）三態信號；

-一個PCI總線傳輸事務包含了一個地址信號期和接著的一個

（或多個）數據期；

-PCI總線支持突發讀寫功能。

■C/BE[3:00]#總線命令和字節使能信號

-在地址期，C/BE[3:0]#定義總線命令；

-在數據期，C/BE[3:0]#用作字節使能。

?PAR奇偶校驗信號

-對AD[31:00]和C/BE[3:0]#進行偶校驗的信號，

K

0PCI總線命令

A總線命令的作用：用于規定主從設備之間傳輸信息

的類型，它出現在地址期的C/BE[3:0]#的總線上。

A總線命令編碼

/總線命令是當一個總線設備獲得總線控制權后，在C/BE[3:0]

總線上的命令信號，用以確定信息傳輸類型。

0000中斷確認中斷識別命令

0001特殊周期提供在PCI上的簡單廣播機制

0010I/O讀從I/O口地址中讀數據

0011I/O寫向I/O地址空間寫數據

0110存儲器讀從內存空間中讀出數據

01H存儲器寫向內存空間寫入數據

1100多重存儲器讀只要FRAME#有效，就應保持存器管道連續,以便大量傳

輸數據

0PCI總線信號定義

3.接口控制信號

■FRAME#：幀同步信號，由啟動方驅動，表示一次

數據幀訪問開始和數據傳輸要持續多久；

■IRDY#(InitiatorReady)：啟動方準備好信號。

該信號有效表明發起本次傳輸的啟動方已做好準備;

TRDY#(TargetReady)目標方準備好信號。該信

號有效表示目標方已做好完成當前數據傳輸的準備

工作；

0(

0PCI總線信號定義

■STOP#：停止數據傳送信號，從設備要求主設備停止

當前數據傳送。

■LOCK#：總線鎖定信號，此信號有效時阻止其他設

備中斷當前的總線周期，以保證總線主設備完成傳輸。

■IDSEL：初始化設備選擇信號，這是PCI總線對即插

即用卡進行配置時的適配卡選擇信號，每次只有一個

PCI槽上的IDSEL有效，以選中惟一的一個適配卡。

■DEVSEL#：設備選擇信號，此信號有效時，通知主

設備，從設備已被選中。0(

0PCI總線信號定義

4.總線仲裁信號

■REQ#：總線請求信號，該信號有效表示驅動它

的設備要求使用總線。這是一個點到點的連接信

號線，任何主設備都有其REQ#信號。

■GNT#：總線允許信號，仲裁器同意請求總線的設

備使用總線，同樣也是一個點到點的連接信號線，

任何主設備都有其GNT#信號。

0(

0PCI總線信號定義

5.錯誤報告信號

■PERR#:數據奇偶校驗錯誤報告信號。對于接收數

據的設備，如果發現數據有錯，就應在收到數據

后的兩個時鐘周期內將PEER#激活。

■SERR#：系統錯誤報告信號。該信號可由PCI的

任一設備來驅動，報告發生了地址奇偶校驗錯，

數據奇偶校驗錯或其他嚴重錯誤。

0(

0PCI總線信號定義

6.中斷信號

APCI局部總線中共有四條中斷請求線，分別是：

INTA#、INTB#、INTC#、INTD#均為漏極開路。

對于單功能設備只能用INTA#,后三個信號用于

多功能設備。

7.Cache支持信號

>SBO#：該信號是PCICache/bridge的輸出信號,

同時又是駐留在PCI總線上高速緩沖存儲器子系

統的輸入信號。

>SDONE：偵聽完成信號。該信號是PCICache/

bridge的輸出信號，同時也是駐留在PCI總線

可高速緩沖存儲器子系統的輸入信號。

oPCI總線信號定義

8.64位總線擴展信號

/AD[63:32]：為擴展的32位地址和數據多路復用

線。

/C/BE[7:4]#：總線命令和字節使能多路復用信號

線。

/REQ64#：64位傳輸請求。該信號由當前主設備

驅動，并表示本設備要求采用64位傳送數據。

/ACK64#：64位傳輸確認信號，表示目標方同意

執行64位傳輸。[

/PAR64：奇偶校驗信號，是AD[64J^]和

的校儂占

0PCI總線信號定義

9.邊界掃描信號JTAG

■TCK：邊界掃描的測試時鐘，用于記錄狀態信息,

測試設備的輸入輸出數據。

■TDI：測試輸入信號，通過串行移位將測試數據和

指令送入設備中。

■TDO：測試輸出信號，串行移位設備中的輸出數據

和指令。

■TMS：測試模式選擇，用于初始化”測試訪問

制器”的狀態。

■TRST#：測試復位，用于初始化“測試訪問口控制

石mO

0PCI總線的數據傳輸

■PCI總線上每次數據傳輸都是由一個地址期

和一個或多個數據期所組成的。下圖表示了

PCI讀操作時序圖。所有的事件在時鐘下降

沿同步，在每個時鐘周期中間部位發生。總

線設備在總線周期開始的上升沿采樣總線上

的各信號線的信號。

0(

0PCI讀操作時序

clkl.啟動方（主控）獲得總線控制權后，使FRAME#有效，開始

此次傳輸，將目標設備的地址放在AD總線上，命令放在C/BE#線

上；

B——B

出

CC山

山

S「

IRDY#N?U_SL1S.

<NN

d1<tzV<

l<BB

1M1

JqM

<——<

TRDY#LHH

a<4-<<

Q0

DEVSEL#

DDRESSDATADATADATA“

PHASEPHASEPHASEPHASE

----------------BUSTRANSACTION---------->

0PCI讀操作時序

clk2上升沿處，目標方識別FRAME#、地址和命令；clk2下降沿

處，啟動方停止驅動動AD總線，同時使C/BE#線上傳字節使能信

號，并驅動IRDY#至有效電平，表示已作好接收數據的準備；

C/BE#—■—\BUS9MDX

II

■I

E

CC山

IRDY#!令。IXSu.S

N

NV

舌d

L

<

H

TRDY#<

0

DEVSEL#

0PCI讀操作時序?3

clk3.目標方將被請求的數據放在AD總線上，DEVSEL#驅動至有

效電平，并使TRDY#有效，表示總線上的數據有效，啟動方讀數

據；

clk4上升沿，啟動方讀取第一個數據；

C/BE#—i—(BUSCMD/

BB

W山

IRDY#LSLLlS.

N<N

舌t

L

<<

HH

TRDY#<<

00

DEVSEL#

<

晶DRE點DATA><DATA><DATA>

PHASEPHASEPHASEPHASEX

<----------------------------------------BUSTRANSACTION---------------------------------------->

0PCI讀操作時月

B

AB

山-

/-1

山

1二

1

u

一

U.一一11.

S?S

N-N

4舌

H

1/

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H-

<1<

1

Q1Q

.

DEVSEL#

ASDRE^SDATA><DATA><DATA>

PHASEPHASEPHASEPHASE

<---------BUSTRANSACTION->

clk5.由于目標方未準備好，插入等待狀態。

clk6.傳輸第二個數據。

clk7.啟動方未準備好，插入等待狀態。

clk8.傳輸第三個數據。此前FRAME#已變為無效電

第三個數據是最后一個數據;

clk9.總線回到空閑狀態;

oPCI讀寫操作特點

1.信號的變化在時鐘下降沿，信號采樣在時

鐘上升沿；

2.傳輸過程由主設備使FRAME#為有效開始，

而FRAME#無效后進行最后一個數據傳輸；

3.每個數據傳輸過程由一個地址期和若干個

數據期組成，地址期為一個時鐘周期，數

據期可插入等待，等待是由于主或從設備

未準備好造成；

6

0PCI的編址

■三個地址空間

AI/O空間：位于主機系統

/正向譯碼：

/負向譯碼：其他設備未被選中時，由總線擴展橋

發DEVSEL#信號來響應。

?內存空間：位于主機系統

?配置空間：分布于各個設備中

/為系統軟件提供此設備的參數，以便安裝驅其

件；

/提供設備的各種寄存器地址；

/由軟件將其映射到統一的空間，用來

用功能。/

0PCI配置空間

1.確定當前系統中存在的設備及其類型，據此安裝

相應驅動程序；

2.確定每個設備運行時需要多大的存儲空間和多少

I0接口；

3.對設備所需的存儲器和I0端口統一編址，使互不

沖突；

4.為需要的設備分配中斷類型號。

基本配置空間為256字節，包括：

頭標區64字節，描述與系統相關的信息；（Il

設備相關區192字節，描述設備本身的功能細1

0三種頭標類型

■2類：專用于PCI-CardBus橋一一種卡式擴

展橋，用于筆記本電腦的插卡式總線；

?1類：專用于PCI-CPI橋，用一些寄存器說

明和橋連接的第一級總線號、第二級總線號、

下一級總線號，以及下級總線的狀態等信息;

?0類：適用于普通的PCI設備和CPI擴展橋。

■對上述三類頭標區，前16字節（0?OFH）

定義是統一的，后48字節的定義不同，0EH

單元的“頭標類型”規定了該頭標區

分對應于哪一類設備；

配置空間的頭標區（0類）

00H

設備識別供應商代碼

04H

狀態命令

08H

分類代碼修改版本

0CH

內含臼測試頭標類型延時計數Cache大小

10H

基址寄存器

保留28H

保留2CH

擴展ROM基址寄存器30H

保留34H

保留38H

Max一LatMin——Gnt中斷引腳中斷線號3CH

0配置寄存器

地址偏移寄存器名

00-01H制造商標識別寄存器(VID)

02-03H設備識別寄存器(DID)

04-05H命令寄存器(PCICMD)

06-07H狀態寄存器(PCISTS)

08H版本標識寄存器(RID)

09-0BH分類代碼寄存器(CLCD)

0CHCache行大小寄存器(CALN)

0DH延時計數器(LAT)

0EH頭標類型寄存器(HDR)

0配置寄存器

地址偏移寄存器名

0FH內含自測寄存器(BIST)

10H-27H基地址寄存器(BADR0-BADR6)

28H-2FH保留

30H-33H擴展ROM基地址寄存器(XR0M)

34H-3BH保留

3CH中斷線號寄存器(INTLN)

3DH中斷引腳寄存器(INTPIN)

3EH設備猝發傳輸時間寄存器(MINGNT)

3FH最大延時寄存器(MAXLAT)

40H-FFH未用」0(

o基址寄存器

■10H?27H共24個字節，可組成：

A6個32位寄存器，可申請6個32位尋址的存儲區，

或

A3個64位的寄存器，可申請3個64位尋址的存儲區,

或

A6個32位寄存器，可申請6個32位尋址的I0端口；

?基于映射機制的；

■基址寄存器第0位決定該寄存器對應存儲空間或I0

空間；

A0—存儲器空間；1—10空間||

■基址寄存器第1、2位決定存儲空間基址寄存器長度

為32位或64位以及存儲空間大小；

!|

。KJPCI總線仲裁

APCI系統中連接多個設備，為解決這些設備對PCI的

有序使用問題，就需要通過仲裁器建立仲裁機制。

A仲裁器集成在PCI芯片組中，利用REQ#和GNT#信

號進行仲裁。

APCI使用同步集中式隱含仲裁。對于每個主設備都

有唯一的請求(REQ#)和允許信號(GNT#)連接到仲

裁器，利用請求一允許方式完成總線的切換，仲裁

過程在上一次訪問期間隱性完成。

?仲裁器可以使用先來先服務法、循環輪流法和其他

一些優先權排列法。一個PCI主設備必須對它要執

行的每一次傳輸來請求總線仲裁oI■■

REQ加備

設

GUT加I

C

P

REQ#備

GUT升I設

C

P

REQ加備

GUT在I設

C

P

REQ加備

設

GUWI

C

P

er

Iit