微型计算机接口 第2章 总线技术
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PCI 主设备和从(目标)设备： 取得了总线控制权的设备称为主设备。 被主设备选中进行数据交换的设备称为从(目标)设备。
必须信号线和可选信号线： 对于必须信号线，主设备有49条，从设备有47条。 对于可选信号线，有51条，主要用于64位扩展、中断请 求、高速缓存支持等。
2016/5/29
计算机接口技术
PCI Expres 总线
基于串行差动传输、高带宽、点 对点的总线技术，适用于高速设 备。
2016/5/29
计算机接口技术
21
2.7.1 PCI总线的主要特点：
Leabharlann Baidu独立于微处理器 多总线共存
特点
支持突发传输 支持即插即用 支持三类地址空间访问
2016/5/29
计算机接口技术
22
2.7.2 PCI 总线的信号线
2016/5/29
计算机接口技术
6
总线插槽是将总线的每根信号线都分配一个总线 引脚，并按一定的顺序排列做成一个个插槽，把这种插槽叫 做系统总线插槽。如图2.1所示的PCI总线的标准插槽。
图2.1 PCI总线标准插槽
2016/5/29
计算机接口技术
7
2.5 现代微机系统总线的新技术
1.多总线技术 在一个微机系统中同时存在几种性能 不同的总线，并按其性能的高低分层次构成总线系统的技术 多总线技术大大增强了系统的兼容性。 2.总线结构层次化技术 将总线按性能高低分层组织，主要 有三个层次。总线结构层次化技术直接促成接口分层次概念 提供系统的数据、地址，控制命令等，速度最快
23
PCI总线信号线如图2.6所示：
图2.6 PCI总线信号线
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计算机接口技术
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1.地址和数据信号
AD[31∷00] 地址期 信号。 数据期 号。 地址和数据复用的输入/输出信号， 分为地址期和数据期
当FRAME#有效时的第1个时钟，AD[31∷00]上传输的是地址 当IRDY#和TRDY#同时有效时，AD[31∷00]上传输的为数据信
第2章 总线技术
本章主要内容
总线的组成和作用、性能参数、标准 总线传输操作过程 现代微机系统总线新技术 ISA总线 PCI总线 2016/5/29 计算机接口技术 1
2.1 总线的作用与组成
微机体系结构的重要组成部分 作用
系统中传递各类信息的通道
系统中各模块间的物理连接 数据总线 地址总线
地址线，传输20位地址
数据线 传输16位数据 地址允许 AEN=1 DMA传输；AEN=0，非DMA传输 I/O读命令 I/O写命令 存储器读命令 存储器写命令
2016/5/29
计算机接口技术
14
接上表
信号线名称 MEMCS16(出) 功能定义 16位存储器片选信号
I/OCS16(出)
SBHE(出) IRQ2～IRQ7(入) IRQ10～IRQ15(入) DRQ1～DRQ3(入) DRQ5 ～DRQ7(入) DACK1~DACK3(出) DACK5~DACK7(出) MASTER(入)
组成
控制总线 电源线和地线
2016/5/29
计算机接口技术
2
2.2 总线的性能参数
反映总线工作速率
数据总线的位数
总线上可传输的数据总量 总线传输率＝（总线宽度÷8位）×总线频率
同步和异步 2016/5/29 计算机接口技术
3
地址线和数据线能共用一条物理线，如PCI 一般采用“可连接的扩增电路板的数量”来表示 数据线、控制线和地址线的总和
1.中断响应命令是一个读命令，让PCI运行一个中断响应周期； 2.特殊周期命令是发送广播命令； 3.I/O读写命令是总线从一个I/O地址空间读写数据的命令。 ┉┉┉
6 PCI总线协议
•
PCI总线既支持单存储周期的传送方式，也支持成组的传送方式。 单存储周期：2个时钟周期对数据字进行读/写操作； 成组的传送方式：一个地址周期和多个数据周期，即第一个时钟周期提供地 址信息，后续每个时钟周期内访问的都是数据信息。 • PCI总线数据传输使用的3个控制信号。 （1） FRAME#:主设备驱动，数据传输周期的开始和结束。 （2）IRDY#:主设备驱动，主设备已经做好数据传输的准备。 （3） TRDY#:从设备驱动，从设备已经做好数据传输的准备。 注意：数据有效时，数据源设备必须无条件设置IRDY#（写操作有主设备）和 TRDY#（读操作有从设备）信号，接收方适当时候发出相应准备好的信号。 FRAME#信号有效后第一个时钟周期是地址周期，传送的是地址信息和总线命令， 下一个时钟周期开始时一个或多个数据传输周期。IRDY#和TRDY#同时有效 时就是主从设备进行数据传输，这个期间主从设备通过设置IRDY#和TRDY# 的无效来插入等待周期。 只要数据传送开始，当前的数据期结束之前，主从设备都不能撤销命令，而且必 须完成本次数据传输。 进行最后一次数据传输时，主设备应撤销FRAME#信号，表示主设备已经做好最 后一次数据传输的准备，等从设备发出TRDY#信号后，进行最后一次数据传 输后， FRAME#和IRDY#均被撤销，总线开始等待。
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计算机接口技术
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2. ISA总线的应用
I/O设备接口与ISA总线的连接如图2.5所示。
图2.5 ISA（用户）总线与I/O设备接口的连接
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计算机接口技术
19
使用ISA总线需要注意的问题 确定实际使用的总线数目 总线的隔离与驱动 对一些有特殊要求的总线的使用
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计算机接口技术
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4.多级总线结构中，设备与总线的连接 高速外设通过其内部的总线桥直接挂在PCI总线上 低速IO设备，扩展存储器与本地总线（ISA）连接 高速主存储器通过自身的总线桥直接连到Host桥
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计算机接口技术
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多级总线结构中设备与总线的连接如图2.3所示
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ISA总线引脚插槽 分布如图2.4所示。
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2.6.3 ISA总线的特点及应用 1. ISA总线的特点
支持16MB存储器地址的寻址能力和64KB I/O端口 地址的访问能力 支持8位和16位数据读/写能力 特点 支持15级外部硬件中断处理和7级DMA传输能力 支持8/16 I/O、存储器读/写周期，中断周期和 DMA周期
计算机接口技术
20
2.7 PCI 总线
PCI(Peripheral Component Interconnect)的 含义是外围器件互连。 随着PCI总线技术的不断发展,继PCI总线之后又有PCI-X 总线和PCI Expres总线。 PCI-X 总线
采用分离事物处理方式， 大幅度地提高了总线的 利用率。
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2.6.2 ISA总线的信号线和插槽
ISA总线标准共有98根信号线，分别是地址线、数据线、控 制线、时钟和电源线。主要信号线定义如表2.1所示。
表2.1 ISA总线主要信号线定义 信号线名称 功能定义
SA0～SA19(出)
SD0～SD15(双向) AEN(出) IOR(出) IOW(出) SMEMR(出) SMEMW(出)
4. 结束阶段
2016/5/29 计算机接口技术
5
2.4 总线标准与总线插槽
总线标准是指微机系统的各成员之间利用总线进行信息传 输时应遵守的协议和规范。包括信号线定义、电气特性、机 械特性、插头/插座等一系列规定。有内总线与外总线之分。
内部总线标准：如ISA、EISA、PCI-X、PCIE等 外部总线标准：如RS-232C、RS-485、 USB、SPI、 IEEE-488、GPIB/VXI等
16位I/O设备片选信号
总线高字节允许信号 INTR中断请求线，连到主中断控制器 INTR中断请求线，连到从中断控制器 DMA请求线,连到主DMA控制器 DMA请求线,连到从DMA控制器 主DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期 从DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期 请求占用总线，由有主控能力的I/O设备卡驱动
PCI总线的传输控制遵循的管理规则: 主设备： FRAME#和IRDY#定义了总线的忙/闲状态。 从设备：TRDY#（读）从设备准备好与否。 11空闲 00数据 01等待 10最后一个数据
(1) FRAME#和IRDY#信号决定了总线的忙与闲，其中之一有效就是忙； (2)一旦FRAME#信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置。 (3) 除非设置IRDY#信号，一般情况下不能设置FRAME#信号无效，只有在 IRDY# 有效的前提下才可以设置撤除FRAME#信号。 (4) 一旦主设备设置了IRDY#信号，直到当前数据期结束为止，主设备一般不 能改变IRDY#信号和FRAME#信号的状态。 (5)完成最后一个数据周期后，主设备必须使得IRDY#无效
中断申请触发方式，电平触发，低电平有效。
中断线使用，单功能设备只有一条中断线，并且只能使用 INTA#，多功能设备最多可以使用4条中断线。
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5 PCI总线命令 PCI总线命令由获得总线控制权的主设备发出，确定主从设 备之间进行数据传输的类型。地址周期在C/BE[3:0]上。
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接上表
信号线名称 功能定义
RSTDRV(出)
I/OCHCK(出) I/OCHRDY(入) OWS (入) OSC/CLK(入) ±12V、±5V (入)
系统复位信号,复位和初始化接口和I/O设备
I/O 通道检查信号，当I/O奇偶校验错时，产生NMI中 断 I/O 通道就绪信号，当该信号变低，请求插入等待状 态周期 零等待状态信号，该信号为低电平时，无需插入等待 周期 时钟 电源
图2.3 现代微机多级总线与各类外设接口的连接
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2.6 ISA总线
2.6.1 ISA总线在多总线结构中的作用
早期ISA总线作为16位微机系统的系统总线，现代微机 系统中作为本地或用户总线。 PCI高速总线出现后ISA总线作为用户总线连接一些低 速设备。 在现代微机系统中，ISA总线还在使用，只是不用做系 统总线了，而用于低速设备，处在总线层次结构中的 最底层。
C/BE #[03∷00]
总线命令和字节允许复用信号
在地址期，这4条线上传输的是总线命令（代码）。 在数据期，它们传输的是字节允许信号，用来指定在整个数据期中，
AD[31∷00]上哪些字节为有效数据。
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计算机接口技术
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2.接口控制信号
FRAME# IRDY#
TRDY# 帧周期信号，由当前主设备驱动,表示一次传输的开始 和持续。
主设备准备好信号
从设备准备好信号
IDSEL IN 初始化设备选择信号 DEVSEL# 设备选择信号
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3.仲裁信号
REQ# GNT# 总线占用请求信号。 总线占用允许信号
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4.中断信号 PCI有4条中断线，分别是INTA#、INTB#、INTC#、INTD# 。
如传输方式、设备配置方式、中断分配和仲裁方式等
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2.3 总线传输操作过程
总线传输是指在主控器（如CPU、DMAC等）控制下通过 各级总线进行的信息传送（数据读写）操作。 总线完成一次数据传输操作，一般经过四个阶段。 1. 申请与仲裁阶段 2. 寻址阶段 3. 传输阶段
提供高速外设与CPU间的数据通路 提供系统与一般速度或慢速设备的连接 2016/5/29 计算机接口技术
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现代微机系统的多总线的层次化结构如图2.2所示。
图2.2 总线的层次化结构
2016/5/29
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3．总线桥
（1）总线桥的概念 总线桥是不同总线之间的转换器和控制器。桥的内部包含有 一些相当复杂的兼容协议及总线信号和数据的缓冲电路，以便把 一条总线映射到另一条总线上。实现“即插即用”的配置空间也放 在桥内。 桥与I/0设备接口之不同，一是所连接的对象不一样，二是传递 信息的方法不同。桥是间接传递信息，桥两端的信息是一种映射 的关系，因此可动态改变。接口是直接传递信息，接口两端的信 息通过硬件直接传递信息，是一种固定的关系。 实现桥两端信息映射关系的是桥内的配置空间，它既不是I/O空 间，也不是存储器空间，而是专门用于为两种总线之间进行资源 动态配置的特殊地址空间，正是由于这种资源的可动态分配，才 使现代微机的即插即用技术得以实现。 （2）PCI总线芯片组 实现这些总线桥功能的是一组大规模集成专用电路，称为PCI总 线芯片组或PCI总线组件。
必须信号线和可选信号线： 对于必须信号线，主设备有49条，从设备有47条。 对于可选信号线，有51条，主要用于64位扩展、中断请 求、高速缓存支持等。
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PCI Expres 总线
基于串行差动传输、高带宽、点 对点的总线技术，适用于高速设 备。
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2.7.1 PCI总线的主要特点：
Leabharlann Baidu独立于微处理器 多总线共存
特点
支持突发传输 支持即插即用 支持三类地址空间访问
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22
2.7.2 PCI 总线的信号线
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总线插槽是将总线的每根信号线都分配一个总线 引脚，并按一定的顺序排列做成一个个插槽，把这种插槽叫 做系统总线插槽。如图2.1所示的PCI总线的标准插槽。
图2.1 PCI总线标准插槽
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2.5 现代微机系统总线的新技术
1.多总线技术 在一个微机系统中同时存在几种性能 不同的总线，并按其性能的高低分层次构成总线系统的技术 多总线技术大大增强了系统的兼容性。 2.总线结构层次化技术 将总线按性能高低分层组织，主要 有三个层次。总线结构层次化技术直接促成接口分层次概念 提供系统的数据、地址，控制命令等，速度最快
23
PCI总线信号线如图2.6所示：
图2.6 PCI总线信号线
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1.地址和数据信号
AD[31∷00] 地址期 信号。 数据期 号。 地址和数据复用的输入/输出信号， 分为地址期和数据期
当FRAME#有效时的第1个时钟，AD[31∷00]上传输的是地址 当IRDY#和TRDY#同时有效时，AD[31∷00]上传输的为数据信
第2章 总线技术
本章主要内容
总线的组成和作用、性能参数、标准 总线传输操作过程 现代微机系统总线新技术 ISA总线 PCI总线 2016/5/29 计算机接口技术 1
2.1 总线的作用与组成
微机体系结构的重要组成部分 作用
系统中传递各类信息的通道
系统中各模块间的物理连接 数据总线 地址总线
地址线，传输20位地址
数据线 传输16位数据 地址允许 AEN=1 DMA传输；AEN=0，非DMA传输 I/O读命令 I/O写命令 存储器读命令 存储器写命令
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接上表
信号线名称 MEMCS16(出) 功能定义 16位存储器片选信号
I/OCS16(出)
SBHE(出) IRQ2～IRQ7(入) IRQ10～IRQ15(入) DRQ1～DRQ3(入) DRQ5 ～DRQ7(入) DACK1~DACK3(出) DACK5~DACK7(出) MASTER(入)
组成
控制总线 电源线和地线
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2.2 总线的性能参数
反映总线工作速率
数据总线的位数
总线上可传输的数据总量 总线传输率＝（总线宽度÷8位）×总线频率
同步和异步 2016/5/29 计算机接口技术
3
地址线和数据线能共用一条物理线，如PCI 一般采用“可连接的扩增电路板的数量”来表示 数据线、控制线和地址线的总和
1.中断响应命令是一个读命令，让PCI运行一个中断响应周期； 2.特殊周期命令是发送广播命令； 3.I/O读写命令是总线从一个I/O地址空间读写数据的命令。 ┉┉┉
6 PCI总线协议
•
PCI总线既支持单存储周期的传送方式，也支持成组的传送方式。 单存储周期：2个时钟周期对数据字进行读/写操作； 成组的传送方式：一个地址周期和多个数据周期，即第一个时钟周期提供地 址信息，后续每个时钟周期内访问的都是数据信息。 • PCI总线数据传输使用的3个控制信号。 （1） FRAME#:主设备驱动，数据传输周期的开始和结束。 （2）IRDY#:主设备驱动，主设备已经做好数据传输的准备。 （3） TRDY#:从设备驱动，从设备已经做好数据传输的准备。 注意：数据有效时，数据源设备必须无条件设置IRDY#（写操作有主设备）和 TRDY#（读操作有从设备）信号，接收方适当时候发出相应准备好的信号。 FRAME#信号有效后第一个时钟周期是地址周期，传送的是地址信息和总线命令， 下一个时钟周期开始时一个或多个数据传输周期。IRDY#和TRDY#同时有效 时就是主从设备进行数据传输，这个期间主从设备通过设置IRDY#和TRDY# 的无效来插入等待周期。 只要数据传送开始，当前的数据期结束之前，主从设备都不能撤销命令，而且必 须完成本次数据传输。 进行最后一次数据传输时，主设备应撤销FRAME#信号，表示主设备已经做好最 后一次数据传输的准备，等从设备发出TRDY#信号后，进行最后一次数据传 输后， FRAME#和IRDY#均被撤销，总线开始等待。
2016/5/29
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2. ISA总线的应用
I/O设备接口与ISA总线的连接如图2.5所示。
图2.5 ISA（用户）总线与I/O设备接口的连接
2016/5/29
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使用ISA总线需要注意的问题 确定实际使用的总线数目 总线的隔离与驱动 对一些有特殊要求的总线的使用
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10
4.多级总线结构中，设备与总线的连接 高速外设通过其内部的总线桥直接挂在PCI总线上 低速IO设备，扩展存储器与本地总线（ISA）连接 高速主存储器通过自身的总线桥直接连到Host桥
2016/5/29
计算机接口技术
11
多级总线结构中设备与总线的连接如图2.3所示
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ISA总线引脚插槽 分布如图2.4所示。
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2.6.3 ISA总线的特点及应用 1. ISA总线的特点
支持16MB存储器地址的寻址能力和64KB I/O端口 地址的访问能力 支持8位和16位数据读/写能力 特点 支持15级外部硬件中断处理和7级DMA传输能力 支持8/16 I/O、存储器读/写周期，中断周期和 DMA周期
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2.7 PCI 总线
PCI(Peripheral Component Interconnect)的 含义是外围器件互连。 随着PCI总线技术的不断发展,继PCI总线之后又有PCI-X 总线和PCI Expres总线。 PCI-X 总线
采用分离事物处理方式， 大幅度地提高了总线的 利用率。
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2.6.2 ISA总线的信号线和插槽
ISA总线标准共有98根信号线，分别是地址线、数据线、控 制线、时钟和电源线。主要信号线定义如表2.1所示。
表2.1 ISA总线主要信号线定义 信号线名称 功能定义
SA0～SA19(出)
SD0～SD15(双向) AEN(出) IOR(出) IOW(出) SMEMR(出) SMEMW(出)
4. 结束阶段
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2.4 总线标准与总线插槽
总线标准是指微机系统的各成员之间利用总线进行信息传 输时应遵守的协议和规范。包括信号线定义、电气特性、机 械特性、插头/插座等一系列规定。有内总线与外总线之分。
内部总线标准：如ISA、EISA、PCI-X、PCIE等 外部总线标准：如RS-232C、RS-485、 USB、SPI、 IEEE-488、GPIB/VXI等
16位I/O设备片选信号
总线高字节允许信号 INTR中断请求线，连到主中断控制器 INTR中断请求线，连到从中断控制器 DMA请求线,连到主DMA控制器 DMA请求线,连到从DMA控制器 主DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期 从DMA控制器回答信号,表示进入DMA周期 请求占用总线，由有主控能力的I/O设备卡驱动
PCI总线的传输控制遵循的管理规则: 主设备： FRAME#和IRDY#定义了总线的忙/闲状态。 从设备：TRDY#（读）从设备准备好与否。 11空闲 00数据 01等待 10最后一个数据
(1) FRAME#和IRDY#信号决定了总线的忙与闲，其中之一有效就是忙； (2)一旦FRAME#信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置。 (3) 除非设置IRDY#信号，一般情况下不能设置FRAME#信号无效，只有在 IRDY# 有效的前提下才可以设置撤除FRAME#信号。 (4) 一旦主设备设置了IRDY#信号，直到当前数据期结束为止，主设备一般不 能改变IRDY#信号和FRAME#信号的状态。 (5)完成最后一个数据周期后，主设备必须使得IRDY#无效
中断申请触发方式，电平触发，低电平有效。
中断线使用，单功能设备只有一条中断线，并且只能使用 INTA#，多功能设备最多可以使用4条中断线。
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5 PCI总线命令 PCI总线命令由获得总线控制权的主设备发出，确定主从设 备之间进行数据传输的类型。地址周期在C/BE[3:0]上。
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接上表
信号线名称 功能定义
RSTDRV(出)
I/OCHCK(出) I/OCHRDY(入) OWS (入) OSC/CLK(入) ±12V、±5V (入)
系统复位信号,复位和初始化接口和I/O设备
I/O 通道检查信号，当I/O奇偶校验错时，产生NMI中 断 I/O 通道就绪信号，当该信号变低，请求插入等待状 态周期 零等待状态信号，该信号为低电平时，无需插入等待 周期 时钟 电源
图2.3 现代微机多级总线与各类外设接口的连接
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2.6 ISA总线
2.6.1 ISA总线在多总线结构中的作用
早期ISA总线作为16位微机系统的系统总线，现代微机 系统中作为本地或用户总线。 PCI高速总线出现后ISA总线作为用户总线连接一些低 速设备。 在现代微机系统中，ISA总线还在使用，只是不用做系 统总线了，而用于低速设备，处在总线层次结构中的 最底层。
C/BE #[03∷00]
总线命令和字节允许复用信号
在地址期，这4条线上传输的是总线命令（代码）。 在数据期，它们传输的是字节允许信号，用来指定在整个数据期中，
AD[31∷00]上哪些字节为有效数据。
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2.接口控制信号
FRAME# IRDY#
TRDY# 帧周期信号，由当前主设备驱动,表示一次传输的开始 和持续。
主设备准备好信号
从设备准备好信号
IDSEL IN 初始化设备选择信号 DEVSEL# 设备选择信号
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26
3.仲裁信号
REQ# GNT# 总线占用请求信号。 总线占用允许信号
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27
4.中断信号 PCI有4条中断线，分别是INTA#、INTB#、INTC#、INTD# 。
如传输方式、设备配置方式、中断分配和仲裁方式等
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2.3 总线传输操作过程
总线传输是指在主控器（如CPU、DMAC等）控制下通过 各级总线进行的信息传送（数据读写）操作。 总线完成一次数据传输操作，一般经过四个阶段。 1. 申请与仲裁阶段 2. 寻址阶段 3. 传输阶段
提供高速外设与CPU间的数据通路 提供系统与一般速度或慢速设备的连接 2016/5/29 计算机接口技术
8
现代微机系统的多总线的层次化结构如图2.2所示。
图2.2 总线的层次化结构
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3．总线桥
（1）总线桥的概念 总线桥是不同总线之间的转换器和控制器。桥的内部包含有 一些相当复杂的兼容协议及总线信号和数据的缓冲电路，以便把 一条总线映射到另一条总线上。实现“即插即用”的配置空间也放 在桥内。 桥与I/0设备接口之不同，一是所连接的对象不一样，二是传递 信息的方法不同。桥是间接传递信息，桥两端的信息是一种映射 的关系，因此可动态改变。接口是直接传递信息，接口两端的信 息通过硬件直接传递信息，是一种固定的关系。 实现桥两端信息映射关系的是桥内的配置空间，它既不是I/O空 间，也不是存储器空间，而是专门用于为两种总线之间进行资源 动态配置的特殊地址空间，正是由于这种资源的可动态分配，才 使现代微机的即插即用技术得以实现。 （2）PCI总线芯片组 实现这些总线桥功能的是一组大规模集成专用电路，称为PCI总 线芯片组或PCI总线组件。