第6章 输入输出接口与总线(总线部分)

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2、ISA总线——工业标准结构(1982年)
1982年, IBM 推出基于16-bit Intel 80286处 理器的PC/AT 电脑,总线也相应地扩展为16bit, 并被称呼为PC/AT 总线。为了开发与IBM PC 兼容 的外围设备,行业内便逐渐确立了以IBM PC 总线 规范为基础的IBM公司工业标准体系结构,简称为 ISA(Industry Standard Architecture)总线,有 时也称为PC/AT总线。 ISA系统总线据总线宽度为 16bit,数据传输速率最高为16MB/s。
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PCI总线的特点

传输效率高

PCI总线采用33.3MHz/66.6MHz的时钟频率。在 33.3MHz时钟频率时,数据总线宽度32位,最大数据传 输率达到133MB/s。如果数据总线宽度升级到64位,则 数据传输率可达到266MB/s。 PCI总线是通过桥芯片进行不同标准信号之间的转换。 通过HOST-PCI桥芯片,实现PCI与CPU总线相连接; 通过PCI-ISA/EISA桥芯片,实现PCI与ISA或者EISA相 连接。这样,使得多种总线可以共存于一个系统中,慢 速和高速设备就可以分别挂在不同的总线上。
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。
(2)局部总线。局部总线是介 乎CPU总线和系统总线之间 的一级总线。主板上的信息 通道、连接主板上各主要部 件,而且通过扩展槽连接各 种适配器。如ISA,PCI, EISA等。
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(3)系统总线。它是微机系统内部各部件(插板)之间进 行连接和传输信息的一组信号线。
(4)外部总线。是系统之间或微机系统与外部设备之间进 行通信的一组信号线,也称为通信总线。如IDE、SCSI、 RS-232-C、USB等。
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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
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。
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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
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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。
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
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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。
6ຫໍສະໝຸດ Baidu2.5
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。
出现原因:(1)80486和pentium的推出; (2)多媒体技术的发展。 VESA总线是基于80486微处理器的32位局部总线, 它们一般用于快速IDE硬盘、视频适配卡和网络接口卡。 (1)特点: 数据宽度为32位,可扩展为64位,频率为33MHz,传输 率可达132MB/s。 允许适配器直接连CPU总线,以CPU的速度运行。 支持回写式Cache,可在VL总线上连接外部二级Cache。 (2)缺点: 没有设置缓冲器,当CPU速度高于33MHz,会导致延迟。 只能连接3个扩展卡。
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。
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。
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)
缺点:与ISA不兼容。
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IBM PC总线


IBM PC总线简称PC总线或PC/XT总线,是IBM PC/XT个 人计算机采用的微型计算机总线,是针对Intel 8088 微处理器设计的。它以I/O通道形式经过扩充并经驱 动器驱动以增加负载能力而连至扩充插槽,作为I/O 接口板和主机之间的信息交换通道。 IBM PC总线有62条信号线,包括8位双向数据总线、 20位地址总线、6条中断请求线、3组DMA通道控制线、 存储器和I/O读写线、动态RAM刷新控制线和时钟信号 线、4条电源线、3条地址线。
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


北桥芯片: 一般提供对CPU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。
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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
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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。
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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
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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。
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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。
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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