接口概念和总线技术

接口和总线
接口：是微型计算机的基本内容，是计算机与外部交换信息的桥梁。

总线：是计算机各种功能部件之间进行信息传输的公共通道。

微机接口
接口的基本概念
为了解决CPU和外设之间的速度差异以及外设各不相同的信息格式的问题，出现了带缓冲器的I/O装置，这里的缓冲器是指通过一个或几个单独的寄存器，实现主机和外设之间的数据传送。

这里的缓冲器被发展为功能更强的I/O接口电路。

总结：I/O接口是微处理器与“外部世界”之间的连接电路，是主机与外设之间数据的“转接站”，同时提供主机和外设之间传送数据所需的状态信息，并能接受和执行主机发来的各种控制命令。

接口的基本功能
接口的基本功能有：数据缓冲，提供联络信息，信号与信息格式的转换，设备选择，中断管理，可编程功能。

接口的基本结构
接口一方面数据总线、地址总线以及控制总线和CPU进行联系，另一方面同响应的外设连接。

接口内部都包含一组寄存器，通常有数据输入寄存器、数据输出寄存器、状态寄存器和控制寄存器，有的接口还包含中断逻辑寄存器。

数据输入寄存器用于暂存外设送往主机的数据。

数据输出寄存器用于暂存主机送往外设的数据。

状态寄存器用于保存I/O接口的状态信息。

控制寄存器用于存放CPU发出的控制命令。

中断控制逻辑电路用于实现外设准备就绪时向CPU发出中断请求信号。

与接口传输数据的方式
主机与外设之间传输数据的方式一般有三种：程序控制方式，中断控制方式，DMA方式。

程序控制方式：是指在程序控制下进行数据传送，又分为无条件传输方式和程序查询传送方式。

中断控制方式：是指CPU在执行当前程序时，若出现了紧急事件，CPU必须终止现在
正在执行的程序转而去处理紧急事件，并在处理完毕后再返回到被中断程序处继续运行原程序的过程。

一个完整的中断处理过程包括中断请求、中断判优、中断响应、中断处理和中断返回等环节。

特点：1·提高了CPU的工作效率；2·外设具有申请服务的主动权；3·CPU可以和外设并行工作；4·可适合实时系统对I/O处理的要求
DMA方式：不需要CPU干预（不需要CPU执行程序指令），而在专门硬件控制电路之下进行的外设与存储器之间的直接的数据交互方式。

专门的硬件控制电路称为DMA控制器。

微机总线
基本概念
总线是指芯片之间、插板之间及系统之间相互连接与通讯的公共通道。

通过总线进行连接和传输信息时，应遵守一些协议和规范，包括硬件和软件两个方面。

微型计算机采用标准的总线结构。

总线通常包括一组信号线，主要是：1·数据线和地址线；2·控制、时序和中断信号线；3·电源线和地线；4·备用线。

数据线和地址线：决定了数据的位数范围和地址的位数范围。

控制、时序和中断信号线：决定了总线功能的优劣以及适应性的强弱。

电源线和地线：决定电源的种类及地线的分布和用法。

备用线：厂家和用户作为性能扩充或作为特殊要求使用的信号线。

总线分类
1·片总线；2·系统总线；3·通讯总线；
片总线：是在芯片内，把各种不同的功能单元连接在一起，构成特定功能的芯片的信息传输通道。

系统总线：是微机系统中各插件之间的信息传输通道。

通讯总线：是微机系统之间或微机系统与其他系统（仪器、仪表、控制装置等）之间信息传输的通道。

在三类总线中的系统总线，即通常意义上的总线，是链接CPU、主存和I/O接口电路的信息传输通道，一般包括a·数据总线；b·地址总线；c·控制总线；
数据总线：是一种三态控制的双向总线。

可以实现CPU、主存和I/O接口电路之间的数据交换。

地址总线：其是CPU输出地址信息所用的总线，用来确定所访问的内存单元或i/o端口的地址范围，一般是三台控制的单项总线。

地址总线的位数决定了CPU可直接寻址空间的大小。

控制总线：主要用来传送控制信号和时序信号，通过它使微机各个部件协同动作。

控制信号中，有的是微处理器送往存储器和输入输出设备接口电路。

PC总线
最早的微机系统总线，又称XT总线，其数据线宽度为8位、地址线宽度为20位。

PC/XT机是采用8088微处理器构造的第一代通用微机。

特点：
1·系统中所有部件都通过PC总线与微处理器相连，一旦微处理器发生变化，总线也要变化。

2·外围支持模块军事单功能的芯片，而且集成度低、数量多、状态分散。

ISA总线
8086/80286微机采用IAS总线代替了PC总线。

特点：
1·在系统部件与微处理器之间增加了一些控制器，加以隔离，但总线与微处理器的关系仍然密切，总线依赖微处理器。

2·外围支持模块开始以集成度高的多功能芯片组成，芯片数目开始减少。

PCI总线
PCI全称外围部件互联总线，是高带宽、独立于微处理器的总线，能够作为中间层或外围设备的总线。

结构描述：
PCI总线构成的系统中CPU与存储器通过CPU总线相连，然后CPU总线通过北桥与PCI总线相连，PCI总线上链接了例如PCI图形适配器，PCI网卡，PCI硬盘控制器等部件，同时PCI总线通过南桥与各种ISA卡相连。

特点：
1·高性能：PCI总线数据宽度是32位或者64位，时钟频率为33HMZ或66MHz，且独立于CPU时钟频率。

2·兼容性好且易于扩展：PCI独立于CPU，所以适应于各种型号的CPU，当CPU更新时只需要更新连接CPU和存储器的CPU总线即可。

3·支持“即插即用”：PCI总线定义了三种地址空间，是存储地址空间，I/O地址空间和配置地址空间，其配置地址空间为256B，用来存储PCI设备的相关信息，当PCI卡插入扩展槽时，系统BIOS及操作系统软件会根据配置空间信息自动进行PCI卡的识别和配置工作。

4·低成本：PCI总线采用数据总线与地址总线多路复用技术。

5·规范严格：PCI总线对协议、时序、负载、机械特性等指标都做了严格的规定。

PCI-E总线
PCI-E标准最大的特点就是采用串行总线，而依靠高频率来获得高性能。

PCI-E采用全双工运行模式，最基本的PCI-E拥有4根传输线路，其中两根用于数据传
送，两根用于数据接收。

另外，因为PCI-E采用8b/10b编码内嵌的时钟技术，将时钟信息直接写入到数据流中，比PCI总线更有效的节省传输通道，提高了传输效率。

PCI-E总线采用点到点工作模式，每个PCI-E设备有自己的专用链接，这就无需向整个总线申请带宽，避免了多个设备争抢带宽的情况。

由于PCI-E工作频率高达205ghz，最基本的PCI-E总线的单项带宽便能达到250MB/s。