第三章 总线.ppt
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1、第三章 总线,史先俊 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 计算机硬件基础教研室 2003年11月4日,要点,总线概述 总线控制(争用与仲裁) 系统总线 局部总线 设备总线 新型总线 作业,一、总线概述,总线产生原因 微型机总线的发展 总线标准的分类 总线的定义 总线规范 机械结构 功能规范 电器规范 总线功能 数据缓冲、传输、转换 优先中断 仲裁 其他,总线分类 芯片总线 系统总线:8288/8282-3/8286-7驱动 PC总线 ISA 设备总线:接口与外设间的总线IEEE488 SCSI CENTRONICS RS232 USB 1394IDE-PATA SATA 局部总线:定义:P82
2、 PCI VESA-VLBUS AGP总线总线主要看速度,看带宽,看驱动能力。,总线性能指标 总线信息传输过程 请求总线 总线裁决 寻址(目的地址) 信息传送 错误检测 总线定时协议源和目的同步 同步 异步如启始位、停止位 半同步ISA 操作间时间间隔为公公时钟周期的整数倍 总线频宽:总线本身达到的最高传输率 MB/S 总线传输率:系统在一定工作方式下,所能达到的传输率 显卡 网络 FSB,二、总线的控制(争用与仲裁),总线主设备与从设备 争用的解决办法 令牌法-静态仲裁 CSMA/CD-允许争用和冲突-都放弃再重试 综合允许争用不允许冲突 总线仲裁算法: 优先级仲裁共享总线IO系统间 公平仲
3、裁SMP系统 仲裁器的实现 集中仲裁:一个,主设备多场合 分布仲裁:分布于各主设备中,三、系统总线,常见系统总线 STD100 IBMPC ISA MULTIBUS I/II VME MCA EISA Q NUBUS STD IBMPC ISA EISA主要了解地址信号、数据信号、控制信号,多少根,增加什么功能?,总线PC总线 62Pin、8数据、20地址,总线ISA总线,62+36Pin、16数据、24地址 兼容PC总线,总线EISA总线,198Pin、32数据、32地址 兼容PC、ISA总线 两层结构插件,四、 局部总线,局部总线作用 PCI总线概述 PCI总线结构 结构图P441 标准总
4、线桥路 PCI总线信号 总线基本操作特点 采用猝发传输方式 速度较高 64位可扩展 隐含式裁决 可靠性高(地址、命令和数据校验) 三个地址空间(内存、I/O和配置) 自动配置,总线PCI总线,PCI外围部件互联总线,局部总线 PnP特性,PCI信号定义,AD31:0 地址/数据C/BE3:0 命令/字节许可PAR 校验FRAME# 成帧TRDY# 目标就绪IRDY# 始发就绪STOP# 目标设备请求停止DEVSEL# 设备选择IDSEL 始发设备选择REQ# 总线请求GNT# 总线许可CLK 系统时钟(033MHz)RST# 系统复位D63:32 数据BE#7:4 字节允许PAR64 高字校验
5、REQ64# 请求64位传输ACK64# 确认64位传输LOCK# 资源封锁(设备独占)PERR# 校验错SERR# 系统错SBO# 侦测退出(snoop back off),命中了一个修改过的块SDONE 侦测完成,探测结果为“干净”TDI 测试输入TDO 测试输出TCK 测试时钟TMS 测试模式选择TRST# 测试复位INTA# 中断请求,PCI命令定义,传输操作时序,用PCI总线构成的系统,PCI的发展,(1)66MHz时钟。 在PCI 2.1中允许总线以最高66MHz的时钟工作。PCI规范2.1版定义了66MHz速度下的操作。 在64位的66MHz总线中,可达到的最大数据流量是8B66
6、M/s=528MB/s (2)Compact PCI。 PCI工业计算机制造商联盟制订的规范 更加坚固耐用的PCI总线 在电气、逻辑和软件功能方面与PCI完全兼容 支持热插拔。,五、设备总线,RS232C SCSI IDE FDD SPP 。,RS232C信号定义,SCSI总线,1. 特点 从通道发展而来 传输速度快 灵活性好(适用于各种外设) 设备独立性 采用高级命令系统,信号定义,信号电平: 单端方式 差分方式,总线控制,地址构成: 设备地址(8个) 逻辑单元号(逻辑设备号) 逻辑分区地址(16到32位块地址) 通信协议:消息传递 八个阶段(操作状态): 空闲,仲裁,选择,再选择, 命令,
7、数据,状态,消息 两个异步条件: 注意(有消息发出),复位,操作状态,消息系统,消息的作用: 传递操作信息(如设备执行情况以及操作控制) 消息类型:单字消息双字消息多字消息,SCSI消息(一),SCSI消息(二),命令格式,SCSI适配器结构,SCSI外设控制器结构,SCSI总线的工作过程,SCSI总线工作过程包括10个总线节拍。 BUS FREE:总线自由节拍 ARB :总线仲裁节拍 SEL:总线选择节拍 RESEL:总线重选节拍 MSG IN:信息输入节拍 MSG OUT:信息输出节拍 DATA IN:数据输入节拍 DATA OUT:数据输出节拍 CMD:命令节拍 STATUS:状态节拍,
8、各节拍转换如下图所示:,RESET,BUS FREE,ARB,RESEL,SEL,MSG IN OUT,DATA IN OUT,CMD,STATUS,RST,工作过程 在复位后进入自由节拍,总线设备提出请求。 进入总线仲裁节拍ARB,使优先权最高的请求设备获取总线 进入选择节拍SEL,利用SEL和BSY信号及设备编码决定起始设备和目标设备; 经过上述三个节拍后,进入信息传输节拍,利用MSG,C/D,I/O三个信号的不同编码,决定信息传输的方式。如为000,表示一个数据输出总线节拍,由起始设备传送到目标设备。 当信息传输完成或出现错误时,利用RST信号使总线复位。,SCSI的发展,IDE磁盘接口
9、,IDE接口定义,IDE接口定义,DA0DA2 寻址,与CS1FX*和CS3FX*一起使用 DIOR* 启动读周期 DIOW* 启动写周期 DD0DD15 传输磁盘数据 IORDY 指示磁盘驱动器需要进行数据传输。 IOCS16 16位输入输出的控制信号,已准备送出或接受数据。 DMARQ 启动向磁盘驱动器或从驱动器往外传输数据 DMACK* 数据传输结束 INTQ 驱动器中断请求 DASP* 驱动器有效 PDIAG* 诊断命令或复位的结果 RESET* 使驱动器在加电或重新启动时回到初始状态,2018/10/6,微机接口技术,40,IDE接口,简介 Integrated Device Ele
10、ctronics,即集成设备电子部件。1984年由Compaq开发并由Western Digital公司生产的控制器接口。 最大特点是把控制器集成到驱动器内。好处是可以消除驱动器和控制器之间的数据丢失问题,使数据传输十分可靠。这就可以提高每磁道的扇区数到30以上,从而增大容量。 IDE采用了40线的单组电缆连接。在IDE的接口中,除了对AT总线上的信号作必要的控制之外,基本上是原封不动地送往硬盘驱动器。 在有的资料上也称IDE为ATA接口(AT-Attachment:AT嵌入式接口)。 现在的微机系统中已不再使用适配卡,而把适配电路集成到系统主板上,并留有专门的IDE连接器插口。IDE由于具有
11、多种优点,且成本低廉,在个人微机系统中得到了最广泛的应用。,2018/10/6,微机接口技术,41,增强型IDE(EIDE)接口标准 增强型IDE (Enhanced IDE)是Western Digital为取代IDE而开发的接口标准。EIDE接口已直接集成在主板上。与IDE相比,EIDE有以下几个方面的特点: 1.支持大容量硬盘,最大容量可达8.4GB。而原有的IDE标准,因受到硬盘磁头数(最大为16)的限制,其管理的最大硬盘容量不超过528MB。 2.EIDE标准支持除硬盘以外的其它外设。旧的IDE标准只支持硬盘,只是一个硬盘标准。而EIDE支持符合ATAPI接口(AT Attachme
12、nt Packet Interface)标准的磁带驱动器和CD-ROM驱动器。 3.可连接更多的外设,最多可连接四台EIDE设备。原有IDE只提供一个IDE插座,最多只能挂接两个硬盘。EIDE提供了两个接口插座,分别称为第一IDE(Primary)接口插座和第二IDE(Secondary)接口插座。,2018/10/6,微机接口技术,42,每个插座又可连接两个设备,分别称为主(Master)和从(Slave)设备。因此一共可连接四台设备。第一IDE接口也称为主通道,它通常与高速的局部总线相连,用于挂接硬盘等高速的主IDE设备(Primary IDE Device)。第二IDE接口称为辅通道,一
13、般与ISA总线相连,可挂接CD-ROM或磁带机等辅IDE设备(Secondary IDE Device)。在BIOS设置中,要求用户对Secondary IDE Device的数量、主从设备的工作模式进行设置。 4.EIDE具有更高的数据传输速率。原有的IDE驱动器的最大突发数据传输率(Burst Data Transfer Rate)仅为3MB/s。突发数据传输率是指从硬盘缓冲区读取数据的速度,其单位常用每秒兆字节(MB/s)或每秒兆位(Mb/s)。EIDE支持硬盘标准组织SFFC (Small Form Factor Committee)在1993年制定的宿主传输标准,如PIO (Prog
14、rammed Input/Output)Mode 3以及PIO Mode 4,其突发数据传输率可达11.1MB/s和16.6MB/s;也支持Multiword Mode 1 DMA以及Multiword Mode 2 DMA,其突发数据传输率为13.3MB/s和16.6MB/s。,2018/10/6,微机接口技术,43,5.为了支持大容量硬盘,EIDE支持三种硬盘工作模式:NORMAL、LBA和LARGE模式。 NORMAL 普通模式这是IDE方式。在此方式下对硬盘访问时,BIOS和IDE控制器对参数不作任何转换。在此模式下支持的最大柱面数为 1024,最大磁头数为16,最大扇区数为63,每扇
15、区字节数为512。因此支持硬盘的容量最大为: 51263161024 = 528MB即使硬盘的实际物理容量更大,但可访问的硬盘空间也只能是528MB。 LBA(Logical Block Addressing) 逻辑块寻址模式这种模式所管理的硬盘空间突破了528MB的瓶颈,可达8.4 GB。在此模式下,设置的柱面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。在访问硬盘时,由IDE控制器把由柱面、磁头、扇区等参数确定的逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。在LBA模式下,可设置的最大磁头数为255,其余参数与普通模式相同。由此可计算出可访问的硬盘容量为: 512632551024=8.4GB,2018
16、/10/6,微机接口技术,44,LARGE 大硬盘模式当硬盘的柱面超过1024而又不为LBA支持时可采用此种模式。LARGE模式采取的方法是把柱面数除以2,把磁头数乘以2,其结果总容量不变。例如,在NORMAL模式下柱面数为1220,磁头数为16,进入LARGE模式则柱面数为610,磁头数32。这样在DOS看来,柱面数小于1024,即可正常工作。相反的转换进程由BIOS的INT 13H完成,以便取得正确的硬盘地址。LARGE模式支持的最大硬盘容量为: 5126332512 = 528MB 用户可根据配置的实际硬盘在上述三种工作模式中选择设置。,2018/10/6,微机接口技术,45,Ultra
17、 DMA33和Ultra DMA66接口标准 SFFC将推出ATA-4标准,该标准将集成ATA-3和ATAPI并且支持更高的传输模式。在ATA-4标准没有正式推出之前,作为一个过渡性的标准,Quantum和Intel推出了Ultra ATA(Ultra DMA)标准。 Ultra ATA的第一个标准是Ultra DMA33,主要特点如下: 1.通过改善的驱动程序,充分利用硬盘控制器的性能,使硬盘在数据传输过程中避免CPU的过多干预,使系统的并行工作能力进一步地提高。 2.能够在时序脉冲的上下两相进行数据传输,传输速率比单相工作的硬盘提高一倍。因此其突发数据传输率理论上可从16.6MB/s提高到
18、33MB/s。 3.由硬盘产生选通信号,并同时把缓冲区中的数据送到总线,避免了由主机送来选通信号造成的延时。,2018/10/6,微机接口技术,46,Ultra DMA66(或者Ultra ATA-66)是由Quantum和Intel在98年2月份提出的最新标准。Ultra DMA66对Ultra DMA33改进主要在以下几个方面: 1.进一步提高了数据传输率,其突发数据传输率理论上可达66.6MB/s。 2.采用了新型的CRC循环冗余校验。在突发传输数据时,主机和硬盘同时各自计算CRC并存入自己的寄存器中。突发传输结束后,主机把CRC寄存器中的值送到硬盘并与硬盘CRC寄存器中的值进行比较,从
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