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第9章 总 线
9.1 总线技术概述
9.2 总线系统结构
9.3 总线信息传送方式及定时
9.4 总线的仲裁
9.5 计算机中的总线
9.6 新一代总线
关联
习题
9.1 总线技术概述
　　计算机可以看成是由三大部件构成，即中央处理器(CPU)、存储器(M)和输入/输出(I/O)系统，而计算机工作过程中信息的流动，就表现在这三大部件之间的通信。
总线(BUS)是一组传输公共信息的信号线的集合，是在计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通路。
　　总线能为多个部件服务，总线的基本工作方式通常是由发送信息的部件分时地将信息发往总线，再由总线将这些信息同时发往各个接收信息的部件。究竟由哪个部件接收信息，要由CPU给出的设备地址经译码产生的控制信号来决定。
　　1．工作原理
　　当总线空闲(其他器件都以高阻态形式连接在总线上)且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到(或能够收到)与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出(输出变为高阻态)。
　　2．总线的分类
　　1) 按照总线的位置分
　　(1) 片内总线。它是位于大规模、超大规模集成芯片内部各单元电路之间的总线，作为这些单元电路之间的信息通路。如CPU内部ALU、寄存器组、控制器等部件之间的总线。
　　(2) 局部总线(内部总线)。通常指微机主板上各部件之间的信息通路。由于是一块电路板内部的总线，故又称在板局部总线。较典型的局部总线有：IBM-PC总线、ISA总线、EISA总线和PCI总线等。
　　(3) 系统总线(外部总线)。是指微机底板上的总线，用来构成微机系统的各插件板、多处理器系统各CPU模块之间的信道。较典型的系统总线如STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。
　　(4) 通信总线。它是微机系统与系统之间、微机系统与其它仪器仪表或设备之间的信息通路。这种总线往往不是计算机专有的，而是借用电子工业其它领域已有的总线标准并加以应用形成的。流行的通信总线如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485、IEEE-488、VXI等总线标准。
　　2) 按照系统的功能分
　　(1) 数据总线用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即它既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理器的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。
　　(2) 地址总线是专门用来传送地址。由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为216＝64 KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为220＝1 MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。
　　(3) 控制总线用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。
　　3) 按照传输数据的方式分
按传输数据方式分可以分为串行总线和并行总线。串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2根。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。
　　4) 按时钟信号是否独立分
　　按时钟信号是否独立分可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。SPI、I2C是同步串行总线，RS232采用异步串行总线。
　　3．总线功能
　　1) 数据传输功能
　　数据传输功能是总线的基本功能，用总线传输率来表示，即每秒传输的字节数，单位是MB/s(兆字节每秒)。影响总线传输率的因素有：总线宽度、时钟频率等。
　　2) 多设备支持功能
　　多个设备使用一条总线，首先是总线占用权的问题，哪一个主设备申请占用总线，由总线仲裁器确定。
　　3) 中断
　　中断是计算机对紧急事务响应的机制，是计算机反应灵敏与否的关键。
　　4) 错误处理
　　错误处理包括奇偶校验错、系统错、电池失效等错误检测处理，以及提供相应的保护对策。 　
　　4．总线的特性
　　在总线层次中，CPU总线、存储总线，因不同的计算机系统采用的芯片组不同，所以这些总线也不完全相同，互相没有互换性。而系统总线则不同，它是与I/O扩展插槽相连接的。I/O插槽中可以插入各种扩冲板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。因此要求系统总线必须有统一标准，它们必须在以下几方面作出规定：
　　1) 机械特性
　　物理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的根数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列的等。例如：IBM-PC/XT的总线共有62根线，分两列编号。
　　2) 电气特性
　　电气特性主要是定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围。一般规定送入CPU的信号称为输入信号，从CPU送出的信号称为输出信号。
　　3) 功能特性
　　确定引脚名称与功能，及其相互连接的协议。功能结构规范是总线的核心，通常以时序和状态描述信息的交流、流向及管理规则。总线在功能结构方面的规范包括：数据线、地址线、读/写及其它控制线、状态线、时钟线、电源线和地线等；中断机制；总线主控仲裁；应用逻辑：如联络(也称握手)线、复位、自启动、休眠维护等。
　　4) 时间特性
　　时间特性确定了每根线在什么时间有效，也就是每根线的时序。
　　5．总线的数据传送
　　1) 申请占用总线
　　需要使用总线的总线主设备向总线仲裁机构提出占用总线的请求，经总线仲裁机构判定，若满足响应条件，则发出响应信号，并把下一个总线传送周期的总线控制权授予申请者。
　　2) 寻址
　　获得总线控制权的总线主设备，通过地址总线发出本次要访问的存储器和I/O端口的地址，经地址译码选中被访问的模块并开始启动数据转换。
　　3) 传送数据
　　总线主设备也叫主模块，被访问的设备叫从模块。主模块和从模块之间的操作是由主模块控制在两个从模块之间通过数据总线进行数据传送。
　　4) 结束
　　主、从模块的信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它主模块使用。
　　6．总线的性能指标
　　1) 总线宽度
　　数据总线一次能传送的数据位数(数据线根数)。总线宽度越宽则总线每次传输的数据量越大。
　　2) 总线带宽
　　总线带宽又称为总线数据传输率，是单位时间内总线上传送的数据量(MB/s)。总线带宽越大其性能越高。
　　3) 总线工作时钟频率
　　总线工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则总线工作速度越快。
　　4) 其他指标
　　其他指标主要包括负载能力、总线仲裁时间等。
9.2 总线系统结构
9.2.1 总线通道组成
　　早期总线实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般由50～100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。
　　简单总线结构的不足之处在于：第一，CPU是总线上的唯一主控者；第二，总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。
　　当代流行的总线是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足包括多个CPU在内的主控者环境需求。在当代总线结构中，CPU和它私有的Cache一起作为一个模块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。而总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。
　　整个总线分成如下四部分：第一部分，数据传送总线，由地址线、数据线、控制线组成；第二部分，仲裁总线，包括总线请求线和总线授权线；第三部分，中断和同步总线，用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线；第四部分，公用线，包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。
9.2.2 总线结构类型
　　1．单总线结构
　　单总线结构是用一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件，计算机系统的所有设备都挂在这条总线上，各大部件之间所有的信息传送都通过这组总线。
　　早期的计算机，如美国DEC公司PDP-11机只使用一组总线，所有的部件和设备都接在这唯一的总线上，包括数据总线、地址总线、控制总线，其优点是结构简单、成本低廉，缺点是运行效率低。其结构如图9-1所示。
图9-1 单总线结构
　　单总线结构能经同一总线实现I/O设备之间以及I/O设备与CPU之间的直接联系，这是一条共享总线，是微型机和小型机经常采用的一种总线结构。
　　单总线结构具有以下特点：① 所有连接到单总线上的计算机系统部件都共享同一地址空间。也就是说，主存储器的存储单元、各个子系统中所有能与总线实现通信的寄存器都可以统一编址。I/O设备地址都采取存储器映射方式编址，因而指令系统中没有输入输出指令，任何访问存储器的指令都可以访问连接到总线上的任何设备。② 单总线采用异步通信方式，其传输速率只与设备固有速率有关，而与总线上其他子系统无关，与总线的物理长度无关。③ 单总线不仅用在处理器级部件间互连，而且也可以用于各单元部件之间的连接。它们都具有标准总线的接口。④ 与总线连接的所有部件是互相独立的，这种总线结构便于系统部件的扩充。
　　2．双总线结构
　　单总线结构的缺陷是系统效率和连接到总线上的各设备的利用率不高。这是因为单总线不允许多于两台的设备在同一时刻交换信息。为了克服这一缺陷，在有些小型机和大、中型机中，让I/O总线与内存总线分开，形成了双总线结构。
　　这种总线结构有两条总线，一条是内存总线，用于CPU、内存和通道之间进行数据传送；另一条是I/O总线，用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。其结构如图9-2所示。
图9-2 双总线结构
　　在双总线结构中，通道是计算机系统中的一个独立部件，使CPU的效率大为提高，并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的，通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，所以双总线通常在大、中型计算机中采用。
　　3．三总线结构
　　三总线结构计算机是基于上述思想，在CPU和主存之间设置了一条独立总线，以进一步提高计算机的效率。这种总线结构是在计算机系统的各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是内存总线、输入/输出(I/O)总线和内存访问(DMA)总线，如图9-3所示。
图9-3 三总线结构
　　在三总线结构中，内存总线用于CPU和内存之间传送地址、数据和控制信息；I/O总线供CPU和各类外设之间的通信；DMA总线使内存和高速外设之间能够直接传送数据。一般来说，在三总线结构中，在任一时刻只使用一种总线，但若使用多入口存储器，内存总线可与DMA总线同时工作，此时，三总线系统可以比单总线运行得更快。但是三总线系统中，设备到设备不能直接进行信息传送，而必须经过CPU或内存间接传送，所以三总线系统总线的工作效率较低。
　　若再把不同速率的外部设备分类连接建立多条总线，则就是多总线结构了。
9.3 总线信息传送方式及定时
9.3.1 总线信息传送方式
　　计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。
　　1．串行传送?
　　当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号，每次一位，通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位。在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并/串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要进行串/并变换，这称为装配。串行传送的主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。
　　2．并行传送
　　用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送。并行传送一般采用电位传送。由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。
　　3．分时传送
　　分时传送有两种概念：一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。
9.3.2 总线定时
　　获得总线使用权的设备或部件可以在总线上进行数据通信。总线通信方式是实现总线控制和数据传送的手段。信息在总线上的传送方式通常有同步和异步两种方式。
　　1．同步通信
　　总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号进行同步，部件之间按照约定时钟时间进行信息交换，这种方式称为同步通信。这个公共的时钟信号可以由总线控制部件发送到每一个部件或设备，也可以每个部件有自己的时钟发生器，但是，它们都必须由CPU发出的时钟信号进行同步。由于采用统一的时钟，所有总线信号和命令必须以总线时钟有效时开始，所有总线操作以总线时钟为基本时间单位，即总线所用时钟数必须是整数。
　　同步通信的优点是具有较高的传输速率，数据传输速度快，总线控制逻辑也比较简单。同步通信适用于总线长度较短，各部件存取时间比较接近的情况。因此带来的缺点是假如总线长度长了，势必降低数据的传输速率。由于总线长度较短，不能及时进行数据通信的有效性检验。
　　2．异步通信
　　任何一个事件都只能是前面一个或一些事件的结果，所有设备以信号“握手”的方式进行联系，从而完成总线操作等工作，这种数据传送的方式称为异步通信。
　　异步通信最根本的特征是总线系统中没有统一的时间标志，允许总线上的各部件有各自的时钟，部件之间的通信不依靠公共的时间标准，而是利用应答方式的“握手”信号来实现。发送部件将数据放到总线上后，经过一定的时间延迟，便在控制线上发出“数据准备好”信号，而接收部件则应发“数据接收”信号来响应，把此信号送到源部件上，并接收数据。发送部件接收到响应信号后，去除原数据，本次传送结束。
　　异步通信方式的优点是，便于实现不同传输速率部件之间的数据传送，而且对总线长度也没有严格的要求，还能实现数据的有效性检验。缺点是速度一般不如同步通信方式高，而且总线控制逻辑也相对复杂一些。
9.4 总 线 的 仲 裁
　　由于存在多个设备或部件同时申请对总线的使用权，为保证在同一时间只能有一个设备获得总线使用权，必须具有总线仲裁部件，总线仲裁部件按照申请者的优先权选择设备。只有获得了总线使用权的设备或部件，才能开始数据传送。按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。总线仲裁电路基本集中在一处的(如集中于CPU中)，称为集中式仲裁；而总线仲裁电路分散在总线各部件的，称为分布式仲裁。
9.4.1 集中式仲裁
　　集中式仲裁是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，集中式总线的仲裁方式主要有以下三种：链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。
　　1．链式查询方式
　　在链式查询方式电路中，除一般数据总线和地址总线外，在控制总线中有三根线用于总线的控制，它们分别是总线忙(BS)线、总线请求(BR)线和总线同意(BG)线，如图9-4所示。
图9-4 链式查询方式
　　BS：总线忙/闲状态线，当其有效时，表示总线正被某外设使用。
　　BR：总线请求线，当其有效时，表示至少有一个外部设备要求使用总线。
　　BG：总线同意，当其有效时，表示总线控制部件响应总线请求(BR)。
　　总线同意信号(BG)是串行地从一个I/O接口送到下一个I/O接口，如果BG到达的接口无总线请求，则继续往下传；如果BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下传，这意味着该I/O接口获得了总线使用权。BG信号就像一条链一样串联所有的设备接口，故这种总线控制方式称为链式查询方式。在查询链中，离总线控制器最近的设备具有最高优先权；离总线控制器越远的设备，优先权越低。
　　这种方式的优点是只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。缺点是对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。
　　2．计数器定时查询方式
　　计数器定时查询方式的工作原理是：总线上任一设备要求使用总线时，通过“总线请求”(BR)线发出总线请求信号，总线控制器接到请求信号后，在“总线忙”(BS)为复位的情况下，让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发至各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备把“总线忙”(BS)置位，获得了总线控制权。此时，终止计数查询。每次计数可以从“0”开始，也可以从终止点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，即优先次序是固定的。如果从终止点开始，则是一种循环方法，每个使用总线的优先级是相同的。如图9-5所示。
图9-5 计数器定时查询方式
　　这种方式的优点是：由于查询可以被程序控制(计数器的初值可由程序设定)，所以优先次序可以方便地改变。另外，这种查询方式不会出现链式查询那样当某个设备的接口中有关键的电路出现故障时，会影响其他设备使用总线。缺点是：要有一组设备地址线，从而增加了控制线的数量，而且控制也较为复杂。
　　3．独立请求方式
　　在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对“总线请求”(BR)和“总线同意”(BG)线。当设备要求使用总线时，便发出“总线请求”信号，总线控制部件中一般有一个排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，当请求的设备排上队，便收到“总线同意”(BG)信号，从而可以使用总线。如图9-6所示。
图9-6 独立请求方式
　　独立请求方式的优点是：响应时间快，对优先次序的控制也相当地灵活，它可以预先固定优先次序，也可以通过程序来改变优先次序。并且在必要时屏蔽某些设备的请求。缺点是：控制线的数量多。比如要控制n个设备，必须有n根“总线请求”线和n根“总线同意”线，另外，独立请求方式的控制器也要复杂得多。
9.4.2 分布式仲裁
　　分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。
9.5 计算机中的总线
　　总线是构成计算机系统的基础，它将影响系统的灵活性、成本、性能和可靠性。由于超大规模集成电路工艺的发展，系统的复杂性也在不断地增加，总线则往往成为提高性能、可靠性和模块化的制约因素。因此，在大多数微机系统中推行标准总线技术。标准总线使得总线接口部件标准化，简化了系统设计，缩短了开发时间，降低了开发成本，增加了系统配置的灵活性。下面就介绍几种常用标准总线。
9.5.1 内部总线
　　1．工业标准总线ISA
　　最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，它基于8 bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。1984年，IBM推出基于16 bit Intel 80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16 bit，并被称为PC/AT总线。而为了开发与IBM PC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBM PC总线规范为基础的ISA(Industry Standard Architecture, 工业标准架构)总线。
　　ISA总线最大传输速率仅为8 MB/s，但允许多个CPU共享系统资源。由于兼容性好，它在20世纪80年代是最广泛采用的系统总线，不过它的弱点也是显而易见的，比如传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。使用286和386SX以下CPU的电脑似乎和8/16 bit ISA总线还能够相处融洽，但当出现了32 bit外部总线的386DX处理器之
后，总线的宽度就已经成为了严重的瓶颈，并影响到处理器性能的发挥。因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32 bit，这就是著名的EISA(Extended ISA，扩展ISA)总线。
　　2．EISA总线
　　EISA总线插槽的外形与ISA总线完全相同，但插槽为两层结构，第一层的引线定义与ISA的一样，共98根引线；第二层的引线是EISA的扩充部分，共90根引线。EISA是32位总线，支持多处理器结构，具有较强的I/O扩展能力和负载能力，支持多总线主控，传输率为33 Mb/s，适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体等领域。由于EISA总线是兼容商共同推出的，技术标准公开，因而受到世界上众多厂家的欢迎。
　　EISA是一种支持多处理器的高性能32位标准总线，但由于兼顾了ISA的电气特性，因而妨碍了EISA总线速度的进一步提高，但由于是32 bit总线的缘故，带宽提高了一倍，达到了32 MB/s。可惜的是，EISA仍旧由于速度有限，并且成本过高，在20世纪90年代初的时候，被PCI总线给取代了。
　　3．PCI总线
　　PCI总线(Peripheral Component Interconnect，即外部设备互连总线)，是Intel公司在1992年率先提出的。其引脚排列示意图如图9-7所示。
图9-7 PCI总线的引脚排列示意图
　　随着计算机技术的迅速发展和信息化水平的不断提高，对计算机外设的使用性能要求越来越高，特别是对图形显示的高要求，硬盘容量的增大和数据传输率的提高，要求有更高性能的总线。原有的ISA总线和EISA总线显然已不适应。当时CPU 的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接收数据，使得整机的性能受到严重的影响。
　　为了解决这个问题，1992年，Intel在发布486处理器的时候，同时也提出了32 bit的PCI总线。从数据宽度上看，PCI总线有32 bit、64 bit之分；从总线速度上分，有33 MHz、66 MHz两种。最早提出的PCI总线工作在33 MHz频率之下，传输带宽达到了133 MB/s(33 MHz
× 32 bit/8)，比ISA总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1993年提出了64 bit的PCI总线，后来又提出把PCI总线的频率提升到66 MHz。目前广泛采用的是32 bit、33 MHz的PCI总线。
　　PCI总线是独立于CPU的系统总线，采用了独特的中间缓冲器设计，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CPU总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到充分的发挥。在PCI上包含有寄存器，上面带有配置所需的器件信息。
　　PCI总线的特点：
　　(1) PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用。这样做的好处是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在作数据传输时，由一个PCI设备做发起者(Master)，而另一个PCI设备做目标(Slave)。总线上的所有时序的产生与控制，都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构，来决定谁有权力拿到总线的主控权。
　　(2) 支持即插即用。当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不像旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。即插即用实际的实现远比说起来要复杂。在PCI板卡中，有一组寄存器，叫“配置空间”，用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。
　　以内存地址为例。当上电时，板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要根据这个信息分配内存，并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。
　　(3) 实现中断共享。ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。
　　PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电平。
　　软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡A用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现板卡B也用中断7，这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。
　　4．AGP总线
　　三维图形应用的发展，对显卡的计算速度提出了越来越高的要求，PCI总线对于胃口越来越大的3D显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI总线的补充——AGP总线就应运而生了。
　　AGP总线不同于通用的PCI局部总线，它是供图形加速卡专用的。其地址和数据分离(PCI为49根信号线，而AGP总线是65根)，可实现“流水线”处理；地址线和数据线分离，没有切换的“开销”，提高了系统实际数据传输速率和随机访问主内存时的性能。AGP总线的首要目的是将纹理数据置于主内存，以减少图形存储器的容量，从而可以生产廉价、高性能的图形卡，开通主内存到图形卡的高速传输通道。
　　AGP总线可以将系统主内存映射为AGP内存，用作图形卡上的专业显存的扩展，并通过直接内存执行方式提高系统的3D图形处理性能，减少图形设备对系统的占用。
　　AGP总线最重要的特征是提高了数据传输的带宽。由于AGP总线宽为32位，基于66 MHz时钟，并在时钟脉冲的“上升沿”和“下降沿”都能传输数据，因而可达到533 Mb/s的理论传输率，比普通PCI接口图形卡提高了4倍。而且由于AGP总线还借用了处理器的“流水线”技术，并有8条额外的“边际”数据请求线，支持对数据的“流水线”装入和预先读取，同时还可将需要的“边际数据”一起传输，从而大大增加了有效带宽。如果采用新潮的AGP 4× 模式，AGP总线的时钟频率将增加到133 MHz，其数据传输率将突破1 Gb/s大关。
9.5.2 外部通信总线
　　1．RS-232C总线
　　RS-232C是一种串行通信总线标准，也是数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口标准，是1969年由美国电子工业协会(EIA)从CCITT远程通信标准中导出的一个标准。RS-232C标准包括机械指标和电气指标，其中机械指标规定：RS-232C标准接口通向外部的连接器(插针和插座)是一个“D”型保护壳25针插头，如图9-8所示。
图9-8 RS-232C连接器
　　1) RS-232C的主要特点
　　(1) 信号线少。RS-232C总线共有25根线，它包括有主副两个通道，用它可进行双工通信。实际应用中，多数只用主信号通道(即第一通道)，并只使用其中几个信号(通常3～9根线)。
　　(2) 传输距离远。由于RS-232C采用串行传输方式，并将TTL电平转换成了RS-232C电平，在基带传输时，距离可达30 m。若是采用光电隔离20 A电流环传送，其传输距离可达1000 m。
　　(3) 可供选择的传输速率多。RS-232C规定的标准传送速率有：50、75、110、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19 200 Baud。可以灵活地使用于不同速率的设备。
　　(4) 抗干扰能力强。RS-232C采用负逻辑，空载时以+3～+25 V之间任意电压表示逻辑“0”，以-3～-25 V之间任意电压表示逻辑“1”，且它是无间隔不归零电平传送，从而大大提高了抗干扰能力。
　　2) RS-232C总线的功能规范
　　(1) 引脚分配。RS-232C总线共有25根信号线，其中，2根地线，4根数据线，11根控制线，3根定时线，5根备用线。引脚分配及定义如表9-1所示。
表9-1 引脚分配及定义
　　(2) 引脚信号说明。在RS-232C总线中，虽然绝大多数信号线均已定义使用，但在一般的微型计算机串行通信中，经常使用的只有以下9个信号线，具体见表9-2，它们都是主信道组的信号线。
表9-2 主信道组信号线
　　这9根引脚分为两类：一类是基本的数据传送引脚，另一类是用于调制解调器(Modem)的控制和反映它的状态的引脚。
　　基本的数据传送引脚：TXD、RXD、GND(2、3、7号引脚)是基本数据传送引脚。
　　Modem的控制和状态引脚：从计算机通过RS-232C接口送给Modem的控制引脚包括DTR和RTS。从Modem通过RS-323C接口传送给计算机的状态信息引脚包括DSR、CTS、DCD和RI。
　　● DTR数据终端准备完毕引脚，用于通知Modem计算机准备好，可以通信了。
　　● RTS为请求发送引脚，用于通知Modem计算机请求发送数据。
　　● DSR为数据通信设备准备就绪引脚，用于通知计算机，Modem准备好了。
　　● CTS为允许发送引脚，用于通知计算机Modem可以接收数据了。
　　● DCD为数据载体检测引脚，用于通知计算机Modem与电话线另一端的Modem已经建立联系。
　　● RI振铃信号指示引脚，用于通知计算机，有来自电话网的信号。
　　3) RS-232C电气总线的规范
　　RS-232C电气总线的规范如表9-3所示。
表9-3 RS-232C电气总线的规范
　　2．IEEE 1394
　　IEEE1394是由Apple公司于20世纪80年代中期开始开发的一种串行总线，中文译名为火线接口(firewire)，这个名称来源于它令人瞠目结舌的传输速度。该规范于1995年得到了标准化，其名称也由FireWire改为IEEE 1394。此外，索尼公司对IEEE 1394进行了许多改进，并且推出了它自己的版本dubbed i.Link，大部分的索尼计算机都使用了该版本的IEEE 1394规范。同USB一样，IEEE 1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备，支持同步数据传输。1394标准的最新版本是1394b。IEEE 1394接口如图
9-9所示。
图9-9 IEEE 1394接口
　　IEEE 1394分为两种传输方式：Backplane模式和Cable模式。Backplane模式最小的速率也比USB 1.1最高速率高，分别为12.5 Mb/s、25 Mb/s、50 Mb/s，可以用于多数的高带宽应用。Cable模式是速度非常快的模式，分为100 Mb/s、200 Mb/s、400 Mb/s和800 Mb/s几种，在200 Mb/s下即可传输不经压缩的高质量数据电影。
　　1394b是1394技术的升级版本，是仅有的专门针对多媒体——视频、音频、控制及计算机而设计的家庭网络标准。它通过低成本、安全的CAT5(五类)实现了高性能家庭网络。1394a自1995年就开始提供产品，1394b是1394a技术的向下兼容性扩展。1394b能提供800 Mb/s或更高的传输速度。近年来随着成本的下降，1394卡正迅速普及。虽然市面上还没有1394b接口的光储产品出现，但相信在不久之后也必然会出现在用户眼前。
　　1394接口具有把一个输入信息源传来的数据向多个输出机器广播的功能，特别适用于家庭视听AV(AUDIO-VISUAL)的连接。由于该接口具有等时间的传送功能，确保视听AV设备重播声音和图像数据质量，具有好的重播效果，严格地讲，IEEE 1394卡像USB一样只是通用接口，而不是视频捕捉卡。比如说，我们可以连接一个高速外接硬盘到IEEE 1394卡上。不过因为IEEE 1394卡的绝大多数用途是与DV数码摄像机相连采集数字视频信号，所以，我们通常把它看做捕捉卡了。目前市场上的1394卡可以简单的分成两类：带有硬件DV实时编码功能的DV卡和用软件实现压缩编码的1394卡。带有硬件编码功能的DV卡一般价格在数千元，带有硬件编码的DV卡可以大大提高DV编辑的速度，可以实时地处理一些特技转换，而且许多此类卡带有处理MPEG-Ⅱ视频流的功能。
　　IEEE 1394和USB产生于相同的历史背景，要解决同一个问题，即如何使外设与计算机的连接变得更方便，更简洁。但二者的立足点有所不同，前者立足于高速设备，而后者立足于中低速设备。当然，新的USB标准(USB 2.0)已提供对高速设备的支持。相比于USB接口，早期在USB 1.1时代，1394a接口在速度上占据了很大的优势，在USB 2.0推出后，1394a接口在速度上的优势不再那么明显。同时现在绝大多数主流的计算机并没有配置1394接口，要使用必须要购买相关的接口卡，增加额外的开支。
　　Apple公司对IEEE 1394的评价是：高速，高速，还是高速。这也说明了IEEE 1394总线的速率和USB总线相比，确实要快许多，然而，其电气特性、接口电路和通信协议都要比USB复杂，因而价格也高出许多。
　　下面所列是IEEE 1394总线的一些特点：
　　(1) 采用点对点模型，所有连接设备建立一种对等网络，设备之间可以互相通信而不通过主机。
　　(2) 单一总线最多连接63个物理节点，但一个计算机系统中最多可以有1024条IEEE 1394总线。
　　(3) 支持三种速率模式：100 Mb/s、200 Mb/s和400 Mb/s。1394 b又定义了三种更高的速率：800 Mb/s、1.6 Gb/s和3.2 Gb/s。而速率的选择是通过在总线上加入不同的共模电流来实现的。
　　(4) 支持等时和异步两种传输方式。等时传输的概念是按一定的速率进行传输，拥有固定的带宽，和USB不同的是，除了点对点的传输外，还可以一对多，进行广播式传输。异步传输通过唯一地址指定响应节点，通信时请求方(即发送方)与响应方(即接收方)需要进行联络。响应方在收到请求时要作出应答表示已收到请求，而请求方在收到响应方对请求所作的响应信息时也要作出应答，表示已收到响应。
　　(5) 以125 μs为循环周期。异步传输有至少20% 带宽可用，等时传输则至多80%。
　　(6) 采用六线制，包括两对双绞线和一对电源线。一对双绞线传输数据，另一对传输选通信号，数据和选通进行“异或”运算后可得到时钟信号。 　　
　　(7) 采用四层传输协议，由上至下依次为：总线管理层、事务层、链路层和物理层。总线管理层负责总线配置、电源和带宽管理、节点活动管理等。事务层为支持有关异步传输操作向上层提供服务。链路层负责传输包的生成和分解。物理层提供串行总线接口实现数据比特传输，并实现总线仲裁以确保同一时间上只有一个节点通过总线发送数据。
　　(8) 总线信号支持三种事件：总线配置、总线仲裁和数据传输。当系统加电或者有设备插入或拔出时会进行总线配置(总线配置无须主机干预)，配置完成后开始数据传输，但节点在每次传输事务之前需首先通过总线仲裁事件获得总线控制权。
　　(9) 支持即插即用。
　　(10) 设备可以自供电或由总线供电。在自供电时还可以向总线供电。
　　IEEE 1394总线可以连接多种外部设备，其中包括：大容量存储器、视频输出设备、数码相机、高速打印机、娱乐设备、机顶盒、小型网络和视频会议设备等。当然，能够连接到IEEE 1394总线的设备必须符合IEEE 1394总线规范，具有相应的IEEE 1394总线接口。
9.6 新 一 代 总 线
9.6.1 PCI Express总线
　　随着技术的发展，PCI总线已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一带总线取而代之，这就是PCI Express 总线。PCI Express是最新的总线和接口标准，由于是第三代输入/输出总线，所以它原来的名称为(Third- Generation Input/Output，3GIO)，是由英特尔提出的。很明显，英特尔的意思是它代表着下一代I/O接口标准。交由PCI-SIG(PCI特殊兴趣组织)认证发布后才改名为“PCI Express”。
　　这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。它的主要优势就是数据传输速率高，目前最高可达到10 Gb/s以上，而且还有相当大的发展潜力。PCI Express也有多种规格，从PCI Express X1到PCI Express X16，能满足现在和将来一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求。能支持PCI Express的主要是英特尔的i915和i925系列芯片组。当然要实现全面取代PCI和AGP也需要一个相当长的过程，就像当初PCI取代ISA一样，都会有个过渡的过程。
　　PCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。
　　尽管PCI Express技术规格允许实现X1(250 MB/s)、X2、X4、X8、X12、X16和X32通道规格，但是依目前形式来看，PCI Express X1和PCI Express X16将成为PCI Express主流规格，同时芯片组厂商将在南桥芯片中添加对PCI Express X1的支持，在北桥芯片中添加对PCI Express X16的支持。除去提供极高数据传输带宽之外，PCI Express因为采用串行数据包方式传递数据，所以PCI Express接口每个针脚可以获得比传统I/O标准更多的带宽，这样就可以降低PCI Express设备生产成本和体积。PCI Express接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCI Express卡支持的三种电压分别为 +3.3 V、3.3 Vaux以及 +12 V。另外，PCI Express也支持高阶电源管理，支持数据同步传输，为优先传输数据进行带宽优化。
　　目前，PCI-E 3.0规范也已经确定，其编码数据速率比同等情况下的PCI-E 2.0规范提高了一倍，X32端口的双向速率高达320 Gb/s。
　　1．PCI Express总线的技术优势
　　与PCI总线相比，PCI Express总线主要有下面的技术优势：
　　(1) 是串行总线，进行点对点传输，每个传输通道独享带宽。
　　(2) PCI Express总线支持双向传输模式和数据分通道传输模式。其中数据分通道传输模式即PCI Express总线的X1、X2、X4、X8、X12、X16和X32多通道连接，X1单向传输带宽即可达到250 MB/s，双向传输带宽更能够达到500 MB/s，这个已经不是普通PCI总线所能够相比的了。
　　(3) PCI Express总线充分利用先进的点到点互连、基于交换的技术、基于包的协议来实现新的总线性能和特征。电源管理、服务质量(QoS)、热插拔支持、数据完整性、错误处理机制等也是PCI Express总线所支持的高级特征。
　　(4) 与PCI总线良好的继承性，可以保持软件的继承和可靠性。PCI Express总线关键的PCI特征，比如应用模型、存储结构、软件接口等与传统PCI总线保持一致，但是并行的PCI总线被一种具有高度扩展性的、完全串行的总线所替代。
　　(5) PCI Express总线充分利用先进的点到点互连，降低了系统硬件平台设计的复杂性和难度，从而大大降低了系统的开发制造设计成本，极大地提高了系统的性价比和健壮性。从下面表格可以看出，系统总线带宽提高的同时，减少了硬件PIN的数量，硬件的成本直接下降。
　　2．PCI Express的硬件协议
　　PCI-E的连接建立在一个双向的序列的(1 bit)点对点连接基础之上，称之为“传输通道”。与PCI连接形成鲜明对比的是PCI是基于总线控制，所有设备共同分享的单向32位并行总线。PCI-E是一个多层协议，由一个对话层，一个数据交换层和一个物理层构成。物理层又可进一步分为逻辑子层和电气子层。逻辑子层又可分为物理代码子层(PCS)和介质访问控制子层(MAC)。 　
　　1) 物理层
　　在使用电力方面，每组流水线使用两个单向的低电压微分信号(LVDS)合计达到2.5 MBaud。传送及接收不同数据会使用不同的传输通道，每一通道可运作四项资料。两个PCI-E设备之间的连接成为“链接”，这形成了1组或更多的传输通道。各个设备最少支持1个传输通道(X1)的链接。也可以有2、4、8、16、32个通道的链接。这可以更好地提供双向兼容性。(X2模式将用于内部接口而非插槽模式)PCI-E卡能使用在至少与之传输通道相当的插槽上(例如X1接口的卡也能工作在X4或X16的插槽上)
　　一个支持较多传输通道的插槽可以建立较少的传输通道(例如8个通道的插槽能支持1个通道)。PCI-E设备之间的链接将使用两设备中较少通道数的作为标准。一个支持较多通道的设备不能在支持较少通道的插槽上正常工作，例如X4接口的卡不能在X1的插槽上正常工作，但它能在X4的插槽上只建立1个传输通道(X1)。PCI Express卡能在同一数据传输通道内传输包括中断在内的全部控制信息。这也方便了与PCI的兼容。多传输通道上的数据传输采取交叉存取，这意味着连续字节交叉存取在不同的通道上。
　　这一特性被称之为“数据条纹”，需要非常复杂的硬件支持连续数据的同步存取，也对链接的数据吞吐量要求极高。由于数据填充的需求，数据交叉存取不需要缩小数据包。与其它高速数传输协议一样，时钟信息必须嵌入信号中。在物理层上，PCI-E采用常见的8B/10B代码方式来确保连续的1和0字符串长度符合标准，这样保证接收端不会误读。编码方案用10位编码比特代替8个未编码比特来传输数据，占用20%的总带宽。有些协议(如SONET)使用另外的编码结构如“不规则”在数据流中嵌入时钟信息。PCI-E的特性也定义了一种“不规则化”的运算方法，但这种方法与SONET完全不同，它的方法主要用来避免数据传输过程中的数据重复而出现数据散射。第一代PCI-E采用2.5 Mb单信号传输率，PCI-SIG计划在未来版本中增强到5～10 Mb
　　2) 数据链接层
　　数据链接层采用按序的交换层信息包(Transaction Layer Packets, TLPs)，是由交换层生成，按32位循环冗余校验码(CRC，本文中用LCRC)进行数据保护，采用著名的协议(Ack and Nak signaling)的信息包。TLPs能通过LCRC校验和连续性校验的称为Ack(命令正确应答)；没有通过校验的称为Nak(没有应答)。没有应答的TLPs或者等待超时的TLPs会被重新传输。这些内容存储在数据链接层的缓存内。这样可以确保TLPs的传输不受电子噪音干扰。
　　Ack和Nak信号由低层的信息包传送，这些包被称为数据链接层信息包(Data Link Layer Packet, DLLP)。DLLP也用来传送两个互连设备的交换层之间的流控制信息和实现电源管理功能。
　　3) 交换层
　　PCI Express采用分离交换(数据提交和应答在时间上分离)，可保证传输通道在目标端设备等待发送回应信息传送其它数据信息。它采用了可信性流控制。这一模式下，一个设备广播它可接收缓存的初始可信信号量。链接另一方的设备会在发送数据时统计每一发送的TLP所占用的可信信号量，直至达到接收端初始可信信号最高值。接收端在处理完毕缓存中的TLP后，它会回送发送端一个比初始值更大的可信信号量。
　　可信信号统计是定制的标准计数器，这一算法的优势，相对于其他算法，如握手传输协议等，在于可信信号的回传反应时间不会影响系统性能，因为如果双方设备的缓存足够大的话，是不会出现达到可信信号最高值的情况，这样发送数据不会停顿。第一代PCI-E标称可支持每传输通道单向每秒250兆字节的数据传输率。这一数字是根据物理信号率2500兆波特除以编码率
(10位/每字节)计算而得。
　　这意味着一个16通道(X16)的PCI-E卡理论上可以达到单向250*16=4000 MB/s(3.7 GM)。实际的传输率要根据数据有效载荷率，即依赖于数据的本身特性，这是由更高层(软件)应用程序和中间协议层决定。PCI Express与其它高速序列连接系统相似，它依赖于传输的鲁棒性(CRC校验和Ack算法)。长时间连续的单向数据传输(如高速存储设备)会造成>95%的PCI-E通道数据占用率。这样的传输受益于增加的传输通道，但大多数应用程序如USB或以太网络控制器会把传输内容拆成小的数据包，同时还会强制加上确认信号。这类数据传输由于增加了数据包的解析和强制中断，降低了传输通道的效率。这种效率的降低并非只出现在PCI-E上。
　　3．PCI Express总线的特点
　　PCI Express总线具有以下特点：
　　(1) 易于布线、减少串扰，多方式连接。PCI Express导线数量比PCI减少近75%，数据不需要同步，在同一系统内能够以不同频率运行，而且能够延伸到系统之外，采用专用线缆可将各种外设直接与系统内的PCI Express总线连接在一起。这是PCI无法做到的。
　　(2) PCI Express数据传输速率快。每个通道带宽为2.5 GB/s(可提升到5 GB/s)，理论上最高连接带宽可达8～10 GB/s。
　　(3) 兼容PCI和PCI-X。
　　(4) 其它功能。
　　PCI Express接口标准可以支持不同的信令协议；采用先进电源管理技术，支持热插拔功能；可以对所有的接入设备进行实时监控；采用独特的纠错机制保证整个系统的稳定运行。
9.6.2 USB总线
　　USB(Universal Serial Bus)称为通用串行总线，是20世纪90年代中期由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft和NEC等多家美国和日本公司共同提出的新一代接口标准总线。1994年，Intel、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等几家世界著名的计算机和通信公司成立了USB论坛，花了近两年的时间形成了统一的意见，于1995年11月正式制定了USB 0.9通用串行总线规范，1997年，真正符合USB技术标准的外设出现了。
　　1999年初，在Intel的开发者论坛大会上，与会者介绍了USB 2.0规范，该规范的支持者除了原有的Intel、Microsoft和NEC等成员外，还有惠普、朗讯和飞利浦三个新成员。USB 2.0向下兼容USB 1.1，传输率将达到480 Mb/s，还支持宽带数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。USB总线接口外观如图9-10所示。
图9-10 USB总线接口外观
　　USB总线是为了适应微机系统应用的日益广泛，需要连接的外部设备不断增加，解决微机端口短缺而产生的。它和IEEE 1394同样是一种连接外围设备的机外总线。从性能上看，最初的USB总线在很多方面不如IEEE 1394，但是却拥有IEEE 1394无法比拟的价格优势，在一段时期内，它和IEEE 1394总线并存，分别管理低速和高速外设。随后由于廉价的USB总线具有热插拔功能，使得USB大量出现在主板上，出现在打印机、扫描仪、摄像头、优盘，甚至是显示器等设备上。
　　USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通信。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB使用一个四针的插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来。USB接口可用于连接多达127种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。
　　1．USB总线的性能
　　USB是一条串行总线，传统的串行端口是各自独立的，例如，键盘端口只能连接键盘，鼠标器端口只能连接鼠标器，它们相互间并不连通。但在USB总线上，各USB端口是互相关联的，除连接自己的外设外，也同时连接到USB提供的4根连线上，其中2根为信号传输线，2根为电源连接线。但是，同其他总线的工作相似，在某一特定的时间，信号传输线只能与某一特定的外设相连通。也就是说，在同一时间内只能有一台外设获得USB的控制权，以确保各台外设传送的信号互不干扰。
　　区别于传统端口一个端口只能连接一台外设，USB端口连接的外设可以有两类：一类是单个的外设，在USB术语中称为“功能单元”(Function)；另一类是“集线器”(Hub)，它带有连接其他外设的USB端口，使USB可经过它再连接到其他外设上。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相连。采用集线器之后，USB的拓扑结构将呈现树状结构，其连接的外设总台数可以达到127台。
　　2．USB总线的特点
　　(1) 可以热插拔，这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在PC开机时，就可以将USB电缆插上使用。
　　(2) 标准统一，大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机，等等。
　　(3) 可接入多达127个设备，目前计算机外设越来越多，PC机内有限的插槽和接口已经不能满足要求，而USB缓解了这一矛盾。
　　(4) 携带方便，USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20 G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘会是首要之选了。
　　(5) 可即插即用。
　　(6) 适用于低速外设的连接。
3．USB的应用
　　随着计算机硬件的飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、MP3随身听接踵而至，这么多的设备，如何接入个人计算机？USB就是基于这个目的产生的。USB是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口，其规格是由Intel、NEC、Compaq、DEC、IBM、Microsoft、Northern Telecom联系制定的。
　　USB 1.1标准接口传输速率为12 Mb/s，但是一个USB设备最多只可以得到6 Mb/s的传输频宽。因此若要外接光驱，至多能接六倍速光驱，无法再高。而若要即时播放MPEG-1的VCD影片，至少要1.5 Mb/s的传输频宽，这点USB办得到，但是要完成数据量大四倍的MPEG-2的DVD影片播放，USB可能就很吃力了，若再加上AC-3音频数据，USB设备就很难实现即时播放了。
　　不过，并非所有的Windows系统都支持USB。目前，Windows系统中有许多不同的版本，在这些版本中，只有Windows 98以上版本的系统对USB的支持较好，而其他的Windows版本并不能完整支持USB。例如Windows 95的零售版是不支持USB的，只有后来与PC捆绑销售的Windows 95版本才支持USB。
　　目前USB设备虽已被广泛应用，但比较普遍的却是USB1.1接口，它的传输速度仅为12 Mb/s。例如，当你用USB 1.1的扫描仪扫一张大小为40 M的图片，需要4分钟之久。这样的速度，让用户觉得非常不方便，如果有好几张图片要扫的话，就得要有很好的耐心来等待了。
　　用户的需求是促进科技发展的动力，厂商也同样认识到了这个瓶颈。这时， COMPAQ、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS这7家厂商联合制定了USB 2.0接口标准。USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480 Mb/s，比USB 1.1标准快40倍左右，速度的提高对于用户的最大好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB 2.0的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。
　　所以，如果你用USB 2.0的扫描仪，就完全不同了，扫一张40 M的图片只需半分钟左右的时间，一眨眼就过去了，效率大大提高。
　　而且，USB 2.0可以使用原来USB定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下一样保持了USB 1.1的优秀特色，并且，USB 2.0的设备不会和USB 1.X设备在共同使用的时候发生任何冲突。
　　USB 2.0兼容USB 1.1，也就是说USB 1.1设备可以和USB 2.0设备通用，但是这时USB 2.0设备只能工作在全速状态下(12 Mb/s)。USB 2.0有高速、全速和低速三种工作速度，高速是480 Mb/s，全速是12 Mb/s，低速是1.5 Mb/s。其中全速和低速是为兼容USB 1.1而设计的，因此选购USB产品时不能只听商家宣传USB 2.0，还要搞清楚是高速、全速还是低速设备。USB总线是一种单向总线，主控制器在PC机上，USB设备不能主动与PC机通信。为解决USB设备互通信问题，有关厂商又开发了USB OTG标准，允许嵌入式系统通过USB接口互相通信，从而甩掉了PC机。
　　随着USB 2.0协议的推出，USB总线的应用会更加广泛。USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480 Mb/s，比USB 1.1标准快40倍左右，速度的提高对于用户的最大好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB 2.0的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。而且，USB 2.0可
以使用原来USB定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下一样保持了USB 1.1的优秀特色。USB 2.0设备在和USB 1.X设备共同使用的时候也不会发生任何冲突。
　　4．USB 3.0简介
　　英特尔公司和业界领先的其他公司一起携手组建了USB 3.0推广组，旨在开发速度超过当今10倍的超高效USB互联技术。该技术是由Intel、HP、NEC、NXP半导体以及德州仪器(Texas Instruments)等公司共同开发的，应用领域包括个人计算机、消费及移动类产品的快速同步即时传输。随着数字媒体的日益普及以及传输文件的不断增大——甚至超过25 GB，快速同步即时传输已经成为必要的性能需求。
　　USB 3.0具有后向兼容标准，并兼具传统USB技术的易用性和即插即用功能。该技术的目标是推出比目前连接水平快10倍以上的产品，采用与有线USB相同的架构。除对USB 3.0规格进行优化以实现更低的能耗和更高的协议效率之外，USB 3.0的端口和线缆能够实现向后兼容，以及支持未来的光纤传输。
　　“从逻辑上说USB 3.0将成为下一代最普及的个人电脑有线互联方式”，英特尔技术战略师Jeff Ravencraft说道，“数字时代需要高速的性能和可靠的互联来实现日常生活中庞大数据量的传输。USB 3.0可以很好地应对这一挑战，并继续提供用户已习惯并继续期待的USB易用性体验。”
关 联
习 题
　　9.1 判断题。
　　(1) 总线是专门用于完成数据传送的一组信号线。( )
　　(2) 无条件式的I/O是按先读状态口，再读数据口的顺序传送数据的。( )
　　(3) 计算机使用总线结构的主要优点是便于实现模块化，同时减少了信息传输线的数目。( )
　　(4) 在计算机的总线中，地址信息、数据信息和控制信息不能同时出现。( )
　　(5) 内部总线是指CPU内部连接各逻辑部件的一组数据传输线，它用三态门和多路开关来实现。( )
　　(6) USB提供的4根连线中有2根信号线，每一条信号线可以连通一台外设，因此，在某一时刻，可以同时有2台外设获得USB的控制权。( )
　　(7) 组成总线不仅要有传输信息的传输线，还应有实现总线传输控制的器件，它们是总线缓冲器和总线控制器。( )
　　(8) 总线的发展是和CPU的发展紧密相连的，CPU的速度提高后，总线的数据传输率如果不随之提高，势必妨碍整机性能的提高。( )
　　9.2 选择题。
　　(1) 现代计算机的运算器一般通过总线结构来组织，下述总线结构的运算器中，( )的操作速度最快，( )的操作速度最慢。
　　A. 单总线结构 B. 双总线结构
　　C. 三总线结构 D. 多总线结构
　　(2) 把总线分成数据总线、地址总线、控制总线三类是根据( )来分的。
　　A. 总线所处的位置 B. 总线传送的内容
　　C. 总线的传送方式 D. 总线的传送方向
(3) CPU与I/O设备间传送的信号有( )。
A. 数据信息 B. 控制信息　C. 状态信息 D. 以上三种都是
(4) 将处理器、内存储器及I/O接口连接起来的总线是( )。
A. 片总线 B. 外总线 C. 系统总线 D. 内部总线
(5) 计算机中地址总线的作用是( )。
A. 用于选择存储单元
B. 用于选择进行信息传输的设备
C. 指定存储单元和I/O设备接口电路的选择地址
D. 用于确定操作对象
　　(6) 计算机使用总线结构便于增减外设，同时( )。
　　A.减少了信息的传输量
　　B. 提高了信息的传输量
　　C. 减少了信息传输线的条数
　　D. 增加了信息传输线的条数
　　(7) 在计算机中将各个主要组成部件连接起来，组成一个可扩充基本系统的总线称之为( )。
A.外部总线 B. 内部总线
C. 局部总线 D. 系统总线
　　(8) 状态信息是通过( )总线进行传送的。
　　A. 数据 B. 地址 C. 控制 D. 外部
　　(9) 下列总线中，属于局部总线的是( )。
　　A. ISA B. EISA C. MCA D. PCI
　　(10) 为协调计算机系统各部件工作，需有一种器件来提供统一的时钟标准，这个器件是( )。
　　A. 总线缓冲器
　　B. 总线控制器
　　C. 时钟发生器
　　D. 操作命令产生器
　　9.3 填空题。
　　(1) 在链式查询、计数器定时查询、独立请求三种总线控制判优方式中，响应时间最快的是______方式；对电路故障最敏感的是______方式。
　　(2) 在单总线、双总线、三总线三种系统中，从信息流传送效率的角度看，______的工作效率最低；从吞吐量来看，______最强。
　　(3) 连接在单总线上的设备均以______或______的形式申请使用总线。
　　(4) 在单总线结构的计算机系统中，每个时刻只能有两个设备进行通信，在这两个设备中，获得总线控制权的设备叫______，由它指定并与之通信的设备叫______。
　　(5) 标准计算机总线中，PC/AT总线是______位总线，MCA总线是______位总线，EISA总线是______位总线，PCI总线是______位总线。
　　(6) AGP总线不同于通用的PCI局部总线，它是供______专用的。它在______与系统内存之间提供了一条直接的访问途径。
　　(7) USB串行接口通过使用_____，可以使一台PC机连接的外部设备数多达_____台。
　　(8) 在计算机系统中根据总线所传输的信息内容的不同，总线可分为______、______和______。任何类型计算机的总线都包含有这三种总线。
　　9.4 什么叫总线？为什么各种计算机系统中普遍采用总线式结构？
　　9.5 总线按照功能分可分为哪几类，各完成什么功能？
　　9.6 总线的结构类型有哪些，都有什么特点？

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