計算機硬件基礎第5章.ppt

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1,第5章 微機總線與標準,2,總線是計算機中各模塊之間傳送信息的通道或計算機之間傳送信息的公共通道。 總線是一組導線和相關的控制、驅(qū)動電路的集合。 總線是計算機系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的通道。 任一時刻，只能有一個部件/設備通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他部件只能處于接收狀態(tài)。,5.1.1 總線的基本概念,3,物理特性: 總線的物理連接方式 功能特性: 一組總線中每一根線的功能 電氣特性: 每一根線上信號的傳遞方向和有效電平范圍 時間特性: 每根線在什么時間有效,5.1.2 總線標準的4個特性,4,5.1.3 總線的分類及特點,按傳送信息的類型劃分 數(shù)據(jù)總線（Data Bus，DB） 傳輸數(shù)據(jù)信息，雙向三態(tài) 其寬度決定了其數(shù)據(jù)傳輸能力 例如，ISA總線為16位，PCI總線為32/64位 地址總線（Address Bus，AB） 傳輸?shù)刂沸畔ⅲ瑔蜗蛉龖B(tài) 其寬度決定了微機系統(tǒng)的尋址能力 例如，ISA為24位，可尋址16MB；PCI為32/64位，可尋址4GB/224TB 控制總線（Control Bus，CB） 傳輸控制信號、時序信號和狀態(tài)信號 特點各異：三態(tài)、入/出/雙向等特性均不相同,5,總線的分類及特點（按總線的規(guī)模、應用）,片內(nèi)總線：元件級總線，微處理器內(nèi)部總線 主板局部總線：主板上連接各插件的公共通路 ISA： Industry Standard Architecture EISA: Extended Industry Standard Architecture VESA: Video Electronics Standard Architecture PCI: Perpheral Component Interconnect AGP: Accelerated Graphics Port 系統(tǒng)總線：模塊式微型計算機機箱內(nèi)的底板總線 MULTI BUS I ，MULTI BUS II STD BUS VEM BUS FUTURE BUS 通信總線： 外總線或設備總線,6,5.2 總線的結(jié)構(gòu),微機系統(tǒng)各部件與總線的連接方式 單總線結(jié)構(gòu) 雙總線結(jié)構(gòu) 多總線結(jié)構(gòu),,7,單總線結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,,CPU,M,M,I/O,I/O,I/O,,缺點：高速的存儲器與低速的I/O接口競爭總線，影響了存儲器的讀寫速度,8,雙總線結(jié)構(gòu),面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu),,,,,,,,,CPU,M,I/O,I/O,I/O,,,缺點：存儲器與I/O設備的數(shù)據(jù)傳輸必須通過CPU,9,雙總線結(jié)構(gòu),面向存儲器的雙總線結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,CPU,M,I/O,I/O,I/O,,,,,,,10,多總線結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中擁有兩個以上的總線,11,5.3.1 總線的基本功能,數(shù)據(jù)傳送控制 仲裁控制 數(shù)據(jù)校驗與糾錯 隔離與驅(qū)動,12,一、總線傳送控制,同步方式 收、發(fā)雙方嚴格地按統(tǒng)一的基準時鐘信號執(zhí)行相應的動作 不適合于在同一系統(tǒng)中既有高速部件又有低速部件的環(huán)境 PCI總線屬于同步方式總線 異步方式 傳輸過程無需統(tǒng)一時鐘的同步，用“請求”和“應答”信號來協(xié)調(diào) 傳輸速度慢 半同步方式 總體上仍是同步方式(使用基準時鐘)，傳輸操作與時鐘同步 設置“等待”狀態(tài)線，在無法按時完成操作時，用此狀態(tài)線強制對方延長一個或多個時鐘周期 ISA總線即屬于半同步方式總線,13,同步方式的時序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,地址,,,,,數(shù)據(jù),時鐘,,,總線周期,總線周期,,時鐘周期,14,異步方式的時序,,,,,,,,,,,地址/數(shù)據(jù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,(發(fā)送方)請求,(接收方)應答,15,半同步方式的時序,,,,,,,,,,,,,,,地址,,數(shù)據(jù),時鐘,,,,,就緒,,,,,,,,,,,,等待一個時鐘周期,,,16,多個設備都要使用總線時，決定由哪個設備使用總線的方法。 80x86微機中采用的是獨立請求方式,二、總線的仲裁控制,鏈式查詢方式 計數(shù)器查詢方式 獨立請求方式,,17,三、總線隔離與驅(qū)動,不操作時把功能部件與總線隔離 同一時刻只能有一個部件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上 提供驅(qū)動能力 數(shù)據(jù)發(fā)送方必須提供足夠的電流以驅(qū)動多個部件 提供鎖存能力 信息緩存和信息分離,18,總線電路中常用的芯片,三態(tài)總線驅(qū)動器 驅(qū)動、隔離 單向、雙向 鎖存器 信息緩存（有些同時具有總線驅(qū)動能力） 信息分離（如地址與數(shù)據(jù)的分離）,19,,三態(tài)總線驅(qū)動器,,,,,,,,,輸入,輸出,OE,輸入,輸出,OE,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輸入,輸出,OE,輸入,輸出,OE,,,,,,,,,,,,,,,20,典型總線驅(qū)動器芯片,8286 / 74LS245 —— 8雙向總線驅(qū)動器 內(nèi)部包含8個雙向三態(tài)門,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,8286 74LS245,A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 OE,,B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 T,OE：輸出允許。 T： 方向。 T=0，B→A；T=1，A→B,,21,典型總線驅(qū)動器芯片,74LS244 —— 8總線驅(qū)動器 內(nèi)部包含8個單向三態(tài)門，分為兩組分別控制,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,74LS244,E1 E2 1A1 1A2 1A3 1A4 2A1 2A2 2A3 2A4,1Y1 1Y2 1Y3 1Y4 2Y1 2Y2 2Y3 2Y4,,,,1組輸出,2組輸出,,1組輸入,2組輸入,,,22,,鎖存器,,,,,,D,CP,Q,Q,,CP D Q Q 0 0 1 1 1 0,,,,,,,,,,,D,CP,Q,,,,OE,,O,,CP D Q 0 0 1 1,,,,,,,,,I,STB,23,典型鎖存器芯片,8282 / 74LS373 —— 具有三態(tài)正相輸出的鎖存器 內(nèi)部包含8個D觸發(fā)器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,8282 74LS373 8D 鎖存器,DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 STB,DO0 DO1 DO2 DO3 DO4 DO5 DO6 DO7 OE,,24,5.3.5總線的主要性能指標,總線帶寬（B/S）：每秒可傳送的字節(jié)數(shù) 總線位寬（bit）： 一次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù) 工作頻率（MHz） 掛接設備數(shù)量 總線帶寬=（總線位寬/8）工作頻率,例1：P4 CPU的FSB頻率為400MHz或800MHz，位寬為64bit。 FSB帶寬：40064/8=3.2GB/s 或 80064/8=6.4GB/s 例2：PCI總線的頻率為33.3MHz，位寬為32bit或64bit。 PCI帶寬：33.332/8=133MB/s 或 33.364/8=266MB/s,25,5.4 常用局部總線,常用總線標準 ISA（工業(yè)標準體系總線） Industry Standard Architecture PCI（外圍部件互連總線） Peripheral Component Interconnect 常用接口標準 AGP（加速圖形接口） Accelerated Graphics Port IDE（集成設備接口），又稱ATA接口 Integrated Device Electronics SCSI（小型計算機系統(tǒng)接口） Small Computer System Interface 外部總線 USB（通用串行總線） IEEE 1394（高性能串行總線）,26,一、ISA總線,主要特性 16位數(shù)據(jù)線（早期的為8位，已被淘汰） 24位地址線（可尋址16MB存儲器） 時鐘頻率8MHz 數(shù)據(jù)傳輸率16MB/s 提供11個中斷請求輸入 提供7個DMA通道 用于80286～PIII（個別P4微機也支持）,27,ISA總線插槽,外形見P121，共98個引線 主要引線信號： SA0～SA19（鎖存的），LA17～LA23（非鎖存的）（地址） SD0～SD15（數(shù)據(jù)） SBHE（高字節(jié)允許） MEMR、MEMW IOR、IOW AEN（地址允許，1表示處于DMA控制周期） IRQ3～IRQ7、IRQ9～IRQ11、IRQ14、IRQ15 DRQ0～DRQ3、DRQ5～DRQ7 DACK0～DACK3、DACK5～DACK7 注：ISA總線的DMA操作和I/O操作使用相同的地址線、數(shù)據(jù)線和I/O讀寫控制線（IOR和IOW），所以AEN應參加I/O地址譯碼。,,,,,,,,,28,簡單的ISA總線接口(輸入接口),,D7-D0,,,D7-D0,A/D轉(zhuǎn)換器,,模擬量輸入,START,READY,數(shù)字量輸出,IN,74LS244,1100 0000 0000 0000B – 1100 0000 0010B,,轉(zhuǎn)換結(jié)束,啟動轉(zhuǎn)換,,,D0,,,,,,,,,,C000H 讀數(shù)據(jù) C001H 啟動轉(zhuǎn)換 C002H 讀轉(zhuǎn)換狀態(tài),,,,A2 A1 A0,≥1,,,,,A13-A3,&,,,,,,A15A14,,AEN IOR,,,,I S A 總線,29,,,,,,,簡單的ISA總線接口(輸出接口),驅(qū)動 電路,D7-D0,,,,A2 A1 A0,≥1,,,,,A13-A3,&,,,,,,A15A14,,AEN IOW,,,I S A 總線,,,,,,,,,,,發(fā)光 器件 組合,C000H 改變燈光圖案樣式,選通,30,PCI總線是1991下半年由Intel公司首先提出的，并與IBM、Compaq、AST、HP和DEC等100多家公司聯(lián)合，于1993年推出的PC局部總線標準——PCI總線。 PCI總線目前有4個主要的標準規(guī)格，分別支持32位與64位，其下又細分成3.3V和5V兩種信號。 PCI的含意為周邊器件互連（Peripheral Component Interconnect）。PCI總線能夠配合要求彼此間快速訪問或快速訪問系統(tǒng)存儲器的適配器工作，也能讓處理器以接近自身總線全速的速度訪問適配器。,二、PCI總線,31,PCI總線特點,獨立于微處理器； 支持即插即用功能； 通過PCI橋與CPU連接（北橋） 總線寬度：32/64位； 工作頻率：33.3MHz/66.6MHz 傳送速率： 32位PCI總線：133MB/s，266MB/s 64位PCI總線：266MB/s，533MB/s,PCI總線體系,32,PCI總線插槽,外形見P124，共62根引線（64位PCI有94根） 包括： 系統(tǒng)接口信號（時鐘、復位等） 地址與數(shù)據(jù)（復用）信號（AD0-AD31） 接口控制信號（主從設備控制信號等） 總線仲裁信號（總線請求、總線允許） 錯誤報告信號（系統(tǒng)錯、奇偶錯） 中斷控制信號（中斷請求） 64位總線擴展信號（AD32-AD63、字節(jié)選擇等） 高速緩存支持信號,,,33,PCI、擴展、處理器和存儲器總線間的基本關系如圖5.11所示。,總線傳輸機制 存儲器讀寫采用突發(fā)傳輸（要求地址必須連續(xù)） 包括一個地址期和多個數(shù)據(jù)期 I/O讀寫不支持突發(fā)傳輸，每次僅讀寫一個數(shù)據(jù),34,,圖 PCI系統(tǒng),35,（1）Host/PCI橋，常稱為北橋（North Bridge），連接主處理器總線到基礎PCI總線。 （2）PCI/ISA橋，常稱為南橋（South Bridge），連接基礎PCI總線到ISA（或EISA）總線，南橋通常含中斷控制器、IDE控制器、USB主控制器和DMA控制器。北橋和南橋構(gòu)成芯片組。 （3）在基礎PCI總線或PCI插卡上，可以嵌入一個或多個PCI-PCI橋。 （4）一個芯片組可以支持多于一個北橋,36,三、AGP接口,不是系統(tǒng)總線 高速圖形接口，在視頻卡與內(nèi)存之間提供一條直接的通路（不再通過PCI傳輸，32位PCI的傳輸速率最高266MB/s）。 圖形、紋理、Z軸距離、Alpha變換等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量為370～840MB/s 4種模式（注意：1X/2X與4X/8X不兼容，3.3V/1.5V） 1X（66MHz，266MB/s） 2X（133MHz，533MB/s ） 4X（266MHz，1066MB/s ） 8X（533MHz，2133MB/s ） 系統(tǒng)中只支持一個AGP擴展插槽（點對點）,37,四、USB總線(Universal Serial Bus),USB概況 主機與外設的通用接口，可用于不同的設備 串行、打包傳送 2根數(shù)據(jù)線＋電源＋地線 兩個版本： 1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s） 設備連線最長5米 即插即用 必須要有USB主機存在，設備不能獨立工作,38,USB總線的優(yōu)點,易于使用 即插即用，可熱插拔； WindowsNT/2000/XP/2003下不需安裝驅(qū)動程序 具級聯(lián)方式，并可智能識別鏈上外圍設備的插拔； 易于連接 主板上提供2－6個USB接口，通過集線器最多可支持127個外設 4芯電纜（＋D、-D、+5V、GND）,39,USB總線的優(yōu)點,傳送速率可滿足大多數(shù)外設要求 1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0） 可靠性高 能進行錯誤校驗和控制，且由硬件實現(xiàn) 低成本 主板已集成USB接口 設備端的USB接口控制芯片很便宜 低功耗 不工作時能夠自動進入休眠狀態(tài)，并能自動恢復,40,USB設備及拓撲結(jié)構(gòu),USB設備 集線器 擴展接口數(shù)量 功能部件 即USB設備 復合部件,,41,五、IEEE 1394總線,可用于數(shù)字化視頻、音頻，硬盤 結(jié)構(gòu)類似于USB，樹形拓撲 串行、打包傳送 6芯電纜：4根信號線＋電源＋地線 設備之間距離最大4.5米，總長度為50～100米 設備可獨立工作，無需微機的控制 設備之間可直接連接，如數(shù)字攝像機連接到電視機 最大傳輸速率：400MB/s（將來可達3.2GB/s） 100MB/s，200MB/s，400MB/s 支持異步和同步兩種傳輸模式 支持帶電插拔和即插即用 可提供8V～40V/1.5A的電源 一個接口上可連接63臺設備,42,六、IDE接口（ATA）,主要用于硬盤/光驅(qū)/磁帶驅(qū)動器 現(xiàn)已發(fā)展為EIDE（增強的IDE）和串行ATA（SATA） 已集成到硬盤驅(qū)動器中，無需接口卡 主板提供2-4個接口 每接口可連接2個硬盤（主/從） 數(shù)據(jù)傳輸方式： PIO方式：PIO0～PIO4（3.3MB/s～16.6MB/s） 40針接口，扁平電纜 硬盤最大容量528MB DMA方式：DMA0～DMA2（11MB/s～16.6MB/s） 40針接口 硬盤最大容量8.4GB UDMA方式：UDMA3～UDMA6（33.3MB/s～133MB/s） 80針接口，地線和信號線交叉排列 通過特殊的擴展BIOS，可支持200GB以上的硬盤,43,硬盤接口模式 IDE接口：可以接兩個硬盤驅(qū)動器，使用標準的 I／O端口指令來傳送所有的命令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)。一般主板上集成了兩個40針的雙排針I(yè)DE接口插座，分別標注為IDE1和IDE2。 EIDE接口：較IDE接口有很大改進，目前最流行?？梢灾С?個硬盤，包括光盤驅(qū)動器，較高的數(shù)據(jù)傳送速率。 SCSI接口：SCSI接口可同時連接7個外設；更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；但成本較高。一般用于工作站、服務器等高檔計算機。,44,六、SCSI接口,