微型计算机原理与接口技术04总线技术可编辑.docx

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微型计算机原理与接口技术04__总线技术

第4章总线技术

总线是一组信号线的集合，是一种在各模块间传送信息的公共通路。

在微

型计算机系统中，利用总线实现芯片内部、印刷电路板各部件之间、机箱

内各插件板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。

总线是构成微型计算机应用系统的重要技术，总线设计好坏会直接影响整

个微机系统的性能、可靠性、可扩展性和可升级性。

由于总线在系统中的

重要地位，微机系统的设计和开发人员，先后推出许多种总线标准。

总线标准一般以两种方式推出：

一种是某公司在开发自己的微机系统时所

采用的一种总线，而其它兼容机厂商都按其公布的总线规范开发相配套的

产品并进入市场。

这种总线被国际工业界广泛支持，有的还被国际标准化

组织加以承认并授予标准代号。

另一种是由国际权威机构或多家大公司联

合制订的总线标准。

前一种先有产品后有标准。

如IBMPC/AT机上使用的

ISA总线。

后者先有标准后有产品。

随着微机系统的更新换代，有的总线

仍在发展完善如STDSUB、MULTIBUS等。

而有的就逐渐衰亡甚至被淘

汰。

本章将简要介绍几种流行的标准总线。

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4.1总线的基本概念

4.1.1总线分类

总线按系统传输信息的不同可分为三类：

数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线用来在各功能部件之间传输数据信息，它是双向的传输总线，其

位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位、32位、64位。

数据

总线的条数称为数据总线的宽度。

地址总线主要用来指出数据总线上源数据或目的数据在主存储单元或I/O

端口的地址。

地址总线为单向传输，其宽度一般为16位、20位、24位、32

位、64位。

控制总线是用来传输各种控制信号的传输线。

通常一条控制信号线的信号

传输是单方向的，当然也有双向的。

控制总线还可以起到监视各部件状态

的作用，例如查询某个设备是否处于“忙”或“闲”的状态。

常见的控制信号

有：

时钟、复位、总线请求、总线允许、中断请求、中断确认、存储器写、

存储器读、I/O写、I/O读、数据确认等。

大多数微机采用了分层次的多总线结构。

总线按在系统的不同层次位置上

分类，可分为片内总线、微处理器总线、系统总线、外部总线4类。

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1．片内总线

片内总线是指一些大规模集成电路内部的总线，是用来连结

各功能部件的信息通路。

例如CPU芯片中的内部总线，它是

ALU寄存器和控制器之间的信息通路。

片内总线根据其功能

又被分为地址总线、数据总线和控制总线。

这种总线是由微

处理机芯片生产厂家设计的。

对系统的设计者和用户来说关

系不大。

但是随着微电子学的发展，出现了ASIC（专用集成

电路）技术，用户可以按自己的要求借助CAD技术，设计自

己的专用芯片，在这种情况下，用户就必须掌握片内总线技

术。

由于片内总线所连接的部件都在1个硅片上，追求高速度是它

的主要目标，所以器件级的总线都采用并行总线。

同样为了

提高速度，克服1组总线上同一时刻只能有2个部件通信所造

成的限制，还采取了多总线的措施。

使芯片中可以有1个以上

的通信同时进行，实现片内几个部件并行工作，大大地提高

了芯片的工作速率。

比如，PentiumCPU内11个大部件就可以

同时操作，使它对指令的处理速度得到极大的提高。

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2．微处理器总线

微处理器总线或称处理器总线、主板局部总线、元件级总

线，它是指在印刷电路板上连接各芯片的公共通路。

它可能

是一台单板计算机或是一块CPU主板上用于芯片一级的连接

总线。

它是微型机系统的重要总线。

它一般是CPU芯片引脚

的延伸，与CPU的关系密切。

但当板内芯片较多时，往往需

增加锁存、驱动等电路，以提高驱动能力。

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3．系统总线

系统总线又称为内总线、板级总线，它用于微型机系统各插

件板之间的连接，是微型机系统最重要的一种总线。

一般谈到微型机总线，指的就是这一种总线。

有的系统总线

是局部总线经过重新驱动和扩展而成，其性能与某种CPU有

关。

但有不少系统总线并不依赖于某种型号的CPU，可为多种型

号CPU及其配套芯片所使用，在用各种插件板来组成或扩充

微型机系统时，就要选用恰当的系统总线，并按总线的规定

来制作这些插件板。

系统总线一般都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚都

连到一起，总线就连到这些引脚上。

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4．外部总线

外部总线又称为通信总线，它用于微机系统之间，微机系统

与仪器或其他设备之间的通信通道。

这种总线数据传输方式

可以是并行（如打印机）或串行。

数据传输速率比内总线低。

不同的应用场合有不同的总线标准。

例如，串行通信的RS-232-C总线，用于硬磁盘接口的IDE、

SCSI，用于连接仪器仪表的IEEE-488等总线。

这种总线并非

微机专有，一般是利用工业领域已有的标准。

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4.1.2总线标准的基本内容

1．物理特性

物理特性指的是总线物理连接的方式。

包括总线的插头、插座的尺寸及形

状，总线的根数和引脚是如何排列的等。

2．功能特性

功能特性是确定引脚名称与功能，以及其相互作用的协议。

从功能上看，

总线分为：

地址总线、数据总线、控制总线、备用线、电源和地线。

地址总线的宽度指明了总线能够直接访问存储器或外部设备的地址范围。

数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外部设备最多能够交换数据的位

数。

控制总线一般包括CPU与外界联系的各种控制命令，如读/写控制逻

辑线、时钟线和电源线等；中断机制；总线主控仲裁；应用逻辑，如握手

联络线，复位、自启动、休眠维护等。

3．电气特性

电气特性规定每一根线上信号的传输速率的设定、驱动能力的限制、信号

电平的规定、时序的安排以及信息格式的约定等等。

一般规定送入CPU的

信号叫输入信号，从CPU送出的信号叫输出信号。

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4.1.3总线的操作过程

为完成一次总线操作周期，一般要分成4个阶段。

1．申请阶段

当系统总线上有多个主控模块时，由需要使用总线的主控模块向总线仲裁

机构提出使用总线的申请。

经总线仲裁机构判别确定，把下一个总线传输

周期的总线控制权授给哪个申请者。

2．寻址阶段

取得总线使用权的主控模块通过总线发出本次访问的从属模块的地址及有

关命令，以启动参与本次操作的从属模块。

3．传数阶段

主控模块和从属模块之间进行数据传输，数据由源模块发出经数据总线流

入目的模块。

在进行读操作时，源模块就是存储器或输入/输出接口，而

目的模块则是总线主控模块。

在进行写操作时，源模块就是总线主控模

块，而目的模块则是存储器或输入/输出接口。

4．结束阶段

主从模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线，以便其它模块能继

续使用。

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4.1.4总线的数据传输方式

主控模块和从属模块之间的数据传输方式，可分为同步传送、

异步传送、半同步传送三种，它们各有优缺点。

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1．同步传送

同步传送时采用一个“系统时钟”作为各模块动作的基准时间。

模块间通过总线进行一次传送所需的时间是固定的，其中每

一步骤的起止时刻，也都有严格的规定，都以系统时钟来统

一步伐。

很多微机系统的基本传送方式都是同步式传送。

同步传送的主要优点是简单，数据传送由单一信号控制。

由

于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息

都由统一时钟规定，因此，同步传送具有较高的传输频率。

同步传送适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接

近的情况。

这是因为同步方式对任何两个功能模块的通信都

给予同样的时间安排。

由于同步总线必须按最慢的模块来设

计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会大大降

低总线效率。

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2．异步传送

同步传送要求总线上的各主从模块操作速度要严格匹配，对

于具有不同存取时间的各种模块，是不适宜采用同步传送方

式的。

为了对高速模块能具有高速操作，而对低速模块能具

有低速操作，从而对不同的模块具有不同的操作时间，就可

采用异步传送方式。

异步式传送方式采取“应答式”传输技术；用“请求“和“应答”信

号线来协调传送过程，而不依赖于公共时钟信号。

它可以根

据模块的速度自动调整响应的时间，任何类型的模块都不需

要考虑速度问题，从而避免同步传送方式的上述缺点。

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3．半同步传送

此种方式是前两种方式的折中。

从总体上看，它是―个同步

系统，它仍用系统时钟来定时，利用某一脉冲的前沿或后沿

判断某一信号的状态，或控制某一信号的产生或消失。

使传

送操作与时钟同步。

但是，它又不像同步传送那样传送周期固定，对于慢速的从

模块，其传送周期可延长时钟脉冲周期的整数倍。

其方法是

增加一条“等待（WAIT）”或“准备就绪REDAY”信号线。

WAIT信号线有效（或REDAY无效）时，反映选中的从模块

未准备好，系统就自动地将传送周期延长一个时钟周期（强

制主模块等待），此状态时钟后每个时钟均进行检测，直至

检测到WAIT信号线无效，才不再延长传送周期。

这又像异步

传送那样传送周期视从模块的速度而异。

允许不同速度的模

块和谐地一起工作，但这个WAIT信号不是互锁的，只是单方

向的状态传递，这又是不同之处。

现在采用半同步传送方式的微机系统较多。

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4.2IBMPC总线

IBMPC的I/O通道是系统总线的扩充，IBMPC/XT个人计算机

上采用的微型计算机总线，亦称XT总线。

IBM对I/O通道上的

信号名称性质、方向时序、引脚排列都有明确的要求，以便

厂家和用户制作与之匹配的插件板，这一规范亦被称为IBM

PC总线标准。

与扩展槽相连的62根线组成IBMPC/XT系统总线。

62根总线

中包括8位双向数据总线、20位地址总线、6根中断请求信号

线、3组DMA通道控制线、存储器和I/O读写控制线、存储器

刷新控制和时钟信号线、通道检验线、四种电源线以及地线。

这些引线均接在62插脚的插座上，双列插脚分别为A1-A31

（A面）和B1-B31（B面）。

插座的引脚间距为100mil（密

尔）。

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4.3ISA总线

ISA（IndustryStandardArchitecture：

工业标准总线）总线是

PC机中最基本的总线，是在8位的PC机总线的基础上扩展而

成的16位的总线体系结构，其数据宽度为16位，地址宽度为

24位，工作频率为8MHz，最大数据传输率为5MB/s。

它适用

于对速度需求不太高的板卡和外设，如串行口、并行口、声

音卡等。

在PC机中，ISA总线插槽是由两组插座组成，其中

长的一组用于插8位的与ISA相兼容的板卡。

ISA插槽通常为黑

色。

ISA总线是在PC/XT总线基础上增加了1个36线插座形成的。

实际上，与PC/XT总线相比，ISA总线不仅增加了数据线宽度

和寻址空间，还加强了中断处理（新增了7个中断级别）和

DMA（新增了3个DMA）传输能力，并且具备了一定的多主

功能。

故ISA（AT）总线特别适合于控制外设和进行数据通

信的功能模块。

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4.4PCI总线

随着微型计算机技术的广泛应用和不断发展，无论是办公自

动化还是工业应用，对微型计算机性能的要求都越来越高。

在CPU从80286发展到386、486及目前的Pentium水平的情况

下，其数据宽度及工作频率也在不断提高。

可是，传统的ISA总线、EISA总线及VESA总线严重地限制了

新型芯片水平的发挥和利用，这就促使微型计算机总线技术

也要日趋完善，不断推出新标准。

而PCI局部总线既符合当今

的技术要求，又能满足未来的需要，是一种较好的局部总线

标准。

PCI高性能、高效率、与现有标准强大的兼容性和充裕的开发

潜力，是其他总线所不及的，因而成为开发当今和未来微型

计算机的重要基础。

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4.4.1PCI总线的特点

1．高性能

2．猝发传输模式

3．不受微处理器限制

4．采用总线主控和同步操作

5.减少存取延迟

6．适用于各种机型

7．兼容性强

8．低成本、高效益

PCI的芯片采用超大规模集成电路，节省布线空间，为微机的

小型化和多功能化提供了良好的条件。

PCI部件采用地址/数

据线复用，使PCI部件连接其他部件的引脚数减至50以下。

PCI总线引脚线的每2个信号之间都安排了一个地线，以减少

信号间的相互干扰以及音频信号的散射问题。

PCI到ISA/EISA

的转换由芯片厂提供，减少了用户的开发成本。

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PCI总线主要性能指标

（1）PCI总线时钟频率为33.3MHz或66.6MHz（可达133MHz

及更高）。

（2）总线数据宽度32位或64位。

（3）传输速率为133MB/s（32位）或266MB/s（64位）。

（4）支持64位寻址。

（5）适应于5V和3.3V两种电源环境。

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4.4.2PCI总线的系统结构

PCI总线是一种位于微处理器总线与系统总线之间的一种夹层总线。

这就

意味着PCI总线的控制器（或称桥、桥接器）位于CPU和系统总线之间。

也就是说，任何一种CPU都可以使用PCI总线。

对总线连线进行标准化处

理，可以使CPU总线免受各种约束。

扩展总线桥或称标准总线桥的设置

是为了能在PCI总线上接出一条系统总线，如ISA、E1SA等总线，从而可

继续使用现有的I/O设备，以增加PCI总线的兼容性和选择范围。

桥也叫桥连器，是一个总线转换部件，其功能是连接两条计算机总线，使

总线间相互通讯。

它可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址

空间，可以使系统中每一台总线主设备（Master）能看到同样的一份地址

表。

在PCI规范中，提出了三种桥的设计：

（1）主桥，就是CPU至PCI的桥。

（2）标准总线桥，即PCI至标准总线如ISA、EISA、微通道之间的桥。

例

如INTEL设计的SATUNG芯片组具有ISA标准总线桥路，而为奔腾设计的

MERCURY芯片组可选择ISA标准总线桥路，也可选择EISA标准总线桥路。

（3）PCI桥，在PCI与PCI之间的桥。

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PCI总线示意图

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4.4.3PCI总线信号

PCI标准规定了三种适配卡配置，分别对应不同的电源要求：

为传统5V系统规定的5V标准、为3.3V供电的移动系统规定的

3.3V标准以及为采用两种电源工作的通用标准。

对于5VPCI标准连接器而言，如果PCI适配卡仅支持32位操

作，则只用到管脚B1/Al到B62/A62，管脚B63/A63到B94/A94

只用于64位PCI适配卡。

PCI局部总线的信号线共有100根，在一个PCI应用系统中，有

主设备和从设备。

从设备至少需要47根信号线，主设备则需

要49根信号线。

利用这些信号线可以处理数据、地址，实现

接口控制、仲裁及系统功能。

下面按功能分组说明5VPCI标

准连接器的引脚意义。

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4.5STD总线

STD总线（Standardbus）是美国PROLOG公司于1978年宣布

的一种工业标准微机总线，它是一种56线的小底板总线。

实

践证明，STD总线是最可靠的工业标准总线。

1．STD总线的特点

（1）高可靠性

（2）小板结构，开放式组态

（3）兼容式的总线结构

（4）产品配套、功能齐全

STD总线产品拥有各种工业控制所需的功能模板。

如键盘接

口、高分辨率图形板、光电隔离脉冲计数板、多路A/D转换板、

光隔开关量输入输出板、串行通讯板、调制解调器板等。

可

与现场的各种机动设备直接连接，如驱动步进电机、交直流

电机等。

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2．STD总线规范

STD总线连接器和引出脚可装在一块母板上，该母板允许任

何一种模板插在某一插槽上，构成不同的工业控制机。

STD

的母板用来沟通各模板的数据线、地址线等信息，母板会产

生时间延迟和地线环路，也容易造成线间阻抗不匹配，增大

并行信号的串扰噪声。

为此，STD总线设计了一种高性能母

板，一般采用4层印刷板结构，将电源线和地线做在中间两

层，使原来信号线的特性阻抗降为60Ω，接近总线驱动阻抗。

STD总线接口缓冲模块靠近STD总线母板，I/O接口靠近用户

联接器，功能模块在中间。

对于没有用户联接器的模板，如

CPU板、存储器板等，I/O模块这部分也用作功能模块。

STD总线规范对模板的尺寸、总线连接器和插脚分配、信号

定义和电气标准等都做了规定。

下面介绍STD总线引脚的分

配和电气标准。

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（1）总线引脚分配

STD总线一共有56根，可分为5个功能组：

逻辑电源线6根，引脚1～6；　

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