第6章 输入输出接口与总线(总线部分)

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支持总线主控方式和同步操作。


PCI总线的特点



支持两种电压，适用各种机型。PCI总线支持5V和 3.3V的扩展卡，并可以从5V向3.3V进行平滑的系统转 换。 具有即插即用功能。PCI总线的接口卡上都设有配置 寄存器，系统加电时用程序给这些设备分配端口地址 等系统资源，可以避免使用时发生冲突。 预留扩展空间。PCI总线开发时预留了足够的发展空 间，比如，它支持64位地址/数据多路复用，这是考 虑到新一代的高性能外围设备最终将需要64位宽度的 数据通道。PCI的64位延伸设计，可将系统的数据传 输率提高到264MB/s。
内存接口 输入接口 输出接口 外存接口 通信接口
内存
键盘、鼠标 扫描仪、 声音输入
打印机、 绘图仪、 显示器
磁带、磁盘 软盘、光盘
终端 MODEN
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总线的主要性能参数

总线频率 总线的工作频率，单位 MHz，是总线上信号的基 本时钟。总线频率越高， 单位时间内传输的数据流 量就越大。ISA、EISA的 时钟频率为8MHz，PCI 为33.3MHz，PCI-2可达 到66MHz。
6.2.5
PCI总线
PCl总线——外围设备互联总线（1991年）


某些具有高数据传输率的设备（如图形、视频控制 器、网络接口等），尽管微处理器有足够的处理能 力，但是总线传输却不能满足它们高速率的传输要 求。 为了解决这个矛盾，在微处理器和高速外设之间增 加了一条直接通路，一侧直接面向CPU总线，一侧面 向系统总线，分别通过桥片连接，这就是局部总线。 局部总线是直接连接到CPU总线的I/O总线，因此使 有高需求的外设和处理器有更紧密地集成，为外设 提供了更宽更快的高速通路。如PCI总线就是一种局 部总线。
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多总线共存


PCI总线的特点

支持线性突发传输。

线性突发传输不同于单次数据传输，单次传输是每传输 一个数据前都要在总线上给出数据的地址，而线性突发 传输只要在开始的时候将首地址发到总线上，之后每个 时钟都只传输数据，而地址自动加1，这样的方式适合 顺序读写一批数据，可以减少无谓的地址操作，加快数 据传输速度。 挂接在PCI总线上的设备有主控和从控两类。PCI总线 允许多处理器系统中任何一个处理器或其他有总线主控 能力的设备成为主控设备，对总线实行操作。这样微处 理器内部的操作和总线操作可以同时进行，而不必要等 待总线操作完成。
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ISA总线： 由主槽（62引脚）和附加槽（36引脚） 组成，各有正、反 两面，共98脚。 数据宽度：16位 地址线：24位 工作频率：8.33MHz 数据传输率：16MB/s 11个外部中断输入端 7个DMD通道
主槽 附加槽
ISA总线插槽
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3、MCA总线结构——微通道结构（1987年）
出现原因：80386和486的推出，数据总线扩展为32位。 1987年IBM公司在推出PC/2系列微机系统中，推 出相对封闭的微通道结构，简称为MCA总线。其采用 微通道技术，定义总线上的数据宽度为32位，传输率 为ISA的4倍，达33MHz。
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常见总线的带宽和传输率
4
8
4
16
8.33 32 8
33.3
33
11
6.2.3
微型机系统中的层次化总线结构
微型计算机中，通常采用多种总线形式共存。以PCI总线为 主，包括CPU总线、PCI总线、ISA/EISA总线和AGP总线。
层次化总线结构主要分3层： 三种总线的频宽不同， 微处理器总线（或称Host Bus） 互连时各层之间需要有 局部总线（以PCI总线为主） “桥梁”过渡 系统总线（如ISA总线） 桥：一种总线转换器和控制器，可以实现各类微处理器总线 到PCI总线、各类标准总线到PCI总线的连接，并允许它们之间 相互通信。
总线结构的优点


支持模块化设计 开放性和通用性 灵活性好
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1．总线标准
总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通 过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规 范，包括硬件和软件两个方面。 （1）物理特性：物理特性指总线物理连接的方式。 （2）功能特性：功能特性描述总线中每一根线的功能。 （3）电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传送 方向、有效电平范围。 （4）时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有 效，也就是每根线的时序。
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4、EISA总线——扩展工业标准结构（1989年） 1988年9月，Compaq，AST，Epson，HP， Olivetti，NEC等9家公司联合起来，推出了一种兼容 性更优越的总线，即EISA总线。 EISA不仅具有MCA 的全部功能，同时还保存了与传统的ISA百分之百的 兼容。EISA总线是一种高性能32位结构的总线。 扩展方向： 提高寻址能力－地址线32条 增加总线宽度－数据宽度32位 增加控制信号－198条信号线
4
2．总线的组成
（1）数据总线（DB）
（2）地址总线（AB）
（3）控制总线（CB）
★★ DB的宽度表示构成计算机系统的处理能力 ★★ AB的位数决定系统的寻址能力 ★★ CB表示该总线的控制能力
5
6.2.3 总线的分类
（1）微处理器总线。主要由微 处理器芯片引脚信号组成的 总线，用来连接CPU和控制 芯片。
时钟频率8.3MHz 传输率＝ 8.3MHz×32b/8b=33.2MB/s
在结构上， EISA为了和ISA兼 容，采用了纵向加 深方法，即在 EISA总线槽中， 分成上下两层，槽 的物理尺寸和ISA 总线槽完全相同。 EISA有198条 信号线，比ISA增 加的信号线主要有 14类。
5、VESA总线（VL总线）（1992年）
前端总线的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU 连接到北桥芯片的总线。前端总线频 率有800MHz、1000MHz、1066MHz、 1333MHz、1600MHz几种，最高到 2000MHz。
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总线的主要性能参数

总线宽度：

总线上可同时传输的数据的位数。位数 越多，一次传输的信息就越多。ISA宽度 为16位，EISA为16位，PCI为32位，PCI2可达到64位。
微处理器 总线
北桥
PCI总线
南桥
系统总线
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微处理器
L2 Cache
微处理器总线
显示卡
AGP总线
内存总线
芯片组中 北桥芯片
局部总线 PCI总线
内存
显示器 芯片组 南桥芯片 PCI卡 系统总线 ISA总线 ISA卡 ISA卡 ISA卡 PCI卡
典型微机系统中的总线层次结构PU的类型和主频、内存的类型和最大容 量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持，通常在主板上 接近CPU插槽的位置，由于此类芯片的发热量一般较高， 所以在此芯片上装有散热片。 南桥芯片： 主要用来与I/O设备及ISA设备相连，并负责管理中断 及DMA通道，让设备工作得更顺畅，其提供对KBC（键 盘控制器）、RTC（实时时钟控制器）、USB（通用串行 总线）、Ultra DMA/33（66）EIDE数据传输方式等的支 持，在接近PCI槽的位置。
总线的操作过程
1．总线请求和仲裁阶段 需要使用总线的主模块提出要求，由总线使用的仲裁机构确 定，把下一个传输周期的总线使用权分配给哪一个请求源 2．寻址阶段 取得使用权的主模块，通过地址总线发出本次要访问的从模 块的存储器地址，或I/O端口地址及有关命令，让参与本次 传输的从模块被选中并开始启动。 3．传输阶段 主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据 总线传送到目的模块。 4．结束阶段 主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其 他模块能继续使用。 16
第6章 输入输出接口与总线
6.1 微机I/O接口 6.2 总线
1
6.2 总线
6.2.1 6.2.2 概述 总线的分类和性能指标
6.2.3
6.2.4
微型机系统中的层次化总线结构
系统总线
6.2.5
6.2.6
PC机的局部总线
外部总线
2
6.2.1
什么是总线？
概述
将计算机系统中各个部件连接起来的信息传输通 道。通过总线可以传输数据、地址、各种控制命令和 状态信息。
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PCI总线的全称是外围部件互联(Peripheral Component Interconnect)，它是一种高性能的局部总线，严格规范， 提供高度的可靠性和兼容性，因此成为主流的标准总线，被 广泛应用于现代台式微机、工作站和便携机。 PCI总线的特点

独立于处理器

PCI总线是一种独立于处理器的总线标准，支持多种 处理器，适用于多种不同的系统。在PCI总线构成的 系统中，接口和外围设备的设计是针对PCI总线，而 不是针对微处理器的，所以这些设备可以独立于处理 器设计和升级，当处理器因为过时而需要更换时，接 口和外围设备仍然可以正常使用。
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总线的主要性能参数

总线的数据传输率/总线带宽： 在一定时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大 传输数据量来表示，也称带宽，单位是MB/s。 总线的数据传输率的计算公式为 总线的数据传输率=（总线宽度/8）×总线频率 如ISA总线的总线频率是8MHz，总线宽度为16位，其 数据传输率为8MB/s。而PCI总线的总线频率是 33.3MHz，总线宽度为32位，其数据传输率为133MB/s
6.2.4 系统总线
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1、PC/XT总线（ IBM PC总线）（1981年）
PC /XT总线是针对Intel8088微处理器设计的， 是一种开放式结构的计算机总线， PC/XT总线该底 板总线有62个引脚，其中包括8位数据线和20位地 址线、4个DMA通道的联络信号和6个中断请求输入 端。 总线底板上有5个系统插槽，用于I/O设备与PC 机连接。 特点： 把CPU视为总线的唯一主控设备，其余外围设 备均为从属设备。