微機總線與接口標準

1、1,第三章 微機總線與接口標準,第一節(jié) 總線與接口概述,一、總線和接口及其標準的概念,◆ 總線：是在模塊和模塊之間或設備與設備之間的一組進行互連和傳輸信息的信號線，信息包括指令、數(shù)據(jù)和地址。,同一時間段內(nèi)，只有一個主設備可主動進行信號的傳輸。,2,◆ 總線標準 指芯片之間、擴展卡之間以及系統(tǒng)之間，通過總線進行連接和傳輸信息時，應該遵守的一些協(xié)議與規(guī)范。,◆ 接口標準 外設接口的規(guī)范，涉及接口信號線定義、信號傳輸速

2、率、傳輸方向和拓撲結(jié)構(gòu)，以及電氣特性和機械特性等多個方面。,3,總線與接口的區(qū)別,總線標準具有公用性；接口標準大多是專用的。 總線往往以主板上的總線擴展槽形式提供使用；接口一般是以接口插座（頭）形式提供使用。 總線一般是并行傳輸；接口有并行傳輸，也有串行傳輸。 總線定義的信號線多，而且齊全，有分離的控制線、數(shù)據(jù)線和地址線；接口的信號線少，而且不齊全，一般是控制線、數(shù)據(jù)線和地址線共用。,4,二、總線的分類,1.按總線功能或信號類型劃

3、分,? 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線,5,三、總線的主要性能參數(shù),,1．總線頻率2．總線寬度,3．總線的數(shù)據(jù)傳輸率 ? 總線的數(shù)據(jù)傳輸率=(總線寬度/8位)×總線頻率,例：PCI總線的總線頻率為33.3MHz，總線寬度為64位的情況下，總線數(shù)據(jù)傳輸率為266MB/s 。,6,四、 總線標準的特性,1．物理特性2．功能特性3．電器特性4．時間特性,7,五、 總線操作和總線傳送控制,1. 總線操作的4個階段,1）總線

4、請求和仲裁階段2）尋址階段3）數(shù)據(jù)傳送階段4）結(jié)束階段,8,2. 總線傳送控制,1）同步方式 2）異步方式 3）半同步方式 4）分離方式,9,第二節(jié) 系統(tǒng)總線,一、 ISA總線,1. ISA總線的信號,10,,11,2. ISA總線擴展卡的設計,1）ISA總線擴展卡的物理尺寸,,2）ISA總線擴展卡的地址分配和中斷號分配,12,二、 其它系統(tǒng)總線,1. EISA總線? EISA總線支持32位地址，具有32位數(shù)據(jù)總線，總

5、線頻率8.33MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率達到33.3MB/s(8.33×32位/8)。,? 結(jié)構(gòu)與ISA兼容，EISA總線插槽與ISA插槽等長等寬，內(nèi)部被設計成為雙層引腳。,13,2. PC-104總線,● 主要特點,? 采用超小尺寸插卡 插卡均采用PC-104標準的90mm×96mm尺寸。,? 自疊總線結(jié)構(gòu),? 總線驅(qū)動電流小，功耗低,14,第三節(jié) PCI總線,,一、 PCI總線的特點,獨立于處理器2) 傳輸

6、效率高3) 多總線共存4) 支持突發(fā)傳輸 5) 支持總線主控方式,6) 采用同步操作 7) 支持兩種電壓下的擴展卡 8) 具有即插即用功能 9) 合理的管腳安排 10) 預留擴展空間,15,二、 PCI信號定義,1. 系統(tǒng)接口信號 ? CLK IN：PCI系統(tǒng)總線時鐘 最高33MHz/66MHz，最低0Hz。 PCI大部分信號在CLK的上升沿有效。,2. 地址與數(shù)據(jù)接口信號 ? AD[31:00] T

7、/S：它們是地址、數(shù)據(jù)多路復用的輸入/輸出信號,16,? C/BE[3:0]# T/S：它們是總線命令和字節(jié)使能多路復用信號線,? PAR T/S：針對AD[31:00]和C/BE[3:0]#進行奇偶校驗的校驗位,在FRAME#有效的第1個時鐘，AD[31:00]上傳送的是32位地址，稱為地址期 。,在IRDY#和TRDY#同時有效時，AD[31:00]上傳送的為32位數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)期。,17,? STOP# S/T/S：從設備發(fā)

8、出的要求主設備終止當前的數(shù)據(jù)傳送的信號。? LOCK# S/T/S：鎖定信號,? IDSEL IN：初始化設備選擇信號 ? DEVSEL# S/T/S：設備選擇信號,3.接口控制信號? FRAME# S/T/S：幀周期信號 ? IRDY# S/T/S：主設備準備好信號 ? TRDY# S/T/S：從設備準備好信號,18,4.仲裁接口信號? REQ# T/S：總線占用請求信號? GNT# T/S：總線占用允許

9、信號,5.錯誤報告接口信號? PERR# S/T/S：數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤報告信號? SERR# O/D：系統(tǒng)錯誤報告信號,6.中斷接口信號? PCI有4條中斷線，分別是INTA#、INTB#、INTC#、INTD#,19,7. 64位總線擴展信號? AD[63:32] T/S：擴展的32位地址和數(shù)據(jù)多路復用線? C/BE[7:4]# T/S：總線命令和字節(jié)使能多路復用擴展信號線 ? REQ64# S/T/S，64位

10、傳輸請求信號? ACK64# S/T/S：64位傳輸允許信號? PAR64 T/S：奇偶雙字節(jié)校驗,20,三、PCI插槽和PCI擴展卡,1.PCI插槽,21,2.PCI插卡,22,四、 PCI總線命令,23,五、 PCI總線協(xié)議,1．PCI總線的傳輸控制,遵循的管理規(guī)則：(1) FRAME#和IRDY#定義了總線的忙/閑狀態(tài)。 (2) 一旦FRAME#信號被置為無效，在同一傳輸期間不能重新設置。,(3) 除非設置IRDY#信

11、號，一般情況下不能設置FRAME#信號無效。(4) 一旦主設備設置了IRDY#信號，直到當前數(shù)據(jù)期結(jié)束為止，主設備不能改變IRDY#信號和FRAME#信號的狀態(tài)。,24,2．PCI總線的尋址,(1) I/O地址空間,在I/O地址空間，32位AD線全部被用來提供一個完整的地址編碼（字節(jié)地址）。 AD[1:0]和C/BE[3:0]指明傳輸?shù)淖畹陀行ё止?jié)。,25,(2) 內(nèi)存地址空間,(3) 配置地址空間,26,3．字節(jié)對齊,4．PCI總

12、線的驅(qū)動與過渡,PCI總線上不能進行字節(jié)的交換。具有64位通道的主設備可以進行DWORD（雙字）的交換。,主設備可在每個新數(shù)據(jù)期開始的時鐘前沿改變字節(jié)使能信號，且在整個數(shù)據(jù)期中保持不變。,讀緩沖中的數(shù)據(jù)可以不考慮字節(jié)使能信號，而傳送所有的字節(jié)。,在每個地址（數(shù)據(jù)）期中，所有的AD線都必須被驅(qū)動到穩(wěn)定的狀態(tài)（數(shù)據(jù)），包括那些字節(jié)使能信號表明無效的字節(jié)所對應的AD線。,從一個設備驅(qū)動總線到另一個設備驅(qū)動PCI總線之間設置一個過渡期，又稱為交

13、換周期，以防止總線訪問沖突。,27,5．設備選擇,28,六、 PCI總線數(shù)據(jù)傳輸過程,1．總線上的讀操作,圖3.7 讀操作時序,29,2．總線上的寫操作,30,3．傳輸?shù)慕K止過程,(1) 由主設備提出的終止,(2) 由從設備提出的終止,原因：傳輸結(jié)束，超時,處理：建立IRDY#，撤消FRAME#，直到TRDY#有效后傳輸完最后一個數(shù)據(jù),原因：死鎖，8個時鐘內(nèi)無響應,處理：發(fā)STOP#,31,當STOP#信號有效時，F(xiàn)RAME#應該在其后

14、的2~3個時鐘周期內(nèi)盡快撤消，但撤消時應使IRDY#有效，從設備應無條件的保持STOP#的有效狀態(tài)直到FRAME#撤消為止。FRAME#撤消后，STOP#也應該緊跟著撤消。,PCI總線上FRAME#、IRDY#、TRDY#和STOP#遵循的規(guī)則,在任何時鐘的上升沿，若STOP#和TRDY#同時有效，就表示是傳輸?shù)淖詈笾芷冢琁RDY#要在下一個時鐘的上升沿之前撤消，表示傳輸?shù)慕Y(jié)束。,對被目標設備終止的傳輸，主設備要繼續(xù)完成它，就必須用下一

15、個未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的地址來重試訪問。,32,七、 總線仲裁,33,八、 PCI總線配置,1、配置空間頭區(qū)域及功能,34,(1)設備識別,(2)設備控制,(3)設備狀態(tài),35,(4)基址寄存器,地址映射寄存器,36,舉例1：,基址寄存器的值=FFF00000h,位0=0，表示是一個存儲器地址空間映射位[2:1]=00b，它使32位存儲器映射位3=0，表示它不是預取存儲器。位[31:4]第一個為1的是位20，表示映射的存儲空間為1MB

16、。這意味著存儲映射的基地址應該起始于1MB、2MB、3MB等的邊界上。,系統(tǒng)經(jīng)過權(quán)衡后再向該基址寄存器寫入實際映射的空間基址。,37,舉例2：,基址寄存器的值=FFFFFF01h,位0=1，表示是一個I/O地址空間映射位[31:2]第一個為1的是位8，表示映射的I/O空間為256。這意味著I/O映射的基地址應該起始于256的整數(shù)倍。,38,最大/最小映射地址空間是多少？,最大/最小存儲映射地址空間,最小存儲映射地址空間=16字節(jié)

17、最大存儲映射地址空間=2GB,最大/最小I/O映射地址空間,最小I/O映射地址空間=4字節(jié)最大存儲映射地址空間=256字節(jié),39,擴展ROM基地址寄存器,擴展ROM基地址=FFFF0001H,位0=1，表示擴展ROM訪問允許位[31:11]第一個為1的是位16，表示映射的存儲空間為64K。這意味著ROM映射的基地址應該起始于64KB的邊界,(5)頭區(qū)域中其它寄存器,40,2．配置空間的訪問,(1) 配置空間訪問時目標設備的選擇

18、,對于某一PCI設備，只有當輸入它的IDSEL信號有效，并且在地址期內(nèi)AD[1:0]為00時，才能被作為配置訪問的目標設備。,41,(2) 配置空間訪問的類型,· 0類配置空間訪問對（正在運行的）當前PCI總線上的目標設備配置寄存器所進行的訪問。被配置訪問的目標設備必須在地址期采樣到其IDSEL輸入信號有效，并且AD[1∶0]必須為00。地址期，AD[10∶8]用于選擇物理設備的八種功能之一 。,· 1類配

19、置空間訪問對（通過PCI/PCI橋連接的）下一級PCI總線上的目標設備（配置寄存器）所進行的訪問。 一旦PCI/PCI橋檢測到1類配置訪問，就有三種情況，須分別進行處理。,42,(3) 配置訪問的訪問方法,針對x86兼容的系統(tǒng)，PCI協(xié)議定義了將處理器發(fā)出的I/O或存儲器訪問識別或轉(zhuǎn)換為配置訪問的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，稱為配置機構(gòu)。,配置機構(gòu)是利用兩個32位的I/O端口寄存器來訪問PCI設備的配置空間的。一個叫配置地址端口寄存器（I/O地址為0

20、CF8H~0CFBH），另一個叫配置數(shù)據(jù)口寄存器（I/O地址為0CFCH~0CFFH）。,第一步，將要訪問的總線號、設備號、功能號和雙字號寫到配置地址端口寄存器。（32位寫）,第二步，執(zhí)行一次對配置數(shù)據(jù)端口寄存器的I/O讀/寫。,43,九、 PCI BIOS,1、通過PCI BIOS才能直接訪問PCI配置寄存器,2、16位PCI BIOS的調(diào)用,3、32位PCI BIOS的調(diào)用,44,一、 USB系統(tǒng)組成,1. USB的軟硬件,? US

21、B主控制器/根集線器? USB集線器(USB Hub) ? USB設備,? USB設備驅(qū)動程序 ? USB驅(qū)動程序 ? USB主控制器驅(qū)動程序,第四節(jié) 通用串行總線USB,45,2. USB的拓撲結(jié)構(gòu),46,,二、USB系統(tǒng)的接口信號和電氣特性,1.接口信號線,47,如何識別設備已連接上？ 如何識別處于工作狀態(tài)？,設備未連接(或斷開)時： abs(VD+-VD-)2.5μs 。,設備空閑(J狀態(tài))： abs

22、(VD+-VD-)>2.5V，時間>2.5μs 。,設備工作(K狀態(tài))： abs(VD+-VD-)>2.5V，時間<2.5μs 。,2.電氣特性 對地電源電壓為4.75~5.25V，設備吸入的最大電流值為500mA,48,3.NRZI編碼,空閑表示： (VD+-VD-) 維持不變。,數(shù)據(jù)位表示：有電平跳變?yōu)?，無電平跳變?yōu)?。,特例：連續(xù)6個1后插入1個0。,目的： abs(VD+-VD-)&g

23、t;2.5V，時間<2.5μs 。,49,三、 USB數(shù)據(jù)流類型和傳輸類型,1.USB數(shù)據(jù)流類型,2.USB的基本傳輸類型,2）批傳輸：單/雙向，用于大批數(shù)據(jù)傳輸，要求準確，出錯重傳。時間性不強。,1）控制傳輸 ：雙向，用于配置設備或特殊用途，發(fā)生錯誤需重傳,3）中斷傳輸 ：單向入主機，用于隨機少量傳送。采用查詢中斷方式，出錯下一查詢周期重新傳。,4）等時傳輸 ：單/雙向，用于連續(xù)實時數(shù)據(jù)傳輸，時間性強，但出錯無需重傳。傳輸速率固

24、定。,控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流、實時數(shù)據(jù)流。,50,四、 USB交換的包格式,51,52,包的一般格式,SYNC：同步序列,所有數(shù)據(jù)發(fā)發(fā)送都時從低位開始向高位發(fā)送,數(shù)據(jù)為10000000,PID：包標識別，發(fā)送從低位到高位,結(jié)束間隔區(qū)：發(fā)送方把兩條差分數(shù)據(jù)線上的電壓降低，并保持2個位的傳輸時間，之后進入J狀態(tài)。,53,1. 標志包,(1) 幀開始包,54,(2) 接受包,接受交換包括了全部4種傳輸類型。,接受交換:

25、 根Hub廣播接受包?目標設備返回數(shù)據(jù)包?根發(fā)握手包（等時傳輸無握手包）,(3)發(fā)送包,發(fā)送交換: 根Hub廣播發(fā)送包?根發(fā)數(shù)據(jù)包?目標設備發(fā)握手包（批傳輸才有握手包）,接受交換包括了除等時傳輸外的其他3種傳輸類型。,55,(4)設置包,2．數(shù)據(jù)包,控制傳輸開始由主機發(fā)設置包，后面可能由一個或多個IN或OUT交換，或只包含一個端點傳到主機的狀態(tài)。,56,3．握手包,4 ．特殊包,只有SYNC和PID組成主機希望與低

26、速設備進行低速傳輸?shù)臅r候發(fā)此包PID域應該高速（全速）發(fā)送。PID之后，在低速數(shù)據(jù)包傳輸之前要延遲4個高速字節(jié)時間低速設備只支持控制傳輸與中斷傳輸與低速設備交換數(shù)據(jù)只有8字節(jié),57,五、 USB設備狀態(tài)和總線枚舉,58,◆ HW9911 USB外圍芯片,六、 USB外圍芯片及應用,1、HW9911重要信號線 CS# RD# WR# INT# ALE SCL

27、 SDA D+ D- AD0~AD7,2、HW9911的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應用,59,60,61,第五節(jié) 高性能串行總線標準IEEE1394,一、 IEEE1394的主要性能特點,通用性強傳輸速率高實時性好總線提供電源系統(tǒng)中各設備之間關系平等連接方便,62,二、 IEEE1394拓撲結(jié)構(gòu),63,四、 IEEE1394的主要技術(shù)規(guī)范,1．IEEE1394數(shù)據(jù)傳輸方式 ? IEEE1