bios供电和南桥

✅ 通过对 【计算机与UNIX汇编原理 ① ~ ⑫】的学习，我们已经大致掌握了汇编程序设计的相关知识

接下来，我将其分栏名改为 【计算机原理与接口技术(UNIX) 】，重点将放在 “计算机原理与接口技术” 上

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文章目录

• 一、总线的基本概念

• 1.1 总线的类型
• 1.2 总线的结构
• 1.3 总线的性能
• 1.4 总线上信息传送的方式

• 二、32位微处理器的外部引脚
• 三、对于常用总线的认识

• 3.1 AT（ISA）总线
• 3.2 PCI 总线
• 3.3 AGP 总线
• 3.4 USB 总线

• 四、通用外部总线标准

• 4.1 并行 I/O 标准接口 IDE
• 4.2 SATA （Serial ATA）

• 五、32位微型计算机总线结构
• 六、参考附录

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总线的英文：Bus

上一篇文章链接:【计算机与UNIX汇编原理⑫】——汇编考前复习【重要知识点 + 基础题 + 易错题 + 难题解析】.下一篇文章链接:【计算机原理与接口技术(UNIX)⑭】——再讲存储器系统【位、字扩展法 + 详细例题】.

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一、总线的基本概念

● 用大白话说说总线？

（相当于 OS 的 CPU），也有相应的各大小仓库（相当于 OS 的内存/外存），还有更重要的阿里总公司（相当于 OS 的管理器），那么总线就相当于这些地标建筑物之间的 “连接通道”，有些通道是单向的，有些是双向的，有些可以通过打电话发信号过去(重要会议消息)，有些只能乘车/乘飞机(货物)。
 交通分为海陆空等几种。总线也一样，它分为三种：数据总线、地址总线、控制总线。

● 总线的定义：总线是一组信号线的集合，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。

1.1 总线的类型

① 芯片级总线：用于模块内芯片级的互连，是该芯片与外围支撑芯片的连接总线。

② 局部总线：即直接连接 CPU 和高速外设的传输通道。

③ 外部总线：它又被称为设备总线和输入输出总线，是连接计算机与外设的总线。

④ 系统总线：连接计算机内部各模块的一条总干线，是连接芯片级总线、局部总线和外部总线的纽带。

1.2 总线的结构

① 单总线结构：指在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接 CPU 、主存和 I/O 设备。

② 双总线结构：保持了三总线系统简单。易于扩充的优点，但又在 CPU 和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现直接存储器存取（DMA）操作，而不必经过 CPU 。

③ 三总线结构：在双总线系统的基础上增加 I/O 总线而形成的。

1.3 总线的性能

① 总线的宽度：指一次可以传输的数据位数。（类比高速路上的公路条数）

② 总线的频率：指总线工作时每秒内能传输数据的次数。（就像泥巴路、水泥路、沥青路、高速路，在不同路上，车的行驶速度不同）

③ 传输率：每秒内能传输的字节数，一般用 $MB/s$

● 举个栗子：设总线宽度为 32 b，频率为 100MHz，求其传输率。

解:
传输率 = 32b / 8 × 100 MHz = 400 MB/s

◆ 说明：总线宽度越宽，频率越高，则传输率越高。

1.4 总线上信息传送的方式

● 计算机只懂二进制，它们一般用电位的高、低来表示 1、0，或用脉冲的有、无来表示。

① 串行传送：一条传输线，且采用脉冲传送，每一传一个二进制位（bit）。主要优点是只需要一根传输线，对长距离传输来说省成本。

② 并行传送：对要传送的数的每个数据位都需要单独一条传输线，一般采用电位传送。优点：速度快。

③ 分时传送：一种概念是指采用总线复用方式，某条传输线上即传送地址信息，又传送数据信息，需分好时间片。另一种概念是指共享总线的部件来分时使用总线。

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二、32位微处理器的外部引脚

● 理解微处理的引脚功能是 理解计算机系统中微处理器与存储器 和 理解计算机系统中微处理器与I/O接口 的重要基础之一。我们主要讨论 32 位的。

● Pentium 芯片共有 168 个引脚。我们主要介绍重要的一些引脚如下：

① 数据线引脚：D₆₃ ~ D₀ ，共 64 位

② 地址线引脚：A₃₁ ~ A₃ ，高 29 位地址线

③ 字节允许信号：$\overline{BE_7} \backsim \overline{BE_0}$

④ 系统控制信号：时钟输入 $CLK$

⑤ 总线周期定义信号(输出)：【注：$CPU$ 通过总线与存储器、I/O 交换一个数据所需要的时间称为总线周期】
$M/ \overline{IO}$ = 1 时，表明该总线周期，CPU 与存储器交换信息，=0 时表明该总线周期，CPU 与 I/O 接口交换信息。
$W/\overline{R}$ =1 时，表明该总线周期，CPU 进行写操作，=0 时表明该总线周期，CPU 进行读操作。
$D/\overline{C}$ = 1 时，表明该总线周期，传输的是数据，=0 时表明该总线周期，传输的是指令代码。
◆ 说明：这三个信号的组合，决定当前总线周期所完成的操作。

● 总线周期定义的操作如下：

M/IO	D/C	W/R	操作
0	0	0	中断
0	0	1	中止/专用周期
0	1	0	I/O读
0	1	1	I/O写
1	0	0	微代码读
1	0	1	保留
1	1	0	存储器读
1	1	1	存储器写

⑥ 总线控制信号($\overline{ADS}，\overline{RDY}$)与 32 位微处理器的典型时序：
$\overline{ADS}$：地址选通信号(输出)，该信号由1 → 0，表明地址线和总线定义信号($M/ \overline{IO}$、$W/\overline{R}$、$D/\overline{C}$)均为有效可用。
$\overline{RDY}$：准备就绪信号(输入)，该信号由外电路产生→ X86。当 =0 时，表明外部电路(存储器、I/O 接口)已经做好数据 W/R 的准备，能在规定时间内完成数据的读写。当 =1 时表明存储器或 I/O 不能在规定时间内完成数据的读/写，请 CPU 延长总线周期。

● 以下为 X86 的基本总线周期时序图（以 pentium 为例)

⑦ 总线仲裁信号：HOLD：总线保持请求（输入）；HLDA：总线保持响应（输出）。

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三、对于常用总线的认识

● 相同的指令系统，相同的功能，不同的厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同功能部件却可以相互使用，其原因在于它们都遵守了相同的总线要求，这就是总线标准化问题。（就像社会中，各个医院的内部管理政策可能不同，但是他们都有通用的“总线标准”——会以同一的文件格式，向当地政府部门上报医疗情况）

● PC系列机主板上的总线标准有：XT总线、AT（ISA）总线、EISA 总线、VESA 总线和 PCI 总线 。

3.1 AT（ISA）总线

● ISA ，全称 Industry standard architecture 工业标准结构。

● ISA 总线是 16 位总线，始于286 机型。 之后在 386 ~ 奔腾机 上都有 ISA 总线。ISA 总线由 62 芯 + 36 芯两个插槽组成。

● ISA 的主要特性：
  <1> 数据传输率最高为 8MB/s
  <2> 24 根地址线，可寻址 16MB 存储空间（ 2²⁴B = 16MB）
  <3> 64KB 个可寻址的 I/O 端口（16根地址线）
  <4> 一次可进行 16 位或 8 位数据存取
  <5> 15 级中断控制
  <6> 7 个 DMA 通道
  <7> 可产生 I/O 等待状态
  <8> 支持多个主控器（XT总线中只有 CPU 是唯一的主控设备，而 ISA 总线可使 CPU 释放总线由其它主控器 [如DMAC、DRAM刷新控制器等] 占用总线）

● ISA 的常用引脚：
  ① ISA 的数据线：SD₁₅ ~ SD，SD₇ ~ SD₀
  ② ISA 的地址线：SA₁₉ ~ SA₀
  ③ ISA 的控制线:
$AEN$：地址允许信号。当 =0 时， 表明 CPU 控制系统是 3 总线。当 =1 时， 表明 DMAC 控制系统是 3 总线。应用：用 AEN = 0 参与端口地址译码。
$\overline{IOR}$：I/O 读命令。当 =0 时，把选中的端口寄存器内容 → 数据线。应用：用于读取 I/O 端口。
$\overline{IOW}$：I/O 写命令。当 =0 时，把数据线上信息 → 选中的端口寄存器。应用：用于对端口进行写操作。
    <4> 中断请求线：IRQ₃ ~ IRQ₇、IRQ₉ ~ IRQ₁₂ 、IRQ₁₄ ~ IRQ₁₅
    <5> DMA 请求/应答信号：DRQ₀ ~ DRQ₃ / $\overline{DACK_0}$ ~ $\overline{DACK_3}$ 、DRQ₅ ~ DRQ₇ / $\overline{DACK_5}$ ~ $\overline{DACK_7}$

3.2 PCI 总线

● PCI，全称为 Peripheral component interconnect 外围部件连接。

● PCI 总线为高速的 I/O 子系统（图形显示适配器、网络接口控制器、磁盘控制器等）提供了更好的性能。其包含即插即用的特性。

● PCI 是由 Intel 公司 1991 年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI 是在 CPU 和原来的 系统总线 之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路font>实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持 10 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为 33MHz/66MHz 。32 位数据宽度运行时，最大传输速度 133MB/s；64 位数据宽度运行时，最大传输速度 528MB/s。

3.3 AGP 总线

● AGP 全称 Accelerate Graphics Port 图形加速接口。

● AGP 接口是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，AGP 不能称为总线，它与 PCI 总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和 AGP 显示卡，但在习惯上我们依然称其为 AGP 总线。 最初传输速度 266MB/s（AGP1X）,最高传输速度 2.1GB/s（AGP8X）。

3.4 USB 总线

● USB总线，全称 Universal Serial Bus 通用串行总线。

● USB 一般是用一个 4 针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接 127 个外部设备，并且不会损失带宽。

● USB 需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持 USB 功能的控制芯片组，USB 支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘等，几乎所有的外部设备。

● USB1.1的传输速度最高 12MB/s、USB2.0的传输速度最高 480MB/s。

四、通用外部总线标准

4.1 并行 I/O 标准接口 IDE

● IDE 全称为 Integrated Drive Electronics ，电子集成驱动器。

● 它的本意是指把 “硬盘控制器” 与 “盘体” 集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE 这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。

4.2 SATA （Serial ATA）

● 使用 SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来 PC 机硬盘的趋势。Serial ATA 采用串行连接方式，嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。

五、32位微型计算机总线结构

● PC 系列机采用开放式的总线结构。随着计算机技术的发展，开发了一大批总线标准，使计算机的总线结构逐步规范化、通用化。

● 目前的流行结构是 南北桥结构 ：采用 PCI 局部总线的 32 位 Pentium 微型计算机的总线结构。在这种结构中，主要通过两个芯片将三级总线连接起来。这两个芯片分别被称为北桥的 CPU 总线——PCI 桥片(Host Bridge) 和 南桥的 PCI 总线——ISA 桥片。（如下图所示）

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六、参考附录

[1]《微型计算机原理与接口技术(慕课板)》
清华大学出版社

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