第10章：总线技术.ppt

总线是计算机系统的重要资源，是系统互连的基础，它是一组可以分时、共享的公共信号传送线路。采用总线结构是计算机系统体系结构的重要特点。为什么要采用“面向总线”的设计理念呢？主要是因为：（1）简化硬件的设计由总线规范给出传输线和信号线的规定，并对存储器、I/设备和CPU如何挂在总线上都做了具体的规定，所以面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作CPU插件、存储器插件以及I/插件，并将他们连入总线即可工作。而不必考虑总线的详细操作。（2）简化系统结构整个系统结构清晰，连线少，底板连线可以印刷化。（3）系统扩充性好一是规模扩充，二是功能扩充。规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件，功能扩充仅仅需要按总线标准设计一些新插件。这就使得系统扩充既简单又快速可靠，而且也便于差错。（4）系统更新性能好只要总线设计恰当，整个系统可以随时随着处理器芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件挂在总线上，从而实现对系统的升级。目前通信市场上主要有无线传送和有线传送两种。无线传送的特点是传送的距离远，但可靠性不高，要求较高，有线传送的特点是可靠性高，传送的距离近，要求较低。,第4章：总线技术,1总线的基本知识,一、什么叫总线？是一组用于计算机各部件之间进行各种数据和命令的传送的公用信号线称为总线。总线上有发送端和接受端，发送端设有发送门，在接受端设有接受门。在某一时刻，只能有一个门打开发送，而接受门可同时打开接收，为了做到这一点，在发送端必须要有仲裁机制。所以，共享和分时是总线的两个特点。,二、总线的标准为适应不同系统与不同用户的需求，计算机部件要具有通用性，设计必须模块化，各模块之间的连接关系要标准化，模块才具有通用性。为此，总线标准应运而生，每个总线标准都有详细和明确的规范说明，主要包括以下几个方面：（1）机械结构规范：模块尺寸、总线插头、总线接插件、安装尺寸（2）功能规范：引脚名称、功能和工作过程（3）电气规范：每根信号线的有效电平、动态转换时间、负载能力等,3.3总线特性及性能指标,一、总线物理实现,三、总线的分类总线的分类方法很多，下面简单介绍一下。（1）按所处位置分：内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线外部总线：中、低速I/O设备之间相互连接的总线（I/O总线）系统总线：同一台计算机系统内的高速功能部件（CPU、内存、I/O接口）之间相互连接的总线（2）按传送方向分单向总线双向总线（3）按传送内容分数据总线：双向传输，位数与字长相同，由三态门电路组成。地址总线：单向传输，位数与存储容量有关。控制总线：单向传输，用来传送状态和控制信号。（4)按传送方式分并行总线：同时传送若干位二进制数串行总线：二进制数按位在同一根线传输,四、总线的管理总线是由多个部件和设备所共享的，为了正确地实现它们之间的通信，必须有一个总线控制机构，对总线的使用进行合理的分配和管理。1、总线控制权任何一个部件要进行数据传输，必须先获得总线控制权。（获得总线控制权的部件称为主设备）然后开始向另一个部件或设备（称为从设备）进行一次信息传送，从设备能够对总线上的数据请求作出响应，但本身不具备总线控制能力。总线控制权的转让发生在总线进行一次数据传送的结束时刻。2、总线判优和仲裁当多个主设备申请占用总线时，发生总线竞争的现象。为此，总线控制机制中设置有总线判优和仲裁控制逻辑，按优先级次序，合理分配资源，处理总线竞争现象。总线判优按其仲裁控制机构的设置可分为：集中式控制和分布式控制两种。,五、三态门电路就是有三个不同输出状态的器件，主要用于总线的驱动电路。三态门是由与非门变化来的，它比与非门多一个反相器和二极管。它的逻辑符号如下图所示。其逻辑功能是：,三态门有三种输出状态：（1）高电平（A,B至少有一个0时）（2）低电平（A,B均为1时）（3）高阻态Z,三态门有两种：MOS型和双极型1、MOS型三态门2、双极型TTL三态门,E=0时，Dout=DinE=1时，Dout呈高阻态,E=0时，Dout=DinE=1时，Dout呈高阻态,2总线结构和信息传输,一、总线的信息传输方式1、串行传输在一条传输线上按位传输信号的方式。传输的是一个脉冲序列。第一个脉冲表示最低位，最后一个脉冲表示最高位。每一个脉冲为一个信号单元。串行传输的特点：只需一条传输线，可远距离传输但传输速度慢。【码元】：携带数据信息的信号单元称为码元。【波特率】：每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称为波特率（单位bps）。【码元时间】:传输一位码元所需的时间。波特率的倒数，也叫位时间。【比特率】：每秒钟通过信道传输的有效信息数量称为位传输速率，简称为比特串（单位bps）。,2、并行传输在多条线路上所有数据位同时传输的方式。每一个数据位用一条传输线，位的次序由传输线排列而定。并行传输的特点：速度快，但要求线数多，成本高，适合于近距离传输。【传输宽度】：并行传输总线一次传输的数据位数称为传输宽度【传输带宽】：并行总线上每秒钟传输的数据字节数称为带宽（单位Bps）也称为并行总线的传输速率。影响总线带宽的因素有：总线宽度、传输距离、总线发送电路的工作频率、接收电路的工作频率以及数据传输方式。3、复合传输在同一总线上分时传输不同的信息。如IBM/PC系统总线上的地址信号A7A0与数据信号D7D0就是采用复合传输方式。4、消息传输将数据信息、地址信息和控制信息组合成一个固定的数据结构以猝发方式（在一个总线周期传输存储地址连续的多个数据）进行传输。,二、总线结构1、单总线结构（如下图）：目前微机采用的结构,特点：（1）所有的设备都挂在一条总线上，设计简单、主存和外设统一编址。（2）I/O设备之间或I/O设备与主存之间可以直接交换信息。（3）设备扩充、增删方便、灵活。（4）分时使用总线、总线负担重、速度慢。,2、双总线结构（如下图）,特点：（1）简单，对总线传输速率要求低（2）I/O设备与内存交换信息需经过CPU，CPU效率低（3）所有外设通过接口与I/O相连，外设的设计与主机无关，反之一样,3、三总线结构（如下图）：高成本换取高速度,特点：（1）存取速度提高，减轻了系统总线负担（2）硬件成本高，总线控制复杂,三、总线的控制方式1、链式查询方式：（也称菊花链方式）基本思想：（1）各申请总线的设备合用一条总线请求信号线BR（2）总线控制设备的响应信号线BG串接在各设备之间。控制器通过BG发出总线允许信号允许设备使用总线。（3）当总线允许信号被第一台设备收到后，如果第一台设备没有发出总线请求，它就会把这个信号传递给下一台设备，否则，它就不向下一台设备传递总线允许信号，而是发出总线忙信号BS，开始使用总线，使得下一台设备的总线请求暂时得不到响应，设备使用完总线后，取消总线忙信号BS，释放总线，以便其他设备得到响应，以此类推。特点：（1）控制结构比较简单、扩充设备数量比较容易（2）链中各设备的优先级是固定的，离控制器远的设备有时会长时间得不到总线的使用权。（3）对设备故障十分敏感。,2.链式查询方式,3.5,I/O接口1,2、计数器定时查询方式基本思想：（1）各申请总线的设备合用一条总线请求信号线BR（2）总线控制器接到请求信号后，按计数器的值对各设备进行查询（3)计数值与设备号相同的设备可以发出BS信号并使用总线。（4）计数器的计数值可以从某一个初值开始，也可以从上一次计数的中止点继续计数。特点：（1）当计数值每次都从一个固定的值开始，则等效于链式查询结构（2）当计数值每次都从上一次计数的中止点继续计数，则每一台设备使用总线的机会相等。（3）需要额外的计数线路，计数线路的数量限制了设备的数量。3、独立请求方式基本思想：（1）每一台设备都有一个独立的总线请求信号线BR（2）总线控制器给各设备分别发送一个总线允许响应信号BG。（3）为处理多个总线请求，控制器可以给请求线以固定的优先级，也可以设置可编程的优先级。（4）控制器内部有一个优先级裁决电路决定优先响应哪一个总线请求。特点：（1）响应速度快（2）优先级的控制十分灵活（3）设备的数量受到请求信号线和应答信号线的限制。,3.计数器定时查询方式,I/O接口1,3.5,设备地址,4.独立请求方式,3.5,3常用标准总线,一、系统总线标准1、PC/XT总线（PC总线）是早期PC/XT微机所配备的系统总线，是8位总线标准，共有62根信号线，是目前各类总线中最为精简的系统总线。PC/XT总线具有：8位数据线、20位地址线、6路中断请求、3个DMA通道、62根信号线。2、ISA总线（AT总线）（IndustrialStandardArchitecture）是IBM公司1984年为PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。是在8位PC总线的基础上增加36根信号线扩展成16位的总线的结构。在80286至80486计算机上应用，现在有些奔腾机中还保留有ISA总线插槽。它具有：24位地址线、16位数据线、16个中断请求、7个DMA通信和62+36=98根信号线。ISA总线的优缺点：优点：具有开放性的体系结构，具有很强的适应性，既可在8位机中采用，又可在16位机甚至32位机中采用。缺点：单用户结构不能顺应微机朝着多用户的发展趋势。（1）ISA总线的8个杆槽共用一个DMA请求一个设备请求占用，其余只好等待。（2）ISA总线设有提供中断共享，两级8259中断控制器提供15个中断，其中一些被固定分配给一些特定的设备，可以在配置时经常发生中断冲突。（3）在总线I/O过程的实现中，只有一个I/O过程完成后，才能继续另一个I/O过程。,3、PCI总线（外围设备互连：PeripheralComponentInterconnect）是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。是一种时钟同步型输入/输出总线，用于连接微处理器与I/0设备。【性能特点】（1）适应外设速度的提高。PCI总线具有32位数据线，可扩展为64位。数据按字符组传送，数据传输率可达133MB/S（2）PCI总线是在微处理之外独立工作的。总线的始终和微处理的外部始终是分别独立的，并且可以设置多个总线主控器。（3）数据总线和地址总线是多路的。（4）电源电压有+5V和+3.3V两种。,二、外部总线标准1、IEEE-488总线IEEE-488总线是并行总线接口标准，有8位数据线及其它的控制信号，它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最多传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/S,最大传输速度为1MB/s。IEEE-488总线主要应用于由计算机控制的自动测试系统。、RS232C总线RS232C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行接口标准。RS是英文“RecommendedStandard”的缩写，232为标示号，C表示修改次数。RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在大多数情况下主要使用主通道。最多传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/S,最大传输速度为1MB/s。RS-232C总线主要应用于串行设备。3、USB通用串行总线（UniversalSerialBus）是由I