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总线技术教学课件
第十章:
总线技术
微型计算机从其诞生以来就采用了总线结构。
CPU通过总线实现读取指令,并实现与内存、外设之间的数据交换,在CPU、内存与外设确定的情况下,总线速度是制约计算机整体性能的关键,先进的总线技术对于解决系统瓶颈、提高整个微机系统的性能有着十分重要的影响,因此在微型计算机二十多年的发展过程中,总线结构也不断地发展变化。
当前总线结构方式已经成为微机性能的重要指标之一。
10.1总线基本概念
10.1.1概述
自1970年美国DEC公司在其PDP11/209小型计算机上采用Unibus总线以来,随着计算机技术的迅速发展,各种标准的、非标准的总线陆续推出。
总线技术之所以能够得到迅速发展,是由于采用总线结构在系统设计、生产、使用和维护上有很多优越性。
概括起来有以下几点:
·便于采用模块的结构设计方法,简化了系统设计;
·标准总线可以得到多个厂商的广泛支持,便于生产与之兼容的
硬件板卡和软件;
·模块结构方式便于系统的扩充和升级;
·便于故障诊断和维修,同时也降低了成本。
微型计算机从其诞生以来就采用了总线结构。
CPU通过总线实现读取指令,并实现与内存、外设之间的数据交换,在CPU、内存与外设确定的情况下,总线速度是制约计算机整体性能的关键,先进的总线技术对于解决系统瓶颈、提高整修微机系统的性能有着十分重要的影响,因此在微型计算机二十多年的发展过程中,总线结构也不断地发展变化。
当前总线结构方式已经成为微机性能的重要指标之一。
从物理来看,总线(BUS)是一组传输公共信息的信号线的集合,是在计算机系统各部件之间传地址、数据和控制信息的公共通路。
它由一组导线的相关的控制、驱动电路组成。
在处理器内部的各功能部件之间,在处理器与高速缓冲存储器和主存之间,在处理器系统与外围设备之间以及网络系统的各节点之间等等,都是通过总线连接在一起的。
目前在微型计算机系统中常把总线作为一个独立部件看待。
总线能为多个部件服务,可分时地发送和接收各部件的信息。
总线的工作方式通常是由发送信息的部件分时地将住处发往总线,再由总线将这些信息同时发往各个接收信息的部件。
究竟哪个部件接收信息,要由CPU给出的设备地址经译码产生的控制信号来决定。
在总线指标中,总线频率是指协调总线工作的“心跳”信号――时钟的频率。
总线的数据通路宽度是指能够一次并行传送的数据位数。
在微机系统中除了采用总线技术外,还采用了标准接口技术,其目的也是为了便于模块结构设计,可以得到多个厂商的广泛支持,便于生产与之兼容的外部设备和软件。
接口一般是指主板和某类外设之间的适配电路,其功能是解决主板和外设之间在电压等级、信号形式和速度上的匹配问题。
因此不同类型的外设需要不同的接口,不同的接口是不通用的。
例如,硬盘和软盘驱动器的接口是不兼容的,因此不能在硬盘接口上接入软盘驱动器,另一方面,由于目前的一些新型接口标准,如USB、IEEE1394等,允许同时连接多种不同的外设,因此也把它们称为外设总线。
此外,连接显示系统的新型接口AGP,由于习惯上的原因(原来的显示卡要插入ISA或者PCI总线插槽中),也被称为AGP总线,但是实际上它应该是一种接口标准。
10.1.2总线分类
总线有多分类方法。
按相对于CPU与其它芯片的位置可分为片内总线和片外总线。
在CPU内部,寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内总线(即芯片内部的总线);而通常所说的总线(Bus)则是指片外总线,是CPU与内存和输入/输出设备接口之间进行通信的通路。
有的资料上也把片内总线(InternalBus)叫做内部总线,把片外总线叫做外部总线或外总线(ExternalBus)。
按总线传送信息的类别,可把总线分为地址总线、数据总路线和控制总线。
通常所说的总线都包括这三个组成部分。
地址总线(AddressBus,AB)用于传送存储器地址码或输入输出设备地址码,数据总线(DataBus,DB)用于传送指令或数据,控制总(ControlBus,CB)用来传送各种控制信号。
例如,ISA总线共有98条线(或称ISA插槽有98个引脚),其中数据线有16条(构成数据总线),地址线24条(构成地址总线),其余为控制信号(构成控制总线)、电源线和地线。
按照总线传送信息的方向,可把总线分为单向总线和双向总线。
按总线的层次结构可为CPU总线、系统总线和外部总线。
·CPU总线,包括地址线(CAB)、数据线(CDB)和控制线(CCD),它用来连接CPU和控制芯片。
·存储总线,包括地址线(MAB)、数据线(MDB)和控制线(MCD),用来连接存储控制器和DRAM。
·系统总线,也称为I/O通道总线,包括地址线(SAB)、数据线(SDB)和控制线(SCB)用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。
系统总线有多种标准,以适用于各种系统。
·外部总线,用来连接外设控制芯片,如主板上的I/O控制器和键盘控制器。
包括地址线(XAB)、数据线(XDB)和控制线(XCB)。
按总线上微机系统中的位置属于机总线和外设总线。
·机内总线,上面介绍的各类总线都属于机内总线。
·外设总线(PeripheralBus),指与外部设备接口的总线,实际上是一种外设的接口标准。
目前在微型计算机上流行的接口标准有:
IDE(EIDE)、SCSI、USB和IEEE1394四种。
前两种主要是硬盘、光驱等IDE设备接口,后面两种新型外部总线可以用来连接多种多部设备。
系统总线
微型计算机上的系统总线又可分为ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等多种标准。
·ISA(IndustryStandardArchitecture)工业标准总线是IBM公司为286/AT微型计算机制定的一种总线标准。
也称为AT为总线标准。
·MCA(MicroChannelArchitecture)微通道总线结构是IBM公司专为其PS/2系统开发的总线标准。
由于执行的是使用许可证制度,因此未能得到有效推广。
·EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)扩展工业标准总线是EISA集团(1998年由Compaq、HP、AST、NEC、Olivetti、Zenith、Tandy等组成)为32位CPU设计的扩展工业标准总线。
·VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation)是VESA组织(1992年由IBM、Compaq等发起,有120多家公司参加)按局部总线(LocalBus)标准设计的一种开放性总线。
·PCI(PeripheralComponentInterconnect)是SIG(SpecialInterestGroup)集团推出的总线结构。
1992年起,先后有Intel、HP、IBM、Apple、DEC、Compaq、NEC等著名的厂商加盟重新组建。
·AGP(AcceleratedGraphicsPort)即加速图形端口。
它是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。
因为它是点对点连接,即连接控制芯片和AGP显示卡,因此严格地说来,AGP是一种接口标准。
局部总线
在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入微机之后,对微机的图形处理能力和I/O处理能力提出了要求。
这不仅要求图形适配卡要极大地专科改善性能,也对总线的速度提出了挑战。
实际上当时外设的速度已有了很大的提高,如硬盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上,图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到60MB/s。
通常认为I/O总线的速度应为外设速度的3~5倍。
因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求,而成为整个系统的主要瓶颈。
局部总线是PC体系结构的重大发展。
它打破了数据I/O瓶颈,使高性能CPU的功能得以充分发挥。
从结构上看,所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的另一级总线或管理层。
这样可将一些高速外设,如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上,使之与高速的CPU总线相匹配。
局部总线的结构示意图如图1所示。
局部总线可分为三种:
专用局部总线。
VL总线(VESALocalBus)。
PCI总线(PeripheralComponentInterconnect)。
专用局部总线是一些大公司,如NEC、Dell、HP等,为自己系统开发的专用总线,用于图开处理、网络传输等。
它们是非标准的,不能通用,也不被广大兼容机采用。
VL总线和PCI总线都是通用总线,但VL总线只是适用于486的一种过渡标准,目前已经淘汰。
586以上档次的微机普遍采用PCI总线。
要提醒读者注意的是,以上对总线的划分并不是绝对的,某一总线可能属于多个类别,例如PCI即属于局部总线,又属于系统总线。
这种情况对其它总线也同样存在。
图1
10.1.3单总线结构和双总线结构
从微机系统结构来划分,有两种总线结构,即单总线结构和双总线结构。
单总线结构
单总线结构如图2所示。
系统的各个部件均接在单总线上,构成微机的硬件系统,所以它又称为面向系统的单总线结构。
图2
在单总线结构中,CPU与主存之间、CPU与I/O设备之间、I/O设备与主存之间、各种设备之间都可以通过单总线交换信息。
单总线结构的优点是控制简单方便。
易于扩充系统所配置的I/O设备,而且在主存与I/O设备交换信息时还允许CPU继续工作。
微机系统的所有设备部件均挂在单总线上的这种结构限制了单总线只能分时工作,即同一时刻只在两个设备之间传送数据,这就使系统总体数据传输的效率和速度受到限制,这是单总线结构的主要缺点。
面向CPU的双总线结构
面向CPU的双总线结构如图3所示。
双总线结构中有两组总线。
一组总线是CPU与主存储器之间进行信息交换的公共通路,称为存储总线。
CPU利用存储总线从主存储器取一组是CPU与I/O设备之间信息交换的公共通路,称为输入/输出(I/O)总线。
各外转设备通过接口电路挂接在I/O总线上,接口是主机与外部设备之间的数据交换部件,它一般由缓冲寄存器及有关控制逻辑组成。
图3
由在CPU与主存储器之间、CPU与I/O设备之间分别设置了总线,从而提高了微型计算机系统信息传送的速率和传送效率。
但是由于外围设备与主存储器之间没有直接的通过CPU来转发。
例如,输入设备要把信息送往主存储器时,首先要送到CPU的某个寄存器中,然后再将该寄存器中的信息送入主存;当输出设备。
这势必增加CPU的负担,CPU占用率高。
一般来说,外设工作时要求CPU干预越少越好。
CPU干预越少,这个设备的CPU占用率就越低,说明设备的智能化程度越高。
CPU占用率与系统结构有很大关系),这是面向CPU的双总线结构的主机缺点。
面向主存储器的双总线结构
面向主存储器的双总线结构如图4所示,它保留了单总线结构的优点,即所有设备和部件均可通过总线交换信息,但不同的是在CPU与主存储器之间,又专门设置了一组高速总线,使CPU可以通过它直接与主存储器交换信息。
面向主存储器的双总线结构不仅使信息传送效率提高,而且减轻了总线的负担,这是它的主要优点。
但这种总线结构硬件造价较高。
高档微机中通常采用这种面向存储器的双总线结构。
图4
10.2总线的层次结构
计算机的总线系统是由处于计算机系统不同层次上的若干个总线组成的,一般可分以下几层次的总类型:
CPU总线、系统总线、局部总线、外部总线等
10.2.1CPU总线
系统主板内含CPU、ROM、RAM、控制芯片组和I/O接口芯片之间许多信号连接关系,其中包括地址、数据和控制信息,它们都要通过CPU总线来传输。
CPU总线作为CPU与外界的公共通道实现了CPU与主存储器、CPU与I/O接口和多个CPU之间的连接,并提供了与系统总线的接口。
CPU总线一般是生产厂家针对其具体的处理器而设计的,是与处理器相关的,无法实现标准化,因此尚
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