第1章微型计算机及其体系结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微机原理与接口,中国水利水电出版社,21,世纪高等院校计算机科学与技术规划教材,第,1,章 微型计算机及其体系结构,电子数字计算机是,20,世纪人类杰出的发明与贡献之一，尤其在,20,世纪,70,年代初期，微型计算机的出现为计算机的广泛应用开拓了极其广阔的前景，展示了它在科学技术领域中日益重要的地位。微型计算机技术日新月异地发展，使微型计算机的应用渗透到国民经济和社会生活的各个领域，并已转化成巨大的推动社会前进的生产力。,本章主要介绍微型计算机的发展及应用、分类、系统组成、工作过程和体系结构等基础知识，使读者对微型计算机技术获得一个概要的了解，并通过后面各章的学习，逐步掌握微型计算机的原理与接口技术。,1.1 微型计算机系统概述,1.1.1,微型计算机的发展及应用,微型计算机的发展是与微处理器的发展同步的。在短短的,30,年时间里，几乎每两年时间微处理器芯片的集成度就翻一番，每,3,5,年就要更新换代一次。各代的划分通常以,MPU,的字长和速度为主要依据。,第,1,章,微型计算机及其体系结构,本章主要介绍微型计算机的发展及应用、分类、系统组成、工作过程和体系结构等基础知识，使读者对微型计算机技术获得一个概要的了解，并通过后面各章的学习，逐步掌握微型计算机的原理与接口技术。,第一代（,1971,1972,）是,4,位和低档,8,位微型计算机，代表产品是美国,Intel,公司的,4004,微处理器芯片及由它组成的,MCS,微型计算机。,第二代（,1973,1977,）是中高档,8,位微型计算机，以,Intel 8080,和,8085,，,Motorola,公司的,MC6800,、美国,Zilog,公司的,Z80,等为,CPU,的微型机为典型代表。,第三代（,1978,1984,年）是,16,位微型计算机，如以,8086/8088,、,Z8000,和,MC68000,为,CPU,的微型机。,1984,年，,Intel,推出新一代,16,位微处理器,80286,，其集成度达到,13.4,万晶体管,/,片。,计算机的应用，归纳起来主要有这样几个方面：,（,1,）科学计算与数据处理。在科学研究、工程设计和社会经济规划管理中，存在大量复杂的数学计算问题，如卫星轨道的计算、大型水坝的设计、航天测控数据的处理、中长期天气预报、地质勘探与地震预测、社会经济发展现划的制订等。,（,2,）生产与试验过程控制。在工农业、国防、交通等领域，利用计算机对生产和试验过程进行自动实时监测、控制和管理，可提高效率，提高质量，降低成本，缩短周期。,（,3,）自动化仪器、仪表及装置。在仪器、仪表及装置中使用微处理器或微型计算机，可明显增强功能，提高性能，减小重量和体积。,（,4,）信息管理与办公自动化。现代企事业单位和政府、军队各部门要管理的内容，如财务管理、人事档案管理、情报资料管理、仓库材料管理、生产计划管理、信贷业务管理等。,（,5,）计算机辅助设计。在航空航天器结构设计、建筑工程设计、机械产品设计和大规模集成电路设计等复杂设计活动中，为了提高质量、缩短周期、提高自动化水平，目前普遍借助计算机进行设计，即计算机辅助设计（,CAD,）。,（,6,）计算机仿真。在对一些复杂的工程问题和复杂的工艺过程、运动过程、控制行为等进行研究时，在数学建模的基础上，用计算机仿真的方法对相关的理论、方法、算法和设计方案进行综合、分析和评估，可以节省大量的人力、物力和时间,。,（,7,）人工智能。人工智能是用计算机系统来模拟人类某些智能行为的新兴学科技术。,（,8,）文化、教育、娱乐和日用家电。计算机辅助教学（,CAI,）已成为国内外高等教育中一种重要的教学手段。,1.1.2 微型计算机的分类,常见的分类方法有以下,4,种：,按字长分：,8,位机，,16,位机，,32,位机和,64,位机等。,按用途分：工业过程控制机与数据处理机等。,按芯片型号分：,286,机，,386,机，,486,机与,Pentium,机等。,按组装形式分：单片机、单板机与多板微型计算机等。,（1）单片机：如果将构成微型计算机的各功能部件（CPU，RAM，ROM及I/O接口电路）集成在同一块大规模集成电路芯片上，一个芯片就是一台微型机，则该微型机就称为单片微型计算机，简称单片机。,2）单板机：如果将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片及简单的输入、输出设备（如小键盘、数码显示器LED（发光二极管）装配在同一块印刷电路板上，这块印刷电路板就是一台完整的微型机，称为单板微型计算机，简称单板机。,（3）多板微型计算机：也称系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O接口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机。目前广泛使用的微型计算机系统（如IBM PC/XT、PC/AT、PC386、PC484、Pentium系列个人计算机等）就是用这种方式构成的。,1.2 微型计算机的系统组成,1.2.1 微型计算机的硬件系统,图1-1为典型的微型计算机硬件系统的构成框图，它由处理器子系统、系统总线、存储器、I/O接口和I/O设备等组成。,图,1-1,微型计算机的系统组成,存储器,I/O,接口,I/O,设备,处理器子系统,系统总线形成,地址总线,AB,数据总线,DB,控制总线,CB,系统总线,BUS,1处理器子系统,整个微机的核心是微处理器（MPU），也称中央处理器（Central Processing Unit，CPU），它是采用大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内集成了控制器、运算器和若干高速存储单元，即寄存器。CPU及其支持电路一道构成了微机系统的控制中心，对系统的各个部件进行统一的协调和控制。,2,存储器（,Memory,）,计算机是一个自动的数据处理机，它靠机内存储的程序和数据来自动运行，存储器就是存放程序和数据的部件。,微机上的存储器分为“主存储器”和“辅助存储器”两类，当前它们主要由半导体存储器和磁盘、光盘存储器等分别构成。,3I/O设备和I/O接口,I/O设备是指微机上配备的输入输出设备，也称外部设备或外围设备（简称外设），其功能是为微机提供具体的输入输出手段。标准输入设备和标准输出设备一般是指键盘和显示器，二者又合称为控制台；此外，系统还可选择鼠标器、打印机、绘图仪、扫描仪等I/O设备。作为外部存储器驱动装置的磁盘驱动器，既可看作是一个输出设备，又可看作是一个输入设备。,由于各种外设的工作速度、驱动方法差别很大，无法与CPU直接匹配，所以不可能将它们简单地连接到系统总线，需要有一个接口电路来充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路来完成信号变换、数据缓冲、与CPU联络等工作。在微机系统中，较复杂的I/O接口电路一般都被放在电路插板上，这种电路插板又被称为“卡”，由卡的一侧引出连接外设的插座，另一侧做成插入端，只要将它们插入总线插槽（I/O通道）就等于将它们连到了系统总线。,4,系统总线（,System Bus,）,所谓“总线”，是指传递信息的一组公用总线。系统总线可分为,3,组：,（,1,）传送地址信息的总线称“地址总线”，即,AB,。,（,2,）传送数据信息的总线称“数据总线”，即,DB,。,（,3,）传送控制信息的总线称“控制总线”，即,CB,。,在一个系统中，除了,CPU,有控制使用总线的能力外，,DMA,控制器和协处理器等一些设备也有控制和使用总线的能力，它们被称为“总线主控设备”或“总线请求设备”；而连在总线上的存储器和,I/O,设备是被访问和控制的对象，它们被称为“总线被控设备”。,1.2.2 微型计算机的软件系统,微机的软件系统由系统软件、应用软件和支撑软件组成,。,1,系统软件,系统软件通常包括：操作系统、语言处理程序、诊断调试程序、设备驱动程序以及为提高机器效率而设计的各种程序。在系统软件中，最重要的软件当属操作系统，即,OS,（,Operating System,），所有的应用程序，包括系统软件中的一些程序，都要在操作系统构筑的平台上运行。,操作系统的基本功能是：,（,1,）负责管理、调度整个系统的软硬件资源，包括：,CPU,、存储器、各,I/O,设备等硬件资源，以及文件、目录、进程、任务等软件资源。,（,2,）向用户提供最基本的交互界面，以方便用户的使用、提高系统的工作效率。当前，新型操作系统还向用户提供了更多可资利用的软件资源，如各种实用程序和函数库等。,2应用软件,用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件，编制解决用户各种实际问题的程序，这些程序就称为应用软件。应用软件也可以逐步标准化、模块化、逐步形成了解决各种典型问题的应用程序的组合，称为软件包。,3,支撑软件,支撑软件又称支持软件，如数据库管理系统等。随着计算机硬件和软件的发展，计算机在信息处理、情报检索以及各种管理系统中的应用越来越普及和发展。这些都要大量地处理某些数据，检索和建立大量的各种表格。这些数据和表格应按一定规律组织起来，使得检索更迅速，处理更方便，也更便于用户使用，于是就建立了数据库。为了便于用户根据需要建立自己的数据库，询问、显示、修改数据库的内容，输出打印各种表格等，这就建立了数据库管理系统（,Data Base Management System,）等支撑软件。,1.3 微型计算机的工作过程,为了了解微机的工作过程，讨论一个简单的程序，例如计算机如何计算“,5+6=?”,。为此在启动计算机并让它进行计算之前，必须做如下工作：,（,1,）用助记符号指令编写程序（汇编语言）。,（,2,）由于机器不能识别助记符号，需要翻译（汇编）成机器语言指令。,（,3,）将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。,表,1-1 “5+6”,的计算机汇编程序,指令名称 助记符号 机器码（二进制）（十六进制）功能,立即数送累加器,MOV A,05 10110000 B0H,把,05,送入累加器,00000101 05H,加立即数,ADD A,06 00000100 04H 06,与,A,中的内容,0000011006H 00000110 06H,相加并存入,A,暂停,HLT 11110100 F4H,停止所有操作,程序如表,1-1,所示。,整个程序一共,3,条指令，,5,个字节，假设存放在,00H,开始的,5,个单元中。计算机执行程序一条指令一条指令地执行。执行一条指令分两个阶段，即取指令阶段和执行指令阶段。执行程序时，必须先给程序计数器,PC,赋予第一条指令的地址,00H,，然后进入第一条指令的取指阶段。,1取指令阶段的执行过程,（1）将程序计数器PC的内容（00H）送至地址寄存器AR，记为PCAR。,（2）程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令做准备，记为PC+1PC。,（3）地址寄存器AR将00H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中00号单元，记为ARM。,（4）CPU发出“读”命令。,（,5,）所选中的,00,号单元的内容,B0H,读至数据总线,DB,，记为（,B0H,）,DB,。,（,6,）经数据总线,DB,，将读出的,B0H,送至数据寄存器,DR,，记为,DBDR,。,（,7,）数据寄存器,DR,将其内容送至指令寄存器,IR,，经过译码，控制逻辑发出执行该条指令的一系列信号，记为,DRIR,，,IRID,，,IDPLA,。经过译码,CPU“,识别”出这个操作码就是“,MOV A,，,05”,指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。上述过程如图,1-2,所示。,2执行指令阶段的执行过程,经过对操作码BOH译码后，CPU就“知道”这是一条把01H单元的内容送入累加器A的指令。所以执行第一条指令，就是把指令第二字节中的立即数取出来送至累加器AL，其执行过程如下：,图,1-2,取第一条指令的操作示意图,时序控制信号,001011 0000,010000 0101,020000 0100,030000 0110,041111 0100,1011 000,0000 0000,A,RA,PC,ID,PLA,IR,1011 0000,DR,读,1011 0000,DB,AB,AR,RAM,+1,0000,ALU,O I,（,1,）,PCAR,，将程序计数器的内容,01H,送至地址寄存器,AR,。,（,2,）,PC+1PC,，将程序计数器的内容自动加,1,变为,02H,，为取下一条指令做准备。,（,3,）,ARM,，即地址寄存器,AR,将,01H,通过地址总线送至存储器，并选中,01H,单元。,（,4,）,CPU,发“读”命令。,（,5,）（,01H,）,DB,，选中的,01H,存储单元的内容,05H,送至数据总线,DB,。,（,6,）,DBDR,，通过数据总线，把读出的内容,05H,送至数据寄存器,DR,。,（,7,）,DRA,，因为经过译码已经知道读出的是立即数，并要求将它送至累加器,A,，故数据寄存器,DR,通过内部总线将,05H,送累加器,A,。,上述取指过程如图,l-3,所示。,时序控制信号,001011 0000,010000 0101,020000 0100,030000 0110,041111 0100,IR,0000 0101,RA,PC,ID,PLA,1011 0000,DR,读,0000 0101,DB,AB,AR,RAM,0000,ALU,O I I,A,+1,0000 0000,图,l-3,执行第一条指令操作示意图,1.4 微型计算机体系结构,随着计算机技术的飞速发展及高速外设的出现，微型计算机的体系结构发生了巨大的变化。至今，已推出了多种带有不同的微处理器技术和总线结构的微型计算机系统。从早期的,PC/XT,总线结构开始，相继经历了,ISA,总线、,ESA,总线、,VESA,局部总线、,PCI,局部总线、,AGP,高速图形接口等发展过程。,CPU,也从,8088/8086/80286,、,80386/8048,、,Pentium/Pentium II/Pentium III,发展到,Pentium4,等更新一代,CPU,。,1.4.1,基于,8088PC,总线的微机结构,PC/XT,机是采用,8088,微处理器构造的第一代通用微机，处理器作为系统的核心，通过其地址总线,AB,、数据总线,DB,和控制总线,CB,进行整个微机系统的调度与控制，并与各部件进行数据交换。这些总线直接或经过驱动形成微型计算机系统总线，即,PC/XT,总线，称为,PC,总线。它是微型机最初的一种系统总线，其总线宽度为,8,位，地址线宽度为,20,位，总线与,CPU,的时钟相同，为,4.77MHz,。其体系结构如图,1-4,所示。,1结构支持芯片,微型机系统是一个按时序工作的系统。系统除了微处理器、主存、总线和I/O设备以外，还应该有时序信号的发生、传送和控制的机构。这些时序控制机构在整个系统中起着举足轻重的作用，支撑和协调着整个系统有条不紊的工作。这些控制机构由系统支持芯片组成。PC/XT机的系统支持芯片主要有如下几种。,（,1,）,8087,协处理器。,PC/XT,微机系统采用的,8088,微处理器，可以工作在最小模式和最大模式。最小模式是单处理机方式，只允许,8088,接入系统，而最大模式下是多处理机方式，在这种方式下，除了,8088,外，还可以配接浮点协处理器,8087,，这样的配备可以使,PC/XT,的浮点运算速度提高大约,100,倍。,（,2,）可编程定时,/,计数器,8253/8254,。,8253/8254,具有,3,个,16,位的定时,/,计数通道。其中，通道,0,每,55ms,向,CPU,发一个时钟中断信号，微机系统利用这个时钟信号进行计数，用来计算时钟的时间；通道,1,用于动态存储器的刷新；通道,2,输出方波到扬声器，这个方波频率的持续时间可以由程序控制，使扬声器发出希望的音调并保持一定的时间。,（3）DMA控制器8237。8237有4个用于直接存储器存取的DMA通道。通道0用于动态存储器的刷新，通道2用于软盘与内存的DMA传送，通道3用于硬盘和内存间的DMA传送，通道1被保留给用户。,（4）可编程中断控制器8259。8259用于8级中断优先权的控制，由它负责对外部的中断进行优先级排队，并将最高优先权的中断请求转发给微处理器。,（,5,）串行通信控制器,8250,。,8250,芯片是一个可编程串行异步通信接口芯片，可实现数据的串行,并行和并行,串行的转换，是串行数据通信的主要芯片。该芯片配上相关转换电路，为,PC/XT,机提供了符合,RS-232,规范的串行通信接口。,（,6,）可编程并行接口,8255,。,PC/XT,机的,8255,并行接口芯片工作在方式,0,，有,3,个端口。其中，,A,口在开机自检的时候输出部件检测码，自检结束后又工作在输入状态，输入键盘的扫描码；,B,口完成对键盘控制及检测,RAM,和,I/O,通道，还和,8253,的通道,2,一起控制扬声器发声。,2,存储器,PC/XT,的只读存储器,ROM,的容量为,64KB,。早期的机器上在,F6000H,FDFFFH,中固化了,32KB,的,Basic,解释程序，以后的机器上已经不再固化,Basic,解释程序。,FE000H,FFFFFH,中固化了基本输入,/,输出系统（,BIOS,）。,BIOS,是一组管理程序，包括上电自检程序、系统引导程序、日时钟管理程序和基本,I/O,设备（如显示器、键盘和打印机等）的驱动程序等。在,PC/XT,系统板上的存储器芯片共,4,列，每列,9,片组成带奇偶校验的,64KB RAM,内存。,4,列构成,256KB,的内存空间。后来的一些主板上插接了,640KB,内存。,3,I/O,空间,8088,在访问,I/O,端口时，只使用低,16,位地址，即,A15,A0,有效，故可寻址,64K,个端口。但在,PC/XT,中，只用其中的,10,位地址线,A9,A0,，因此,I/O,端口空间大小为,1K,（,000H3FFH,）。,4,I/O,扩展槽,PC/XT,有,8,个,62,芯的,I/O,扩展槽，它符合,PC,总线的规范，可以插各种接口扩展卡，比如显示卡、硬盘卡等。利用这些插槽，可以对微机的功能进行扩展，使微机具有更为广泛的应用。,CPU 8088,（,4.77MHz,）,8087,（可选）,ROM BIOS,8253,定时,/,计数器,8259,中断控制器,8250,串行通信控制器,键盘与并行控制电路,DMA,页面寄存器,8237 DMA,控制器,扩展总线缓冲,8,个,8,位,62,引脚扩展槽,DRAM,控制器,RAM,图,1-4 8088 PC/XT,总线的微机体系结构示意图,1.4.2,基于,80286ISA,总线的微机结构,PC/AT,选用,80286,作,CPU,，该微处理器有,68,个引脚，其中数据线,16,根，地址线,24,根，物理上可寻址的地址空间为,16MB,，,80286,对存储器的访问分“实地址”和“保护虚地址”两种方式。兼容,8086/8088,的指令系统，有着更快的工作速度，支持虚拟存储和多任务操作系统。在系统组成上，,PC/AT,采用,101,键的扩展键盘，将软磁盘驱动器的接口电路改做在主机板上；,I/O,设备向用户提供了更多更好的选择，如,1.2MB 5.25,英寸软磁盘驱动器、,3.5,英寸软磁盘驱动器、,20MB,以上的硬磁盘驱动器、,EGA/VGA,彩色显示卡和显示器、网卡及网络环境等。,CPU 80286,（,8MHz,）,80287,（可选）,ROM BIOS,8254,定时控制器,74LS612,DMA,页面寄存器,8237 X 2,DMA,控制器,扩展总线缓冲,6ISA+2PC,插槽,DRAM,控制器,RAM,8259 X 2,中断控制器,并行接口,8204,键盘接口,M146818,CMOS,图,1-5 80286 PC/AT,总线的微机体系结构示意图,下面介绍其主要的结构部件。,1,系统支持芯片,数值运算协处理器采用,80287,。,时钟发生器,8284,，工作时钟为,8MHz,。,两个级联的中断控制器,8259,，一共可管理,15,个外中断源。,一个定时控制器,8254,，具有,3,个,16,位的定时,/,计数通道。,两个级联的,DMA,控制器,8237,，可提供,7,个通道的,DMA,操作。,总线控制器采用,8288,。,DMA,页面寄存器,74LS612,。,使用了,Motorola,公司的,M146818,芯片作为,CMOS,芯片，内含一个实时时钟和若干,RAM,存储单元，其中，实时时钟为系统提供年、月、日、星期及时、分、秒信息；存储单元用来保存系统的配置参数，包括：系统是否安装了协处理器、显示器的类型、存储器的容量、软驱和硬驱的容量和个数等。,2,存储器,早期系统板上安装了,256KB,或,512KB,的,RAM,，后来多扩展为,640KB,，有的甚至扩展到,1MB,2MB,，此外，系统板上还安装了包括,ROM-BIOS,在内的,64KB,的,ROM,，如果需要，用户可将,ROM,的容量扩大为,128KB,。,80286,的地址总线共,24,位,A23,A0,，对内存的寻址范围最多达,16MB,。,3I/O空间,80286在寻址I/O口时与8088一样，只使用它的低16位地址线A15A0，其寻址范围为64K，且与存储空间相分离。在寻址I/O口时，PC/AT与PC/XT也一样，只使用地址线中的低10位A9A0，故实际寻址能力为1K（000H3FFH）。但分配上，PC/AT与PC/XT有所不同，其中系统板上的I/O端口占用256个地址（000H-0FFH），其余地址留给I/O通道中的插板（100H3FFH）。,4I/O扩展槽,PC/AT是一个真正的16位机，与PC/XT相比，其地址线增加为24位，数据线增加为16根，原来的I/O总线（即“PC总线”）已不能满足新系统的要求。为了兼容以前的产品，PC/AT维持了原来62线的PC总线插槽，并在它的一端增加了36线的新插槽，这个98线的新总线被称为“AT总线”，亦即通常所说的“ISA总线”。在PC/AT的主机板上，一共安排有6个AT总线插槽（98线）和2个PC总线插槽（62线）。,1.4.3,基于,80386/80486ISA,总线的微机结构,80386/80486,微机分别利用了,Intel,公司的,80386,和,80486,微处理器。相比较而言，由于,80486,集成了,80387,协处理器，因此在微机结构中就不再有专门的协处理器。但它们的基本结构还是相同的，都采用,ISA,总线将系统的各个部件连接起来，而且都具有高速缓冲存储器（,cache,），并且都采用了一组多功能芯片来代替原来的单功能的接口控制芯片。如图,1-6,所示。,与,PC/XT,机相比较，,80386/80486,微机广泛采用了,ISA,总线替代了原来的,PC,总线。,ISA,总线在性能上兼容,PC/AT,总线，并且是一个公开的总线协议，它支持,24,位地址线、,16,位数据线、,15,级硬件中断和,7,个,DMA,通道。,系统支持芯片由几个多功能芯片组成的芯片组来替代,PC/XT,机中的多个单功能芯片。比如，在,80386,微机中采用了由,85C310 cache/,存储器控制器、,85C320 AT,总线信号控制器、,85C330,数据缓冲器和,82C206,集成外围控制器组成的芯片组。其中，,82C206,提供和,8088,系统兼容的,7,个,DMA,通道、,13,个中断请求、,2,个定时器,/,计数器、一个实时时钟和一个存储器映像器。,而80486微机则采用了82C461系统控制器、82C362总线控制器、82C465 cache控制器和82380集成外围控制器组成的芯片组。其中，82380拥有和8088系统兼容的8个32位的DMA通道、15个外部中断请求、5个内部中断请求和4个16位定时器/计数器。这些部件使得80386/80486系统既有新的功能又具备与8088系统的兼容性。,80386,和,80486,微机均采用单列式存储器组件,SIMM,封装的动态存储器（内存条）。,80386,支持单条,256KB,或,1MB,，总容量可达到,16MB,；,80486,支持单条,256KB,、,1MB,或,4MB,，总容量可达到,32MB,。,80386,微机一般有,ISA,总线标准的,8,位和,16,位的扩展槽若干个；,80486,微型机有,ISA,总线标准的,8,位和,16,位扩展槽若干个，有些还有,VESA,标准的,32,位扩展槽。后期的,80486,微机还采用了,VESA,总线或,PCI,总线作为各个部件的连线。由于,VESA,总线固有的缺点以及,PCI,总线的及时推出，因此,VESA,总线很快退出市场。,从图1-6中可以看出，通过AT/ISA核心逻辑芯片组将CPU的局部总线与AT/ISA、XT总线隔离开来，高速的主存储器和高速缓存直接连接到CPU局部总线上，速度较慢的ROM BIOS和键盘/鼠标以及扩展总线XT、AT/ISA槽连接到系统核心逻辑芯片上。在该核心逻辑芯片中集成了一些控制部件，如两个以级联的方式组合的类8237DMA控制器、两个以级联方式组合的类8259中断控制器、一个8254定时/计数器以及总线缓冲器及驱动器等。,图,1-6 80386/80486,微型机总线体系结构,1.4.4,基于,80486EISA,总线的微机体系结构,在,Intel,公司推出了,ISA,总线标准后，又推出了一个,EISA,（扩展工业标准结构）总线标准，对于兼容的,EISA,规范的总线，其最大的特点是支持突发式,DMA,数据传输协议，总线时钟为,8MHz,，总线宽度为,32,位，其最高总线传输率为,33MB/s,。该标准在功能上、电气连接上及物理上保持与,PC/XT,、,PC/AT ISA,总线的兼容性。,图,1-7,所示为典型的具有,EISA,总线的微机系统图，其在结构上基本与,AT/ISA,总线体系结构相同（注意，,EISA,总线的物理位置实际在,XT,和,ISA,插槽的下层）。,EISA,总线出现在,32,位微型计算机中，是结合,80386/80486,微机系统推出的一种总线结构，与,32,位的微处理器兼容。具有,32,位的数据线，支持,8,位、,16,位或,32,位的数据存取，支持数据突发式传输。地址线与字节使能信号共同作用支持,32,位寻址，可寻址,4GB,的存储器空间，也支持,64KB,的,I/O,端口寻址，支持,11,级中断,IRQ3,7,、,IRQ9,12,、,IRQl4,15,；支持高速,DMA,数据传输，支持,7,个,DMA,传输通道,DRQ0,3,、,DRQ5,7,；支持多主控制器；支持,I/O,等待与校验等。,EISA,总线在信号定义与物理电气连接上完全与,ISA,总线兼容，主要应用在,32,位微处理器组成的微型计算机系统中。,EISA,总线插槽价格较高，一般用在高档机和服务器中。,图,1-7 80486 EISA,总线微机体系结构图,1.4.5,基于,PentiumISA/PCI,总线，南北桥结构的微机体系结构,现代微机采用,Pentium,系列微处理器，其基本结构发生了革命性的变化，最主要的表现是改变了主板总线结构。为了提高微机系统的整体性能，规范系统的接口标准，根据各部件处理或传输信息的速度快慢，采用了更加明显的,3,级总线结构，即,CPU,总线（,Host Bus,）、局部总线（,PCI,总线）和系统总线（一般是,ISA,）。其中，,CPU,总线为,64,位数据线、,32,位地址线的同步总线，,66MHz,或,100MHz,总线时钟频率；,PCI,总线为,32,位或,64,位数据,/,地址分时复用同步总线。,PCI,局部总线作为高速的外围总线不仅能够直接连接高速的外围设备，而且通过桥芯片连接更高速的,CPU,总线与系统总线相连。系统总线仍为,16,位数据线、,20,位地址线。外围总线由低速总线发展到高速的,PCI,总线，这一结构的改变，对微型机性能的提高起了很重要的作用。,3,级总线之间由更高集成度的多功能桥路芯片组相连，形成一个统一的整体。这些桥路芯片起到信号速度缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。图,1-8,为采用,PCI,局部总线的,Pentium,微型机系统图。,在这种结构中，主要通过两个桥片（,Host Bridge,）将,3,级总线连接起来。这两个桥片分别是被称作北桥的,CPU,总线,-PCI,桥片和被称作南桥的,PCI-ISA,桥片。这种南北桥结构的芯片组种类很多，既有,Intel,芯片组，也有非,Intel,芯片组。,其中北桥芯片,82439HX,与,CPU,、内存储器、,L2 cache,（二级高速缓存）、局部总线等高速设备相连，用来管理微机系统中的高速设备；南桥芯片,82371,与,IDE,接口、,ISA,总线等低速设备相连，用来管理微机系统中的低速设备。,在兼容的,PCI,总线规范的微型计算机系统中，微处理器局部总线通过北桥与其他部件相连接。每当微处理器及其局部总线改变时，只需跟着改变北桥芯片，全部原有外围设备则可继续进行工作。这种结构的好处是：即使微处理器及局部总线发生变动，也不会影响众多的外围芯片系列。,PCI,总线有着完善的功能和电气定义，具有灵活而强大的系统配置能力，且满足将来微处理器的发展要求，因此，,PCI,总线被称为现代微型计算机的主流总线标准。,PCI,总线的宽度是,32,位或,64,位，总线的运行频率为,25MHz,到,133MHz,，最大数据传输率可达,528MB/s,甚至更高。,从图中我们看到，还有,72,线的内存条，总容量为,8,256MB,，,DRAM,与,L2 cache,控制器。,2,个,IDE,接口、,1,个,USB,接口、,1,个红外线接口。,图,1-8,典型的,Pentium,微型机系统结图,1.4.6,基于,Pentium IIISA/PCI/AGP,总线，南北桥结构的微型机体系结构,如图,1-9,所示是由,Intel,公司南北桥结构的芯片组,440BX,所组成的,Pentium,微机的基本结构。,440BX,芯片组主要由两块多功能芯片组成。其中，北桥芯片,82443BX,集成有,CPU,总线接口，支持单、双处理器，双处理器可以组成对称多处理机（,SMP,）结构；同时,82443BX,还集成了主存控制器、,PCI,总线接口、,PCI,仲裁器及,AGP,接口，并支持系统管理模式（,SMM,）和电源管理功能。它作为,CPU,总线与,PCI,总线的桥梁。,440BX芯片组的南桥芯片是82371EB芯片。该芯片组集成了PCI-ISA连接器、IDE控制器、两个增强的DMA控制器、两个8259中断控制器、8253/8254时钟发生器和实时时钟等多个部件；另外还集成了一些新的功能，如USB控制器、电源管理逻辑及支持可选的I/O APIC等。通过USB接口，可以连接很多外部设备，比如拥有USB接口的扫描仪、打印机、数码相机和摄像头等。82371EB作为PCI总线和ISA总线的桥梁。,这个结构将局部总线,PCI,直接作为高速的外围总线连接到,PCI,插槽上，适应了当前高速外围设备与微处理器的连接要求。早期的,3,级总线结构中，图形显示卡也是通过,PCI,总线连接的，由于显示部分经常需要快速传送大量的数据，这在一定的程度上增加了,PCI,总线通路的拥挤度，而,PCI,总线,132MB/s,的带宽也限制了数据输出到显示子系统的速度。因此，为了解决高速视频或高质量图形、图像的显示，引入了高速图形接口（,AGP,）。,AGP,是对,PCI,总线的扩展与增强，但,AGP,接口只能为图形设备独占，不具有一般总线的共享特性，因此，严格说来,AGP,只属于一种单一的接口。在应用中，微型机系统也将,AGP,接口作为第二个,PCI,总线接口。同时也使,PCI,总线能更好地为其他设备服务。,采用,AGP,接口，允许显示数据直接取自系统主存储器，而无需先预取至视频存储器中。通过系统设置，图形控制器可以从系统主存中划分一些段用于保存,AGP,数据（包括特征数据和显示数据）。因此在现代的所谓整合主板的微机系统中，不需要专门的显示内存，而与主存储器共享。目前绝大部分的微型计算机系统都支持,AGP,，支持,AGP,标准的微处理器主要有,PII,、,PIII,、,P4,及,AMD,的,K6/K7,等微处理器。支持,AGP,的系统逻辑芯片有,Intel,的,440,系列、,8XX,系列、,850,；,AMD,的,751,系列、,760,系列；,VAI,的,69X,系列等。,AGP,总线是对,PCI,局部总线的扩充与增强，与,PCI,总线相比，,AGP,总线时钟为,133MHz,，具有以下特点：,（,1,）采用双重驱动技术。由于采用新的低电压规范，允许在一个,133MHz,的总线时钟内传输一次或两次数据，即在,AGP,时钟信号的上沿和下沿都进行,32,位数据传输，从而将有效带宽提高,4,倍而达到,512MB/s,甚至,1GB/s,。,（,2,）采用边带信号传送技术。在总线上调制地址与数据的多路复用，在这种方法中控制信号不通过数据总线而是通过单独的总线来传输，从而把整个,32,位,PCI,总线留出来给图形加速器，这也是对,PCI,总线的一种改进。,（,3,）采用内存请求流水线技术。采用深度流水线读、写操作，隐含了对存储器访问造成的延迟。这种方法允许系统处理图形控制器对内存进行的多次请求。如果一个先前的内存请求处于挂起状态，,PCI,总线将迫使图形控制器暂停对内存的请求，这种暂停访问内存的方法会使本来已经存在的内存请求延时变得更长。通过内存的流水线策略，对各种内存请求进行排队来减少延时，一个典型的排队可处理,12,个以上的请求，从而大大加快了数据传输的速率。,（,4,）减少对,PCI,总线的传输压力。把图形接口绕行到专用的适合传输高速图形、图像数据的,AGP,通道上，解决了,PCI,带宽中最大的问题，当,AGP,承担这个任务后，,PCI,将会有更多的能力负责其他应用的数据传输，从而大大减轻了,PCI,总线的压力。,ISA,插槽,PCI,插槽,Pentium II,处理器,82443BX,（北桥）,82371EB,（,PIIX4E,）,（南桥）,主存,2,个,IDE,接口,2,个,USB,接口,ISA,总线,Pentium II,处理器,I/O,APIC,PCI,总线,图形设备,CPU,总线,66/100MHz,2X AGP,总线,系统,BIOS,图,1-9 Pentium II,微型机体系结构基本结构图,1.4.7,基于,Pentium III,中心结构的微型机体系结构,南北桥结构尽管能够为外围设备提供高速的外围总线，但是南北桥芯片之间也是通过,PCI,总线连接的，南北桥芯片之间的频繁数据交换必然使得,PCI,总线信息通路依然呈现一定的拥挤，也使得南北桥芯片之间的信息交换受到一定的影响。为了克服这个问题，同时也为了进一步加强,PCI,总线的作用，,Intel,公司从,810,芯片组开始，就放弃了传统的南北桥结构，而采用了如图,1-10,所示的中心结构。,构成这种结构的芯片组主要由,3,个芯片组成，它们分别是存储控制中心（,Memory Controller Hub,，,MCH,）、,I/O,控制中心（,I/O Controller Hub,，,ICH,）和固件中心（,Firm ware Hub,，,FWH,）。,MCH,的用途是提供高速的,AGP,接口、动态显示管理、电源管理和内存管理功能。此外，,MCH,与,CPU,总线相连，负责处理,CPU,与系统其他部件之间的数据交换。在某些类型的芯片组中，,MCH,还内置图形显示子系统，既可以直接支持图形显示又可以采用,AGP,显示部件，这时我们称其为图形存储控制中心（,GMCH,）。,ICH,含有内置,AC97,控制器，提供音频编码和调制解调器编码接口、,IDE