微型计算机的总线结构
微型计算机系统总线
6
Bus）
二、微机系统总线
5.2
1．ISA 总线
IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准
AT总线（98线）它是对PC-XT总线(62线)的扩展： 数据传输率为8Mb/s 20位空间地址 16位数据传输 扩充了中断和DMA
ISA总线插槽
5.2
ISA信号说明：
5.2
RESET、BCLK：复位及总线基本时钟，BLCK=8MHz。
支持突发读写操作，和即插即用。 最大传输速率可达132MB/s， 可同时支持多组外围设备。
PCI 的外部引线信号 5.2
5．Compact PCI （坚实的PCI ）
5.2
为工业现场环境而设计的系统总线。
STD总线、 VME总线、PC/104总线、Compact PCI。
6. PCI-E总线 （串行PCI） 支持点对点串行连接 依靠高频率来获得高性能 每个设备都有自己的专用连接 全双工连接能提供更高的传输速率和质量
32位数据线，且可 通过扩展槽扩 展到64 位，使 用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s， 可与CPU同步工作。
4．PCI总线
5.2
PCI总线是当前最流行的总线之一 由Intel公司推出的一种局部总线。 它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。是 基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。
三、发展中的系统总线标准
5.2
计算机系统中的各个功能部件都是通过总线交换数据，总线的速度对 系统性能有着极大的影响。
AGP总线（加速图形接口） 3GIO总线 （第三代I/O体系） Hyper Transport总线
从PC总线到ISA、PCI总线，再由PCI进入PCI Express和Hyper Transport体系，计算机在这三次大转折中也完成三次飞跃式的提升。
微型计算机的总线技术原理分析
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（6）USB传输线能够提供100mA的电流，而带电源的USB Hub使得每个接口可以提供500 mA的电流。
（7）USB V1.1规范提供全速12Mbps的模式和低速1.5Mbps 的模式，USB V2.0规范提供高达480Mbps的数据传输速 率，可以适应各种不同类型的外设。
8位ISA总线是一种开放式的结构总线，在总线母板上有8个系 统插槽，用于I/O设备和PC机的连接。由于8位ISA总线具有价格 低、可靠性好、使用灵活等特点，并且对插板兼容性好。
8位ISA总线引脚信号总共有62条。通过一个31脚分为A、B两 面的连接插槽来实现，其中，A面为元件面，B面为焊接面。符 合ISA总线标准的接插件可以方便的插入，以便对微型计算机 系统进行功能扩展。
16位ISA总线的前62引脚的信号分布及其功能与8位ISA总线基 本相同，仅有两处作了改动。
16位ISA总线中新增加的36引脚插槽信号扩展了8位数据线、7 位地址线、存储器和I/O设备的读写控制线、中断和DMA控制线 、电源和地线等。
新插槽中的引脚信号分为C（元件面）和D（焊接面）两列。
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4.3 局部总线
4.3.1 VESA总线
VESA（Video Electronics Standards Association 视频电 子标准协会）总线是一种32位接口的局部总线，通 常称为VL总线。
由于EISA总线工作频率是8MHz，而VESA局部总线工 作频率可以达到33MHz。因此，需要高速数据传输 的系统可以采用VESA局部总线。它通常用于视频和 磁盘到基于80486的PC机的接口。
PCI V2.0版本支持32/64位数据总线，总线时钟为25～ 33MHz，数据传输率达132～264MB/s。1995年推出的PCI V2.1版本支持64位数据总线，总线速度为66MHz，最大 数据传输率达528MB/s。这个速度是最初的IBM PC总线的 100倍，是最快的ISA总线的40倍。PCI总线的优良性能使 它成为当前Pentium系列芯片的最佳选择，现在所有 Pentium主板都使用了PCI V2.1和更新版的PCI总线。
总线基本知识(共34张PPT)
第3页，共34页。
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1.微型计算机总线概述
总线:是一组信号线的集合.它是器件之间通信和控制 的的渠道.
——以分时的方法来为多个部件服务的 ——总线仲裁电路来避免总线冲突
——总线的指标主要有2个，总线的工作频率和总线的宽度
—总线频率是总线时钟频率
—总线的宽度是指能够一次并行传送的信息位数
第4页，共34页。
RS-485采用半双工工作方式，因此，发送电路须由使能信号 加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉信号 线
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2.ＵＳＢ总线
USB(UniversalSerialBus)是外围设备与计算机进行连接的 接口总线．
——即插即用，热拔插，接口体积小，节省资源，传输可 靠，提供电源，良好的兼容性，共享式通信和低成本 ——达到了480Ｍb/s的传输速度. ——半双工串行总线.
7.1 总线基本知识
第1页，共34页。
内容简介 重点/难点 习题解答
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内容简介
总线是微型计算机系统的重要组成部分，是系
统中传递各类信息的通道，也是微型计算机系统中 各模块间的物理接口，它负责CPU和其它部件之间 信息的传递。通过本章学习，熟悉总线的一般概念 和微机系统总线的组成，理解PCI总线、RS-232-C 总线和USB总线的性能特点、连接方法及应用场合， 学会根据总线的规范设计简单的扩展接口。
初始化，在主控制器与USB设备之间建立通信信道。
•设备驱动程序(USBDeviceDriver) ——驱动USB设备的程序，通常由操作系统或USB设备制造商
提供。
•USB芯片驱动程序(USBDriver)
什么是微型计算机的系统总线
1.什么是微型计算机的系统总线？说明数据总线、地址总线、控制总线各自的作用。
【解答】系统总线是CPU与其它部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。
（1）数据总线（DB）：用来传送数据，主要实现CPU与内存储器或I/O设备之间、内存储器与I/O设备或外存储器之间的数据传送。
16位机有16条数据总线，32位机有32条。
数据总线是双向的。
（2）地址总线（AB）：用来传送地址。
主要实现从CPU送地址至内存储器和I/O设备，或从外存储器传送地址至内存储器等。
地址总线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围，如8086的地址总线有20条，可以寻找从00000H-FFFFFH共220=1M个存储单元，可以寻址64K个外设端口。
地址总线是单向的。
（3）控制总线（CB）：用于传送控制信号、时序信号和状态信息等。
2.8086CPU具有20 条地址线，可直接寻址(220=)1MB 容量的内存空间，在访问I/O端口时，如果使用地址线16条，最多可寻址(216=)64K 个I/O端口。
3.8086CPU的数据外总线宽度为16 位，指令缓冲器为 6 个字节，选通存储器或I/O接口的信号是；8088CPU的数据外总线宽度为8 位，指令缓冲器为 4 个字节，选通存储器或I/O 接口的信号是。
4.解释逻辑地址、偏移地址、有效地址、物理地址的含义，8086存储器的物理地址是如何形成的？怎样进行计算？【解答】逻辑地址：表示为段地址：偏移地址书写程序时用到，一个存储单元可对应多个逻辑地址；偏移地址：是某一存储单元距离所在逻辑段的开始地址的字节个数。
有效地址：是指令中计算出的要访问的存储单元的偏移地址。
物理地址：是CPU访问存储器时用到的20位地址，是存储单元的唯一的编号。
物理地址计算公式：物理地址= 段地址×10H＋有效地址（或偏移地址）5.已知堆栈段寄存器（SS）=2400H，堆栈指针（SP）=1200H，计算该堆栈栈顶的实际地址，并画出堆栈示意图。
微机系统采用总线结构(1)
1.微机系统采用总线结构，按照所传送信息类型的不同，总线可以分为地址总线（AB），数据总线（DB），控制总线（CB）。
2.微型计算机系统的工作过程，是取指令，分析指令，执行指令三种形式。
3.8088CPU有20位地址总线，可直接寻址的内存空间为1MB，相应的物理地址范围为00000H到FFFFFH。
4.从编成结构来看，8086CPU可分为总线接口部件（BIU）和执行部件(EU)两大部分，前者的主要功能是控制与片外的数码传送，后者的主要功能是分析执行指令。
5.8088CPU内部有四个16位的段寄存器，分别为代码段寄存器，数据段寄存器，堆栈段寄存器，附加段寄存器。
6.ALU单元在8086CPU的执行部件（EU）中，可以进行算术运算和逻辑运算。
7.8086CPU内部的指令对列为6B；而8088CPU内部的指令对列为4B。
8.8086CPU被复位后，其内部的一些寄存器的状态分别为：标志寄存器F=0000H；代码段寄存器CS=FFFFH。
9.8088CPU的20为地址总线中，高4位是地址/状态复用总线；低8位是地址/数据复用总线。
10.CPU中两个基址寄存器分别是数据段基址寄存器（BX）、堆栈段基址寄存器（BP）；两个编制寄存器分别是原变址寄存器（SD）、目的变址寄存器（DI）。
11.8088CPU中有一个16位的标志寄存器，其中包括六个状态标志，和三个控制标志。
12.在最小工作模式下，8086/8088微机系统的控制信号由CPU直接产生；而在最大模式下，控制信号则由总线控制器（8288）根据CPU的控制而产生，系统中可以配置多个协处理器。
13.要把一项数据写入某I/O端口，8088CPU产生的下列控制信号的电平状态为：RD=高（1），WR=低（0）,M/IO=高（1）。
14.若某CPU的主频为8MHz，则其时钟周期为0.125uS，典型的总线周期为0.5uS。
15.下列物理地址所对应的存数单元中，能够作为段起始位置的是（B）A.FFFFFHB.FFFF0HC.FFFF8HD.FFFF1H16.微机系统可以直接寻址的内存空间大小，取决于CPU中（A）A.地址总线B.数据总线C.控制总线D.状态总线17.内存位于微机系统中(B)的内部A.CPUB.主机C.I/O接口D.硬盘18.关于8086CPU中地址加法器的位置，下列说法正确的是（C）A位于ALU中 B.位于EU中 C.位于BIU中D.位于PSW中19.Intel8086CPU工作于最小模式时，系统中直接产生控制信号的芯片是（D）A.8282B.8286C.8288D.808620.8086CPU的下列总线中，不支持分时复用的是（B）A.高4位地址总线B中8位地址总线C.低8位地址总线D.数据总线21.8086/8088CPU有哪两部分组成？各有什么功能和作用？答：8086/8088CPU由总线接口部件BIU和执行部件EU两部分组成，前者负责芯片内外部的数码传送，即实现对内存单元、I/O端口进行读/写操作控制，后者则专门负责指令的分析和执行。
微机原理习题解答
6、完成下列码制之间的转换 [X]原=BDH [X]补、[X]反、Ｘ真值= ？ [X]反=3CH [X]补、[X]原、Ｘ真值= ？ [X]补=8AH [X]反、[X]原、Ｘ真值= ？
[X]原=BDH [X]补=C3H [X]反=C2H Ｘ真值= -61 [X]反=3CH [X]补=3CH [X]原=3CH Ｘ真值= 60 [X]补=8AH [X]反=89H [X]原=F6H Ｘ真值= -118
第二章习题 1、 CPU常用的工作方式有哪几种？8086CPU采用 哪种工作方式？ CPU 常 用 的 工 作 方 式 有 串 行 方 式 和 并 行 方 式 ， 8086CPU采用并行工作方式。 2 、 8086CPU 有哪几部分组成？各组成部分的主要 功能是什么？ 8086CPU有执行部件EU和总线接口部件BIU组成。 EU的主要功能是 （1）从指令队列中取出指令。 （2）对指令进行译码，发出相应的控制信号。 （3）向BIU发出请求。 （ 4 ）执行指令包括进行算术、逻辑运算，并计算 操作数的偏移量。
5、完成下列数制之间的转换 （48）D=（ 30 ）H=（00110000）B （6DB）H=（1755）D=（11011011011）B （10101101）B=（ AD）H=（ 173 ）D （98）D=（ 10011000）BCD=（ 1100010 ）B （010110010010）BCD=（ 592 ） D ＝（1001010000） B
4、微型计算机内部、外部的结构特点是什么？ 总线结构的优点是什么？
微型计算机内部为单总线结构，外部为三总线结 构即AB、DB、CB 有了总线结构以后，系统中各功能部件的相互关 系变为各个部件面向总线的单一关系，一个部件 只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线 标准的系统中，使系统功能很方便得到扩展。
微型计算机系统的总线结构
机内的CPU、存贮器及I/O接口电路。 通信总线：用于各微型计算机系统之间或微型
计机系统与其它系统之间的通信。 通常所说的总线是指系统总线。
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主机箱
主板(CPU、芯片组、 BIOS、RAM 等)
总线插槽 显示卡
硬盘 光驱
数据从CPU送往存贮器或I/O接口电路称为 CPU写数或存数。
读（取）写（存）数据的过程又统称为访问。 存贮器分为内存与外存。CPU不直接与外存打 交道。
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二、操作方式
CPU把一条指令分解成若干个步骤完成。
取指 控制器发出指令地址及控制信号，将需要执行的
那条指令从存储器取出送到控制器，这一过程称为
地址总线一般是单向的。
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数据总线 用来传送数据。数据总线的宽度决定 了一次最多可传送的数据位数。数据总线是双向的。 控制总线 用于传送控制信号和状态信号，使各部 件能协调动作。
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1.3.2 系统运行过程的名词概念 一、 读/写数
数据从存贮器或 I/O接口电路送往CPU称为 CPU读数或取数。读是非破坏性的。
CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对 外设的控制。
I/O接口结构示意图
AB
地址
C
译码
I/O端口1
外
P
DB
数据 缓冲
I/O端口2
U
CB
控制
电路
I/O端口3
设
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同一时刻有若干条指令由不同的部件同时处理， 完成不同的操作，这种操作方式称为流水方式。分步越细， 流水深度越深，CPU的性能越高，甚至，有多条流水线。
CPU 取指 1 执行 1 取指 2 执行 2 取指 3 执行 3 取指 4 执行 4
第2章_微型计算机系统基础(2)
2.2.3 存储器
计算机的存储器用来存放程序和数据，其容量的大 小、存取数据速度的快慢将直接影响到微机系统的性能。
随机存储器 RAM
主存储器 （内 存） 只读存储器 ROM 可编程只读存储器 PROM 可改写只读存储器 EPROM
存 储 器
外存储器 （辅助存储 器）
磁盘存储器：软磁盘、硬磁盘 光盘存储器
（3）控制总线（CB）：用于传送控制信 息和时序信息。控制信息中，有的是 CPU向内存或CPU向I/O接口电路发出的 信号，如读/写信息、片选信号、中断 响应信号等。控制总线上的信息传送方 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需要 确定。
3．外部总线 外部总线是微型计算机和外部设备 之间的总线，微型计算机作为一种设备， 通过该总线和其他设备进行信息与数据 交换。
内存地址
RAM在实际存储的时候被分成 为许多等长的存储单元，在微机 中一般按照字节存储，即按字节 来分存储单元。比如，如果有内 存１kB，则被分为1024个存储单 元。每个存储单元将被赋予一个 编号即内存地址。 注意区分内存地址和内存 地址中的内容。
FFFFH
0002H
0001H
0000H
2、外存
2.2.7 微型计算机的主要性能指标
性能指标
（分32位、64位等几种字长）
重点
字长：计算机一次可并行处理的二进制数码的位数
运算速度（或时钟频率）——MIPS（每秒百万条指令） 主频，即主时钟频率。 80486：33MHZ~66MHZ之间 Pentium 4：2.4GHZ 频率越高，速度越快。 主（内）存贮器的容量：128MB/256MB/512MB/1GB等 外部设备配置 此外，还有功能指标、可靠性指标、兼容性指标等。
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微型计算机的总线结构
(1).引言
微型计算机是由具有不同功能的一组功能部件组成的，系统中各功能部件的类型和它们之间的相互连接关系称为微型计算机的结构。
微型计算机大多采用总线结构，因为在微型计算机系统中，无论是各部件之间的信息传送，还是处理器内部信息的传送，都是通过总线进行的。
(2).什么是总线
所谓总线，是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。
按在系统中的不同位置，总线可以分为内部总线和外部总线。
内部
总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间的连线；外部总线是连接
系统的总线，即连接CPU、存储器和I/O接口的总线，又称为系统
总线。
微型计算机采用了总线结构后，系统中各功能部件之间的相互关系变为各个部件面向总线的单一关系。
一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，使系统的功能可以很方便地得以发展，微型机中目前主要采用的外部总线标准有：PC—总线，ISA—总线，VESA—总线等。
(3).三总线结构
按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus)三种类型，通常称微型计算机采用三总线结构。
①地址总线(Address Bus)
地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号线。
地址总线的位数决定了CPU 可以直接寻址的内存空间的大小。
因为地址总是从CPU发出的，所以地址总线是单向的、三态总线。
单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以处于高阻抗状态（浮空状态）。
②数据总线(Data Bus)
数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线（双向、三态）。
数据总线是双向三态总线，即数据既可以从CPU送到其它部件，也可以从其它部件传送给CPU，数据总线的位数和处理器的位数相对应。
③控制总线(Control Bus)
控制总线是用来传送控制信号的一组总线。
这组信号线比较复杂，由它来实现CPU对外部功能部件（包括存储器和I/O接口）的控制及接收外部传送给CPU的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。
控制总线的信号线，有的为单向，有的为双向或三态，有的为非三态，取决于具体的信号线。
4. 微处理器的内部结构与基本功能
(1)概述
微处理器的内部结构受大规模集成电路制造工艺的严格约束，表现为芯片的面积不能过大，芯片引脚的数量也不能过多。
因此，通用微处理器的内部结构及其同外部电路的连接方式，都有比较严格的规定。
微处理器外部一般采用上述三总线结构；内部则采用单总线即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时享用。
一个典型的8位微处理器的结构如图1-4所示，主要包括以下几个重要部分：累加器，算术逻辑运算单元(ALU)，状态标志寄存器，寄存器阵列，指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路。
图1-4 典型8位微处理器结构
(2) 累加器和算术逻辑运算部件
累加器和算术逻辑运算部件主要用来完成数据的算术和逻辑运算。
ALU有2个输入端和2个输出端，其中一端接至累加器，接收由累加器送来的一个操作数；另一端通过数据总线接到寄存器阵列，以接收第二个操作数。
参加运算的操作数在ALU中进行规定的操作运算，运算结束后，一方面将结果送至累加器，同时将操作结果的特征状态送标志寄存器。
累加器是一个特殊的寄存器，它的字长和微处理器的字长相同，累加器具有输入／输出和移位功能，微处理器采用累加器结构可以简化某些逻辑运算。
由于所有运算的数据都要通过累加器，故累加器在微处理器中占有很重要的位置。
(3) 寄存器阵列
①通用寄存器组：可由用户灵活支配，用来寄存参与运算的数据或地址信息。
②地址寄存器：专门用来存放地址信息的积存器。
③指令指针IP：它的作用是指明下一条指令在存储器中的地址。
每取一个指令字节，IP自动加1，如果程序需要转移或分支，只要把转移地址放入IP即可。
④变址寄存器SI，DI：变址寄存器的作用是用来存放要修改的地址，也可以用来暂存数据。
⑤堆栈指示器SP：用来指示RAM中堆栈栈顶的地址。
SP寄存器的内容随着堆栈操作的进行，自动发生变化。
(4) 指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路
①指令寄存器(Instruction Register，IR)用来存放当前正在执行的指令代码；
②指令译码器ID(Instruction Delocler)用来对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号；
③时序逻辑产生出各种操作电位、不同节拍的信号、时序脉冲等执行此条命令所需的全部控制信号。
(5) 内部总线和总线缓冲器
内部总线把CPU内各寄存器和ALU连接起来，以实现各单元之间的信息传送。
内部总线分为内部数据总线和地址总线，它们分别通过数据缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。
缓冲器用来暂时存放信息(数据或地址)，它具有驱动放大能力。
二、微机系统的工作过程
我们已经介绍了微型计算机的组成及系统结构，并且分析讨论了作为微型
计算机核心部件的CPU的内部结构，在这一基础上，讨论微型计算机系统的工
作过程，是本课程的核心内容。
1．程序存储及程序控制的基本概念
(1)．计算机工作过程的实质
计算机之所以能在没有人直接干预的情况下，自动地完成各种信息处理
任务，是因为人们事先为它编制了各种工作程序，计算机的工作过程，就是执
行程序的过程。
(2)．程序存储
程序是由一条条指令组合而成的，而指令是以二进制代码的形式出现的，
把执行一项信息处理任务的程序代码，以字节为单位，按顺序存放在存储器
的一段连续的存储区域内，这就是程序存储的概念。
(3)．程序控制
计算机工作时，CPU中的控制器部分，按照程序指定的顺序（由码段寄存器CS 及指令指针寄存器IP指引），到存放程序代码的内存区域中去取指令代码，在CPU中完成对代码的分析，然后，由CPU的控制器部分依据对指令代码的分析结果，适时地向各个部件发出完成该指令功能的所有控制信号，这就是程序控制的概念，
(4)．冯．诺依曼概念，程序存储及程序控制的概念，是由美籍匈牙利人冯．诺依曼提出的，因此又称为冯．诺依曼概念。
简单地讲，微型计算机系统的工作过程是取指令(代码)→分析指令(译码)→执行指令的不断循环的过程。