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第四章 微机总线与接口标准

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第一节 总线与接口概述 一、总线和接口及其标准的概念 总线：是在模块之间或设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。 总线标准：指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。 接口标准：指与外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向和拓扑结构，以及电气特性和机械特性等多个方面。

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总线与接口的区别：

总线 接口通用性 公用 专用物理特性 扩展槽形式 插座 ( 头 ) 形式传输类型 并行传输 并行或串行传输信号线数量 多 少

信号线类型 分离的控制、数据、地址线

共用 ( 有时分离 ) 的数据、控制线

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二、总线的分类1 、按总线功能或信号类型划分 数据总线、地址总线、控制总线

2 、按总线的层次结构分 CPU 总线、局部总线、系统总线、通信总线

思考：局部总线与系统总线的根本区别是什么？

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三、总线的主要性能参数1 、总线频率2 、总线宽度

3 、总线数据传输率 总线数据传输率 =( 总线宽度 /8 位 )× 总线频率

例： PCI 总线的总线频率为 33.3MHz ，总线宽度为64 位的情况下，总线数据传输率为 266MB/s 。

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四、总线标准的特性1 、物理特性 包括总线根数，插头及插座的尺寸、排列等。2 、功能特性 包括每根信号线的功能。3 、电气特性 包括驱动功率、有效电平等。4 、时间特性 包括每根信号线的有效时间及信号线间的时序等。注意：总线的功能特性不能代表总线标准。

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五、总线操作与控制1 、总线操作过程

1 ）总线请求和仲裁阶段 2 ）寻址阶段3 ）数据传送阶段 4 ）结束阶段

2 、总线传送控制1 ）同步方式 2 ）异步方式 3 ）半同步方式 4 ）分离方式思考： 1 ）同步方式与半同步方式的区别？ 2 ）异步方式的 4 个步骤？

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第二节 系统总线 一、 ISA 总线1 、 ISA 总线的信号 支持 24 位地址， 16 位数据线，总线频率≤ 8MHz ，最大数据传输率≤ 16MB/s(=8×16

位 /8) 。2 、 ISA 总线扩展卡的设计 1 ） ISA 总线扩展卡的物理尺寸 2 ） ISA 总线扩展卡的地址分配和中断号分配

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二、其他总线1 、 EISA 总线 EISA 总线支持 32 位地址、 32 位数据总线，总线频率 8.33MHz ，最大数据传输率 33.3MB/s(8.33

×32 位 /8) 。 结构与 ISA 兼容， EISA 总线插槽与 ISA 插槽等长等宽，内部被设计成为双层引脚。2 、 PC104 总线 采用超小尺寸插卡，自叠总线结构，总线驱动电流小，功耗低。3 、 STD 总线

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第三节 PCI 总线 一、 PCI 总线特点

1) 独立于处理器2) 传输效率高3) 多总线共存4) 支持突发传输 5) 支持总线主控方式

突发传输原理：启动机制、停止机制是关键

地址期 数据期 地址期 数据期 （ a ）常规传输

（ b ）突发传输

地址期 数据期 数据期 数据期

6) 采用同步操作 7) 支持两种电压下的扩展卡 8) 具有即插即用功能 9) 合理的管脚安排 10) 预留扩展空间

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PCI 总线标准知识点： 功能→命令（ I/O 、 MEM 、配置等） 空间→ I/O 、 MEM 、配置空间，字节对齐单 CPU 启动控制 寻址 操作 响应 →协议（信号时序） 数据 终止多 CPU 控制→总线请求与仲裁

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二、 PCI 总线信号定义 主设备、从设备使用的信号有一部分不同。1 、系统接口信号 CLK IN ： PCI 系统总线时钟

PCI 大部分信号在 CLK 的上升沿有效。2 、地址与数据接口信号 AD[31:00] T/S ：地址、数据多路复用信号 地址期为 A[31:00] ，数据期为 D[31:00] 。 C/BE#[3:0] T/S ：总线命令、字节使能复用信号 地址期内表示总线命令，数据期内表示字节使能信号。 PAR T/S ：针对 AD[31:00] 和 C/BE[3:0]# 进

行奇偶校验的校验位 回下页

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3 、接口控制信号 FRAME# S/T/S ：帧周期信号 FRAME# 信号无效→有效，表示一帧传输开始； FRAME# 有效的第 1 个时钟为地址期，其后为若干数据期； FRAME# 信号有效→无效，表示传输进入最后一个数据期。 IRDY# S/T/S ：主设备准备好信号 TRDY# S/T/S ：从设备准备好信号 STOP# S/T/S ：从设备发出的要求主设备终止当前的数据传送信号

LOCK# S/T/S ：锁定信号 IDSEL IN ：初始化设备选择 ( 配置片选 ) 信号 DEVSEL# S/T/S ：设备选择信号

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4 、仲裁接口信号 REQ# T/S ：总线占用请求信号 GNT# T/S ：总线占用允许信号5 、错误报告接口信号 PERR# S/T/S ：数据奇偶校验错误报告信号 SERR# O/D ：系统错误报告信号 6 、中断接口信号 PCI 有 4条中断线，分别是 INTA# 、 INTB# 、INTC# 、 INTD#

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7 、 64 位总线扩展信号 AD[63:32] T/S ：扩展的 32 位地址和数据多路

复用 线 C/BE[7:4]# T/S ：总线命令和字节使能多路复用

扩展信号线 REQ64# S/T/S ， 64 位传输请求信号 ACK64# S/T/S ： 64 位传输允许信号 PAR64 T/S ：奇偶双字节校验

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8 、主、从设备连接 PCI 信号线示意图

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主设备1

PC

I

总线控制器

AD[31:0]

C/BE#[3:0]

从设备

FRAME#IRDY#LOCK#

AD[31:0]

IDSEL

DEVSEL# TRDY#STOP#

未连接信号线： REQ# 、 GNT# 、 IDSEL

REQ#

GNT#

频率发生器

CLK

AD15AD14AD13AD12AD11 IDSEL

AD24…

AD16

PC

I

桥

共用信号线

INTA~H#PCI 中断控制器

控制 /状态地址 / 数据

主设备2 REQ#

GNT#

控制 /状态地址 / 数据

设备ID

译码器 …

总线号

译码器 P

CI

桥

…

从设备

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三、 PCI 总线命令 C/

BE#[3:0] 命令类型 C/BE#[3:0] 命令类型

0000 中断响应 1000 保留

0001 特殊周期 1001 保留

0010I/O读

( 从 I/O端口地址中读数据 )1010 配置读

0011I/O写

( 向 I/O端口地址中写数据 )1011 配置写

0100 保留 1100 存储器多行读0101 保留 1101 双地址周期

0110存储器读

( 从内存空间映像中读数 )1110 存储器行读

0111存储器写

( 向内存空间映像中写 )1111 存储器写并无效转 11 页 回 21 页

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四、 PCI 总线协议之一 -- PCI 总线的寻址1 、字节对齐 AD[31:00] 一次只能进行 32 位数据交换 ( 不能进行字节交换 )；有 64 位通道的主设备可进行 64 位数据交换。 字节交换办法： 主设备在每个新数据期开始的时钟前沿改变字节使能信号 (见 I/O 寻址 ) ，且在该数据期中保持不变。 对可缓冲的存储器的数据可不考虑字节使能信号，而传送所有的字节 ( 总线宽度 ) 。

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2 、 I/O 地址空间 32 位 AD 线表示的地址空间 (A31~A16 表示总线号 )； 最低寻址 ( 或访问 )精度为字节。 从设备的处理： 地址期对 AD[15:0]译码 ，决定是否产生DEVSEL#； 数据期检查 AD[1:0] 和 C/BE#[3:0]校验传输的最低有效字节和数据宽度：AD[1:0

]C/

BE#[3:0]

00 ××× 0

01 ×× 0 1

10 × 0 1 1

11 0 1 1 1

如：当 AD[1:0]=01 时； 若 C/BE#[3:0]=1101 ，为字节传输； 若 C/BE#[3:0]=1001 ，为字传输； 若 C/BE#[3:0]=1011 等，操作错误，中止传输。

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3 、内存地址空间 最低寻址 ( 或访问 )精度为双字。 A1A0必须为 00( 或不译码 ) ，可作它用！

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双字边界对齐的起始地址2 1 0

00 地址递增01 Cache 行切换1X 保留

…

00000000H

00000004H

00000008H

4 字节

MEM 地址空间

4 、配置地址空间 最低寻址 ( 或访问 )精度为双字。

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双字边界对齐的起始地址2 1 0

00 选择该设备01 选择该桥路后 设备1X 保留

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思考：软件层次如何访问三种地址空间？

MEM I/O

232-1

0

216-1

0 I/O1 配置255

0I/On 配置

255

0…

总线命令： 0110/0111 0010/0011 1010/1011

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接口识别： 命令 + 地址 命令 + 地址 配置空间片选① + 地址

①配置空间片选：同一配置命令，只有一个接口响应总线命令

软件指令： MOV IN/OUT IN/OUT②

②IN/OUT ：配置命令使用频率较低，借用 I/O 指令通过间接访问实现

采用特殊方法区分地址对应的不同空间，如在 I/O 空间中开辟特殊区域

转上页

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1 、 PCI 总线的传输控制规则 (1) FRAME# 和 IRDY# 定义了总线的忙 /闲状态。 11 空闲、 00 数据、 10 最后一个数据、 01 启动或等待状态

（ 0 表示低电平信号有效）(2) 一旦 FRAME# 信号被置为无效，在该传输期

(帧 ) 不能重新设置。(3) 除非设置 IRDY# 信号有效，一般情况下不能设置 FRAME# 信号无效 ( 即 FRAME# 在 IRDY#有效时设置 ) 。(4) 数据期内设置 IRDY# 或 TRDY# 信号无效，表示主或从设备插入了等待周期。

五、 PCI 总线协议之二 -- 传输控制协议

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2 、 PCI 总线的驱动与过渡

在每个地址 ( 数据 ) 期中，所有 AD 线 ( 包括字节使能信号表明无效字节所对应的 AD 线 )都必须被驱动到稳定的状态，才可进行交换。

一个设备驱动总线到另一个设备驱动总线之间需设置一个过渡期，又称为交换周期，以防止总线访问冲突。 （例如读操作）

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3 、设备选择 CLK

FRAME#

IRDY#

TRDY#

DEVSEL#

1 2 3 4 5 6 7 8

FAST MED SLOW……

所有从设备共用 PCI 总线的 DEVSEL# 信号。 从设备设置 DEVSEL#后，传输完成前不能撤消它。

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4 、总线上的读操作传输过程 CLK

FRAME#

1 2 3 4 5 6 7 8 9

AD

C/BE#

IRDY#

TRDY#

DEVSEL#

ADDRESS DATA1 DATA2 DATA3

BUSCMD BE#s

地址期 数据期 数据期 数据期

一帧中最多只有一个从设备设置 DEVSEL# 有效； TRDY#无效，表示从设备插入了等待周期。

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5 、总线上的写操作传输过程 CLK

FRAME#

1 2 3 4 5 6 7 8 9

AD

C/BE#

IRDY#

TRDY#

DEVSEL#

ADDRESS DATA2DATA1 DATA3

BUSCMD

地址期 数据期 数据期 数据期

BEs1 BEs2 BEs3

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1 、由主设备提出的终止

2 、由从设备提出的终止

原因：传输结束，或超时 (DEVSEL#无效 )

处理： 传输结束—建立 IRDY# ，撤消 FRAME# ，直到TRDY# 有效后传输完最后一个数据后，撤消IRDY#； 超时—建立 IRDY# ，撤消 FRAME# ，撤消IRDY# 。 原因：死锁，或 8 个时钟内来不及响应 处理：发 STOP#

六、 PCI 总线协议之三 -- 传输中止协议

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⑴当 STOP# 有效时， FRAME# 应在其后 2~3

个 TC 内撤消 (撤消时应使 IRDY# 有效 )；从设备应无条件地保持 STOP# 有效直到 FRAME#撤消为止 (STOP#紧跟着撤消 ) 。

PCI 总线上传输终止遵循的规则：

⑵在任何时钟的上升沿，若 STOP# 和 TRDY#

同时有效，就表示是传输的最后周期， IRDY# 要在下一个时钟的上升沿之前撤消，表示传输的结束。 ⑶对于被目标设备终止的传输，主设备若要继续完成它，就必须用下一个未传输的数据的地址来重试访问。

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七、 PCI 总线协议之四 --PCI 总线仲裁 CLK

FRAME#

1 2 3 4 5 6 7

AD

GNT#-B

IRDY#

TRDY#

GNT#-A

地址 数据

A 存取 B 存取

REQ#-B

REQ#-A

地址数据

c

a b

d e

f g

主设备必须等到总线空闲时，方可置 FRAME# 。

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九、 PCI 总线配置 1 、 PNP 过程 ⑴BIOS检查所有 PNP 卡的 ID 及所需资源； ⑵系统配置程序检查非 PNP 卡 ID 及所需资源； ⑶管理程序汇总信息构成硬件树； ⑷统一配置资源到卡。 基础知识： ①一个扩展卡 (PCI 物理设备，简称设备 )可包含多个功能

设备 (简称功能， PCI 总线标准规定最多有 8 个功能 )；

②每个设备 (所有功能 )只有一个 IDSEL 引脚信号。

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2 、 PCI 设备及其配置空间 存在问题： ①所有设备均没有 I/O 地址 (尚等待管理程序分配 ) ，如何

选择某个设备以读取资源需求和分配资源？ ②在没有 I/O 地址时，如何选择某个功能？ ③在没有 I/O 地址时，如何读取不同厂家功能设备的资源需

求？ 处理方法： ①通过 IDSEL选择设备 ( 同一时刻只有一个设备被选择 )； ②选择设备的同时，用功能号选择具体功能； ③每个功能有一个配置空间，前面部分的格式统一。

转 16 页转上页

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配置空间： 大小— 256B ，前 64B(称头区域 )格式统一； 寻址精度—双字 (32 位 ) ， A1A0可作他用。

功能 1255

0

… 功能 n255

0

功能 1255

0

… 功能 m255

0

…

设备 1 设备 k

关键问题： ①如何实现配置空间选择 ( 总线、设备和功能 )； ②如何利用 I/O 空间命令进行配置空间访问； ③如何实现配置空间信息的读取与分配。

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3 、 PCI 设备的配置空间选择方法—总线级

PCI桥

PCI桥

一级总线00000000

二级总线 000000 10

000000 01

HOST-PCI桥

CPU

PCI桥

PCI桥三级总线 0000

01010000 1001

I/O 命令 (IN/OUT 指令 )配置命令

目标桥

目标桥的中间桥

目标总线

回下页 回 35 页 回 36 页 回 39 页

PCI桥应具有功能： ( 总线号译码 功能 ) 根据命令中地址 , 识别目标总线是否包含在自己桥下； 根据命令中地址，识别目标是否在本级桥总线上。

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HOST-PCI桥发出的配置命令地址期总线信号： C/BE#[3:0]=1010/1011；—配置读 /写操作码 AD[31:0]= AD[31:24]—保留； AD[23:16]—选择的目标总线号； AD[10:8]—所选目标设备的功能号； AD[7:2]— 配置空间 REG 地址 (精度为双字 )； AD[1:0]—00 表示目标设备在一级总线上， 01 表示目标设备在下级总线上。

转上页

总线号编码规则： 采用分段式编码表示各级总线号，段 i值为 0 时表示该总线为 i级总线 (硬件习惯于从右开始编号 )

总线号 n级总线号 … 二级总线号 一级总线号

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（ 1 ） PCI桥对是否被选中的检测 选中类型：自己为目标桥，或目标桥的中间桥。 选中检测：

PCI桥的上级总线信号AD[23:16]=cdA 、 AD[1:0

]

PCI桥包含的总线号(efB)

目标桥 B=A 、 cd=ef ，且AD[1:0]=01

目标桥的中间桥 B=A 、 cd≠ef ，且AD[1:0]=01

未选中 B≠A ，或 AD[1:0]=00

被选中时的处理：

目标桥 对上级总线信号，将 AD[1:0]改为 00后，传至所连总线上

目标桥的中间桥 直接将上级总线信号传至所连总线上未选中 无任何动作 (忽略本次操作 )

转 33 页回 38 页

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（ 2 ） PCI 设备对是否被选中 ( 作为目标设备 ) 的检测 选中条件 ( 地址期 ) ： ① C[3:0] 为配置操作； ②它的 IDSEL 引脚信号有效； ③AD[1:0]=00 。 检测原理： ①所连总线为目标总线，即 AD[1:0]=00； ②在目标总线上被选中 (目标总线上所有设备的 IDSEL 引脚信号应只有一个有效 ) 。

IDSEL 引脚连接方法： ①AD[15:11] 分别连接到同一总线上各设备的 IDSEL引脚 ( 即总线上设备数≤ 5)； ②PCI桥对 AD[15:11]译码 ，产生分离信号到同一总线上各设备 IDSEL 引脚 ( 即总线上设备数≤ 32 ， PC 机采用该方案 ) 。 转 33 页 转 16 页

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（ 3 ） PCI 设备对某功能是否被选中的检测 选中条件 ( 地址期 ) ： C[3:0] 为配置操作、 IDSEL 引脚信号有效、 AD[1:0]=00； 它具备的功能 ( 功能设备 ) 数＞ AD[10:8] 。

PCI桥用AD[23:16] 、 AD[1:0] 判断是否为目标桥 / 中间桥

PCI 设备用 C/BE#[3:0] 、 AD[15:11] 、 AD[1:0]判断是否为目标设备

PCI桥

PCI桥

HOST-PCI桥

CPU

PCI桥

PCI桥

I/O 命令 (IN/OUT 指令 )配置命令 (C/BE#[3:0] 、 AD[31:0])

PCI 设备用AD[10:8]选择目标功能及有无

PCI桥用 AD[1:0]指明对应总线是否为目标总线 ( 设备判断需用 )

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（ 4 ）配置空间访问的类型 0 类配置空间访问（ AD[1:0]=00 ） 对当前 PCI 总线上的目标设备的功能设备的配置 REG 进行访问。

1 类配置空间访问（ AD[1:0]=01 ） 通过 PCI桥对下一级 PCI 总线上的目标设备的功能设备的配置 REG 进行访问。 PCI桥处理：到达目标总线前，转发 1 类访问操作 到达目标总线时， 1 类访问→ 0 类访问操作 HOST-PCI桥发出的配置访问类型： 对一级总线上的设备用 0 类访问类型； 对二级以后 (含二级 ) 总线上的设备用 1 类访问类型。

转 35 页

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例： PCI 总线操作地址期总线信号如下： C/BE#=1011 ，AD=00011005H ，该操作访问几号桥下几号设备何REG ？ 解： C/BE#=1011 ，表示总线操作为配置写操作， AD=00000000 00000001 00010 000 000001

01 ，表示访问 1# 总线上、 2 号设备、 0 号功能配置空间的从 000001 00B开始的 32 位寄存器。

（ 5 ） PNP 时取得所有设备配置信息的过程 对所有总线 ( 最多 28 个 ) 处理 {

对当前总线的所有设备 ( 最多 5 个 ) 处理 {

对当前设备的所有功能 ( 最多 8 个 ) 处理 {

对当前功能头区域所有 REG(16 个 ) 处理 {

配置访问 ( 一级总线为 0 类访问 )}}}}

注：配置访问 8 个 Clock 内 DEVSEL#无效时，进行下一个访问 转 33 页

40

4 、配置空间访问的实现—总线级和指令级（ 1 ） HOST-PCI桥访问配置空间的实现—直接访问 C/BE#[3:0]= 配置读 / 配置写 (1010/1011)； AD[31:24]=保留； AD[23:16]=选择的目标总线 (目标设备所在的总线 )； AD[15:11]=选择的目标设备 IDSEL(只有一个有效 )； AD[10:8]=选择的目标设备的功能； AD[7:2]=选择的目标功能的配置空间中 REG 的索引； AD[1:0]=目标设备在一级总线上时为 00 ， 目标设备在其他总线上时为 01 。

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（ 2 ） CPU访问配置空间的实现—间接访问 访问配置空间的指令： (OUT+IN/OUT 指令对 )

先用 OUT 指令写总线级配置访问地址期的地址； 再用 IN/OUT 指令传送总线级配置访问的数据。 I/O 指令的端口地址： (0CF8H~0CFFH)

配置地址端口 (OUT 指令的地址 ) 为 0CF8H； 配置数据端口 (IN/OUT 指令的地址 ) 为0CFCH 。 I/O 指令到 PCI 总线配置命令的转换： HOST-PCI桥中的配置机构保存配置操作所需的地址和数据，第二个 I/O 指令时进行配置转换。

回下页

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（ 3 ）配置机构工作原理 ①保存配置信息；②实现配置转换。

HOST-PCI桥中配置机构

过滤器

0000H

FFFFH

I/O 地址空间…

00H

FFH

目标功能设备配置空间

3FH

头区域

自由区域

目标物理设备 IDSEL

……

OUT DX ，EAXOUT DX ，EAX

DX=0CF8HDX=0CFCH

DX 在 0CF8H-0CFFH 间Y

N 产生总线的 I/O 操作

操作为 OUT ， EAX 最高位为 1

N

Y

配置数据REG←EAX

D31-D0

配置地址REG←EAX

配置地址 REG:

配置数据 REG:

产生总线的配置操作 命令结束

A31-A16 A15-A11 A10-A8 A7-A0

转上页

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5 、配置空间头区域信息的读取与分配(1) 设备识别信息 厂商、设备、版本、分类等(2) 设备控制信息 I/O访问、 MEM访问、特殊周期、错误响应、等待周期等(3) 设备状态信息 运行环境、错误标志、 DEVSEL#时序等

回 48 页

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(4)基址寄存器 31 01

基地址2

规范规定：每个 I/O基地址下的端口数不得大于 256 。

I/O 空间映射保留

1

思考：如何利用一个 REG解决请求和分配问题？31(63) 01

基地址2

存储空间映射预取使能

0

00 32 位地址空间任意映射01 32 位地址空间 1M 字节以内映射 (已不用 )10 64 位地址空间任意映射 11 保留

3

回下页 回下二页

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例 1 ：基址寄存器的值=FFF00000h

D0=0— 表示是一个 MEM 地址空间映射 D[2:1]=00B— 表示使能 32 位 MEM映射 D3=0— 表示该功能设备不是预取MEM

D[31:4]— 第一个为 1 的位是 D20 ，表示映射的 MEM 空间为 1MB=220；即将分配的 MEM 空间的基址应该为 1MB 的整数倍 系统管理程序经过权衡后再向该基址寄存器写入实

际映射的空间基址 (满足边界对齐原则 ) 。 基址寄存器是为简化设备配置过程、达到配置空间的映射与设备无关的目标而设计的。

转上页

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例 2 ：基址寄存器的值=FFFFFF01H

D0=1— 表示是一个 I/O 地址空间映射 D[31:2]— 第一个为 1 的是 D8 ，表示映射的

I/O 空间为 256B；即将分配的 I/O

空间的基地址应该为 256 的整数倍

最大 / 最小存储映射地址空间— 最小存储映射地址空间 =16 字节 最大存储映射地址空间 =2GB

最大 / 最小 I/O映射地址空间— 最小 I/O映射地址空间 =4 字节 最大存储映射地址空间 =256 字节

转上二页

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(5) 扩展 ROM基地址寄存器

扩展 ROM访问允许

31 01

基地址11

保留10

例 3 ：扩展 ROM基址寄存器的值=FFFF0001H

D0=1— 表示扩展 ROM访问允许 D[31:11]— 第一个为 1 的是 D16 ，表示映射的

ROM 空间为 64K；即将分配的ROM 空间的基地址应该为 64K 的整数倍(6) 头区域中其它寄存器

Cache 、中断引脚、中断请求 REG 等。

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例 4 ：读 0 号 PCI 总线的 1 号扩展槽设备的 2

号功能的基址 REG0 。MOV DX ， 0CF8H MOV EAX ， 80000A10HOUT DX ， EAXMOV DX ， 0CFCHMOV EAX ， FFFFFFFFHOUT DX ， EAXMOV DX ， 0CF8H MOV EAX ， 80000A10HOUT DX ， EAXMOV DX ， 0CFCHIN EAX ， DX

例 5 ：给 2 号 PCI 总线的 3 号扩展槽设备的 0

号功能的基址 REG0 分配从 1A00H开始的 8 个地址 I/O 空间。MOV

DX ， 0CF8HOUT DX ， 80022011HMOV DX ， 0CFCHOUT DX ， 00001A00H

转 43 页

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十、 PCI BIOS 初始化程序只能通过 PCI BIOS才能访问 PCI 配置寄存器。 PCI BIOS再通过配置地址端口寄存器和配置数据口寄存器实现其功能。1 、 16 位 PCI BIOS 的调用 通过 INT 1AH实现： AH=B1H ， AL 为子功能号。2 、 32 位 PCI BIOS 的调用 确认 32 位 BIOS 是否存在； 确认 BIOS 是否支持 PCI BIOS ，并取得 PCI

BIOS入口地址； 通过 INT 1AH实现： AH=B1H ， AL 为子功能号。

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第四节 通用串行总线 USB

一、 USB 系统的组成1 、 USB 系统连接模式（ 1 ）拓扑结构：树型结构，最多可连接 127 个设备。

主机USB 主控制器 / 根Hub

全速电话

高速

显示器 (含集线器 )

高速集线器

扬声器扬声器 键盘 (含集线器 )

低速麦克风 麦克风

低速高 速→ 480Mb/s全 速→ 12Mb/s低 速→ 1.5Mb/s

MEMUSB总线

USB端口

PCI 总线

回下页 回 52 页 回 53 页

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（ 2 ）基本概念 USB 总线：由 VCC 、 GND 、 D+ 、 D- 四根线组成， D+ 和 D- 通过差分方式作为一根数据线 ( 半双工 ) 使用； USB事务： USB 总线上最基本的一次数据交换操作； USB逻辑地址：—逻辑地址不通过连线实现 每个 USB集线器和 USB 设备 ( 不连接到 PCI 总线 ) ，均不占用 I/O 地址空间 (无 I/O 地址 ) ，只具有一个惟一的 USB逻辑地址 (USB 系统自动配置所分配 )； USB端口：连接 USB 总线的连接器； USB端点：集线器或设备的内部寄存器 (仿照 I/O

端口起名，又要与 USB端口区分 ) ，编号在 0~15

之间。转上页

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2 、 USB 系统的硬件 （ 1 ） USB 主控制器 / 根集线器 (Host Ctrl/Root

Hub)

由主控制器和根集线器组成。 主控制器： —连接到 PCI 总线 可作为主设备通过 PCI 总线直接与 MEM交换数据； 功能—实现并 - 串转换、创建USB事务、管理USB事务传输过程 ( 在根集线器与主机 MEM 间传递结果 ) 。 占用一定数量 I/O 地址空间，受 CPU 控制。

根集线器：—连接到主控制器 功能—控制 USB端口电源、启用 /禁止 USB端口、识别连接的设备、设置和报告端口的状态等。 只占用一个 USB逻辑地址 (0) ，受主控制器控制。 转 50 页

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（ 2 ） USB集线器 (USB Hub)

由控制器和中继器组成，最多支持 4 个 USB端口； 有高速 ( 支持 USB2.0) 和全速 (USB1.x)2 种类型； 可集成在 USB 设备内部，不作为独立硬件出现。 每个 USB HUB占用一个 USB逻辑地址； 每个 USB HUB 具有一定数量 (≤16) 的 USB端点。

（ 3 ） USB 设备 可分为 HUB 设备 (USB集线器 ) 和功能设备两种。 功能设备类型：有高速、全速或低速三种类型。 每个 USB 设备占用一个 USB逻辑地址； 每个 USB 设备具有一定数量 (≤16) 的 USB端点。 转 50 页

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3 、 USB 系统的软件（ 1 ） USB 设备驱动程序 将某用户操作请求转换成几个 IRP(I/O 请求包 ) ，以 IRP 形式送给USB 驱动程序。（ 2 ） USB 驱动程序 功能：将 I/O 系统的操作转换成 USB 系统的操作； 实现：根据 USB 设备特性、 IRP 类型等特征，将IRP 组织 (转换 ) 成几个 USB事务 ( 用 USB事务的传输描述符表示 ) ，送给USB 主控制器驱动程序。 传输描述符— 包括 USB 设备地址、 USB事务类型 (I/O/S 等 ) 、传输数据大小、处理速度 ( 传输速度 ) 、内存缓冲区位置等回下页

55

（ 3 ） USB 主控制器驱动程序 将这些 USB事务调度到一系列事务列表中； USB 主控制器定时读取一个列表信息并执行。 a.调度思想： 各USB 设备在一定时长内得到服务的机会均等。 b.调度方法： 一定时长—USB 1.x 为 1ms ， USB 2.0 为125μs； 定义：该时长称为帧 / 微帧 机会均等—一定时长内的事务可为不同设备的事务，即各事务占时有限 (1 个 IRP→ 多个 USB事务的原因 ) 。 c.调度依据： 设备速度和事务类型、已等待事务类型和数量等。

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二、 USB 系统的通信1 、 USB 系统的通信模型 I/O 系统通信→ USB 系统通信，并行通信→串行通信。

USB 设备驱动程序

USB 驱动程序USB 主控制器驱动程

序

主机系统USB 功能设

备

USB 设备

USB 功能设备

USB逻辑设备

USB逻辑设备

USB 总线USB 总线

非USB格式数据

USB格式数据

USB格式数据

缓冲区

事务描述符

调度与传递

主控制器

根集线器帧内处理

USB格式

…USB线

缺省管道

管道

总线层

设备层

功能层

通信核心： USB 主控制器 --DMA 方式与 MEM交换数据； 串行处理帧内各事务。回下页 回 58 页

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2 、 USB 系统的通信原理 ①USB 驱动程序将 IRP 分解为几个 USB事务 (描述符 )； 每个事务所用时长不能太长 (≤800ns)

USB 驱动程序

USB 设备驱动程序

IRP1 IRP2

IRP1事务 1-0 事务 1-1

IRP2事务 2-0 事务 2-1 事务 2-2

②USB 主控制器驱动程序将这些事务调度到各帧中； 调度依据—根据已请求事务特征 ( 类型和速度等 ) 、当前事务特征等进行调度； 帧内事务数量—根据各事务耗时的多少确定（数量不固定），保证每帧执行时长≤ 1ms 。

主控制器驱动程序帧 1(事务列表

1)事务 1-0 事务 2-0帧 2(事务列表

2)事务 1-1 事务 2-1…… ……

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58

③USB 主控制器在规定时间内串行执行完帧中事务； 每帧内从根 HUB各端口→ HUB→ 设备的空闲时间越来越长

USB 设备1

USB 设备2

USB 设备3

1-0 空闲 3-0 空闲 1-1 空闲 …根集线器 端口 0端口 1

主控制器 时间帧 1 帧 2

空闲 2-0 空闲 … 2-1 空闲

1-0 空闲 1-1 空闲空闲 2-0 空闲 2-1 空闲空闲 3-0 空闲

1-0 2-0 3-0 … 1-1 2-1 …

④每个事务的执行通过 1~3 个包交换完成。 包类型：有标志包、数据包、握手包、特殊包四种； 事务与包：每个事务均有标志包或特殊包，全部由主控制器发出； 设备与事务：只有标志包具有USB 设备地址、端点号、事务类型。

USB 主控制器

①标志包或特殊包

USB设备

②数据包

③握手包

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3 、 USB 设备端点、管道与数据流类型 USB 系统能够实现即插即用 (PNP 方式 ) 。 USB 设备端点： 每个设备最多有 16 个端点； 配置前，端点 0 为默认端点。 管道：—设备驱动程序与设备端点间的逻辑连接 管道类型 (端点类型 ) 有流管道、消息管道 2 种。 数据流类型： 有控制信号流、块数据流、中断数据流、实时数据流 4 种； 不同数据流类型采用不同类型管道进行通信。

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60

4 、 USB 的基本传输类型 ( 流类型 )

（ 1 ）控制传输：双向，用于配置设备或特殊用途，出错时重传。

（ 2 ）批传输：单 / 双向，用于大批量数据传输，要求准确，出错时重传，时间性不强。

（ 3 ）中断传输：单向，用于查询USB 设备有无中断请求，出错时在下一查询周期重传。（ 4 ）等时传输：单 / 双向，用于连续实时数据传输，

时间性强，出错时不重传，速率固定。

转上页

所有传输类型均为主、从式传输 ( 主控制器发起 ) 。 思考：两个 PCI 机的 USB端口能否通信？

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三、 USB 总线的接口信号和电气特性 1 、接口信号线

高 / 低速USB收发器( 主机或集线

器端口 )

高速 USB收发器 ( 主机端口或高速

设备 )

+5vdc

D+

D-

地15KΩ

15KΩ

+3.0~3.6vdc

1.5KΩD+

D-

高 / 低速USB收发器( 主机或集线

器端口 )

低速 USB收发器 ( 低速

设备 )

+5vdc

D+

D-

地15KΩ

15KΩ

+3.0~3.6vdc

1.5KΩD+

D-USB 数据线

USB 数据线

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2 、电气特性 （ 1 ）供电特性 HUB收发器：提供 4.75~5.25V 电压、 500mA 电流， D+ 、 D- 上不加电压； USB 设备：高 /全速设备在 D+ 线加 3.0~3.6V电压， 低速设备反之 (D- 线 ) 。（ 2 ） D+ 、 D- 线电压特性 （低速设备反之） 发送端：VOH(max)=3.6V ， VOH(min)=2.8V； VOL(max)=0.3V ， VOL(min)=0.0V 。 接收端：VIHZ(min)=2.7V ， VIH(min)=2.0V； VIL(max)=0.8V ， VIL(min)=0.0V 。

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63

3 、 USB 总线状态 （低速设备反之）发送端 ( 高速设备 ) 接收端 ( 高速设备 )

差动信号“ 1”

VD+＞ VOH(min)且 VD-＜VOL(max)

VD+－ VD-＞ 200mV且VD+＞ VIH(min)

差动信号“ 0”

VD-＞ VOH(min)且 VD+＜VOL(max)

VD-－ VD+＞ 200mV且 VD-

＞ VIH(min)单端零(SE0)

VD+ 和 VD-＜ VOL(max) VD+ 和 VD-＜ VIL(max)

数据 J状态 差动信号“ 1”数据 K状态 差动信号“ 0”空闲状态 NA VD+＞ VIHZ(min)且 VD-＜

VIL(max)

连接状态NA

VD+＞ VIHZ(min)且 VD-＜

VIL(max) ，时间＞ 2.5μs断开 (未连接 )状态

NA SE0 ，时间＞ 2.5μs

重置状态 SE0 ，时间＞ 10ms SE0 ，时间＞ 2.5μs包起始符SOP

从空闲状态转换到 K状态

包结束符EOP

2 位 SE0+1 位 J状态 ≥1 位 SE0+1 位 J状态

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（ 1 ）总线状态转换 未连接状态、连接状态、空闲状态均针对接收端而言。

重置状态未连接状态

空闲状态

连接状态

工作状态安全删除

（ 2 ） USB 设备包含状态 连接状态，重置状态，上电状态，地址默认状态 , 地址状态，配置状态，空闲状态，工作状态 。

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4 、 USB 设备状态和总线枚举 主机

HUB

连接状态上电状态地址默认状态地址状态

配置状态工作 / 空闲状态

US

B

设备

1.1 设备接入 [ 连接状态 ]

1.2 通知有设备接入2 检测Hub,确认有接入

3 使能该端口，发 RESET 命令

4 发 RESET 信号，供电 [重置状态 ]

5.2 读设备的描述器信息 [工作状态 ]

5.1读设备的描述器信息6.1 给设备分发地址

6.2 分发地址 [工作状态 ]

7.1 按地址读设备配置信息

7.2 读配置信息 [工作状态 ]

8.1 按地址写设备配置信息

8.2 写配置信息 [工作状态 ]

[工作 / 空闲状态 ]

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66

5 、数据位表示 --NRZI编码 ( 双向不归零编码 )

无独立时钟，需通过数据变化反映时钟宽度。 数据表示： 逻辑 0— 在时钟宽度内，电平产生跳变 ( 从差动信号“ 1”/“0”到差动信号“ 0”/“1”)； 逻辑 1— 在时钟宽度内，电平不变。 时钟宽度确定：信息包的开始几位为逻辑“ 0” 。 填充规则： 发送方在数据的连续 6 个“ 1”后插入 1

个“ 0”； 接收方将所收数据的连续 6 个“ 1”后 1

个“ 0”去掉。 目的： 提高信号的准确性 (防止漂移 ) 。

回下页 回 69 页

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NRZI编码示 例：原始数据

(TTL 电平 )空闲

填充数据(TTL 电平 )

填充位

USB 总线数据

(NRZI码 )0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1

0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1

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四、 USB交换的包格式 USB事务的执行通过包交换 ( 一次传输 )完成。 一个 USB事务由 1~3 个 USB 包组成，包的数量由传输类型决定。

IRP 请求

事务

标志包

IRP 请求 IRP 请求

事务 事务

数据包 握手包

通信帧 ( 定长 ) ：由帧开始包和若干事务的包组成。

帧开始包 标志包 数据包 握手包 标志包 数据包 …

事务 1 事务 2

1ms 或125μs

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1 、包的一般格式

SYNC PID 包正文信息 CRC 包结束符8 位 8 位 n 位 5 位或 16 位 ≥ 2 位

所有信息段 (CRC除外 )均是从低位→高位发送； 如 SYNC 、 PID 、包正文信息等的各字符均从 bit0→bit

x SYNC ：同步序列，并行数据为 10000000；

NRZI编码：

(D+ 、 D-线 )

空闲 0 0 0 0 0 0 0 1 x x x串行数据：

PID ：包分类码，由 PID 类型码及其反码组成，串行数据如下图所示；

PID0 PID1 PID2 PID3 PID0# PID1# PID2# PID3#

PID PID反码回 71 页转下页 转 66 页

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PID 类型

PID名称 PID[3:0]

描述

Token

OUT 0001b 具有 PID 、类型检查、设备地址、端点号和 CRC域的宿主到功能设备的发送包

IN 1001b 功能设备到宿主的接收包，具有和发送包一样的域SOF 0101b 帧开始包SETUP 1101b 主机发给设备的设置包，用于控制传输的设置

Data

DATA0 0011b 数据包 0

DATA1 1011b 数据包 1

DATA2 0111b 在微帧中高速、高带宽的等时交换的数据包MDATA 1111b 为分离的高速和高带宽等时交换中的数据包

Hand-shake

ACK 0010b 接收设备发的接受数据正确的应答包NAK 1010b 接收设备无法接受数据或没有数据返回个宿主STALL 1110b 设备已经被挂起，需要主机插手解决故障NYET 0110b 接收器无应答

Special

PRE 1100b(Token) 预告包，预告将以低速方式与低速设备通信

ERR 1100b (Handshake) 分离交换错误的握手信号SPLIT 1000b 高速分离交换标志PING 0100b 为批或控制端点传输而设置的高速流控制探测Reserved 0000b 保留

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2 、标志包 类 型：帧开始包、接收包、发送包、设置包。 发送方：主机 ( 主控制器 ) 。(1)帧开始包 (SOF)

发送方：主机

SYNC PID FRAME NUMBER CRC 包结束符

8 位 8 位 11 位 5 位 ≥ 2 位

NRZI编码：

0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1数 据：

每一帧均以主机广播帧开始包表示一帧的开始。

转 69 页 回下页 回 74 页 回 75 页

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(2) 接收包 (IN)

发送方：主机

SYNC PID ADDR ENDP CRC 包结束符

8 位 8 位 7 位 4 位 5 位 ≥ 2 位

说明： ADDR—USB 设备的 USB 地址； ENDP—USB 设备端点编号

控制、批、中断传输交换 (事务 ) ：主机： 空闲设备： 空闲

接收包数据包

握手包 空闲空闲

等时传输交换 (事务 ) ：主机： 空闲设备： 空闲

接收包数据包

空闲空闲

回下页转上页

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(3) 发送包 (OUT)

发送方为主机，包格式与接收包一致， PID 不同。 控制、批、等时传输交换 : （批传输才有握手包，中断传输归接收包）

主机： 空闲设备： 空闲

发送包 数据包握手包

空闲空闲

(4) 设置包 (SETUP)

发送方为主机，包格式与接收包一致， PID 不同。 控制传输交换： （无批、等时、中断传输）

主机： 空闲设备： 空闲

设置包 数据包握手包

空闲空闲

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3 、数据包 发送方：主机或设备。

SYNC PID DATA CRC 包结束符8 位 8 位 0~1023 位 16 位 ≥ 2 位

USB 1.1 数据包格式

SYNC PID DATA CRC 包结束符8 位 8 位 0~8191 位 16 位 ≥ 2 位

USB 2.0 数据包格式 注意： CRC 为 16 位，标志包中为 5 位 ( 数据长

度 ) 。 思考：为什么数据包中无USB 设备地址？

转 71 页

75

4 、握手包 发送方：主机或设备，即数据的接收方发送。

SYNC PID 包结束符

8 位 8 位 ≥ 2 位

5 、特殊包 发送方：主机。 包格式：与握手包相同， PID 不同。

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