計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)第5章.ppt

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1,第5章 微機(jī)總線與標(biāo)準(zhǔn),2,總線是計(jì)算機(jī)中各模塊之間傳送信息的通道或計(jì)算機(jī)之間傳送信息的公共通道。 總線是一組導(dǎo)線和相關(guān)的控制、驅(qū)動(dòng)電路的集合。 總線是計(jì)算機(jī)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(shí)刻，只能有一個(gè)部件/設(shè)備通過(guò)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(hào)的傳遞方向和有效電平范圍 時(shí)間特性: 每根線在什么時(shí)間有效,5.1.2 總線標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)特性,4,5.1.3 總線的分類及特點(diǎn),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?，單向三態(tài) 其寬度決定了微機(jī)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(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信號(hào) 特點(diǎn)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(diǎn)（按總線的規(guī)模、應(yīng)用）,片內(nèi)總線：元件級(jí)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(jì)算機(jī)機(jī)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(shè)備總線,6,5.2 總線的結(jié)構(gòu),微機(jī)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(diǎn)：高速的存儲(chǔ)器與低速的I/O接口競(jìng)爭(zhēng)總線，影響了存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)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(diǎn)：存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸必須通過(guò)CPU,9,雙總線結(jié)構(gòu),面向存儲(chǔ)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(gè)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(yàn)與糾錯(cuò) 隔離與驅(qū)動(dòng),12,一、總線傳送控制,同步方式 收、發(fā)雙方嚴(yán)格地按統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)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(guò)程無(wú)需統(tǒng)一時(shí)鐘的同步，用“請(qǐng)求”和“應(yīng)答”信號(hào)來(lái)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(zhǔn)時(shí)鐘)，傳輸操作與時(shí)鐘同步 設(shè)置“等待”狀態(tài)線，在無(wú)法按時(shí)完成操作時(shí)，用此狀態(tài)線強(qiáng)制對(duì)方延長(zhǎng)一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘周期 ISA總線即屬于半同步方式總線,13,同步方式的時(shí)序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,地址,,,,,數(shù)據(jù),時(shí)鐘,,,總線周期,總線周期,,時(shí)鐘周期,14,異步方式的時(shí)序,,,,,,,,,,,地址/數(shù)據(jù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,(發(fā)送方)請(qǐng)求,(接收方)應(yīng)答,15,半同步方式的時(shí)序,,,,,,,,,,,,,,,地址,,數(shù)據(jù),時(shí)鐘,,,,,就緒,,,,,,,,,,,,等待一個(gè)時(shí)鐘周期,,,16,多個(gè)設(shè)備都要使用總線時(shí)，決定由哪個(gè)設(shè)備使用總線的方法。 80x86微機(jī)中采用的是獨(dú)立請(qǐng)求方式,二、總線的仲裁控制,鏈?zhǔn)讲樵兎绞?計(jì)數(shù)器查詢方式 獨(dú)立請(qǐng)求方式,,17,三、總線隔離與驅(qū)動(dòng),不操作時(shí)把功能部件與總線隔離 同一時(shí)刻只能有一個(gè)部件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上 提供驅(qū)動(dòng)能力 數(shù)據(jù)發(fā)送方必須提供足夠的電流以驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(dòng)器 驅(qū)動(dòng)、隔離 單向、雙向 鎖存器 信息緩存（有些同時(shí)具有總線驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器芯片,8286 / 74LS245 —— 8雙向總線驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部包含8個(gè)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(dòng)器芯片,74LS244 —— 8總線驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部包含8個(gè)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(gè)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(biāo),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(shè)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(biāo)準(zhǔn) ISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系總線） Industry Standard Architecture PCI（外圍部件互連總線） Peripheral Component Interconnect 常用接口標(biāo)準(zhǔn) AGP（加速圖形接口） Accelerated Graphics Port IDE（集成設(shè)備接口），又稱ATA接口 Integrated Device Electronics SCSI（小型計(jì)算機(jī)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(chǔ)器） 時(shí)鐘頻率8MHz 數(shù)據(jù)傳輸率16MB/s 提供11個(gè)中斷請(qǐng)求輸入 提供7個(gè)DMA通道 用于80286～PIII（個(gè)別P4微機(jī)也支持）,27,ISA總線插槽,外形見(jiàn)P121，共98個(gè)引線 主要引線信號(hào)： 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～I(xiàn)RQ7、IRQ9～I(xiàn)RQ11、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(xiě)控制線（IOR和IOW），所以AEN應(yīng)參加I/O地址譯碼。,,,,,,,,,28,簡(jiǎn)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(dòng)轉(zhuǎn)換,,,D0,,,,,,,,,,C000H 讀數(shù)據(jù) C001H 啟動(dòng)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(jiǎn)單的ISA總線接口(輸出接口),驅(qū)動(dòng) 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(biāo)準(zhǔn)——PCI總線。 PCI總線目前有4個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，分別支持32位與64位，其下又細(xì)分成3.3V和5V兩種信號(hào)。 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(wèn)或快速訪問(wèn)系統(tǒng)存儲(chǔ)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(wèn)適配器。,二、PCI總線,31,PCI總線特點(diǎn),獨(dú)立于微處理器； 支持即插即用功能； 通過(guò)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(jiàn)P124，共62根引線（64位PCI有94根） 包括： 系統(tǒng)接口信號(hào)（時(shí)鐘、復(fù)位等） 地址與數(shù)據(jù)（復(fù)用）信號(hào)（AD0-AD31） 接口控制信號(hào)（主從設(shè)備控制信號(hào)等） 總線仲裁信號(hào)（總線請(qǐng)求、總線允許） 錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)（系統(tǒng)錯(cuò)、奇偶錯(cuò)） 中斷控制信號(hào)（中斷請(qǐng)求） 64位總線擴(kuò)展信號(hào)（AD32-AD63、字節(jié)選擇等） 高速緩存支持信號(hào),,,33,PCI、擴(kuò)展、處理器和存儲(chǔ)器總線間的基本關(guān)系如圖5.11所示。,總線傳輸機(jī)制 存儲(chǔ)器讀寫(xiě)采用突發(fā)傳輸（要求地址必須連續(xù)） 包括一個(gè)地址期和多個(gè)數(shù)據(jù)期 I/O讀寫(xiě)不支持突發(fā)傳輸，每次僅讀寫(xiě)一個(gè)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(chǔ)PCI總線。 （2）PCI/ISA橋，常稱為南橋（South Bridge），連接基礎(chǔ)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(chǔ)PCI總線或PCI插卡上，可以嵌入一個(gè)或多個(gè)PCI-PCI橋。 （4）一個(gè)芯片組可以支持多于一個(gè)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(guò)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(gè)AGP擴(kuò)展插槽（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）,37,四、USB總線(Universal Serial Bus),USB概況 主機(jī)與外設(shè)的通用接口，可用于不同的設(shè)備 串行、打包傳送 2根數(shù)據(jù)線＋電源＋地線 兩個(gè)版本： 1.1（12Mb/s），2.0（480Mb/s） 設(shè)備連線最長(zhǎng)5米 即插即用 必須要有USB主機(jī)存在，設(shè)備不能獨(dú)立工作,38,USB總線的優(yōu)點(diǎn),易于使用 即插即用，可熱插拔； WindowsNT/2000/XP/2003下不需安裝驅(qū)動(dòng)程序 具級(jí)聯(lián)方式，并可智能識(shí)別鏈上外圍設(shè)備的插拔； 易于連接 主板上提供2－6個(gè)USB接口，通過(guò)集線器最多可支持127個(gè)外設(shè) 4芯電纜（＋D、-D、+5V、GND）,39,USB總線的優(yōu)點(diǎn),傳送速率可滿足大多數(shù)外設(shè)要求 1.5MB/s，12MB/s，480MB/s（2.0） 可靠性高 能進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)和控制，且由硬件實(shí)現(xiàn) 低成本 主板已集成USB接口 設(shè)備端的USB接口控制芯片很便宜 低功耗 不工作時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能自動(dòng)恢復(fù),40,USB設(shè)備及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),USB設(shè)備 集線器 擴(kuò)展接口數(shù)量 功能部件 即USB設(shè)備 復(fù)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(shù)形拓?fù)?串行、打包傳送 6芯電纜：4根信號(hào)線＋電源＋地線 設(shè)備之間距離最大4.5米，總長(zhǎng)度為50～100米 設(shè)備可獨(dú)立工作，無(wú)需微機(jī)的控制 設(shè)備之間可直接連接，如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)連接到電視機(jī) 最大傳輸速率：400MB/s（將來(lái)可達(dá)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(gè)接口上可連接63臺(tái)設(shè)備,42,六、IDE接口（ATA）,主要用于硬盤/光驅(qū)/磁帶驅(qū)動(dòng)器 現(xiàn)已發(fā)展為EIDE（增強(qiáng)的IDE）和串行ATA（SATA） 已集成到硬盤驅(qū)動(dòng)器中，無(wú)需接口卡 主板提供2-4個(gè)接口 每接口可連接2個(gè)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(hào)線交叉排列 通過(guò)特殊的擴(kuò)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(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器，使用標(biāo)準(zhǔn)的 I／O端口指令來(lái)傳送所有的命令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)。一般主板上集成了兩個(gè)40針的雙排針I(yè)DE接口插座，分別標(biāo)注為IDE1和IDE2。 EIDE接口：較IDE接口有很大改進(jìn)，目前最流行?？梢灾С?個(gè)硬盤，包括光盤驅(qū)動(dòng)器，較高的數(shù)據(jù)傳送速率。 SCSI接口：SCSI接口可同時(shí)連接7個(gè)外設(shè)；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(wù)器等高檔計(jì)算機(jī)。,44,六、SCSI接口,