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第7章总线技术计算机组成原理讲解2022/12/12本章学习内容•总线的组成与结构•总线的设计与实现•总线与计算机系统•常见的总线2022/12/137.1总线概述•总线作为计算机传送信息的通道，是连接各个功能部件的纽带。•在现

代计算机系统中，无论是在集成电路芯片内部还是在功能模块之间，无论是在主机和外设之间还是在主机与主机系统之间，都要通过各种总线实现互联。2022/12/147.1.1采用总线实现互连的优势•总线由多条通信线路（或线缆）组成。•使用总线实现部件互连的优点：•1

.可减少各个部件之间的连线数量，降低成本。•2.便于系统构建、系统性能扩充和产品更新换代。2022/12/157.1.2总线的分类•计算机系统中通常包含许多不同种类的总线，它们在不同层次上为计算机组件之间提供通信通路。•

根据总线所处的角度不同有多种分类方法。2022/12/16•按总线所承担的任务–内部总线：用于实现主机系统内部各功能模块（部件）之间的互联。–外部总线：用于实现主机系统与外部设备或其它主机系统之间的互联。•外部总线中专门用于主机系统与外设之间互联的总线称为设备总线。现实中许多设备总线常被

叫做某某接口，例如SCSI接口、USB接口等等，其实它们实质上是实现一个外部总线的功能。2022/12/17•按总线所处的物理位置–片内总线：实现芯片内部功能部件之间的连接。–功能模块（板）内总线：实现电路板上各个集成电路芯片之间的互连，–功

能模块（板）间总线：用于把各个功能模块（如CPU、主存储器、I/O接口适配器等等）连接到一起，构成主机系统，所以也称为系统总线。–外部总线2022/12/18•按总线所传送的信息类型–地址总线–数据总线–控制总

线•按总线一次传送数据的位数–串行总线–并行总线•按总线操作的定时方式–同步总线–异步总线2022/12/197.1.3总线标准•1.逻辑规范•引脚信号的功能描述。包括信号的含义、信号的传送方向（发送、接收或双向）、有效信号所采用

的电平极性（高电平/低电平，正脉冲/负脉冲）及是否具有三态能力等。•2.时序规范•描述各信号有效/无效的发生时间以及不同信号之间相互配合的时间关系。•例如当地址信号有效后，至少需要多长时间的延迟才能使读/写信号有效。2022/12/110•

3.电器规范•总线上各个信号所采用的电平标准（例如1.5V电平、±3V电平等）和负载能力。•负载能力定义了总线理论上最多可以连接模块的数量。•4.机械规范•定义总线包括插槽/插头或插板的结构、形状、大小方面的物理尺寸、接插件机械强度；总线信号的布局、引脚信号的长度、宽度

以及间距等。2022/12/111•5.通信协议•定义数据通过总线传输时采用的连接方法、数据格式、发送速度等方面的规定。•串行总线必须规定通讯协议规范。通讯协议通常需要分为若干层次。2022/12/112制定总线标准/规范的两种途径•⑴由具有权威性的标准化

组织（如国际标准化组织ISO、电气电子工程师协会IEEEE、美国国家标准协会ANSI等）制定并推荐使用。•⑵由某个或某几个在业界具有影响力的设备制造商提出，然后又被业内其他厂家认可并广泛使用。即所谓事实标准。•

事实标准有可能作为没有经过正式、严格定义的标准在业内使用；也有可能经过一段时间的使用后，被厂商提交给有关组织讨论而最终被确定为正式标准。2022/12/1137.1.4总线的性能•1.总线带宽•单位时间内总线所能传输的最大数据量，也称总线传输率，一般用兆字节/秒（MB/s）来表示。•总线带宽＝总线

时钟频率×(总线宽度/8)•总线宽度指数据总线的宽度2022/12/114•2.总线宽度•①一个总线所设置的通信线路（或线缆）的数目称为该总线的宽度。•②数据总线宽度•数据总线的宽度决定了一个总线内设置的用于传送数据的信号线的数目。•数据总线的宽度决定了一次可以同时传送的二进

制信息的位数。数据总线的宽度是决定计算机系统性能的一个关键特性。•③地址总线的宽度•地址总线的宽度决定了计算机系统的寻址能力。2022/12/115•3.总线的时钟频率•也称总线工作频率•对于同步总线来说，由于采用统一的时钟脉冲作为定时基准，因此总线的

时钟频率越高，总线上的操作就越快。在数据总线宽度相同的情况下，较高的总线时钟频率，会带来较大的数据吞吐量。•4.总线的负载能力•总线上可以连接模块的最大数目。2022/12/1167.2总线的组成与结构•7.2.1总线的组

成•总线构成的两部分：•（1）连接各个功能模块的信号线•（2）管理总线的总线控制器•总线互联机制存储模块1存储模块nI/O模块1CPUI/O模块n......地址总线数据总线控制总线2022/12/1171.数据总线•特点：•①双向传输。•②数据线的数目一般与计算机字长相

同（当然也可以不同）；•③采用具有三态能力的电路。2022/12/1182.地址总线•特点：•①单向传输；•②地址线的数目决定寻址能力的大小。•地址总线不仅用于传送内存地址，计算机系统对I/O端口的寻址，也通过地

址总线完成。2022/12/1193.控制总线•控制总线用于传送控制信号，控制系统完成规定的操作功能。•特点：•①单向传输；•②控制线的类型和数目取决于总线类型。2022/12/120典型的控制信号线•存储器读信号•存

储器写信号•I/O读信号•I/O写信号•传输应答信号（ACK）•总线请求信号•总线授予（回答）信号•中断请求信号•中断应答信号•时钟信号•复位信号2022/12/121总线的使用规则•⑴发送数据时：•①获得总线；•②通过总线传送数据。•⑵接收数据时：•①获得总线；

•②通过向控制总线和地址总线传送适当的控制和地址信号，向其它功能模块发送传送数据的请求，然后等待其它功能模块发送数据。2022/12/1224.总线控制器•总线控制器负责控制和分配总线的使用。•总线控制器的功能：•①总线

系统的资源分配与管理•负责向使用总线的功能模块分配中断向量号、DMA通道号及I/O端口地址。•②提供总线定时信号脉冲•③负责总线使用权的仲裁•④负责实现不同总线协议的转换和不同总线之间传输数据的缓冲2022

/12/1235.总线上的设备分类•按逻辑功能分•总线主设备：总线操作的发起者，负责全面的总线控制。•总线从设备：总线操作的对象。•按在信息交换中的地位分•总线源设备：发送数据的设备。•总线目的设备：接

受数据的设备。•注意：源设备不一定就是主设备，目的设备也不一定就是从设备。2022/12/124•总线上有些设备在某一时段是主设备，而在另一时段又可能变成从设备。•例如，SCSI磁盘控制器。2022/12/1257.2.2总线的结构•在物理上，总线实际上由一系列并行的电子导体构成。插槽系统

总线系统底板CPU主存储器I/O接口控制器2022/12/126•总线向系统中的所有组件提供服务，每个系统组件与总线上的全部或部分信号线相连接。•总线扩展槽•在总线上设置内有总线信号接触点的插槽，这些插槽上可以以垂直方式插接印刷电路板（计

算机的功能模块）。•目前许多计算机系统的主机内部，都采用通过总线扩展槽来连接计算机系统的主要组件。2022/12/127主板上的总线扩展槽•左侧最长的插槽为ISA插槽（黑色）•中间白色的为PCI插槽•右边棕色的插槽为AGP插槽2022/12/128现代计算机系统的发展趋势•将原来采

用电路板实现的组件，改由集成电路来实现，即将原组件电路板上的所有元件集成到一块（或几块）集成电路芯片中。•例如，在CPU芯片中，由安置在芯片内部的总线来连接处理机和高速缓冲存储器（Cache）等功能部件，而安

置在印刷电路板上的总线则用于连接处理机、主存和系统的其它组件。•采用这种方法，可以非常方便地构造和扩充计算机系统。2022/12/1297.3总线的设计与实现•7.3.1总线的设计要素信号线类型：专用信号线复用信号线总线宽度：地址线宽度数据线宽度总线仲裁的方法：

集中仲裁分布仲裁数据传输类型：读写读—修改—写写后读块传输（连续数据传输）总线定时方法：同步异步2022/12/1301.信号线类型•①专用信号线•在总线中该信号线始终被指派实现一个规定功能或指派专门用于某一类特定的计算机系统组件。•②复用

信号线•在一根信号线上定义多种意义的信号或者用于多个（多类）总线设备。2022/12/131信号线的分时复用总线周期时间地址/数据分时复用信号线地址有效信号线地址数据地址图7-3地址/数据分时复用信号总线时段总线时段2022/12/1322.总线仲裁的方法•总线仲裁

•根据连接到总线上的各功能模块所承担任务的轻重缓急，预先或动态地赋予它们不同的使用总线的优先级，当有多个模块同时请求使用总线时，总线仲裁电路选出当前优先级最高的那个，赋予总线控制权。•也就是确定哪一个总线设备作为当前的总线主控设备。2022/12/133总线仲裁方法的分类

•集中仲裁•分布仲裁•并行仲裁•串行仲裁•固定优先级•动态优先级2022/12/134•集中仲裁•在系统中设置一个仲裁电路集中处理连接到总线上的各个设备所提出的使用总线的请求信号，集中对它们的优先级进行比较，由此确定总线的主控设备。•分布仲裁•系统中每一个总线设备中都

有较为复杂的总线访问请求控制逻辑，优先级比较电路也是分布在各个总线设备中，由各个已连接到总线上的并且目前有总线请求的设备共同来决定下面应该由哪个设备成为总线的主控设备。2022/12/135•集中仲裁机制的优点•系统模块化程度高，设备

一方电路设计较为简单。•集中仲裁机制的缺点•系统可靠性不太高，一旦仲裁电路发生故障，总线就不能使用了。•分布仲裁的特点与集中仲裁的特点正好相反。2022/12/136•并行仲裁•连接到总线上的每个设备与总线仲裁电路之

间都有独立的总线请求线和总线允许信号线。•串行仲裁•连接到总线上的设备共用一条总线请求信号线或（和）一条总线允许信号线。2022/12/137•系统中设置集中总线仲裁器，连接到总线上的每个设备分别有一条总线请求信号线和一条总线允许信号线连接到总线仲裁器上。集中式并行总线仲裁集中式总线仲裁器设

备1设备2设备n总线总线请求线1总线请求线2总线请求线n总线应答线n总线应答线2总线应答线1......2022/12/138•集中式并行仲裁的优点•总线仲裁速度快，优先级设置灵活，即有可能通过向总线仲裁器发送

不同的控制命令，实现不同的优先级策略。•集中式并行仲裁的缺点•每个设备与总线仲裁器之间都需要设置一条总线请求信号线和一条总线允许信号线，使连接到总线上设备的数量受到信号线数目的限制，并且可靠性不高。2022/12/139集中式串行总线仲裁•系统中设置集中总线仲裁器，，连接到总线上的设备共用一

条总线请求信号线或（和）一条总线允许信号线。2022/12/140•集中式串行仲裁的优点•用于总线管理的信号线数目较少，且与连接到总线上的设备数目无关，总线仲裁器电路的实现较为简单。•集中式串行仲裁的缺点•设备的优先级固定，

要改变一个设备使用总线的优先级，就必须改变它所处总线的物理位置；总线优先级的比较时间较长。2022/12/141•固定优先级•总线上的各个设备的优先级一经指定就不再改变。•动态优先级•允许设备使用总线的优先级可以随时间

变化。总线的优先级2022/12/142•典型的动态优先级策略是轮转策略。•轮转策略•首先将设备排队，指定一个设备为目前优先级最高的设备，队中的下一个设备次之，依次排好。当目前具有最高优先级的设备使用过一次总线后，就将它变成优先级最低的设备，即排到队尾，队中下一个设备则变成目

前具有最高优先级的设备。这样不断轮转，使所有设备都具有平等使用总线的机会。2022/12/143•固定优先级策略的优点–硬件实现简单。•固定优先级策略的缺点–当设备较多时，优先级低的设备就很难有机会使用总线。•动态优先级策略的优点–能够很好地适应总线上存在较多设

备的情形。•动态优先级策略的缺点–硬件实现复杂。2022/12/1443.总线定时方式•总线定时方式：为了协调总线上发生的事件所采用的方法。•总线上发生的事件：为了使用总线传输信息，总线所做的各种必要的动作。•总线定

时方式分类：•同步定时•异步定时•相应的有同步总线和异步总线2022/12/145（1）同步总线•同步总线：总线上所有事件的发生，都由一个时钟脉冲序列加以定时。•在同步定时方式下，总线中包含一条时钟信号线，连接到总线上的所有设备都通过时钟信号线获取用于事件同步的时钟脉冲

信号，所有的总线事件都应在一个时钟周期的开始时启动动作。2022/12/146同步定时方式下的总线操作状态信号地址信号输出的有效数据输入的有效数据时钟信号线状态信号线地址信号线地址有效信号线数据总线数据总线读信号线写信号线T1T2T3读周期写周期总线时段2022/12/147（2）异步总线•异

步定时•总线上一个事件的动作发生与否，取决于前一个事件动作的执行情况。2022/12/148异步方式下的读总线周期状态信号地址信号状态信号线地址信号线读信号线有效数据数据总线应答信号线2022/12/149异步方

式下的写总线周期状态信号地址信号状态信号线地址信号线写信号线有效数据数据总线应答信号线4．总线宽度•总线宽度与总线性能之间的关系•(1)数据总线宽度在很大程度上决定了计算机总线的性能。•在总线操作速率一定的条件下，

数据总线的宽度越宽，一次传送的二进制位数就越多。•并行数据总线在较高的工作频率下传送数据时，会在数据线之间会产生信号串扰，因此会使传输的数据发生错误。•串行数据总线减少了信号线的数量和总线接插件的物理尺寸，可以提高数据传输的距离及总线的工作速率，同时减少了数据出错的可能性。2022/12/

1•(2)地址总线的宽度决定着系统的寻址能力。•地址总线越宽，总线上可寻址的单元就越多，系统能够访问的地址范围就越大，意味着系统可以有更大容量的存储器，可以连接更多的外部设备。但同时也大大增加了地址译码电路

的复杂性。2022/12/1512022/12/1525．数据传输类型•数据传输类型•读/写操作在各种类型总线上的各种实现方法。•总线中一次数据传输的两个阶段•①地址、命令阶段•②数据传输阶段•读操作•总线的从设备发送数据到主控设备。•写操作•总线的主控设备发送数据

到从设备。2022/12/153非复用总线上的读操作2022/12/154分时复用总线上的读操作2022/12/155联合操作2022/12/156•读—修改—写操作•在读操作之后对同一单元立即实施写操作在读—修改—写操作时，数据单元的地址只需在操

作开始时发送一次即可，且整个操作是不间断地连续执行的。这样可以防止其它潜在的总线主控设备（如其它处理机）在操作执行期间对目标数据单元的访问。•读—修改—写操作的主要目的是在多道程序执行的环境下，确保保存在共享存储资源中的数据能够保持数据的

一致性。2022/12/157•写后读操作•对某一存储单元的写操作完成后立即实施读操作。•写后读操作的目的是为了对刚写入的信息进行校验。2022/12/158数据块传输方式2022/12/159•数据块传输方式•在一个地址、命令阶段后，即给出了第一个数据所在存储单元的地址之后，

可以有多个数据传送操作，即可以读/写连续的多个数据单元。•也称为连续数据传输方式、突发（猝发或迸发）数据传输方式、成组数据传输方式。2022/12/160•在数据块传输方式下，总线的主控设备只需将要发送或接收的第一个数据项的地址发送给存储器，其余多个数据项的地址相对于第一个数据项的地址来说都

是连续地址，主存储器可以自动修改后续访问的数据单元的地址而不需要主控设备每次都发送地址。这样做能够大大提高数据的传输效率。2022/12/161•例：某同步总线的时钟频率为100MHz，宽度为32位，地址/数据线复用，每

传输一个地址或数据占用一个时钟周期。•(1)该总线的带宽是多少？•(2)按正常传输方式进行“主存写”总线事务，传输128位数据需要的时间至少是多少？•(3)若该总线支持猝发传输模式，则一次“主存写”总线事务，传输128位数据所需要的时间至少是多少？2022/12/162•解：•(1)∵总线带

宽＝总线工作频率×(总线宽度/8)•∴总线带宽＝100MHz×(32/8)＝400MB/s•(2)按正常传输方式，每传输32位数据需要发送一次地址，128位数据需要传输4次地址，4次数据，共8次。•所需要的时间：8×1

/100MHz＝80ns•(3)按猝发传输模式，一次“主存写”只需要传输1次地址，4次数据，共5次。•所需要的时间：5×1/100MHz＝50ns7.3.2总线的实现•总线是实现源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线。•为了能使多个设备共享总线，必须要实现

多个设备上的元件的输出，都可以作为总线上的另一元件的输入。•为避免产生多个部件同时发送信息的情形，要求在任何时刻最多有一个输出被选中。•目前广泛采用的两种解决方案：集电极开路与非门（OC门）电路和三态门电路。632022/12/1641.采用

集电极开路与非门电路实现总线•将多个集电极开路与非门（OC门）的输出端连接在一起，并在集成电路外面接一个公用负载电阻，构成与或非门。2022/12/12.采用三态门电路实现总线•通过电路的三态控制信号控制门电路的输出是否呈现高阻抗状态。2022/12/1667.4总线与计算机系统•按照总

线的组织结构不同，可将计算机系统分为：•单总线结构的计算机系统•双总线结构的计算机系统•多总线结构的计算机系统2022/12/1671.单总线结构的计算机系统•在单总线结构的计算机系统中，采用称为系统总线的一组总线来连接整个计算机系统中的各个功能部件。•特点：•⑴所有连接到系统总线上的功能部件

既可以共享同一地址空间也可以分享不同的地址空间。•⑵早期采用单总线结构的小型计算机系统大多采用异步定时方式。•⑶单总线往往成为计算机系统性能的瓶颈。2022/12/168图1-7计算机的单总线结构接口CPU存储器接口I/O设备I/O设备单总线2022/12

/1692.双总线结构的计算机系统•在双总线结构的计算机系统中，通过设置内存总线，使CPU和主存储器之间的信息流与外设和主存储器之间的信息流分开，大大减轻了系统总线的负担，实现了CPU与外设的并行操作，有效地提升了计算

机系统的性能，但又保持了单总线结构所具有的简洁、易扩充的优点。•存在的问题•内存总线与系统总线对主存储器的访问存在冲突。2022/12/170图1-8面向存储器的双总线结构接口CPU存储器接口I/O设备I/O设备系统总线存储总线20

22/12/1713.多总线结构的计算机系统•多总线结构计算机系统是在双总线结构基础上增加I/O总线实现的一种计算机系统结构。•增加I/O总线的目的•进一步提高计算机系统的工作效率。•多总线结构可以在计算机系统的各部件之间采用多条各自独立的总线来构成分层次的信息通路。20

22/12/172•在大型计算机系统中，I/O设备通过I/O通道或I/O处理机实现与系统总线之间的信息交换。2022/12/1734.多层次总线结构•总线使用中存在的问题：•⑴当计算机系统中的所有设备都在使用单一的系统总线时，会使得系统总线显得非常拥挤。•⑵如果将许多组件电路板连接到总线，

将增加总线的长度，带来传递延迟。•⑶总线成为系统的瓶颈，一些需要连续且数目较大的数据字的传输应用，将几乎耗尽总线的带宽。2022/12/174•现代计算机系统采用分层划分的层次型多总线结构来解决上述问题。即根据系统功能模块性能上的要求设置不同层次、不同

种类的总线。2022/12/175传统的层次型多总线结构处理机高速缓冲存储器局部I/O设备控制器系统总线主存储器扩展总线接口网络接口控制器SCSI接口控制器串行接口调制解调器扩展总线局部总线2022/12/176•局部总线用于处理机与Cache以及其它局部组件

（例如显示适配器）的连接。•Cache控制器不仅与局部总线相连，还与系统总线相连，由此实现局部总线与主存的连接。•使用Cache能有效地隔离处理机对主存频繁的访问请求，因此主存不再与局部总线连接，转而连接到系统总线。•在这种方式下I/O设备与主存之间的数据传

输只需要通过系统总线即可完成，从而不会干扰到处理机的操作。2022/12/177•I/O接口控制器可以直接连接到系统总线，但由于I/O设备的速度差别非常大，因此可以设置一条或多条扩展总线来连接I/O接口控制器。•扩展总线接口在系统总线和连接在扩展总线上的I/O接口控制器之间起了一个缓冲

数据的作用。•传统的层次型多总线结构的优点：•①计算机系统可以方便地支持速率不同的各种I/O设备。•②使主存与处理机之间的数据传输和主存与I/O设备之间的数据传输分隔开来，互不干扰。2022/12/178高性能多层次总线结构•为了适

应一些新型设备（例如视频/图形显示接口适配器、千兆以太网卡等）对总线在性能方面不断增长的需求，业界普遍采用的方法是构建一个具有与处理机紧密集成的、用来支撑整个系统且相对独立的高速总线。2022/12/179

•高速总线充分考虑与它连接的处理机的体系结构，如处理机引脚的信号定义情况以及工作时序，使得处理机与高速总线之间仅需要一个桥接电路（简称总线桥）即可实现处理机与总线的互连，而不需要另外去实现一个复杂的处理机引脚信号与标准的总线信号之间的转换电路，以降低系统实现的难度。与处理机紧密集成

的高速总线2022/12/180系统总线主存储器高速缓冲存储器/总线桥处理机高速总线SCSI接口适配器FireWire接口适配器局域网接口适配器图形接口适配器扩展总线扩展总线接口传真机接口适配器调制解调器接口适配器串行接口适配器局部总线2022/12/181

•高性能多层次总线结构的优点•高速总线桥紧密地和处理机集成在一起，但同时又独立于处理机之外，使得处理机与高速总线在信号线定义上的差别可以方便地予以解决。即使改变处理机的体系结构也不会影响到高速总线和扩展总线，反之亦然

。2022/12/1827.5PCI总线•PCI总线(PeripheralComponentInterconnectbus)的规范名称是PCI局部总线。•PCI局部总线是一种具有32/64位地址/数据分时复用的、用于实现处

理器/主存储器系统与高集成度的外设控制组件（指安置在主板上的I/O接口控制器）以及外设接口适配器连接的总线。•PCI总线是时钟同步型总线，属于分层多层次总线。•PCI总线的标准由PCI-SIG（PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestG

roup）负责制定和颁布。2022/12/183PCI总线2022/12/1847.5.1PCI总线的概况•1.PCI总线的开发动机和发展历程•20世纪90年代初期，随着图形处理技术和多媒体技术的广泛应用，特别是在以

Windows为代表的图形用户界面操作系统得到广泛普及之后，要求计算机系统具有对图形/图像数据的高速处理以及对显示数据的快速传输能力。•原有PC上的各类总线已远远不能满足应用的需求，总线成为处理机和显示设备之间数据传送的瓶颈

，进而成为整个计算机系统性能提升的主要障碍。2022/12/185PCI总线的发展历程•1991年Intel公司首先提出PCI总线的概念，联合IBM、Compaq、AST、HP等100多家公司成立了PCI-SIG，负责起草制定PCI局部总线标准，颁布了P

CI总线规范。•随后逐年推出新的PCI总线标准。2022/12/186PCI总线家族的发展历程2022/12/1各种PCI局部总线和PCI-X总线的带宽工作频率(MHz)数据总线的宽度(bits)总线类型总线的最大带宽(MB/秒)3332PCI1323364PCI-X2646632PCI和PCI

-X2646664PCI-X52813364PCI-X106426664PCI-X212853364PCI-X42642022/12/1882.PCI局部总线的设计目标和总线特点•PCI局部总线的主要目标•实现一个具有标准化、高性能、低成本、差异

化的局部总线架构，能覆盖从服务器、台式机、笔记本到手持电脑的多平台、多种架构的应用。2022/12/189PCI总线的特点•⑴高性能：可提供较高的总线带宽，支持突发传输模式。•⑵低成本：考虑了对芯片级互联的优化。•⑶使用

方便：实现了自动资源分配和即插即用功能。•⑷产品寿命周期长：与处理器架构的无关性使得遵循PCI局部总线规范的产品可以应用到各种平台上。•⑸通用性强、可靠性高：接口适配器外型尺寸较小。•⑹适应性强：支持多总线主控设备，允许

包括处理器在内的各种总线上的设备成为总线的主控设备，有助于在计算机系统中实现多CPU结构。•⑺保证数据完整性：提供对数据/地址信息的奇偶校验，保证了所传输数据的完整性和准确性。•⑻较强的软件兼容性：可以很好的与现行驱动程序和应用软件兼容，便于实现驱动程序跨平台移植。2022

/12/1903.PCI局部总线的架构•在台式计算机系统中，处理器、高速缓冲存储器和主存储器可以通过PCI总线桥电路连接到PCI局部总线。•PCI总线桥中包含总线仲裁电路以及一定容量的缓冲存储器。通过总线桥，处理器可以直接访问连接到PCI局部总线上的任何I/O接口，总线桥电路为此提供了一个低延

迟的访问通道。•通常情况下，PCI局部总线提供4个总线设备扩展插槽，以便安装各种适配器或扩展卡。2022/12/1912022/12/192典型的台式计算机系统•在服务器系统中，PCI局部总线允许1个或多个桥接电路连接到系统总线上，而系统总线仅连接处理器、高速

缓冲存储器（Cache）和内存控制器，由此可方便地实现具有对称多处理机（SMP）结构的多处理器计算机系统。2022/12/1932022/12/194典型的多处理器计算机系统系统总线内存控制储器DRAM构成

的内存储器CPU/高速缓冲存储器（Cache）PCI总线SCSI接口适配器主桥高速局域网接口适配器PCI总线扩展桥扩展总线桥CPU/高速缓冲存储器（Cache）...主桥PCI总线扩展总线桥PCI总线ISA/E

ISA总线1ISA/EISA总线22022/12/1957.5.2PCI局部总线的信号定义•PCI局部总线规范版本3.0设备所使用的信号定义2022/12/196•PCI局部总线规范版本3.0中包含必备信号线和可选

信号线，各信号线的详细定义见教材表7-3和表7-4。2022/12/1977.6通用串行总线•通用串行总线（UniversalSerialBus，USB），是基于电缆连接的串行外部总线。•USB总线基于通用连接技术，采用简单方式将外设快速、

方便地连接到计算机主机上，解决了个人计算机存在的外部设备接口繁多且接口标准不统一等问题。7.6.1USB总线的历史和使用概况•1994年Compaq、DEC、IBM、Microsoft、NEC等多家世界著名的计算机和通信公司与Intel公司一起成立了USB开发者论坛（USBImplem

entersForum，USB-IF），负责USB总线标准规范的制订工作。2022/12/198•1996年1月颁布USB1.0版本规范。规定数据传输速率为12Mb/s（1.43MB/s）。•1998年9月颁布USB1.1版本规范。规定了高速率12Mb/s（1.43MB/s）和

低速率1.5Mb/s（0.183MB/s）两种数据传输速率。•2000年4月颁布USB2.0版本规范。规定数据传输速率最高可达480Mb/s（57MB/s）。•2008年11月颁布USB3.0版本规范。规定数据传输率最高可达5Gb/s（625MB/s）。2022/12/199USB总线的主

要特点•USB总线是影响力最为广泛的总线之一。•USB总线的主要特点：即插即用，带电插拔，可向设备供电，系统扩展方便，成本低。•USB连接器（接口）将各种外设I/O接口合而为一，用户只需简单地将外设插入到USB接

口上，计算机就能自动识别和配置这个USB设备。2022/12/11007.6.2USB总线的体系结构•USB总线采用非对称设计思想，由一个总线主控制器、连接到主控制器的多个USB端口和多个连接在USB端口上的设备组成，为多层次树形拓扑结构。2022/12/1101USB总线拓扑结构2022

/12/11021.USB总线系统的硬件组成•USB总线的硬件由USB主控制器（USBHostController）、USB互联装置（USBinterconnect）和USB设备组成。2022/12/11031）USB主控制器•USB主控制器

是USB总线上唯一的总线主控设备，负责控制USB总线上所有数据通信的过程。•USB总线规范限定只有USB主控制器可以和连接到总线的设备之间发生数据传输，且在一条USB总线上只允许有一个USB主控制器。含

有USB主控制器的设备称为USB主机（host），如个人计算机。•USB主控制器还负责实现串行/并行数据转换和实现协议层层次上的设备互联。2022/12/1104USB主控制器的主要功能•检测USB总线上设备的插拔动作（需要集线器配合）•管理主机和USB设备之间的控制信息（

命令、状态信息）的发送接收•管理主机和USB设备之间的数据信息的发送和接收•收集各种状态信息和设备动作统计信息（如总线带宽的使用情况）•通过集线器向总线上的设备提供电源2022/12/11052）USB互联装置•USB互联

装置的作用是连接USB主控制器和USB设备，通常称为USB集线器（USBHub）。•USB设备与USB集线器的连接点称作端口（port），一个USB集线器可以将一个连接点扩展成多个连接点。•每个集线器上都有一个上行端口（用于连接到上一层某个集线器的一个下行端口）和若干个下行端口（用于连接下一层

次的某个集线器或USB设备）。2022/12/1106•USB集线器由集线器控制器（HubController）、集线器转发器（HubRepeater）和事物处理转换器（TransactionTranslator）组成。•

USB集线器的主要工作是：•监测现行端口上USB外设的连接和断开。•执行主控制器发出的传输请求并在设备和主控制器之间传递数据。•激活和禁止下行端口。•设置或报告下行端口状态及控制下行端口的电源。2022/12/1107•

例：一个典型的USB集线器，图中包含一个上行端口和7个下行端口，端口#1～端口#7。2022/12/1108根集线器（RootHub）•根集线器是一个特殊的集线器，一般与USB主控制器集成在一起，它没有上行端口而只有下行端口，可

提供一个或多个下行端口。•USB主控制器上的根集线器主要负责USB主控制器与USB设备（包括USB集线器）之间的电气互联。2022/12/1109•除根集线器之外，USB总线上还可以连接附加的集线器，以扩展USB总线层次及总线上的端口数目。•USB总线允许最多连接7层USB设备（包括根集

线器），因此附加集线器的层数最多是5层。•由于集线器具有多路转换的功能，所以不论有多少台外设连到集线器上，在同一时刻只有一台外设可以通过集线器与USB主控制器交换数据。2022/12/11103）USB设备•USB设备是指通过USB总线

与USB主机相连的实体。•USB设备受USB主机控制，并以从属方式与USB主机通信，遵循USB主机的要求接收或发送数据。2022/12/1111USB设备的分类•⑴集线器设备•⑵功能设备（devicefunctio

n）：连接到USB集线器下行端口的外设。•功能设备与USB主控制器进行数据和控制信息交互传输，实现各类硬件设备的具体功能。•如人机接口设备、音频设备、打印机、成像设备和大容量存储设备等等。2022/12/1112

•在一个物理的USB设备上，可以有若干个功能设备，即逻辑子设备，每个功能设备具有独立的属性信息和设备地址。•单功能设备：可实现单一功能的独立的外围设备（如U盘）。•合成设备：可实现两个及两个以上功能的独立的外围设备（如带有扩音器、麦克风和键盘的传真机）。•复合设

备：物理上外观单一，通过内部的USB集线器连接不同功能的外设（如集成了麦克风的网络摄像头）。2022/12/1113USB设备的属性•USB设备上含有标识信息用于标识与设备功能相符的标识设备类型、设备行为及配置有关的信息，即USB设备的属性。•USB设备在连接到总线上之后，USB

主机上运行的协议软件（隶属操作系统），通过与USB设备通信，获得设备属性信息，对其进行正确的识别和配置，然后才能使用该设备。2022/12/1114•⑴描述符（descriptor）：提供描述属性和特

点的信息，USB主机通过设备提供的描述符来区分不同类型的设备。•⑵类（class）：用于描述功能相近的设备，以便简化USB主机上运行的驱动程序。主机端只要提供USB设备类驱动程序就可以驱动大多数USB设备。•⑶功能（function）/接口（int

erface）：功能指具有某种能力的设备，如键盘。–通常一个具有单一功能的USB设备只对应一个接口，但也有些USB设备物理上具有几种不同的功能，因此一个物理上的USB设备可能对应多个接口。2022/12/1115•⑷端

点（endpoint）：USB设备中与主机进行通信的基本单元。USB设备通过端点完成和主机端的数据交换。一个USB设备允许有多个端点，即一个接口可包含多个端点，但每个端点只支持一种USB传输方式。•⑸管道（

pipe）：USB设备和USB主机之间数据通信的逻辑通道。管道的物理介质就是USB系统中的数据线。在设备端，管道的主体就是端点，每个端点占据各自的管道与主机通信。•⑹设备地址（deviceaddres

s）：USB设备的地址，USB主机控制器用于区分不同的USB设备。在进行数据通信时，USB主机除了要指明设备地址，还要指明端点号。2022/12/11162.USB总线系统的软件•USB系统的软件主要分为应用软件和驱动程序两大类.•

应用软件（或客户端软件）•最终与USB设备进行数据交换的USB主机上的软件。2022/12/1117USB驱动程序•①USB主控制器驱动程序•负责完成USB总线上传输信息事物交换的调度，并通过根集线器或其它集线器完成对交换事物的初始化。•②USB驱动

程序•负责设备连接到USB总线时，读取设备上的配置信息（如设备类），以获取设备的特征，并根据这些特征，在产生数据交换请求时，组织数据。2022/12/1118•③USB设备驱动程序•使用I/O请求包（I/ORequestPa

ckage，IRP），将USB主控制器发出的请求发送给USB设备。•I/O请求包内包含请求标示标示，用于描述这个传输是USB主控制器发送给USB设备的，还是USB设备发送给主控制器的。2022/12/11193.USB总线系统的拓扑结构•USB总线采用了非对称设计、层次化的星形拓扑结构模型。•在U

SB总线上的物理连接中，处于每个星形拓扑中央的是HUB集线器，在主机与HUB之间，HUB与HUB之间，HUB与设备之间都是点对点的连接。•在USB总线中，用USB集线器为USB设备提供连接点，USB主控制器中的根集线器是所有USB端口的起点，采用级联方式进行连接。2022/12

/1120•由于USB总线不采用存储转发技术，因此传输速度不会因级联层次的增多而加大延迟时间，即理论上讲一个USB设备无论连接到USB总线哪个层次上，传输速度都是相同的。•USB总线规范规定，在根集线器下面，最多可以

级联5层集线器。2022/12/11214.USB总线系统的互联通信模型•USB主机和一个USB功能设备之间通过一个称之为“管道”的逻辑通道实现它们之间的通信。2022/12/11227.6.3USB总线的事务和传输•USB总线采用

“主-从”方式实现数据传输。•数据传输均由USB主机发起，USB设备仅仅在主机对它提出要求时才进行数据传输。2022/12/1123USB总线的传输模式•①同步传输（实时传输）：用于中速设备，如网卡、

数码相机、扫描仪等。•②中断传输：用于低速设备，如键盘、鼠标等。•③批量传输：用于不定期地传送大量数据的中速设备，如打印机、调制解调器、数字音响等。•④控制传输：专为配置设备参数时使用，为总线管理服务。2022/12/11242022/12/112

5USB事务（transaction）•一个USB事务就是执行一次通信，一个事务必须连续执行不允许被中断。•一次数据传输通常需要一个或多个USB事务。数据量少的传输可能只需要一个事务，如果数据量很大则需

要多个事务。•在每一个事务中包括数据的源地址和目的地址。•每个事务由一个、两个或三个包组成，即令牌包（Token）、数据包和握手包（handshake）。•令牌包和数据包可以在所有的传输类型中使用。握手包只用在控制、中断或批量传输类型中

。2022/12/1126•令牌包•令牌包含有设备地址码、端点号、传输方向和传输类型等信息。令牌包只能由主机发送。•数据包•数据包用于传输数据信息。数据包最多可携带1023B的数据。主机和设备都可发送数据包。•握手包•握手包用于提

供数据是否已正常接收的反馈信息。握手包只用在控制、中断或批量传输类型中。主机和设备都可发送握手包。握手包也称为状态段、状态包或交换包。2022/12/1127USB总线的信息传输过程•USB包是数据传送的基本方式.•USB的传

输过程•①主机发出令牌包，令牌包含有设备地址码、端点号、传输方向和传输类型等信息；。•②数据源向目的地发送的数据包或者发送无数据传送的指示信息，数据包可以携带的数据最多为1023B。•③数据接收方向数据发送方发

回一个握手包，提供数据是否已正常接收的反馈信息。如果有错误，需要重发。•除同步传输（实时传输）之外，其他传输类型都需要握手包（称为状态段、状态包或交换段）。2022/12/1128USB包的组成•USB包中、包标识符字段（P

ID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段。•同步字段（SYNC）：用于数据包位同步，由8位二进制位（00000001）组成，最后两位既表示同步字段的结束，也标志着包标识符字段（PID字段）的开始。2022/12/1129•包标识符字段（PID）：是

USB包类型的唯一标识，USB主机和USB设备在接收到包后，必须首先对包标识符解码而了解包的类型，以便执行下一步动作。PID的低4位表示事务的种类，高4位用于低4位的校验，即由低4位取反而得。2022/12/11302022/12/1131USB包标

识符类型PID类型名称PID码描述输出（OUT）0001b从主机到设备的数据传输输入（IN）1001b从设备到主机的数据传输帧起始（SOF）0101b帧开始标识和帧序列号令牌（Token）设置（SETUP）1101b从主机到设备，表示要进行控制传输数据0（

DATA0）0011b同步切换位为0的数据包数据（Data）数据1（DATA1）1011b同步切换位为1的数据包确认（ACK）0010b接收端收到无差错的数据包不确认（NAK）1010b接收设备不能接收数据，或发送设备不能发送数据握手（Handshake）停止（STALL）1110b设备端点挂起

，或一个控制传输命令得不到设备的支持专用（Special）预同步（PRE）1100b由主机发送，表示将进行低速设备的总线通信•数据字段：用于携带主机与设备之间要传递的信息。根据事务的不同，可能是一个目标设备的地址、

端点号、帧序列号以及数据。•循环冗余校验字段（CRC）：根据包的类型不同而由不同的多项式计算而得。•针对数据包，要进行16位CRC计算，多项式为G(X16)＝x16+x15+x2+1。•针对令牌包，要进行5位CRC计算，多项式为G(X5)＝x5+x2+1。2022/12/1132•包结尾（EOP

）字段•包的发送方在包的结尾发出的包结尾信号。•包结尾表现为差分线路的两根数据线保持2比特低位时间和1比特空闲位时间。USB主机根据EOP判断数据包的结束。2022/12/1133