第九章總線技術

本章結構第一節：總線概述第二節：系統總線第三節：外部總線 一、USB總線 二、IEEE1394總線9.1：總線概述總線是各部件連接的紐帶，是計算機通信接口的重要技術。系統設計可依照總線為出發點，設計者根據總線規則去設計，把各部件按照總線接口的標準與總線連接而無需單獨設計連接，因而簡化了系統軟件和硬件設計，使系統更易于擴展和升級。9.1：總線概述我們可以接觸到的總線有很多，有系統總線、局部總線、SCSI總線、ISA總線、MAC（微通道總線）、PCI總線、AGP總線、VL總線、RS232總線、USB總線、1394總線以及PCIE總線等。我們將對總線的標準、規范、性能以及各主要總線標準進行討論。9.1.1：總線規范總線標準是人們把各種不同的模塊組成的系統時所需要遵守的總線規范，它為各模塊互連提供了透明的標準，任一方只需要根據總線接口標準要求實現和完成接口功能，而不必考慮另一方的接口方式。采用總線標準可以簡化系統設計和系統結構，提高系統可靠性，便于系統的擴展和更新。9.1.1：總線規范總線形成標準通常有兩種方式： ①先有產品后有標準； ②先有標準后有產品。 在國際上，從事接納和主持制定總線標準工作的有IEEE（美國電氣與電子工程師協會）、IEC（國際電工委員會）、ITU（國際電信聯盟）和ANSI（美國國家標準局）組織的專門標準化委員會。9.1.1：總線規范總線規范一般包括如下部分：機械結構規范：規范模塊尺寸、總線連接器、插頭等規格；電氣性能規范：規定信號邏輯電平、負載能力及最大最小額定值以及動態轉換時間等。功能結構規范：規定總線接口引腳的定義、傳輸速率的設定、定時及信號格式和功能9.1.2：總線分類根據總線所處的物理位置的不同可以把總線分為以下4種類型：片內總線、元器件級總線、系統總線和外總線，如圖所示。9.1.2：總線分類9.1.2：總線分類片內總線是集成電路芯片內部用于連接各功能單元的信息通路。例如，微處理器芯片內部總線用于ALU和各寄存器等功能單元之間的互相連接。②元器件級總線又稱片總線或在板局部總線，是印刷電路板上連接各芯片之間的公共通路。例如，CPU板上CPU芯片與接口芯片之間的連接通路。9.1.2：總線分類③系統總線又稱內部總線，是目前微型計算機機箱內的底版總線，用以連接微型計算機系統的各插件板。例如，多處理器系統中各CPU板之間的通信通道就是系統總線。④外部總線是通信總線。它主要用于微機系統之間，微機系統與儀器儀表之間或與其他外部設備之間的連接。9.1.3：總線類型按總線所完成的功能可分為以下幾種類型：①地址總線：為單向、三態總線，它是微機系統用于傳送地址的信號線。地址總線的數目決定了直接尋址的范圍。②數據總線：一般為雙向、三態總線，它用來傳送數據和代碼。9.1.3：總線類型③控制總線：用來傳送控制信號，實現命令和狀態的傳送，包括讀信號、寫信號等，中斷、DMA控制信號、系統時鐘、復位信號等也是通過控制總線來傳送的。④電源線和地線：決定了總線使用的電源種類及地線的分布和用法。⑤備用線：是在總線中留給生產廠家和用戶自行定義的信號線，其作用是為了功能的擴充和用戶特殊技術要求的使用。9.1.4：總線數據的傳送方式 總線數據傳送的通信方式基本有3類：同步通信、異步通信和半同步通信。①同步通信方式:同步總線通信規程利用系統時鐘作為各模塊工作的時間標準，通信雙方嚴格按時鐘規定完成相應的操作。9.1.4：總線數據的傳送方式②異步通信方式:異步通信允許總線上的各模塊有各自的時鐘，這樣在模塊間進行通信時就不需要公共的時鐘了。但要實現不同速度模塊間的配合，就必須增加應答信號線，應答信號常用請求（Request）和響應（Acknowledge）來表示。9.1.4：總線數據的傳送方式③半同步通信方式:由于異步通信總線的傳輸延遲限制了數據的傳送速率，而同步總線又不能滿足不同設備的傳送要求。因此有了半同步總線，這是一種結合同步總線和異步總線優點的總線方式。9.2：系統總線系統總線指的是IBM公司的PC系列微型計算機及其兼容機中用于連接各內部設備的總線，也可成為IBMPC系列總線。IBMPC系列微機采用開放式結構，在底板上設置一些標準插槽，將各種符合插槽運行標準的電路板插入插槽即可擴充PC功能。9.2.1：系統總線及其發展計算機技術的發展可以說是日新月異。處理器的主頻越來越高，與此同時，在計算機中有重要地位的I/O技術也在不斷發展，不過相較其它計算機技術來說，I/O技術的發展相對沉穩。系統總線情況如下頁圖所示：9.2.1：系統總線及其發展9.2.1：系統總線及其發展最早的PC總線是IBM公司1981年在PC/XT電腦采用的系統總線，稱為PC總線或者PC/XT總線。ISA總線基本上可以滿足以286或386SX以下CPU的為核心的電腦的要求1992年，Intel在發布486處理器的時候，同時提出了32-bit的PCI（PeripheralComponentInterconnectLocalBus周邊組件互連）總線。9.2.1：系統總線及其發展Intel于1996年7月正式推出了AGP（加速圖形接口，AcceleratedGraphicsPort）接口，這是顯示卡專用的局部總線，是基于PCI2.1版規范擴充修改而成的總線標準。PCI總線標準已經無法滿足電腦性能提升的要求，必須由帶寬更大、適應性更廣、發展潛力更深的新一帶總線取而代之。9.2.1：系統總線及其發展PCIExpress總線，是第三代輸入/輸出總線，所以簡稱3GIO（Third-GenerationInput/Output），另外它的開發代號是Arapahoe，所以又稱為Arapahoe總線。2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress1.0規范，2006年推出Spec2.0（2.0規范）。9.2.1：系統總線及其發展9.2.2：ISA總線以及EISA總線ISA（工業標準架構：IndustryStandardArchitecture）總線是指以80286CPU為核心的處理器的IBMPC/AT機中所使用的總線，又稱PC/AT總線，它是在8位的PC總線基礎上擴展而成的16位總線體系結構。ISA總線結構示意圖如圖所示。9.2.2：ISA總線以及EISA總線9.2.2：ISA總線以及EISA總線ISA總線由同一軸線的基本插槽和擴展插槽兩段組成。基本插槽有62條信號線，兼容PC總線；擴展插槽有36條信號線，為ISA新增加的信號線。ISA信號線如圖所示。9.2.2：ISA總線以及EISA總線9.2.2：ISA總線以及EISA總線EISA總線是擴展工業標準結構（EISA——ExtendedIndustrialStandardArchitecture）的簡稱，它是以COMPAQ（康柏）為核心的一個聯合組織制定的一組總線標準。9.2.3：PCI總線局部總線是在ISA總線和CPU之間增加1級總線。這樣可將一些高速的外設，如網卡、磁盤控制器等通過局部總線直接掛到CPU總線上，使之與高速的CPU總線相匹配。局部總線中的典型即為Intel公司開發的PCI局部總線（PeripheralComponentInterconnectLocalBus）。9.2.3：PCI總線PCI總線定義了32位數據線，可以擴展到64位。它體積小、支持無限突發操作，使用33MHz和66MHz時鐘頻率，最大傳輸速率為132～528MB/s，支持并發工作方式。PCI局部總線結構圖如圖所示。9.2.3：PCI總線9.2.3：PCI總線PCI既支持單存儲周期的傳送方式，也支持成組的傳送方式。在單存儲周期的傳送方式下，它要用兩個時鐘時間對數據字進行讀寫操作。在第一個時鐘內，PCI總線提供的是地址信息，而在后續的每個時鐘內，訪問的則是數據信息。PCI總線信號如圖所示。9.2.3：PCI總線9.2.3：PCI總線PCI總線的優點： ①高性能。 ②低成本。 ③兼容性。下圖就體現了PCI總線的兼容性。9.2.3：PCI總線9.2.3：PCI總線PCI總線額定的時鐘頻率在0到133MHz之間，在由電池供電的系統里，這種方式非常有用。在機器空閑的方式下，它有效地減少了電能消耗。PCI總線的存取操作通常有兩個步驟進行：一個是地址操作，一個是數據操作。9.2.3：PCI總線PCI總線配套有一種功能非常強的成組方式（BurstMode）。在這種操作方式下，在地址操作之后，緊跟著的是一次數據量不受限制的數據傳送操作。PCI總線橋擁有將單個處理機訪問（有時這種處理機的訪問速度有可能比PCI總線33MHz的時鐘頻率還要高）合并成一次組操作的能力，避免了一種潛在的瓶頸現象。9.2.3：PCI總線除此之外，PCI總線橋在一次成組傳送的操作過程中所傳送的字節數不受限制。為了避免PCI總線上的某個時間長期占用PCI總線，在PCI的每個設備上都配備了一個延遲計時器，用這個延遲計時器給每一個設備規定它能使用總線的最長時間。9.2.4：發展中的總線標準隨著微處理器技術的發展，PCI總線也面臨著ISA在發展過程中所存在的問題，即使是經過改進的、用于服務器和高端電腦系統的64位/66MHz的PCI總線(提供的帶寬可達533MB/s)仍然無法滿足實際系統的應用要求，因此迫切需要新型穩定高效的總線標準出現。9.2.4：發展中的總線標準PCI-X總線技術PCI-X屬于PCI總線的擴展架構，與PCI總線相比，PCI-X允許連接的單個PCI-X設備自己進行數據交換，允許斷開沒有數據交換的PCI-X的連接以減少總線的等待周期。9.2.4：發展中的總線標準PCI-X另一優勢是它具有變頻功能，PCI-X不像PCI那樣采用固定的頻率，在工作時候的具體頻率可根據設備的不同而隨時變化。PCI-X總線還有一個優勢就是它的兼容性。無論32位還是64位PCI-X總線，均采用同樣的接口形式，而且普通PCI的設備也能插在PCI-X插槽之中。9.2.4：發展中的總線標準InfiniBand總線技術。InfiniBand是Intel提出的一種全新的總線結構，用于在服務器系統中取代PCI總線。InfiniBand總線來源于NGIO(NextGenerationI/O)和FutureI/O這兩種競爭的總線結構。9.2.4：發展中的總線標準InfiniBand采用了一種全新的架構，與傳統的PCI無法兼容。InfiniBand總線標準即可把I/O看做是服務器的組成部分，也可看成是機箱的一部分，這時遠程存儲器、網絡和服務器之間的連接是通過一條位于中心的InfiniBand控制芯片和中繼線完成的。9.2.4：發展中的總線標準根據不同的需要，InfiniBand標準為通道適配器設置了三種工作方式，分別提供1、4和12條中繼線，這三種工作方式提供的帶寬分別可以達到500MB/s、2GB/s和6GB/s。9.2.4：發展中的總線標準PCIExpress總線技術PCIE總線是第三代輸入/輸出總線，簡稱3GIO（Third-GenerationInput/Output），又因為它的開發代號是Arapahoe，所以又稱為Arapahoe總線。9.2.4：發展中的總線標準PCIExpress總線可適應流媒體和即時通訊的需要，它還能夠支持更多的I/O設備，并且完全不需要擔心不同的設備會占用中斷的問題，因此它沒有這個缺陷。由于PCIExpress總線技術海量的帶寬。PCIExpress總線結構如圖所示。9.2.4：發展中的總線標準9.2.4：發展中的總線標準一個PCIExpress總線拓撲結構由一個主橋（HostBrige）和數個I/O設備（endpoint）組成。在這種拓撲結構中，交換節點（Switch）取代了multi-drop的總線，為I/O總線提供輸出端。幾類PCI總線的速度比較如下頁所示。9.2.4：發展中的總線標準9.2.4：發展中的總線標準一直都有芯片組廠商不斷提出它們的南北橋互聯的技術，Intel提出了IntelHub，VIA的V-Link，SiS

的MuTIOL

以及AMD的HyperTransport等。這其中，以PCIExpress和HyperTransport

最為流行。9.3：外部總線外部總線是微機和外部設備之間的總線，用于在系統間實現互連，可以作為可程序控制的儀器、設備與計算機相連接的總線。外部總線接口同系統總線也有很大的不同最有代表的USB總線，以及應用于高速數據傳輸領域的IEEE1394總線9.3.1：USB總線USB（通用串行總線UniversalSerialBus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標準。9.3.1：USB總線USB可把多達127個外設同時連到用戶的系統上所有的外設通過協議來共享USB的帶寬.USB允許外設在主機和其它外設工作時進行連接配置使用及移除即所謂的即插即用（PlugandPlay）。9.3.1：USB總線USB規范主要包括以下幾個方面:①數據傳輸速率;9.3.1：USB總線②連接電纜的種類;③USB連接器;9.3.1：USB總線④最大連接設備數;⑤連接點之間的最大距離.

USB設備和USB主機通過USB總線相連。USB總線的拓撲結構如圖所示。

9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線USB物理接口包括電氣特性和機械特性兩部分。電氣特性。USB總線中的物理介質由一根4線的電纜組成，其中兩條用于提供設備工作所需的電源，另外兩條用于傳輸數據。9.3.1：USB總線機械特性。對于所有的USB設備上都有“上行”（UP-Stream）和“下行”（Down-stream）連接，它們在機械特性方面并不是可以互換的，所以要盡量消除集線器上出現非法的環路連接。詳細的機械特性請參考有關手冊。9.3.1：USB總線USB總線上的在主機和設備端點之間傳送數據的模型被稱為“管道”，這種管道模型有兩種：流管道和消息管道。流管道中的數據沒有確定USB的幀結構，而消息管道中的數據有。9.3.1：USB總線USB由四個主要的部分組成：第一部分是主機和設備，它是USB系統的主要構件；第二部分是物理構成，它表示USB元件是如何連接的；9.3.1：USB總線第三部分是邏輯構成，它表示不同USB元件的角色和責任，以及從主機和設備的角度出發，USB所呈現的結構；第四部分是客戶軟件。9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線一個USB物理設備的邏輯組成包括：USB總線接口、USB邏輯設備、功能模塊。USB設備的組成如下頁圖所示:9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線USB物理設備分成三層。最低一層用于傳送和接收分組的總線接口。中間一層則用于控制總線的接口和設備上的各個端點之間所形成的數據路由。一個端點時數據的最終使用者或提供者，可以認為它時一個信源或信宿。最高一層則是串行總線設備所提供的功能模塊。9.3.1：USB總線USB總線上的設備以星型的拓撲結構實現與主機物理連接。9.3.1：USB總線主機與外設通過USB接口的通信是通過驅動程序來實現的。在windows環境中，定義了windows設備驅動程序模型，其中設立了兩種模式：即用戶模式和內核模式。有關Windows對USB支持的詳細的說明請參考微軟公司提供的設備驅動開發包（DeviceDriverDeveloper’sKit，即DDK）中的文檔。9.3.1：USB總線win32驅動模式。

Win32驅動程序有兩種工作模式：用戶模式和內核模式。應用程序只能工作在用戶模式下，而驅動程序大多運行在內核模式下。用戶模式和內核模式在USB通信中的組成如圖所示9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線USB分層驅動.USB通信使用分層驅動模型，每層處理一部分通信任務。把通信分成層是有效的，因為這樣可以使不同的設備在一些任務上使用相同的驅動。圖為在Window系統中，如何對構成一個USB主機的不同軟件部分進行劃分的情況9.3.1：USB總線9.3.1：USB總線應用程序通過訪問一系列的API函數，與設備驅動程序交互。設備驅動程序把應用程序的請求轉換成IRP（I/O請求包）的標準形式。在上圖中，各層驅動程序分別承擔一定的通信任務，并一起保證了USB外設到主機的通信。9.3.1：USB總線USB總線的優點：①方便終端用戶的使用。②應用廣泛。③同步傳輸帶寬。④應用中的靈活性。⑤容錯性。⑥與PC產業的一致性。⑦性價比高。9.3.2：1394總線早在1985年，蘋果公司就已經開始著手研究IEEE的前身---FireWire（火線）技術。1994年成立了IEEE1394A（