《微机原理与接口技术》课件第7章.pptx

1、第7章微型计算机总线技术第第7 7章微型计算机总线技术章微型计算机总线技术7.1总线基本知识总线基本知识7.2系统总线系统总线7.3外总线外总线7.4现场总线现场总线本章本章小结小结第7章微型计算机总线技术学习目标学习目标 总线在微型计算机系统中负责CPU和其他部件之间信息的传递，是系统中传递各类信息的通道，也是微型计算机系统中各模块间的物理接口。通过本章学习，应熟悉总线的一般概念和微机系统总线的组成，理解PCI总线、RS-232-C总线和USB总线的性能特点、连接方法及应用场合，学会根据总线的规范设计简单的扩展接口，并且了解近几年在工业控制中被广泛使用的现场总线技术的特点和工作原理。第7章微

2、型计算机总线技术学习重点学习重点(1)总线的基本概念，包括总线的定义、描述总线的特征要素以及总线的电气特性。(2)微机总线的组成结构，片内总线、内总线、外总线的含义及其应用特点。(3)PCI总线的工作原理、连接方式，以及PCI配置的方法。(4)RS-232-C总线的接口特点、电气特性和使用方法。(5)USB总线的拓扑结构、功能特点和连接使用方法。(6)IEEE 1394总线的性能特点和应用场合。(7)现场总线的定义、性能和几种常见的现场总线的特点及基本工作原理。第7章微型计算机总线技术7.17.1总线基本总线基本知识知识7.1.1微型计算机总线概述在微型计算机系统中，利用总线实现芯片内部、印刷

3、电路板部件之间、机箱内插件板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。因此总线是将计算机微处理器与内存芯片以及与之通信的设备连接起来的硬件通道。总线结构对计算机的功能及其数据传播速度具有决定性的意义，总线设计直接影响计算机系统的性能、可靠性、可扩展性和可升级性。目前已将总线作为一个独立的功能部件来看待。第7章微型计算机总线技术通常是由发送数据的部件分时地将数据发往总线，再由总线将该数据同时发往各接收数据部件；而接收数据的部件由CPU给出的设备地址译码选中。总线仲裁电路对众多的设备数据传输请求进行优先级别排队，以使设备相应按策略依次使用总线，避免总线冲突。计算机通信方式有并行通信和串

4、行通信之分，相应的总线称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，占用线路多，不适于小型化产品；串行通信速率虽低，在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中显得更加方便、灵活。总线的主要参数有带宽、位宽和时钟频率三个指标。第7章微型计算机总线技术总线的带宽是指总线在单位时间内可以传输的数据总量，它等于总线位宽与工作频率的乘积。系统总线频率是由主板晶振提供时钟，CPU的实际运行频率是通过内部倍频技术提供，所以要比系统总线频率(又称外频)高2的整数倍。总线的位宽是指总线能同时传送的数据位数，即常说的32位、64位等总线宽度的概念。对于目前的PC机而言，基本上使用的都是32位的总线位宽；总线的工作

5、时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则带宽越宽。第7章微型计算机总线技术微型计算机中的总线一般分为内部总线、系统总线和外部总线。如图7-1所示为微型计算机的总线结构图。总线技术随着微电子技术和计算机技术的发展而不断完善，计算机总线技术种类繁多，各具特色。第7章微型计算机总线技术图7-1微型计算机的总线结构图第7章微型计算机总线技术7.1.2微型计算机总线技术的现状总线是微型计算机系统中影响系统性能的主要瓶颈之一。自IBM PC机问世以来，随着微处理器技术的飞速发展，相应的总线技术也不断创新，由ISA、MCA、EISA、VESA发展到PCI、AGP、IEEE 1394、USB，现在又出现了EV6

6、、PCI-X、NGIO等总线结构。究其原因，是由于CPU的处理性能迅速提升，致使与外设的数据传输速率不匹配，于是不断地进行总线改造，尤其是局部总线。目前，AGP局部总线数据传输率可达528MB/s，PCI-X可达1GB/s，系统总线传输率也由100MB/s升至200MB/s。总线的发展创新，促进了PC系统性能的日益提高。第7章微型计算机总线技术(1)ISA总线(Industry Standard Architecture BUS，工业标准结构总线)：该总线是美国IBM公司制定的工业标准总线，其宽度16位，总线频率为8MHz。(2)EISA总线(Extended Industry Standar

7、d Architecture BUS，扩展工业标准结构总线)：该总线是32位总线扩展工业标准，它在ISA总线的基础上，将总线宽度扩展到32位，总线频率提高到16 MHz。(3)MCA总线(Micro Channel Architecture BUS，微通道结构总线)：该总线是适合PS/2系统的总线结构，其宽度32位，总线频率10MHz。第7章微型计算机总线技术(4)VESA总线(Video Electronics Standards Association BUS，视频电子标准协会总线)：该总线是一种开放性总线，其宽度32位，总线频率33MHz。(5)PCI总线(Peripheral Comp

8、onent Interconnect BUS，外部设备连接总线)：该总线是64位总线，其频率33MHz，数据传输率80Mb/s。(6)AGP总线(Accelerated Graphics Por BUS，加速图形接口总线)：该总线是专用于连接主板上的控制芯片和AGP显示适配卡，为提高视频带宽而设计的总线规范，其频率133MHz，数据传输率533Mb/s。第7章微型计算机总线技术(7)USB总线(Universal Serial Bus，通用串行总线)：该总线具有足够带宽以适应多媒体应用的要求。其具有高可靠性、设备与系统相互独立性，为用户提供一种可共享、可扩充、使用方便的串行总线。数据传输率有1

9、2 Mb/s以及480 Mb/s。(8)I2C(Intel-Integrated Circuit bus)总线：该总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100Kb/s。是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。第7章微型计算机总线技术(9)PC104总线：该总线是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，其信号定义和ISA

10、总线一致，但电气规范和机械规范却完全不同，是一种优化的小型、堆栈式结构的嵌入式总线标准。PC104与ISA相比具有的一些独特的功能：小尺寸结构标准PC104模块的机械尺寸是3.6英寸3.8英寸，即96mm90mm，堆栈式连接去掉总线底板和插板滑道，总线以针和孔形式层叠连接，即PC104总线模块之间的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性，并降低总线驱动电流减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块的功耗大约12。第7章微型计算机总线技术(10)SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口)总线：该总线技术

11、是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。(11)CAN(Controller Area Net，控制器局域网)总线：该总线是一种现场总线，主要用于各种过程检测及控制。CAN最初是由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计的，目前CAN已逐步应用到其他工业控制中，现已成为ISO-11898国际标准。第7章微型计算机总线技术CAN总线有以下特点：CAN可以是对等结构，即多主机工作方式，网

12、络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，不分主从，通讯方式灵活；CAN网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要；CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点自动停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪；CAN可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10 km(5 kb/s)，节点数目可达110个；CAN采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，具有CRC校验和其他检测措施，数据出错几率小。CAN节点在严重错误的情况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其他节点操作；通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊

13、要求，用户接口简单，容易构成用户系统。第7章微型计算机总线技术(12)Alpha EV6总线(Peripheral Component Interconnect BUS，外部设备连接总线)：该总线是64位总线，其频率33 MHz，数据传输率480 Mb/s。AMD公司在Athlon处理器上使用了一个200 Mb/s的系统总线，即Alpha EV6总线。AMD Athlon总线采用信息包传输协议，允许单个处理器容纳24项预处理任务，是PCI总线结构预处理任务的6倍，支持64B突发式传输，支持CPU 8TB以上物理地址寻址。(13)PCI-X局部总线：该总线是Compaq等公司利用对等PCI技术和

14、Intel公司的快速芯片作为智能I/O电路的协处理器来构建的。PCI-X技术通过增加计算机中央处理器与网卡、打印机、硬盘存储器等各种外围设备之间的数据流量来提高服务器的性能。第7章微型计算机总线技术(14)NGIO总线(Next Generation Input/Output BUS，下一代I/O总线结构)：该总线是交换机制和系统主芯片连接的对等PCI总线。NGIO总线将数据打包在源通道与目标通道适配器间发送，将CPU从慢速外设数据处理等待中解脱出来；NGIO内含多级交换器，能够创建多I/O通道。(15)Future I/O总线(Future I/O BUS，将来的输入输出总线)：该总线是与N

15、GIO相竞争的一种总线，目前在研制中，据称数据传输率可达10GB/s。第7章微型计算机总线技术7.1.37.1.3计算机总线技术的未来发展趋势计算机总线技术的未来发展趋势目前，在计算机系统总线中，PCI/PCI-X和Compact-PCI总线仍占据优势，Hyper Transport、InfiniBand、RapidIO、3GIO和StarFabric等总线标准将陆续融入计算机系统中。HyperTransport发布于2001年，是一种高速、低待时、支持点到点以及可扩充的新型并行总线结构。HyperTransport具有较高的吞吐量。它允许外设私有的I/O连接，能选择总线的宽度和速度，提升了总

16、线传输性能，可满足众多设备在功率、空间和成本等方面的需求。这些设备包括工作站、服务器、Internet路由器、光交换机、企业网、中心局设备、蜂窝基站等。第7章微型计算机总线技术HyperTransport总线宽度有2/4/8/16/32等选择，采用菊花链结构多组件连接；采用积木块结构，可组合实现多功能的高速系统。基于这种体系结构的系统可用交换机进行扩充，能处理多I/O数据流，支持多级复杂系统。HyperTransport器件的互连采用对称/非对称形式。非对称总线能同时支持上下行不同带宽，不需专用I/O驱动，其协议层能够保证数据在交换结构内的合理流动。RapidIO是在与 HyperTransport的竞争中产生的。最新的HyperTransport协议能够兼容RapidIO的多主操作，但RapidIO的处理更为简便，它所采用的标准低压差分信号技术和基于包的并行操作，使得各种标准库可融入到RapidIO设计中，这一优点适合嵌入式SOC设计，RapidIO的多IP核捆绑还为特殊通信应用提供了高性能支持。第7章微型计算机总线技术InfiniBand将I/O控制集成到具有交换结构的点到点全双工