第3章 总线系统

1、3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 总线的分类总线的分类3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制一、为什么要用总线一、为什么要用总线二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，总线是连接各个部件的信息传输线，是是 各个部件共享的传输介质。各个部件共享的传输介质。串行串行并行并行1. .片内总线片内总线2. .系统总线系统总线芯片内部芯片内部 的总线的总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、

2、与存储地址、 I/O地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求3. .通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式 用于用于 计算机系统之间计算机系统之间 或或 计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）（如控制仪表、移动通信等）之间的通信。之间的通信。CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、总线物理实现一、总线物理实现BUS主板主板1. 机械特性机械特性2. 电气

3、特性电气特性3. 功能特性功能特性4. 时间特性时间特性二、总线特性二、总线特性尺寸尺寸、形状、形状、管脚数管脚数及及排列顺序排列顺序传输方向传输方向 和有效的和有效的 电平电平 范围范围每根传输线的每根传输线的 功能功能信号的信号的 时序时序 关系关系地址地址数据数据控制控制三、总线的性能指标三、总线的性能指标1. 总线宽度总线宽度2. 总线带宽总线带宽3. 时钟同步时钟同步/异步异步4. 总线复用总线复用5. 信号线数信号线数6. 总线控制方式总线控制方式7. 其他指标其他指标数据线数据线 的根数的根数每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBps）同步同步、不同步不同步地址线地址线

4、 与与 数据线数据线 复用复用地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和负载能力负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块模块系统系统总总线线标标准准 四、总线标准四、总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽ISA168 MHz（独立）（独立）15 MBpsEISA328.33 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3266 MHz（CPU）266 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）64 M

5、Hz（独立）（独立）133 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0) 四、总线标准四、总线标准一、单总线结构一、单总线结构单总线（系统总线

6、）单总线（系统总线） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口1. 双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器，具有特殊功能的处理器，由通道对由通道对I/O统一管理统一管理通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存主存总线主存总线I/O总线总线二、多总线结构二、多总线结构2. 三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口3. 三总线结构的又一形式三总线结构的又一

7、形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存4. 四总线结构四总线结构多媒体多媒体 Modem主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSICPU串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥1. 传统微型机总线结构传统微型机总线结构三、总线结构举例三、总线结构举例存储器存储器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的的16位数据通路位数据通路标准总线控制器标准总线控制

8、器33 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU Modem2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA、EISA多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形图文传真图文传真8 MHz的的16位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存储器存储器局部总线局部总线 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS Modem3. PCI 总线结构总线结构CPU多媒体多媒体PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形图文传

9、真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz的的32位数据通路位数据通路8 MHz的的16位数据通路位数据通路ISA、EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存储器存储器 Modem4. 多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器桥桥0桥桥4 PCI设备设备桥桥5总线桥总线桥桥桥3桥桥1设备设备桥桥2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCI总线总线4PCI总线总线5PCI总线总线3PCI总线总线1PCI总线总线0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPU一、总线判优控制一、总线判优控制 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中

10、式集中式 主设备主设备(模块模块)对总线有对总线有 控制权控制权 从设备从设备(模块模块)响应响应 从主设备发来的总线命令从主设备发来的总线命令1. 基本概念基本概念链式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式总线判优控制总线判优控制总线通信控制总线通信控制2. 链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求BG总线同意总线同意I/O接口接口1 0BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0

11、BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址3. 计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1排队器排队器排队器排队器4. 独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意BR总线请求总线请求二、总线通信控制二、总线通信控制1. 目的目的2. 总线传输周期总线传输周期主模块申请主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据

12、交换数据主模块主模块 撤消有关信息撤消有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每个瞬间总线每个瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3. 总线通信的四种方式总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式 ，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步同步、异步结合异步结合 读读命令命令T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 数据数据（1）同步通信

13、：数据输入）同步通信：数据输入 数据数据T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令（1）同步通信：数据输出）同步通信：数据输出 同步通信的优点同步通信的优点控制方式简单、传送速度快，数据传输率高。控制方式简单、传送速度快，数据传输率高。 同步通信的缺点同步通信的缺点 同步通信的使用场合同步通信的使用场合 必须按速度最慢的设备来设计公共时钟。必须按速度最慢的设备来设计公共时钟。 不知道被访问的设备是否已响应，故可靠性低。不知道被访问的设备是否已响应，故可靠性低。 时钟上的干扰信号会引起错误的同步，且滞后的时时钟上的干扰信号会引起错误的同步，且滞后的时钟也会造成同步

14、误差。钟也会造成同步误差。总线较短、且各部件存取时间相近的系统。总线较短、且各部件存取时间相近的系统。例例3.1假设总线的时钟频率为假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传输，总线的传输周期为周期为4个时钟周期，总线的宽度为个时钟周期，总线的宽度为32位，试求总线的位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？施？解：解： 总线的时钟频率为总线的时钟频率为100MHz 1个时钟周期个时钟周期=1/100MHz=0.01s 总线的传输周期总线的传输周期=0.01s*4= 0.04s 总线的宽度为总线的宽度为32位，即位，即4B

15、 总线的数据传输率总线的数据传输率=4B/(0.04s)=100MBps若想提高一倍数据传输率，可在不改变总线时若想提高一倍数据传输率，可在不改变总线时钟频率前提下将总线宽度提高为钟频率前提下将总线宽度提高为64位，或者保持总位，或者保持总线宽度不变将时钟频率提高为线宽度不变将时钟频率提高为200MHz。不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁（2）异步通信（不互锁、半互锁、全互锁）异步通信（不互锁、半互锁、全互锁）主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答 异步通信的优点异步通信的优点不许时钟信号，能保证速度差异很大的设备之间不许时钟信号，能保证速度差异很大的设备之间进行可靠通信。进行可靠通信。

16、异步通信的缺点异步通信的缺点 异步通信的使用场合异步通信的使用场合控制方式复杂，成本高。控制方式复杂，成本高。总线较长、且各部件存取时间相差较大的系统。总线较长、且各部件存取时间相差较大的系统。 异步通信的分类异步通信的分类异步异步并行并行通信、异步通信、异步串行串行通信通信l在在异步通信异步通信中，采用了一种更为简单的通中，采用了一种更为简单的通信方式，即在串行异步通信总线中，既不用握信方式，即在串行异步通信总线中，既不用握手信号，也没有时钟线，它利用收、发双方事手信号，也没有时钟线，它利用收、发双方事先约定的数据传输格式和传输速率来协调数据先约定的数据传输格式和传输速率来协调数据的传输。例

17、如：的传输。例如：RS232RS232总线总线l串行异步传输字符格式（帧格式）：串行异步传输字符格式（帧格式）： 停止停止（1/1.5/2位）位）校验位校验位起始位起始位D1D0数据（数据（5/6/7/8位）位）数据线数据线空闲位空闲位例例3.2 在异步串行通信系统中，假设每秒传输在异步串行通信系统中，假设每秒传输120个数据帧，其字符格式规定包含个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位、个起始位、7个数据个数据位、位、1个校验位、个校验位、1个终止位，试计算波特率。个终止位，试计算波特率。解：解：一帧包括：一帧包括：1+7+1+1=10位位 波特率波特率=10*120位位/秒秒=1200bps

18、=1200波特波特例例3.3 画图说明用异步串行传输方式发送画图说明用异步串行传输方式发送8位十六位十六进制数据进制数据95H。要求字符格式为：。要求字符格式为：1个起始位、个起始位、8个数个数据位、据位、1个偶校验位、个偶校验位、1个终止位。个终止位。l串串步通信步通信：去掉串行异步中的附加位，用同步：去掉串行异步中的附加位，用同步字符进行同步。字符进行同步。l串行同步传输字符格式（帧格式）：串行同步传输字符格式（帧格式）：l一般串行异步通信速率最高一般串行异步通信速率最高5019200bps5019200bps，串行同，串行同步通信速率最高步通信速率最高500Kbps500Kbpsl比特率

19、、波特率比特率、波特率 例例3.4 在串行异步通信系统中，其字符格式规定在串行异步通信系统中，其字符格式规定为：为：1个起始位、个起始位、8个数据位、个数据位、1个奇校验位、个奇校验位、1个终止个终止位。假设波特率为位。假设波特率为1200bps，试计算比特率。，试计算比特率。（3）半同步通信）半同步通信同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别（同步同步、异步异步 结合）结合）异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAIT 既有公共时钟，又允许不同速度的部件和谐工既有公共时钟，又允许不同速度的部件和谐工作，采用插入等待周期的措施来协调通讯双方的配作，采用插入等待周期的措施来协调通讯双方的配合问题，称半同步通信。合问题，称半同步通信。以输入数据为例的半同步通信时序以输入数据为例的半同步通信时序T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模