微机总线

Posted 2022-12-06 绀香零八

文章目录

• • 总线技术
  • • 总线类型
    • 总线的数据传输
    • 总线信号和总线时序
  • 8086的引脚信号
  • • 地址/数据信号
    • 读写控制信号
    • 其他控制信号
  • 8086的总线时序
  • • 写总线周期
    • 读总线周期
  • 微机系统总线
  • • PC总线的发展
    • ISA总线
    • PCI总线

总线技术

· 微型计算机系统的总线结构：以总线作为信息传输的公共通道
· 总线结构的特点：通过总线相互连接、实现数据传输；组态灵活、易于扩展等
· 广泛应用的总线都实现了标准化
· 便于在互连各个部件时遵循共同的总线规范

总线类型

· 芯片总线（Chip Bus）
芯片级互连，大规模集成电路芯片内部，或系统中各种不同器件连接在一起的总线
局部总线（Local Bus），微处理器的引脚信号
片内总线，大规模集成电路芯片内部连接
· 内总线（Internal Bus）
模板级互连，主机内部功能单元（模板）间连接的总线
板级总线、母板总线，或系统总线
系统总线（System Bus）是微机系统的主要总线
内部总线从一条变为多条，形成多总线结构
· 外总线（External Bus）
设备级互连，微机与其外设或微机之间连接的总线
过去，指通信总线；现在，常延伸为外设总线

微机总线层次结构

总线的数据传输

主设备(Master)：控制总线完成数据传输
从设备(Slave)：被动实现数据交换
某一时刻，只能有一个主设备控制总线，其他设备此时可以作为从设备
某一时刻，只能有一个设备向总线发送数据，但可以有多个设备从总线接收数据

1. 总线操作
   · 总线请求和仲裁（Bus request & Arbitration）
   使用总线的主模块提出申请，总线仲裁机制确定把总线分配给请求模块
   · 寻址（Addressing）
   主模块发出将要访问的从模块地址信息以及有关命令，启动从模块
   · 数据传送（Data Transfer）
   源模块发出数据，经数据总线传送到目标模块
   · 结束（Ending）
   数据、地址、状态、命令信息均从总线上撤除，让出总线
2. 总线仲裁
   · 总线仲裁：决定当前控制总线的主设备
   · 集中仲裁：系统具有中央仲裁器（控制器），负责主模块的总线请求和分配总线的使用
   · 分布仲裁：各个主模块都有自己的仲裁器和唯一的仲裁号，主模块请求总线时，发送其仲裁号，比较各个主设备仲裁号决定
3. 同步方式
   · 同步时序
   总线操作过程由共用的总线时钟信号控制
   适合速度相当的器件互连总线，否则需要准备好信号让快速器件等待慢速器件（半同步）
   处理器控制的总线时序采用同步时序
   · 异步时序
   总线操作需要握手联络（应答）信号控制
   传输的开始伴随有启动（选通或读写）信号
   传输的结束有一个确认信号，进行应答
   操作周期可变、可以混合慢速和快速器件
4. 传输类型
   · 读数据传送：数据由从设备到主设备
   · 写数据传送：数据由主设备到从设备
   · 猝发传送（数据块传送）：给出起始地址，将固定块长的数据一个接一个地从相邻地址读出或写入
   · 写后读（Read-After-Write）：先写后读同一个地址单元，适用于校验
   · 读修改写（Read-Modify-Write）：先读后写同一个地址单元，适用共享数据保护
   · 广播（Broadcast）：一个主设备对多个从设备的写入操作
5. 性能指标
   · 总线宽度
   总线能够同时传送的数据位数
   位数越多，一次能够传送的数据量越大
   · 总线频率
   总线信号的时钟频率
   时钟频率越高，工作速度越快
   · 总线带宽（Bandwidth）
   单位时间传输的数据量
   总线带宽越大，总线性能越高
   总线带宽＝总线传输速率＝吞吐率
   总线带宽＝传输的数据量÷需要的时间
   常用单位 1M＝106
   每秒兆字节（MB/s） 每秒兆位（Mb/s）或每秒位（bps）

举例
5MHz的8086微处理器
16÷（4×0.2×10-6）bps＝20×106 bps＝2.5 MB/S
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S

总线带宽 = 传输的数据量/需要的时间 = 字宽(长)*主频/ 时钟数

8086处理器的数据总线是16位，典型的时钟频率是5MHz,即每个时钟周期是0.210^-6s。8086需要4个时钟周期构成一个总线周期，实现一次16位数据的传送，带宽为
16 / (40.2*10^-6)b/s = 20 * 10 ^6b/s=20Mb/s = 2.5MB/s
1M = 10^6

总线信号和总线时序

· 地址总线
主控模块（如处理器）的地址总线输出
从模块（如存储器或I/O端口）的地址总线输入
· 数据总线
双向传输，在主从模块间传送、交换数据信息
· 控制总线
有输出也有输入信号
基本功能是控制存储器及I/O读写操作
还包括中断与DMA控制、总线仲裁、数据传输握手联络等

1. 引脚信号
   信号的功能：用英文单词或英文缩写表示引脚名称
   信号的流向：处理器输出到外部，从外部输入到处理器内部
   有效方式：低电平、高电平有效，上升沿、下降沿有效、高电平和低电平都有效
   三态能力：高阻状态放弃对引脚的控制；其他设备控制该引脚
   
2. 总线时序
   · 总线时序（Timing）
   描述总线信号随时间变化的规律以及总线信号间的相互关系
   采用时序图形象化地表现时序
   · 指令周期：一条指令从取指、译码到最终执行完成的过程
   · 总线周期或机器周期：伴随有数据交换的总线操作
   · T状态:处理器的基本工作节拍，对应时钟周期

8086的引脚信号

处理器的外部特性表现在它的引脚信号上
40个引脚

地址/数据信号

· AD15～AD0（Address/Data）
地址/数据分时复用引脚，共16个引脚
单向输出地址总线，双向数据总线，三态输出
· A19/S6～A16/S3（Address/Status）
地址/状态分时复用引脚，4个三态输出信号
输出高4位地址、状态信号
· BHE*/S7（Byte High Enable/Status）
高字节允许/状态分时复用引脚，三态输出信号
输出低有效表示传送高字节数据，状态信号

总线复用：同一引脚在不同时刻具有不同功能

读写控制信号

· 8086处理器的引脚信号具有两种工作模式
面向小系统的最小组态模式：8086本身提供了系统所需要的全部控制信号
组成较大系统的最大组态模式：8086需要配合其他芯片形成控制信号，但可以连接数值协处理器、I/O协处理器等构成多处理器系统
· 两种组态的不同只是反映在外部引脚上
· 由一个引脚接高电平或低电平区别
· 内部工作方式一样

1. 基本读写引脚
   · ALE（Address Latch Enable）
   地址锁存允许，三态、输出、高电平有效
   有效时，表示复用引脚正在传送地址信号
   · M/IO*（Memory/Input and Output）
   访问存储器或者I/O，三态、输出、高低电平均有效
   高电平（M），表示处理器访问存储器
   低电平时（IO*），表示处理器访问I/O端口
   · WR*（Write）
   写控制，三态、输出、低电平有效
   有效时，表示处理器正将数据写到存储单元或I/O端口
   · RD*（Read）
   读控制，三态、输出、低电平有效
   有效时，表示处理器正从存储单元或I/O端口读取数据
2. 基本总线操作
   · 存储器读（Memory Read）
   处理器从存储器读取代码或读取操作数
   每条指令执行前都需从主存取指，以存储单元为源操作数的指令在执行时
   · 存储器写（Memory Write）
   处理器向存储器写入操作数，以存储单元为目的操作数的指令在执行时
   · I/O读（Input/Output Read）
   处理器从外设读取操作数
   只有执行输入指令IN时才有
   · I/O写（Input/Output Write）
   处理器向外设写出操作数
   只有执行输出指令OUT时才有

读写控制信号的组合

3. 同步操作引脚
   · 同步操作
   读写操作要保证存储器或外设与处理器速度一致
   否则，慢速的I/O或存储器发出一个信号
   让快速的处理器等待
   · READY 就绪(准备好)
   输入信号，高电平有效表示可以进行数据读写
   利用该信号无效请求处理器等待数据
   处理器在进行读写前检测READY引脚

其他控制信号

· 处理器必定具有
地址总线、数据总线、基本读写控制信号
· 还有
中断请求和响应信号、总线请求和响应信号、时钟信号、复位信号、电源Vcc、地线GND

1. 中断请求和响应引脚
   · INTR（Interrupt Request）
   可屏蔽中断请求，高电平有效的输入信号
   有效时，表示中断请求设备向处理器申请可屏蔽中断
   中断IF标志对该中断请求进行屏蔽
   主要用于实现外设数据交换的中断服务
   · INTA*（Interrupt Acknowledge）
   可屏蔽中断响应，低电平有效的输出信号
   有效时，表示来自INTR引脚的中断请求已被处理器响应
   · NMI（Non-Maskable Interrupt）
   不可屏蔽中断请求，上升沿有效的输入信号
   有效时，表示外界向CPU申请不可屏蔽中断
   中断级别高于可屏蔽中断请求INTR
   常用于处理系统发生故障等紧急情况下的中断服务
2. 总线请求和响应引脚
   · HOLD
   总线请求，高电平有效的输入信号
   有效时，表示其他总线主控设备申请使用总线
   · HLDA（HOLD Acknowledge）
   总线响应，高电平有效的输出信号
   有效时，表示处理器已响应总线请求
   总线释放：地址总线、数据总线及具有三态输出能力的控制总线呈现高阻状态
3. 其他引脚
   · RESET
   复位，高电平有效的输入信号
   有效时，将迫使处理器回到其初始状态
   8086复位后，寄存器CS＝FFFFH，IP＝0000H
   · CLK（Clock）
   时钟输入，频率稳定的数字信号
   处理器的基本操作节拍
   频率的倒数是时钟周期的时间长度

8086的总线时序

· 处理器以统一的时钟信号为基准，控制其他信号跟随时钟相应改变，实现总线操作
· 每个时钟周期，进行不同的操作、处于不同的操作状态（State）
T1 T2 T3 T4
· 8086处理器的基本总线周期：4个时钟周期
· 4个基本总线周期
读总线周期：存储器读和I/O读
写总线周期：存储器写和I/O写

写总线周期

· 完成对存储器或I/O端口的一次写操作
· T1状态
输出20位存储器地址A19～A0
M/IO输出高电平，表示存储器操作
或者M/IO输出低电平，表示I/O操作
ALE输出正脉冲，表示复用总线输出地址
· T2状态
输出控制信号WR*和数据D15～D0
· T3状态
检测数据传送是否能够完成
· T4状态
完成数据传送

写总线周期时序

等待状态
处理器运行速度远远快于存储器和I/O端口
控制READY信号为低无效，不进入T4状态，插入等待状态Tw
Tw状态：引脚信号延续T3时的状态
一个Tw状态的长度是一个时钟周期
在Tw的前沿，继续对READY进行测试
无效继续插入Tw；有效时转入T4状态

具有一个Tw的存储器写总线周期时序

读总线周期

· 完成对存储器或I/O端口的一次读操作
· T1状态
输出20位存储器地址A19～A0
M/IO输出高电平，表示存储器操作
或者M/IO输出低电平，表示I/O操作
ALE输出正脉冲，表示复用总线输出地址
· T2状态
输出控制信号RD*，存储器或I/O端口发送数据
· T3状态和Tw状态
检测数据传送是否能够完成
· T4状态
获取数据，完成传送

读总线周期时序

微机系统总线

PC总线的发展

· 16位PC机：单总线结构
IBM PC机和IBM PC/XT机的IBM PC总线
IBM PC/XT机的IBM AT总线，即ISA总线
· 早期32位PC机
与MCA总线竞争的EISA总线（扩展 ISA总线）
32位局部总线VESA
· 当前32位PC机：多总线结构
存储总线
系统总线：外设部件互连PCI、PCI-X
显示总线：图形加速接口AGP、PCI-E
外设接口：键盘接口、鼠标接口、并行打印机接口、串行通信接口，通用串行接口USB，IEEE 1394接口

ISA总线

· 16位系统总线，用于IBM PC/AT及其兼容机
· 由前62引脚（A和B面）和后36引脚（C和D接面）两个插槽组成：
1.IBM PC机和IBM PC/XT机的IBM PC总线
前62个信号，其中8位数据总线、20位地址总线
时钟频率4.77MHz，4个时钟周期传送8位数据
2.IBM AT机增加部分
后36个信号，16位数据引脚和24位地址引脚
8MHz总线频率，2个时钟周期传送16位数据

1. 数据和地址线
   SD15～SD0：16位双向数据信号线
   SBHE：高字节允许信号
   SA19～SA0：低20位经过锁存输出的地址线
   LA23～LA17：高7位可锁存地址信号线

16位数据总线支持16位和8位设备，24位地址总线寻址16MB主存空间

2. 读写控制线
   BALE：缓冲地址锁存允许，指示CPU总线周期
   IOR*，IOW*：I/O读和I/O写信号
   MEMR*，SMEMR*：存储器读
   MEMW*，SMEMW*：存储器写
   MEMCS16*：16位存储器总线周期
   IOCS16*：16位I/O总线周期
   I/O CH RDY：I/O通道准备好输入信号
   0WS*：零等待状态（Zero Wait State）
3. 中断请求线
   IRQ3～IRQ7，IRQ9～IRQ12，IRQ14，IRQ15
   可屏蔽中断请求信号，优先权顺序
   IRQ9～IRQ12，IRQ14，IRQ15，IRQ3～IRQ7
   16位PC机共有16个请求引脚
   IRQ0和IRQ1用于系统主机板的时钟和键盘中断
   IRQ2用于两个中断控制器连接
   IRQ8用于实时时钟
   IRQ13连接数值协处理器
   其余引向系统总线，有些已分配给系统外设
4. DMA传送控制线
   AEN：地址允许，指示DMA总线周期
   DRQ0～DRQ3，DRQ5～DRQ7：DMA请求
   DACK0～DACK3,DACK5～DACK7：DMA响应
   T/C：计数结束信号，表示DMA传送结束
   MASTER*：主设备
   16位PC机的共有8个DMA通道
   DRQ0～DRQ3用于8位DMA传送
   DRQ5～DRQ7用于16位DMA传送
   DRQ4已经用于连接两个DMA控制器

PCI总线

1. PCI总线信号
   地址和数据引脚
   AD[31::0]，AD[63::32]：64位地址和数据复用信号
   C/BE[3::0]#，C/BE[7::4]#：命令和字节有效复用信号
   PAR，PAR64：奇偶校验信号
   接口控制引脚
   FRAME#：帧信号，表示总线周期开始
   IRDY#：初始方就绪信号
   TRDY#：目标方就绪信号
   STOP#：停止信号
   DEVSEL#：设备选择信号
   IDSEL#：初始化设备选择信号
   LOCK#：封锁信号
   
2. PCI总线周期
   · I/O读写周期
   主设备与I/O设备交换数据，不支持猝发传送
   · 存储器读、存储器行读、存储器多重读周期
   猝发读取不同的数据量
   · 存储器写周期：猝发写入数据
   · 存储器写和无效周期
   保证写入，同时广播“无效”信息
   · 中断响应周期：响应I/O设备中断
   · 特殊周期：主设备广播信息到多个目标设备
   · 双地址总线周期：传输64位地址
   · 配置读和写周期
   对PCI总线设备的配置信息进行读写，实现自动配置
3. PCI总线时序
   · 同步时序协议，数据传输需要两个阶段
   第一个阶段（一个时钟）：提供地址
   第二个阶段（最少一个时钟）：交换数据
   · 非猝发传送需要2个时钟周期
   · 支持无限猝发传送，第一个时钟提供地址，后续时钟交换数据，也就是2-1-1-1……
   · 最大总线带宽
   每个时钟传送64位数据，时钟频率66MHz
   8×66 MB/S＝528 MB/S