第9章 微机总线技术
教科书中，这一章主要结合总线和接口的标准介绍常用的微机总线如PC/XT总线、ISA总线、EISA总线和PCI总线等的基本概念及其应用开发，随之也对目前常用到的接口标准如IDE、SCSI等作了介绍。最后较详细地介绍了目前正在流行和发展的USB、IEEE1394接口标准的结构协议和应用。
9.1 分析教材内容
本章仅对重点进行提示并刊载教科书习题参考答案。
9.1.1 分析重点、难点问题
1. 微机总线的类型及接口标准的分类；请参阅教科书P311。
2. 微机总线的组成、总线规范和性能指标
1）微机总线的组成、总线规范和性能指标； 请参阅教科书P311-313。
2）PC/XT总线；请参阅教科书P313。
3）ISA总线；请参阅教科书P313-315。
4）EISA总线；请参阅教科书P315-316。
5）PCI局部总线；请参阅教科书P316-321。
6）AGP总线；请参阅教科书P321-322。
3. 微机常用接口标准
1）ATA接口标准；请参阅教科书P323-324。
2）SCSI接口标准；请参阅教科书P324-326。
3）USB接口标准；请参阅教科书P326-331。请注意本节内容，其技术很实用。
4）IEEE 1394接口标准；请参阅教科书P330-333。
5）VXI总线接口标准；请参阅教科书P333-334。
9.1.2 典型例题解析
【例9-1】EISA总线相对ISA总线有哪些特点？
答：可从七方面分析：
1. 地址总线扩充到32位，意味着EISA系统所提供的存储容量已不再受到系统体系结构的制约而能操作整个80x86的存储器空间。
2. 32位数据总线大大提高了数据传输能力，保证了系统性能的提高，使最大数据传输速率达33MB/s。
3. 支持多主控总线功能，使普通微机的单处理器工作方式升格为多处理器工作状态。总线主控是指一种设备，它可以通过总线仲裁器申请控制总线，从而可以独立于CPU用EISA 1
控制信号操作总线。多主控总线能支持智能型复杂外设所组成的总线主控体系结构，构成功能强大的系统。
4. 任一中断可编程为边缘触发或电平角发。边缘触发方式可以与ISA设备原有的中断驱动方式完全兼容，而电平触发广度苛以使多个设备共享中断请求信号线。
5. 具有自动配置功能，可根据配置文件自动地初始化，配置系统板和多扩展卡。
6. 扩充了直接存储器访问（DMA）的范围，提高了DMA传送速度。
7. 采用同步数据传送协议，可支持常规的一次传送，也可支持突发（Burst）方式即高速分组传送。
【例9-2】为什么USB接口受到用户的欢迎?
答: USB接口之所以受到用户欢迎，是因为:
1. 是最重要一点就是它的通用性。USB用一种通用的连接器连接多种类型的外设，其通用连接器为4针插头，替代了形形色色的串/并接口。
2. USB支持热插拔连接、即插即用，USB能自动识别USB系统设备的接入或断开，方便了用户操作。
3. USB接口具备较快的传输速度。USB1.0分别提供了1.5MB/s的USB低速和12MB/s的USB全速，后者比普通串口要快100倍。USB2.0版本在USB1.0的基础上又提高了USB的传输速度，其速度达480MB/s。
4. USB能提供+5v、500mA的电源供低功率USB设备使用。
5. USB 采用星形曾次结构和Hub技术，允许一个主控机连接多达127个外设
例如，目前用户使用的U盘、移动硬盘和微型机对接，均采用USB接口技术。
【例9-3】IEEE 1394是何类型总线标准？性能特点是什么？
答：IEEE 1394是一种高性能的串行总线标准。其性能特点是：
1. 传输速率高
市场上目前发售的IEEE 1394标准的大规模集成电路一律支持400MB/s的数据传输速度，技术人员正在研究更高速的传输速度，如开发1GB/s级的大规模集成电路。
2. 优越的实时性能
IEEE 1394接口支持异步和同步两种模式传送，加上IEEE 1394的高传输速度，在同步传送模式中可用于实时地传送视频和音频数据，能保证图像和声音实时传输。
3. 带电插拔、即插即用性能
IEEE 1394采用设备自动配置技术，具备热插拔和即插即用的功能，方便了用户。USB设备的加入和移出后，IEEE 1394会自动调整局部拓扑结构，实现网络重构和自动分配ID。
4. 直接提供电源的性能
IEEE 1394标准的接口信号线采用6芯电缆，其中4根信号线组成两对双绞线传送信息，另外两根作为电源线向被连接的设备提供4v-10v/1.5A的电源。其优点是免除了为每台设备配置独立的供电系统，并且当设备断电和出现故障时，也不会影响整个系统的正常运行。
5. 通用性强的性能
IEEE 1394允许采用菊花链和树型结构，实现混合连接，混合连接时，在一个接口上最多可连接63个不同种类的设备。正因为其具有通信性强的性能，它连接的设备不仅数量多，而且种类繁琐，包括传统外设如硬盘、光驱、打印机、扫描仪；多媒体设备，如声卡、视频 2
卡；电子产品如，数码相机、DVD播放机、视频电话；家用电器如，VCR、HDTV、音响等。也为微机外设和电子产品提供了统一的接口，增强了通用性。
9.2 教材习题解答
1. 什么是总线标准和接口标准？二者有何差异？
【解】所谓总线标准是指国际组织正式公布或推荐的应用各种不同模块组成各种计算机系统时必须遵守的规范，即计算机系统各模块之间通过微机总线连接和传输信息时，必须遵守的协议。总线标准一般从硬件和软件两个方面予以规范。
接口标准指的是外设接口的规范和定义。其中涉及到外设接口信号线的定义及排序、传输速率、传输方向、电器和机械特性等方面内容。不同外设有不同的接口标准，只有符合该标准的外设，才能使用该接口标准。
二者的差异：
(1) 微机总线具有公用性的特点，在微机系统内不同类型的功能模块均可挂接到总线上，并分时复用总线共享总线资源。而接口标准具有专用性的特点，一般情况下一种接口只连接一类设备
(2) 总线信号传输形式一般采用并行传输方式，而接口标准的信号传输形式既有并行传输又有串行传输。
(3) 接口标准一般实施在微机箱外以插头或插座形式提供用户使用。总线的信号线一般在微机箱内部。
2. 微机总线和接口标准可分为哪几类？
【解】按照总线所处的位置可将微机总线分为五种类型：内部总线、系统总线、元件级总线、局部总线、通信总线。
接口标准依其所连接设备的性质和功能分为以下五类：串/并行接口标准、外存接口标准、视频显示接口标准、测试仪器接口标准、新型的通用外设接口标准。
3. 微机总线的规范是什么？评价一种总线的性能有哪几种指标？
【解】微机总线的规范一般包括以下内容：
(1) 信号功能规范。包括信号线分类，数据传送方式及位数，控制信号的功能等。
(2) 电气规范。包括驱动类型、每槽输入负载、供电电源、直流特性、交流特性等。
(3) 定时规范。包括各种操作的时间参数。
(4) 机械规范。包括插槽布置、插件板尺寸等。
评价一种总线的性能一般包括以下几种指标：
(1) 数据传输性能。数据传输始终是总线的基本功能，比较重要的性能参数包括传输类型（同步传输还是异步传输）、传输速率（兆字节/秒）、数据线位数、地址线宽度等。
(2) 中断处理功能。几乎每种总线都支持中断功能，其关键参数是中断线数量，直接中断能力、中断类型等。
(3) 多重主控功能。相当一部分总线支持多重主控。当多个主控设备同时请求总线进行信息传输时，需要总线仲裁来确定下一个使用总线的主控设备。其重要指标是总线仲裁系统构成、仲裁时间和仲裁算法等。
(4) 其它实用功能。包括电源故障处理、总线错误检测、备用电池能力等。
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4. ISA总线有哪几类总线组成？各有多少条？
【解】地址线SAOS~A19（共20条）； 数据线SDO~SD7（共8条）； 控制线（共21条）；状态线（共2条）；辅助线和电源线（共11条）。
5. 什么是PCI设备的配置空间？起什么作用？
【解】为了实现自动配置，PCI总线规范要求每个PCI设备都要有256个字节的空间来存放设备说明等配置信息，这个空间称为配置空间。配置空间分成预定首区和设备关联区。预定首区占64个字节，对这个区域，各PCI设备必须服从统一的数据结构，其余192字节由设备规定。
配置空间是PCI局部总线和其它总线的最大区别之一，它用于扩展卡和器件的自动配置。当PCI扩展卡插入系统时，系统能根据配置空间的信息自动为扩展卡及设备分配存储地址、端口地址和中断线等。
6. 试比较PCI总线和AGP总线？
【解】PCI局部总线是一种高性能、32位或64位地址数据线复用的总线。它的用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展和处理器/存储器系统之间提供一种内部连接机制。
AGP加速图形端口(accelerated graphics port)是由AGP执行者论坛与19xx年8月提出的一种新型视频接口标准，它是专门为3D加速而设置的加速图形接口，其技术支持3D图形数据跨过了PCI总线，把主存和显存连接起来，解决了PCI总线设计中对于超高速系统的瓶颈问题。
采用AGP的目的是为了解决PCI总线形成的系统瓶颈，而不是用AGP去取代PCI。它既具有PCI的一些特性又有一些性能超过PCI。
7. 为什么要使用AGP图形加速端口？AGP总线采用哪些先进技术？
【解】采用AGP的目的是为了解决PCI总线设计中对于超高速系统的瓶颈问题。它是对PCI总线的增强和扩充，实现高性能的3D图像处理。
AGP总线采用的先进技术包括：
(1) 采用双泵（双时钟）技术。利用66.6MHz的时钟信号上升沿和下降沿都可以同时存取数据，相当于使工作时钟频率提高为原来的两倍，即达到133MHz。
(2) AGP允许图形控制器直接访问系统主内存，因此AGP可直接对系统主存中的图像进行处理，可减少主内存和图形控制器之间的数据传输量，从而加快数据传输速度。
(3) 采用流水线技术进行内存读写，减少了总线阻塞，提高了图形处理效率。
(4) 采用多路信号分离技术，把总线上的地址信号与数据信号分离，通过使用边带寻址SBA(sideband address)总线来提高随机内存的访问速度。
(5) 采用DIME技术，将纹理数据置于帧缓冲区之外的系统主内存，从而让出帧缓冲区和带宽供其他功能使用，以获得更高的屏幕分辨率，或者允许Z缓冲产生更大的屏幕面积。
8. ATA/ATA-2接口标准的功能是什么？二者有何不同？
【解】ATA/ATA-2接口标准是硬盘控制器的接口标准。该接口把早期的硬盘接口中的控制器部分设置到驱动器中，故在硬盘适配卡中减少了控制器部分，大大地简化了硬盘适配器逻辑电路。驱动器中借助于控制器逻辑可采用不同编码方式和定位方式，大幅度提高了磁道密度和位密度，从而大大增加了磁盘存储空间的容量。控制器设置到驱动器中解决了驱动器和控制器之间的数据丢失问题，增强了数据传输的可靠性且提高了数据传输速率。
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二者的不同：
(1) ATA标准仅是一个硬盘标准，故其只支持硬盘。ATA-2标准支持符合ATAPI(AT attachment packet interface)接口标准的硬盘、磁带驱动器乃至CD-ROM驱动器等。
(2) ATA标准提供了一个和主板连接器插口相接的ATA插座，最多只能挂两个硬盘。ATA-2能提供两个接口插座，可连接四个符合ATAPI接口的设备。
(3) ATA标准最多允许硬盘的磁头数为16个，这样就限定了硬盘最大容量为528MB。ATA-2支持大容量硬盘、磁带机等，其中硬盘最大容量达8.4GB。
(4) ATA标准中的DMA方式是一种可选方式，一般狠少使用，它支持PIO0、PIO1、PIO2三种PIO方式传送数据。该标准采用的三种PIO方式的最小总线周期分别为600ns、383ns、240ns。ATA-2标准增加了PIO3和PIO4两种新PIO方式传送数据，总线周期分别为180ns和120ns，速度更快。ATA-2标准中DMA方式得到充分利用，DMA方式分别为单字DMA方式和多字DMA方式。
9. SCSI总线的信号线是如何定义的？其总线操作过程分为哪几个阶段？
【解】以8位数据SCSI总线、单端方式传输信号为例，传输线是一根50芯电缆，接口信号定义如下：
DB（0-7）：8位数据总线。
DB（P）：奇偶校验位。
TERMPWR：终端电源（Terminator Power）,是SCSI设备的片外电源供电电路接入线。 ATN：注意（Attention），这是主设备发出的有信息要传送的信号，希望引起目标设备的注意。
BSY：该信号为真，表明SCSI设备处于“忙”（Busy）状态。
ACK：启动设备对目标设备的应答（Acknowledge）信号。
RST：要求总线上所有设备复位。
MSG：在消息（Message）阶段由目标设备置为真。
SEL：选择（Select）信号，启动设备选择目标设备或目标设备选择启动设备。
C/D：表明数据总线所送信息的类型（Control/Data）。
REQ：目标设备向启动设备发出数据传送请求（Request）。
I/O：表明数据传送的方向，也用以区分选择阶段和重选阶段。
其余信号线用作接地线和保留线。
SCSI总线操作分为8个阶段：总线空闲阶段、仲裁阶段、选择阶段、重选阶段、命令阶段、数据阶段、状态阶段和消息阶段。
10. 什么是USB？简述USB的系统组成。
【解】USB(Universal Serial Bus)是一个通用串行总线接口标准，用一种通用的连接器连接多种类型的外设，其通用连接器为4针插头，支持热插拔连接、即插即用，具备较快的传输速度。
USB系统是由硬件和软件两大部分组成。USB硬件部分包括USB主机、USB设备和连接电缆。USB系统软件部分主要由三个驱动程序来组成，分述是USB设备驱动程序、USB驱动程序、主控制器驱动程序。
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11. USB有哪几种数据传输方式？
【解】USB系统信息流中有四种类型的数据流，与其对应的数据传输方式亦有四种方式。
(1) 控制传输(Control)：控制传输主要用作与配置设备也可以用作设备的其他用途。控制传输是双向传输，一般传输经历两个阶段，分别为setup阶段、data transmission阶段和status阶段。setup阶段USB主机发出命令给设备；data transmission阶段是传输上阶段所设定的数据；status阶段主机接收设备返回的握手信号。USB协议规定USB设备必须用端点零完成控制传送，其时间是当USB设备第一次被USB主机检测到时和USB主机交换信息。其内容是提供设备配置、设定外设和传送状态的双向通信。
(2) 批传输(bulk)：它是用来传送大批数据，可以是单向也可以是双向，批传输传送的时间性要求不高，但要确保数据的正确性。
(3) 中断传输(interrupt)：它是用于随机的、少量的数据传送，其信息传输是单向的。USB中断传输是用查询方式实现，主机要频繁地请求端点输入，当查询到输入时进行数据传送。
(4) 等时传输(isochronous)：等时传输用于传送连续性、实时性较强的信息，可单向也可双向传输。此种方式的特点是要求传输速率固定、时间性强、不计传送错误，也就是传输中出现错误也不重复执行。
12. USB总线上每一次交换至少需要哪几个包才能完成？
【解】USB总线上的每一次交换一般都需要三个传送包方能实现，它们分别是标志包、数据包、握手包，但是等时传输不需要握手包。
USB总线上的每一次交换的过程是：首先由主机发出标志传送包，该包中有USB设备地址码、端点号、传输方向和传输类型等信息。然后数据源向数据目的发送数据传送包或发送无数据传送的指示信息信号，在每一次交换中，数据传送包中的数据最多为1023B。最终是数据目的方向数据源发送一个握手信息包，提示数据是否正常发送的反馈信息，若出现发送错误，则需重复执行。
13. IEEE 1394的协议层次结构是什么？
【解】IEEE 1394标准用一组三层协议使主控机与外设交互标准化，其三层协议为物理层、链接层和交换层，由串行总线管理将这三个层次连接起来。
(1) 物理层(physical layer)
物理层根据不同总线的物理介质，将数据链接层的逻辑信号转换成实际的物理电信号，并提供了保证每次只有一种设备传输数据的仲裁服务。该层又包含物理协议子层和物理介质相关子层，其中物理协议子层的功能是控制和管理总线仲裁方式，提供了使用本地时钟再同步数据以及数据传输速度的自动检测。物理介质相关子层定义了机械和电器接口以及信号传输的方法。
(2) 链接层(link layer)
链接层定义了以数据传输包形式进行的数据传输服务。该层为异步传输数据包和等时传输数据包提供了包传送功能。该层主要完成数据的编址、校验和数据包的制作。
(3) 交换层(transaction layer)
交换层定义了请求应答协议用以执行总线传输。该层支持对异步传输协议的读/写和锁定，读命令使接收端向发送端返回数据，写命令使发送端发送数据到接收端，锁定命令综合了读/写两种功能，该层隐藏了IEEE 1394较低层的细节方便了用户的使用。
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14.有哪几种控制器结构？
【解】VXI总线常用的控制器有以下几种：
(1) IEEE－488控制器。它可以接几个主机箱，亦可同时接IEEE－488仪器。其特点是具有最普通的仪器界面，容易将VXI总线仪器与IEEE－488仪器混合使用，最高传输速率为1MB/s，速度最慢，最多可控制168个标准模块，价格最低。
(2) 嵌入式（亦称内置式）VXI总线控制器。它能直接放入主机箱中，并具有一台通用计算机（486或586微机）的全部功能。其主要特点是外形尺寸小，能直接控制VXI总线及12个标准模块，传输速率可达40MB/s，速度最快。
(3) MXI控制器。其价格与IEEE—488控制器相当，传输速率可达(20～33)MB/s。
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