PC总线和ISA总线具备哪些特点?主要信号线可分为哪几类?
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发布时间:2022-03-25 15:33
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时间:2022-03-25 17:02
诠释PC总线
从英特尔奔腾到奔腾Ⅲ,主板上的芯片组的结构和作用都没有太大的变化,一般分成2部分,由2块集成芯片组成,通过专用总线进行连接,这就是我们所称的“桥”,简单地来说桥就是一个总线转换器和控制器。它实现各类微处理器总线通过一个PCI总线进行连接的标准,可见,桥是不对称的。在桥的内部包含有兼容协议以及总线信号线和数据的缓冲电路,以便把一条总线映射到另一条总线上。
目前流行的主板上2块桥,一块负责与CPU、主存连接,另一块与ISA,PCI总线上的各种板卡、键盘、鼠标等输入/输出电路进行连接。我们习惯上将与CPU连接的芯片称为北桥,与I/O设备连接的芯片称为南桥。为了更好的了解微机的硬件知识,本文就微机总线做以下简单介绍。
一、 总线
所谓总线,笼统来讲,就是一组进行互连和传输信息(指令、数据和地址)的信号线。计算机的总线都是有特定的含义。如“局部总线”、“系统总线”等。
二、 总线分类
按性质和应用来划分,一般将总线划分为3类:
① 局部总线
在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后,要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能,也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高,如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上,图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的3~5倍。因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求,而成为整个系统的主要瓶颈。
局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶颈,使高性能CPU的功能得以充分发挥。从结构上看,所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设,如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上,使之与高速的CPU总线相匹配。
而采用PCI总线后,数据宽度升级到64位,总线工频率为33.3MHZ,数据传输率(带宽)可达266MB/S。所以采用PCI总线大大解决了数据的I/O瓶颈,使计算机更好地发挥性能。
② 系统总线
这是微机系统内部各部件(插板)之间进行连接和传输信息的一组信号线。例如ISA总线。由于它只具有16位数据宽度,最高工作频率为8MHz,所以数据传输速率只能达到16MB/S。我们可以比较一下ISA总线与PCI总线带宽(数据传输率),就知道为什么现在的主板开始逐渐淘汰ISA插槽,如升技BF6主板有6个PCI插槽一个ISA插槽。
③ 通信总线
通信总线是系统之间或微机系统与设备之间进行通信的一组信号线。 三、 总线主要性能比较
评价一种总线的性能主要注意以下几个方面参数
A、 总线时钟频率:总线的工作频率,以MHZ表示,它是影响总线传输速率的重要因素之一。
B、 总线宽度:数据总线的位数,用位(bit)表示,如总线宽度为8位、16位、32位和64位。
C、 总线传输速率:在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/S,即每秒处理多少兆字节。那么我们如何通过总线宽度和总线时钟频率来计算总线传输速率(带宽)。
传输速率=总线时钟频率x总线宽度/8
如升技BF6主板,PCI总线总线宽度16位,当总线频率66MHZ,总线数据传输速率=66x18/8(MB/S)=133(MB/S)。
为了更好地理解总线带宽、总线位宽、总线工作时钟频率的关系,我们举个比较形象的例子,高速公路上的车流量取决于公路车道的数目和车辆行驶速度,车道越多、车速越快则车流量越大;总线带宽就象是高速公路的车流量,总线位宽仿佛高速公路上的车道数,总线时钟工作频率相当于车速,总线位宽越宽、总线工作时钟频率越高则总线带宽越大。当然,影响总线性能的参数还有很多,如其同步方式、负载能力、信号线等等,但以上所介绍的三个是其重要参数
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PCI总线
PCI技术规格简介
从1992年创立规范到如今,PCI总线已成为了计算机的一种标准总线。由PCI总线构成的标准系统结构如图一所示。
PCI总线取代了早先的ISA总线。当然与在PCI总线后面出现专门用于显卡的AGP总线,与现在PCI Express总线,但是PCI能从1992用到现在,说明他有许多优点,比如即插即用(Plug and Play)、中断共享等。在这里我们对PCI总线做一个深入的介绍。
从数据宽度上看,PCI总线有32bit、64bit之分;从总线速度上分,有33MHz、66MHz两种。目前流行的是32bit @ 33MHz,而64bit系统正在普及中。改良的PCI系统,PCI-X,最高可以达到64bit @ 133MHz,这样就可以得到超过1GB/s的数据传输速率。如果没有特殊说明,以下的讨论以32bit @ 33MHz为例。
一、基本概念
不同于ISA总线,PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。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。在做数据传输时,由一个PCI设备做发起者(主控,Initiator或Master),而另一个PCI设备做目标(从设备,Target或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(Arbiter),来决定在谁有权力拿到总线的主控权。
32bit PCI系统的管脚按功能来分有以下几类:
系统控制: CLK,PCI时钟,上升沿有效
RST ,Reset信号
传输控制: FRAME#,标志传输开始与结束
IRDY#,Master可以传输数据的标志
DEVSEL#,当Slave发现自己被寻址时置低应答
TRDY#,Slave可以转输数据的标志
STOP#,Slave主动结束传输数据的信号
IDSEL,在即插即用系统启动时用于选中板卡的信号
地址与数据总线: AD[31::0],地址/数据分时复用总线
C/BE#[3::0],命今/字节使能信号
PAR,奇偶校验信号
仲裁号: REQ#,Master用来请求总线使用权的信号
GNT#,Arbiter允许Master得到总线使用权的信号
错误报告: PERR#,数据奇偶校验错
SERR#,系统奇偶校验错
当PCI总线进行操作时,发起者(Master)先置REQ#,当得到仲裁器(Arbiter)的许可时(GNT#),会将FRAME#置低,并在AD总线上放置Slave地址,同时C/BE#放置命令信号,说明接下来的传输类型。所有PCI总线上设备都需对此地址译码,被选中的设备要置DEVSEL#以声明自己被选中。然后当IRDY#与TRDY#都置低时,可以传输数据。当Master数据传输结束前,将FRAME#置高以标明只剩最后一组数据要传输,并在传完数据后放开IRDY#以释放总线控制权。
这里我们可以看出,PCI总线的传输是很高效的,发出一组地址后,理想状态下可以连续发数据,峰值速率为132MB/s。实际上,目前流行的33M@32bit北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输。
二、即插即用的实现
所谓即插即用,是指当板卡插入系统时,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。而不象旧的ISA板卡,需要进行复杂的手动配置。
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"(Configuration Space),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。操作系统要跟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。
三、中断共享的实现
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。
通过以上讨论,我们不难看出,PCI总线有着极大的的优势。而近年来的市场情况也证实了这一点。
添加:
1991 年下半年,Intel 公司首先提出了PCI 的概念,并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团,其英文全称为:Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组),简称PCISIG。PCI 有32 位和64 位两种,32位PCI 有124 引脚,64 位有188 引脚,目前常用的是32 位PCI。32 位PCI 的数据传输率为133MB/s,大大高于ISA。
PCI 总线的主要性能
(1) 支持10 台外设
(2) 总线时钟频率33.3MHz/66MHz
(3) 最大数据传输速率133MB/s
(4) 时钟同步方式
(5) 与CPU 及时钟频率无关
(6) 总线宽度 32 位(5V)/64 位(3.3V)
(7) 能自动识别外设