接口与通信 课件第8章_总线及接口标准
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负载能力：一般采用“可连接的扩增电路板的 数量”来表示。电路插板对总线的负载是不一 样的，即使是同一电路插板在不同工作频率的 总线上，所表示出的负载也不一样。
信号线数：表明总线拥有多少信号线，是数据、 地址、控制线及电源线的总和。信号线数与性 能不成正比，但与复杂度成正比。
总线控制方式：如传输方式(猝发方式) 、并发 工作、设备自动配置、中断分配及仲裁方式。
ISA总线
ISA总线又称AT总线，它是IBM公司在80年代中期 随PC AT微机的推出而推出的。
它具有16位数据宽度，地址线24条，可寻址16MB。 最高工作频率为8MHZ，数据传输速率达到
16MB/s。 ISA总线是在PC总线的基础上扩展一个36线插槽形
成的。ISA总线由同一轴线的基本插槽和扩展插槽 两段组成。基本插槽兼容PC总线；扩展插槽有36 条信号线，是ISA新增加的信号。
SA17是重复的 。 数据线：
SD15-SD0：SD7-SD0为低8位数据， SD15-SD8为高 8位数据。
控制线：
BALE：允许地址锁存，输出线，这信号由总线控制器8288提供， 作为CPU地址的有效标志。
BALE=1，将SA0~SA19接到系统总线，其下降沿用来锁存 SA0~SA19。
PC-XT
8086 个人机
ISA (PC-AT)
80286， 286，486 系
列ห้องสมุดไป่ตู้人机
EISA
IBM 系 列 386， 486， 586 计算机
STD
Z80,V20, V40,
IBM-PC 系列机
4MB/s 8位
16MB/s 16 位
33MB/s 32 位
2MB/s 8位
4MHz
8MHz 8.33MHz 2MHz
机械特性：规定模块插件的机械尺寸，总线插头、 插座的规格及位置、引脚的个数及排列顺序等；
电气特性：规定总线信号的逻辑电平和信号的传递 方向等。通常规定由CPU发出的信号称为输出信号， 送入CPU的信号称为输入信号；
功能特性：给出各总线信号的名称及功能定义； 时间特性：总线中的任一根线在什么时间内有效。
总线标准
总线标准是人们在把各种不同的模块组成系统时 所要遵守的总线规范。
总线标准是系统与各模块、模块与模块之间的一 个互连的标准界面。
采用总线标准可以为接口的软件与硬件设计提供 方便。对硬件结构来说，各模块的接口芯片设计 相对独立、只要达到功能要求便可，不必要求结 构上的一致；接口软件也可进行模块化设计。
DACK7*-DACK5*、DACK3*-DACK0*：DMA请求响应信号， 低电平有效。有效时，表示DMA请求被接受，DMA控制器占 用总线，进入DMA周期。
T/C：DMA终末/计数结束，输出线，表明DMA传送的数据已 达到其程序预置的字节数，用来结束一次DMA数据块传送。
MASTER*：输入信号，它由要求占用总线的有主控能力的外设 卡驱动，并与DRQ一起使用。外设的DRQ得到确认后，才使 MASTER*有效，从此该设备保持对总线的控制直到MASTER* 无效。
AEN：地址允许信号，输出线，高电平有效。AEN=1，表明处 于DMA控制周期；AEN=0，表示非DMA周期。
IOR*：I/O读命令，输出线，低电平有效，用来把选中的I/O设 备的数据读到数据总线上。
IOW*： I/O写命令，输出线，低电平有效，用来把数据总线上 的数据写入被选中的I/O端口。
第8章 总线与接口标准
本章主要内容
8.1 概述 8.2 系统总线 8.3 通信总线
本章主要内容
1.总线的基本概念 2.常见的总线标准（ISA,PCI,AGP,USB)
8.1 概述
总线定义 总线是计算机两个或两个以上的模块(部件或
子系统)之间相互连接与通信的公共通路。 在计算机系统中，总线可以看成一个具有独立
I/O CHRDY：I/O通道就绪，输入线，高电平表示就绪。该信号 线可供低速I/O设备或存储器请求延长总线周期使用。
I/OCHCK*： I/O通道检查，输出线。当它为低电平时，表明接 口插件的I/O通道出现了错误，它将产生一次不可屏蔽中断。
OWS*：不需等待状态信号，输入线。该信号为低电平时，无需 插入等待周期。
IBM PC系列微机采用开放式结构，即在底板上设 置一些标准扩展插槽，将各种符合插槽运行的适 配器板(也称卡，如接口板、扩展卡、扩充卡和插 件板等)插入插槽即可扩充PC机的功能。
这些插槽即系统总线，它用于各插件板之间的连 接。
系统总线依照其推出的先后顺序可分为： IBM PC ISA(Industry Standard Architecture) EISA(Extend ISA) MCA(Micro Channel Architecture)等。
MEMCS16*和IOCS16*：它们是存储器16位片选信 号和I/O16位片选信号。
IRQ10-IRQ15、IRQ7-IRQ3：用来作为来自外部设备的中断 请求输入线，分别接到主片8259A和从片8259A中断控制器的 输入端。
DRQ7-DRQ5 、DRQ3-DRQ0： 来自外部设备的DMA请求输 入线，分别连到主片8237A和从片8237ADMA控制器输入端。
外总线(External Bus, E-Bus)
又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其 他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输 的通路。
微型计算机
控制部件
C-Bus
寄
存
ALU
器
组
存储器
I/O接口
I-Bus
I/O接口
存储器
E-Bus
设备
Modem
仪器
仪器
图8.1 三类总线在微机系统中的地位和关系
随着Intel公司80486的推出，为了突破IBM公 司对MCA的封锁，1988年多家计算机厂商联 合推出了一个新的系统总线标准，称为EISA总 线。EISA不仅具有MCA的全部功能，而且还 保持了与传统ISA的100％兼容。
由于EISA的公开性，数以百计的EISA扩充卡 相继问世，例如LAN、SCSI、IDE和Graphic 等，使EISA在应用领域得到充分发展。
SMEMR*和SMEMW*：存储器读/写命令，低电平 有效，用于对SA0~SA19 这20位地址寻址的1MB内 存的读/写操作。
MEMR*和MEMW*：存储器读/写命令，低电平有 效，用于对24位地址线全部存储空间进行读/写操作。
SBHE：总线高字节允许信号，该信号有效时，打开 SD15-SD8数据通路，表示数据总线上传送的是高位 字节数据。
同步方式：
在同步方式下，传输周期或总线周期是固定 的，并严格按系统时钟来统一定时主模块与 从模块之间的传输操作。
在异步方式下，采用应答式传输技术，允许 从模块自行调整响应时间，即传输周期是可 以改变的，故总线带宽减少。
多路复用：数据线和地址线是否共用。若地址 线和数据线通过分时共用一条物理线路，称为 多路复用。若地址线和数据线是物理上分开的， 就属非多路复用。采用多路复用，可以减少总 线的数目。
1. ISA 总线信号
基本插槽 ISA总线基本插槽的62条信号线的引脚排列及 定义与PC总线基本相同。就基本插槽而言， PC总线与ISA兼容，因此PC总线又叫8位ISA 总线，而PC AT总线被称为16位ISA总线。
扩展插槽 ISA扩展插槽的36条信号线包括数据线8条，最 高地址线7条，控制信号线19条，电源和地线2 条。
为了解决低性能总线与高性能CPU之间的矛盾，IBM 公司在1987年创造了一个全新的与ISA标准完全不同的 系统总线标准，即MCA总线标准。该标准定义了系统 总线的数据宽度为32位，并提供了突发方式的DMA传 输，使得数据传输率为ISA的4倍。
但是，IBM公司垄断了该标准，为MCA总线的推广设 置了障碍，从而阻止了其他厂商开发兼容产品的积极 性。
总线的性能指标
各类总线主要性能指标一般有如下几个方面： 总线时钟频率：总线的工作频率，以MHz表示，
它是影响总线传输速率的重要因素之一。 总线宽度：一次总线操作中通过总线传送的数
据位数，即数据总线的位数，用位(bit)表示。 总线传输速率（总线带宽）：在总线上每秒传
输的最大字节数，用MB/s表示。 若工作频率33.3MHz，总线宽度32位， 则最大传输速率为133MB/s。
或作为特殊要求使用的信号线。
总线的分类
从总线的性质和应用来看，一般可分为三大类型： 片内总线(Chip Bus, C-Bus)
又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一 起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通 路。
内总线(Internal Bus, I-Bus)
又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件 板(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和 存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。
80年代中期，IBM公司针对16位的80286 ，在原8位PC总线 的扩展槽的后面，延伸了一个36条引脚的插槽，将数据线扩 展到了16位。这种总线标准得到了工业界的认可，称为工业 总线标准ISA。相应的总线称为ISA总线，又叫AT总线。工 作频率由初期的5MHz变为后来的8MHz。
80386 CPU的数据总线从16位增加到32位，CPU的处 理能力大大提高，32位数据处理方式和20MHz的CPU 工作频率使原来的ISA总线出现了瓶颈现象。
功能的组成部件。
总线的组成
总线通常包括一组信号线，主要的信号线有：
▪ 数据线和地址线：这一类信号线决定了数据传
输的宽度和直接寻址的范围。 控制线：用来传送控制信息和状态信息，这一
类信号线决定了总线控制能力的强弱。 电源线和地线：这一类线决定了电源的种类及
地线的分布和用法。 备用线：这一类线是厂家和用户作为性能扩充
其他性能：电源电压等级是5V还是3.3V，能否 扩展64位宽度等。
总线接口概述
数据总线接口 存储设备接口 SCSI接口 USB通用串行总线接口 IEEE 1394“火线”
名称
适用机型
最大传输速率 总线宽度
总线工作频率 同步方式 地址宽度 负载能力 信号线数目 64 位扩展 自动配置 并发工作 猝发方式 多路复用
ISA总线98根分成5类： 地址线 数据线 控制线 时钟线 电源线
D18
D1 B31
B1
C18
C1 A31
A1
图8.6 ISA总线插槽的形态
RESET、CLK：复位及总线基本时钟CLK=8MHz。 地址线：
SA19-SA0：存储器及I/O空间20位地址，带锁存。 LA23-LA17：不带锁存， LA19-LA17和SA19-
总线标准的产生通常有两种途径：
某计算机制造厂家(或公司)在研制本公司的微 机系统时所采用的一种总线，由于其性能优越， 得到用户普遍接受，逐渐形成一种被业界广泛 支持和承认的事实上的总线标准。
在国际标准组织或机构主持下开发和制定的总 线标准，公布后由厂家和用户使用。
总线标准
为了充分发挥总线的作用，每个总线标准都必须有 具体和明确的规范说明，通常包括如下几个方面的 技术规范或特性：
最早的系统总线是从IBM PC机时代所使用的8位扩展总线开 始的。在20世纪80年代初期，IBM公司在主机板上留有6~8 个扩展插槽，可方便地插入各种功能的适配器板(卡) 以扩充 微机的功能，从而为微型机的扩充、组装和维护带来极大的 方便。这种扩展插槽便是PC总线，该扩展槽有8位数据线， 传输速率也不同。
半同步 20 位 8个
半同步 24 位 8个
同步
异步
32 位
20 位
6个
无限制
62 不可以
无
98 不可以
无
143 无规定
56 不可以
无
非
非
非
非
VISA (VL-BUS)
I486,PC-AT 兼容个人机
266MB/s 32 位 66MHz 同步
6个 90 可以
可以 可以 非
MCA
IBM 个人 机、工作站
40MB/s 32 位 10MHz 异步
无限制 109 可以
PCI
P5 个人机， 工作站
133MB/s 32 位 20～
33.3MHz 同步
32/64 位 3个
120 可以 可以 可以 可以 非
8.2 系统总线
ISA 总线 EISA 总线 STD总线 PCI 总线 AGP总线
系统总线
IBM PC系列系统总线，是指IBM公司的PC系列 微型计算机及其兼容机所用的系统总线。
信号线数：表明总线拥有多少信号线，是数据、 地址、控制线及电源线的总和。信号线数与性 能不成正比，但与复杂度成正比。
总线控制方式：如传输方式(猝发方式) 、并发 工作、设备自动配置、中断分配及仲裁方式。
ISA总线
ISA总线又称AT总线，它是IBM公司在80年代中期 随PC AT微机的推出而推出的。
它具有16位数据宽度，地址线24条，可寻址16MB。 最高工作频率为8MHZ，数据传输速率达到
16MB/s。 ISA总线是在PC总线的基础上扩展一个36线插槽形
成的。ISA总线由同一轴线的基本插槽和扩展插槽 两段组成。基本插槽兼容PC总线；扩展插槽有36 条信号线，是ISA新增加的信号。
SA17是重复的 。 数据线：
SD15-SD0：SD7-SD0为低8位数据， SD15-SD8为高 8位数据。
控制线：
BALE：允许地址锁存，输出线，这信号由总线控制器8288提供， 作为CPU地址的有效标志。
BALE=1，将SA0~SA19接到系统总线，其下降沿用来锁存 SA0~SA19。
PC-XT
8086 个人机
ISA (PC-AT)
80286， 286，486 系
列ห้องสมุดไป่ตู้人机
EISA
IBM 系 列 386， 486， 586 计算机
STD
Z80,V20, V40,
IBM-PC 系列机
4MB/s 8位
16MB/s 16 位
33MB/s 32 位
2MB/s 8位
4MHz
8MHz 8.33MHz 2MHz
机械特性：规定模块插件的机械尺寸，总线插头、 插座的规格及位置、引脚的个数及排列顺序等；
电气特性：规定总线信号的逻辑电平和信号的传递 方向等。通常规定由CPU发出的信号称为输出信号， 送入CPU的信号称为输入信号；
功能特性：给出各总线信号的名称及功能定义； 时间特性：总线中的任一根线在什么时间内有效。
总线标准
总线标准是人们在把各种不同的模块组成系统时 所要遵守的总线规范。
总线标准是系统与各模块、模块与模块之间的一 个互连的标准界面。
采用总线标准可以为接口的软件与硬件设计提供 方便。对硬件结构来说，各模块的接口芯片设计 相对独立、只要达到功能要求便可，不必要求结 构上的一致；接口软件也可进行模块化设计。
DACK7*-DACK5*、DACK3*-DACK0*：DMA请求响应信号， 低电平有效。有效时，表示DMA请求被接受，DMA控制器占 用总线，进入DMA周期。
T/C：DMA终末/计数结束，输出线，表明DMA传送的数据已 达到其程序预置的字节数，用来结束一次DMA数据块传送。
MASTER*：输入信号，它由要求占用总线的有主控能力的外设 卡驱动，并与DRQ一起使用。外设的DRQ得到确认后，才使 MASTER*有效，从此该设备保持对总线的控制直到MASTER* 无效。
AEN：地址允许信号，输出线，高电平有效。AEN=1，表明处 于DMA控制周期；AEN=0，表示非DMA周期。
IOR*：I/O读命令，输出线，低电平有效，用来把选中的I/O设 备的数据读到数据总线上。
IOW*： I/O写命令，输出线，低电平有效，用来把数据总线上 的数据写入被选中的I/O端口。
第8章 总线与接口标准
本章主要内容
8.1 概述 8.2 系统总线 8.3 通信总线
本章主要内容
1.总线的基本概念 2.常见的总线标准（ISA,PCI,AGP,USB)
8.1 概述
总线定义 总线是计算机两个或两个以上的模块(部件或
子系统)之间相互连接与通信的公共通路。 在计算机系统中，总线可以看成一个具有独立
I/O CHRDY：I/O通道就绪，输入线，高电平表示就绪。该信号 线可供低速I/O设备或存储器请求延长总线周期使用。
I/OCHCK*： I/O通道检查，输出线。当它为低电平时，表明接 口插件的I/O通道出现了错误，它将产生一次不可屏蔽中断。
OWS*：不需等待状态信号，输入线。该信号为低电平时，无需 插入等待周期。
IBM PC系列微机采用开放式结构，即在底板上设 置一些标准扩展插槽，将各种符合插槽运行的适 配器板(也称卡，如接口板、扩展卡、扩充卡和插 件板等)插入插槽即可扩充PC机的功能。
这些插槽即系统总线，它用于各插件板之间的连 接。
系统总线依照其推出的先后顺序可分为： IBM PC ISA(Industry Standard Architecture) EISA(Extend ISA) MCA(Micro Channel Architecture)等。
MEMCS16*和IOCS16*：它们是存储器16位片选信 号和I/O16位片选信号。
IRQ10-IRQ15、IRQ7-IRQ3：用来作为来自外部设备的中断 请求输入线，分别接到主片8259A和从片8259A中断控制器的 输入端。
DRQ7-DRQ5 、DRQ3-DRQ0： 来自外部设备的DMA请求输 入线，分别连到主片8237A和从片8237ADMA控制器输入端。
外总线(External Bus, E-Bus)
又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其 他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输 的通路。
微型计算机
控制部件
C-Bus
寄
存
ALU
器
组
存储器
I/O接口
I-Bus
I/O接口
存储器
E-Bus
设备
Modem
仪器
仪器
图8.1 三类总线在微机系统中的地位和关系
随着Intel公司80486的推出，为了突破IBM公 司对MCA的封锁，1988年多家计算机厂商联 合推出了一个新的系统总线标准，称为EISA总 线。EISA不仅具有MCA的全部功能，而且还 保持了与传统ISA的100％兼容。
由于EISA的公开性，数以百计的EISA扩充卡 相继问世，例如LAN、SCSI、IDE和Graphic 等，使EISA在应用领域得到充分发展。
SMEMR*和SMEMW*：存储器读/写命令，低电平 有效，用于对SA0~SA19 这20位地址寻址的1MB内 存的读/写操作。
MEMR*和MEMW*：存储器读/写命令，低电平有 效，用于对24位地址线全部存储空间进行读/写操作。
SBHE：总线高字节允许信号，该信号有效时，打开 SD15-SD8数据通路，表示数据总线上传送的是高位 字节数据。
同步方式：
在同步方式下，传输周期或总线周期是固定 的，并严格按系统时钟来统一定时主模块与 从模块之间的传输操作。
在异步方式下，采用应答式传输技术，允许 从模块自行调整响应时间，即传输周期是可 以改变的，故总线带宽减少。
多路复用：数据线和地址线是否共用。若地址 线和数据线通过分时共用一条物理线路，称为 多路复用。若地址线和数据线是物理上分开的， 就属非多路复用。采用多路复用，可以减少总 线的数目。
1. ISA 总线信号
基本插槽 ISA总线基本插槽的62条信号线的引脚排列及 定义与PC总线基本相同。就基本插槽而言， PC总线与ISA兼容，因此PC总线又叫8位ISA 总线，而PC AT总线被称为16位ISA总线。
扩展插槽 ISA扩展插槽的36条信号线包括数据线8条，最 高地址线7条，控制信号线19条，电源和地线2 条。
为了解决低性能总线与高性能CPU之间的矛盾，IBM 公司在1987年创造了一个全新的与ISA标准完全不同的 系统总线标准，即MCA总线标准。该标准定义了系统 总线的数据宽度为32位，并提供了突发方式的DMA传 输，使得数据传输率为ISA的4倍。
但是，IBM公司垄断了该标准，为MCA总线的推广设 置了障碍，从而阻止了其他厂商开发兼容产品的积极 性。
总线的性能指标
各类总线主要性能指标一般有如下几个方面： 总线时钟频率：总线的工作频率，以MHz表示，
它是影响总线传输速率的重要因素之一。 总线宽度：一次总线操作中通过总线传送的数
据位数，即数据总线的位数，用位(bit)表示。 总线传输速率（总线带宽）：在总线上每秒传
输的最大字节数，用MB/s表示。 若工作频率33.3MHz，总线宽度32位， 则最大传输速率为133MB/s。
或作为特殊要求使用的信号线。
总线的分类
从总线的性质和应用来看，一般可分为三大类型： 片内总线(Chip Bus, C-Bus)
又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一 起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通 路。
内总线(Internal Bus, I-Bus)
又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件 板(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和 存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。
80年代中期，IBM公司针对16位的80286 ，在原8位PC总线 的扩展槽的后面，延伸了一个36条引脚的插槽，将数据线扩 展到了16位。这种总线标准得到了工业界的认可，称为工业 总线标准ISA。相应的总线称为ISA总线，又叫AT总线。工 作频率由初期的5MHz变为后来的8MHz。
80386 CPU的数据总线从16位增加到32位，CPU的处 理能力大大提高，32位数据处理方式和20MHz的CPU 工作频率使原来的ISA总线出现了瓶颈现象。
功能的组成部件。
总线的组成
总线通常包括一组信号线，主要的信号线有：
▪ 数据线和地址线：这一类信号线决定了数据传
输的宽度和直接寻址的范围。 控制线：用来传送控制信息和状态信息，这一
类信号线决定了总线控制能力的强弱。 电源线和地线：这一类线决定了电源的种类及
地线的分布和用法。 备用线：这一类线是厂家和用户作为性能扩充
其他性能：电源电压等级是5V还是3.3V，能否 扩展64位宽度等。
总线接口概述
数据总线接口 存储设备接口 SCSI接口 USB通用串行总线接口 IEEE 1394“火线”
名称
适用机型
最大传输速率 总线宽度
总线工作频率 同步方式 地址宽度 负载能力 信号线数目 64 位扩展 自动配置 并发工作 猝发方式 多路复用
ISA总线98根分成5类： 地址线 数据线 控制线 时钟线 电源线
D18
D1 B31
B1
C18
C1 A31
A1
图8.6 ISA总线插槽的形态
RESET、CLK：复位及总线基本时钟CLK=8MHz。 地址线：
SA19-SA0：存储器及I/O空间20位地址，带锁存。 LA23-LA17：不带锁存， LA19-LA17和SA19-
总线标准的产生通常有两种途径：
某计算机制造厂家(或公司)在研制本公司的微 机系统时所采用的一种总线，由于其性能优越， 得到用户普遍接受，逐渐形成一种被业界广泛 支持和承认的事实上的总线标准。
在国际标准组织或机构主持下开发和制定的总 线标准，公布后由厂家和用户使用。
总线标准
为了充分发挥总线的作用，每个总线标准都必须有 具体和明确的规范说明，通常包括如下几个方面的 技术规范或特性：
最早的系统总线是从IBM PC机时代所使用的8位扩展总线开 始的。在20世纪80年代初期，IBM公司在主机板上留有6~8 个扩展插槽，可方便地插入各种功能的适配器板(卡) 以扩充 微机的功能，从而为微型机的扩充、组装和维护带来极大的 方便。这种扩展插槽便是PC总线，该扩展槽有8位数据线， 传输速率也不同。
半同步 20 位 8个
半同步 24 位 8个
同步
异步
32 位
20 位
6个
无限制
62 不可以
无
98 不可以
无
143 无规定
56 不可以
无
非
非
非
非
VISA (VL-BUS)
I486,PC-AT 兼容个人机
266MB/s 32 位 66MHz 同步
6个 90 可以
可以 可以 非
MCA
IBM 个人 机、工作站
40MB/s 32 位 10MHz 异步
无限制 109 可以
PCI
P5 个人机， 工作站
133MB/s 32 位 20～
33.3MHz 同步
32/64 位 3个
120 可以 可以 可以 可以 非
8.2 系统总线
ISA 总线 EISA 总线 STD总线 PCI 总线 AGP总线
系统总线
IBM PC系列系统总线，是指IBM公司的PC系列 微型计算机及其兼容机所用的系统总线。