第 7 章 总线技术

1、2022-3-7 2012 第8版1第第 7 7 章章 总线技术总线技术 2022-3-72本章学习内容 总线的组成与结构总线的组成与结构 总线的设计与实现总线的设计与实现 总线与计算机系统总线与计算机系统 常见的总线常见的总线 2022-3-737.1 7.1 总线概述总线概述 总线作为计算机传送信息的通道，是连接总线作为计算机传送信息的通道，是连接各个功能部件的纽带。各个功能部件的纽带。 总线由多条通信线路（或线缆）组成。总线由多条通信线路（或线缆）组成。 计算机系统中通常包含许多不同种类的总计算机系统中通常包含许多不同种类的总线，它们在不同层次上为计算机组件之间线，它们在不同层次上为计算

2、机组件之间提供通信通路。提供通信通路。2022-3-747.1.1 7.1.1 采用总线实现互连的优势采用总线实现互连的优势 减少各个部件之间的连线数量减少各个部件之间的连线数量 方便系统构建方便系统构建 扩充系统性能扩充系统性能 便于产品更新换代便于产品更新换代 2022-3-757.1.2 7.1.2 总线的分类总线的分类 按总线所承担的任务按总线所承担的任务 内部总线内部总线 外部总线外部总线 按总线所处的物理位置按总线所处的物理位置 （芯）片内总线（芯）片内总线 功能模块（板）内总线功能模块（板）内总线 功能模块（板）间总线（即通常说的系统总线）功能模块（板）间总线（即通常说的系统总线

3、） 外部总线外部总线 2022-3-76 按总线所传送的信息类型按总线所传送的信息类型 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线 按总线一次传送数据的位数按总线一次传送数据的位数 串行总线串行总线 并行总线并行总线 按总线操作的定时方式按总线操作的定时方式 同步总线同步总线 异步总线异步总线 2022-3-777.1.3 7.1.3 总线标准总线标准 1. 1. 逻辑规范逻辑规范 引脚信号的功能描述。包括信号的含义、信号引脚信号的功能描述。包括信号的含义、信号的传送方向（发送、接收或双向）、有效信号的传送方向（发送、接收或双向）、有效信号所采用的电平极性（高电平所采用的电平极性（高

4、电平/低电平，正脉冲低电平，正脉冲/负脉冲）及是否具有三态能力等。负脉冲）及是否具有三态能力等。 2022-3-78 2. 2. 时序规范时序规范 描述各信号有效描述各信号有效/无效的发生时间以及不同信号无效的发生时间以及不同信号之间相互配合的时间关系。之间相互配合的时间关系。 例如当地址信号有效后，至少需要多长时间的延例如当地址信号有效后，至少需要多长时间的延迟才能使读迟才能使读/写信号有效。写信号有效。 3.3.电器规范电器规范 总线上各个信号所采用的电平标准（例如总线上各个信号所采用的电平标准（例如1.5V1.5V电电平、平、3V3V电平等）和负载能力。电平等）和负载能力。 负载能力定义

5、了总线理论上最多可以连接模块的负载能力定义了总线理论上最多可以连接模块的数量。数量。 2022-3-79 4. 4. 机械规范机械规范 定义总线包括插槽定义总线包括插槽/ /插头或插板的结构、形状、插头或插板的结构、形状、大小方面的物理尺寸、接插件机械强度；总线大小方面的物理尺寸、接插件机械强度；总线信号的布局、引脚信号的长度、宽度以及间距信号的布局、引脚信号的长度、宽度以及间距等。等。 5. 5. 通信协议通信协议 定义数据通过总线传输时采用的连接方法、数定义数据通过总线传输时采用的连接方法、数据格式、发送速度等方面的规定。据格式、发送速度等方面的规定。 通常，串行总线必须规定通讯协议规范。

6、通常，串行总线必须规定通讯协议规范。 通讯协议通常还要分为若干层次。通讯协议通常还要分为若干层次。 2022-3-710制定总线标准制定总线标准/ /规范的两种途径规范的两种途径 由具有权威性的标准化组织（如国际标准由具有权威性的标准化组织（如国际标准化组织化组织ISOISO、电气电子工程师协会、电气电子工程师协会IEEEEIEEEE、美国、美国国家标准协会国家标准协会ANSIANSI等）制定并推荐使用。等）制定并推荐使用。 由某个或某几个在业界具有影响力的设备由某个或某几个在业界具有影响力的设备制造商提出，然后又被业内其他厂家认可并广制造商提出，然后又被业内其他厂家认可并广泛使用。即所谓事实

7、标准。泛使用。即所谓事实标准。 事实标准有可能作为没有经过正式、严格定义事实标准有可能作为没有经过正式、严格定义的标准在业内使用；也有可能经过一段时间的的标准在业内使用；也有可能经过一段时间的使用后，被厂商提交给有关组织讨论而最终被使用后，被厂商提交给有关组织讨论而最终被确定为正式标准。确定为正式标准。 2022-3-7117.1.4 7.1.4 总线的性能总线的性能 1. 1. 总线带宽总线带宽 单位时间内总线所能传输的最大数据量。一般用单位时间内总线所能传输的最大数据量。一般用兆字节兆字节/ /秒（秒（MB/sMB/s）来表示。）来表示。 2. 2. 总线宽度总线宽度 一个总线所设置的通信

8、线路（或线缆）的数一个总线所设置的通信线路（或线缆）的数目称为该目称为该总线的宽度总线的宽度。 数据总线宽度数据总线宽度 数据总线的宽度决定了一个总线内设置的用于传数据总线的宽度决定了一个总线内设置的用于传送数据的信号线的数目。送数据的信号线的数目。 数据总线的宽度决定了一次可以同时传送的二进数据总线的宽度决定了一次可以同时传送的二进制信息的位数。数据总线的宽度是决定计算机系制信息的位数。数据总线的宽度是决定计算机系统性能的一个关键特性。统性能的一个关键特性。2022-3-712 地址总线的宽度地址总线的宽度 地址总线的宽度决定了计算机系统的寻址能力。地址总线的宽度决定了计算机系统的寻址能力。

9、 3. 3. 总线的时钟频率总线的时钟频率 对于同步总线来说，由于采用统一的时钟脉冲对于同步总线来说，由于采用统一的时钟脉冲作为定时基准，因此总线的时钟频率越高，总作为定时基准，因此总线的时钟频率越高，总线上的操作就越快。显然，在数据总线宽度相线上的操作就越快。显然，在数据总线宽度相同的情况下，较高的总线时钟频率，会带来较同的情况下，较高的总线时钟频率，会带来较大的数据吞吐量。大的数据吞吐量。 4. 4. 总线的负载能力总线的负载能力 限定在总线上可以连接模块的最大数目。限定在总线上可以连接模块的最大数目。 2022-3-7137.2 7.2 总线的组成与结构总线的组成与结构 7.2.1 7.

10、2.1 总线的组成总线的组成 1. 1. 数据总线数据总线 特点：特点： 双向传输。双向传输。 数据线的数目一般与计算机字长相同（当数据线的数目一般与计算机字长相同（当然也可以不同）；然也可以不同）； 采用具有三态采用具有三态能力的电路。能力的电路。 2022-3-7142. 2. 地址总线地址总线 地址总线地址总线 特点：特点： 单向传输；单向传输； 地址线的数目决定寻址能力的大小。地址线的数目决定寻址能力的大小。2022-3-7153. 3. 控制总线控制总线 控制总线控制总线 特点：特点： 单向传输；单向传输； 控制线的类型和数目取决于总线类型。控制线的类型和数目取决于总线类型。 202

11、2-3-716典型的控制信号线典型的控制信号线 存储器读信号存储器读信号 存储器写信号存储器写信号 I/OI/O读信号读信号 I/OI/O写信号写信号 传输应答信号（传输应答信号（ACKACK） 总线请求信号总线请求信号 总线授予（回答）信号总线授予（回答）信号 中断请求信号中断请求信号 中断应答信号中断应答信号 时钟信号时钟信号 复位信号复位信号 2022-3-717总线互联机制总线互联机制存储模块1存储模块nI/O模块1CPUI/O模块n.地址总线数据总线控制总线2022-3-718总线的使用规则总线的使用规则 发送数据发送数据时，总线的使用规则：时，总线的使用规则： 获得总线；获得总线；

12、 通过总线传送数据。通过总线传送数据。 接收数据接收数据时，总线的使用规则：时，总线的使用规则： 获得总线；获得总线； 通过向控制总线和地址总线传送适当的通过向控制总线和地址总线传送适当的控制和地址信号，向其它功能模块发送传送数控制和地址信号，向其它功能模块发送传送数据的请求，然后等待其它功能模块发送数据。据的请求，然后等待其它功能模块发送数据。2022-3-7194. 4. 总线控制器总线控制器 总线控制器负责控制和分配总线的使用。总线控制器负责控制和分配总线的使用。 总线控制器的功能：总线控制器的功能： 总线系统的资源分配与管理总线系统的资源分配与管理 负责向使用总线的功能模块分配中断向量

13、号、负责向使用总线的功能模块分配中断向量号、DMADMA通道号及通道号及I/OI/O端口地址。端口地址。 提供总线定时信号脉冲提供总线定时信号脉冲 负责总线使用权的仲裁负责总线使用权的仲裁 负责实现不同总线协议的转换和不同总线负责实现不同总线协议的转换和不同总线之间传输数据的缓冲之间传输数据的缓冲2022-3-7205. 5. 总线上的设备分类总线上的设备分类 按逻辑功能分按逻辑功能分 总线主设备总线主设备：总线操作的发起者，负责全面总线操作的发起者，负责全面的总线控制。的总线控制。 总线从设备总线从设备：总线操作的对象总线操作的对象 。 按在信息交换中的地位分按在信息交换中的地位分 总线源设

14、备总线源设备：发送数据的设备。发送数据的设备。 总线目的设备总线目的设备：接受数据的设备。接受数据的设备。 注意注意：源设备：源设备不一定不一定就是主设备，目的就是主设备，目的设备也设备也不一定不一定就是从设备。就是从设备。2022-3-721 总线上有些设备在某一时段是主设备，总线上有些设备在某一时段是主设备，而在另一时段又可能变成从设备。而在另一时段又可能变成从设备。 例如，例如，SCSISCSI磁盘控制器。磁盘控制器。2022-3-7227.2.2 7.2.2 总线的结构总线的结构 在物理上，总线实际上由一系列并行的电子导在物理上，总线实际上由一系列并行的电子导体构成。体构成。插槽系统总

15、线系统底板CPU主存储器I/O接口控制器2022-3-723 总线向系统中的所有组件提供服务，每个系统总线向系统中的所有组件提供服务，每个系统组件与总线上的全部或部分信号线相连接。组件与总线上的全部或部分信号线相连接。 总线扩展槽总线扩展槽 在总线上设置内有总线信号接触点的插槽，这在总线上设置内有总线信号接触点的插槽，这些插槽上可以以垂直方式插接印刷电路板（计些插槽上可以以垂直方式插接印刷电路板（计算机的功能模块）。算机的功能模块）。 目前许多计算机系统的主机内部，都采用通过目前许多计算机系统的主机内部，都采用通过总线扩展槽总线扩展槽来连接计算机系统的主要组件。来连接计算机系统的主要组件。 2

16、022-3-724主板上的总线扩展槽主板上的总线扩展槽 左侧最长的左侧最长的插槽为插槽为ISA插槽（黑色）插槽（黑色） 中间白色的中间白色的为为PCI插槽插槽 右边棕色的右边棕色的插槽为插槽为AGP插槽插槽 2022-3-725现代计算机系统的发展趋势现代计算机系统的发展趋势 将原来采用电路板实现的组件，改由集成电路将原来采用电路板实现的组件，改由集成电路来实现，即将原组件电路板上的所有元件集成来实现，即将原组件电路板上的所有元件集成到一块（或几块）集成电路芯片中。到一块（或几块）集成电路芯片中。 例如，在例如，在CPU芯片中，由安置在芯片内部的总芯片中，由安置在芯片内部的总线来连接处理机和高

17、速缓冲存储器（线来连接处理机和高速缓冲存储器（Cache）等功能部件，而安置在印刷电路板上的总线则等功能部件，而安置在印刷电路板上的总线则用于连接处理机、主存和系统的其它组件。用于连接处理机、主存和系统的其它组件。 采用这种方法，可以非常方便地构造和扩充计采用这种方法，可以非常方便地构造和扩充计算机系统。算机系统。 2022-3-7267.3 7.3 总线的设计与实现总线的设计与实现 7.3.1 7.3.1 总线的设计要素总线的设计要素 信号线类型：信号线类型： 专用信号线专用信号线 复用信号线复用信号线总线宽度：总线宽度： 地址线宽度地址线宽度 数据线宽度数据线宽度总线仲裁的方法：总线仲裁的

18、方法： 集中仲裁集中仲裁 分布仲裁分布仲裁数据传输类型：数据传输类型： 读读 写写 读读修改修改写写 写后读写后读 块传输（连续数据传输）块传输（连续数据传输）总线定时方法：总线定时方法： 同步同步 异步异步2022-3-7271. 1. 信号线类型信号线类型 专用信号线专用信号线 在总线中该信号线始终被指派实现一个规定功在总线中该信号线始终被指派实现一个规定功能或指派专门用于某一类特定的计算机系统组能或指派专门用于某一类特定的计算机系统组件。件。 复用信号线复用信号线 在一根信号线上定义多种意义的信号或者用于在一根信号线上定义多种意义的信号或者用于多个（多类）总线设备。多个（多类）总线设备。

19、2022-3-728信号线的分时复用信号线的分时复用总线周期时间地址/数据分时复用信号线地址有效信号线地址数据地址图7-3 地址/数据分时复用信号总线时段总线时段2022-3-7292. 2. 总线仲裁的方法总线仲裁的方法 总线仲裁总线仲裁 根据连接到总线上的各功能模块所承担任务的根据连接到总线上的各功能模块所承担任务的轻重缓急，预先或动态地赋予它们不同的使用轻重缓急，预先或动态地赋予它们不同的使用总线的优先级，当有多个模块同时请求使用总总线的优先级，当有多个模块同时请求使用总线时，总线仲裁电路选出当前优先级最高的那线时，总线仲裁电路选出当前优先级最高的那个，赋予总线控制权。个，赋予总线控制权

20、。 总线仲裁就是确定哪一个总线设备作为当前的总线仲裁就是确定哪一个总线设备作为当前的总线主控设备。总线主控设备。 2022-3-730总线仲裁方法的分类总线仲裁方法的分类 集中仲裁集中仲裁 分布仲裁分布仲裁 并行仲裁并行仲裁 串行仲裁串行仲裁 固定优先级固定优先级 动态优先级动态优先级 2022-3-731 集中仲裁集中仲裁 在系统中设置一个仲裁电路集中处理连接到总线在系统中设置一个仲裁电路集中处理连接到总线上的各个设备所提出的使用总线的请求信号，集上的各个设备所提出的使用总线的请求信号，集中对它们的优先级进行比较，由此确定总线的主中对它们的优先级进行比较，由此确定总线的主控设备。控设备。 分

21、布仲裁分布仲裁 系统中每一个总线设备中都有较为复杂的总线访系统中每一个总线设备中都有较为复杂的总线访问请求控制逻辑，优先级比较电路也是分布在各问请求控制逻辑，优先级比较电路也是分布在各个总线设备中，由各个已连接到总线上的并且目个总线设备中，由各个已连接到总线上的并且目前有总线请求的设备共同来决定下面应该由哪个前有总线请求的设备共同来决定下面应该由哪个设备成为总线的主控设备。设备成为总线的主控设备。 2022-3-732 集中式仲裁机制的集中式仲裁机制的优点优点 系统模块化程度高，设备一方电路设计较为简单。系统模块化程度高，设备一方电路设计较为简单。 集中式仲裁机制的集中式仲裁机制的缺点缺点 系

22、统可靠性不太高，一旦仲裁电路发生故障，总系统可靠性不太高，一旦仲裁电路发生故障，总线就不能使用了。线就不能使用了。 分布式仲裁的特点与集中式仲裁的特点正分布式仲裁的特点与集中式仲裁的特点正好相反。好相反。 2022-3-733 连接到总线上的每个设备与总线仲裁电路之间连接到总线上的每个设备与总线仲裁电路之间都有独立的总线请求线和总线允许信号线。都有独立的总线请求线和总线允许信号线。集中式并行总线仲裁集中式并行总线仲裁 集中式总线仲裁器设备1设备2设备n总线总线请求线1总线请求线2总线请求线n总线应答线n总线应答线2总线应答线1.2022-3-734 集中式并行仲裁的集中式并行仲裁的优点优点 总

23、线仲裁速度快，优先级设置灵活，即有可能总线仲裁速度快，优先级设置灵活，即有可能通过向总线仲裁器发送不同的控制命令，实现通过向总线仲裁器发送不同的控制命令，实现不同的优先级策略。不同的优先级策略。 集中式并行仲裁的集中式并行仲裁的缺点缺点 每个设备与总线仲裁器之间都需要设置一条总每个设备与总线仲裁器之间都需要设置一条总线请求信号线和一条总线允许信号线，使连接线请求信号线和一条总线允许信号线，使连接到总线上设备的数量受到信号线数目的限制，到总线上设备的数量受到信号线数目的限制，并且可靠性不高。并且可靠性不高。 2022-3-735集中式串行总线仲裁集中式串行总线仲裁 连接到总线上的设备共用一条总线

24、请求信号线连接到总线上的设备共用一条总线请求信号线或（和）一条总线允许信号线。或（和）一条总线允许信号线。2022-3-736 集中式串行仲裁的集中式串行仲裁的优点优点 用于总线管理的信号线数目较少，且与连接到用于总线管理的信号线数目较少，且与连接到总线上的设备数目无关，总线仲裁器电路的实总线上的设备数目无关，总线仲裁器电路的实现较为简单。现较为简单。 集中式串行仲裁的集中式串行仲裁的缺点缺点 设备的优先级固定，要改变一个设备使用总线设备的优先级固定，要改变一个设备使用总线的优先级，就必须改变它所处总线的物理位置；的优先级，就必须改变它所处总线的物理位置；总线优先级的比较时间较长。总线优先级的

25、比较时间较长。 2022-3-737 固定优先级固定优先级 总线上的各个设备的优先级一经指定后总线上的各个设备的优先级一经指定后就不再改变。就不再改变。 动态优先级动态优先级 设备使用总线的优先级可以随时间变化。设备使用总线的优先级可以随时间变化。 总线的优先级总线的优先级2022-3-738 典型的动态优先级策略是轮转策略，即典型的动态优先级策略是轮转策略，即首先将设备排队，指定一个设备为目前首先将设备排队，指定一个设备为目前优先级最高的设备，队中的下一个设备优先级最高的设备，队中的下一个设备次之，就这样先排下去。当目前具有最次之，就这样先排下去。当目前具有最高优先级的设备使用一次总线后，它

26、就高优先级的设备使用一次总线后，它就变成优先级最低的设备，即排到队尾，变成优先级最低的设备，即排到队尾，队中下一个设备就变成目前具有最高优队中下一个设备就变成目前具有最高优先级的设备。这样所有设备都具有平等先级的设备。这样所有设备都具有平等使用总线的机会。使用总线的机会。2022-3-739 固定优先级策略的固定优先级策略的优点优点 硬件实现简单。硬件实现简单。 固定优先级策略的固定优先级策略的缺点缺点 当设备较多时，优先级低的设备就很难有机会当设备较多时，优先级低的设备就很难有机会使用总线。使用总线。 动态优先级策略的动态优先级策略的优点优点 能够很好地适应总线上存在较多设备的情形。能够很好

27、地适应总线上存在较多设备的情形。 动态优先级策略的动态优先级策略的缺点缺点 在硬件实现上复杂。在硬件实现上复杂。2022-3-7403. 3. 总线定时方法总线定时方法 总线定时方式是指为了协调总线上发生总线定时方式是指为了协调总线上发生的事件所采用的方法。的事件所采用的方法。 总线上发生的事件是指那些为了使用总总线上发生的事件是指那些为了使用总线传输信息，总线所作的各种必要的动线传输信息，总线所作的各种必要的动作。作。 总线定时的方法分为总线定时的方法分为同步定时同步定时和和异步定异步定时时，由此总线又可分为，由此总线又可分为同步总线同步总线和和异步异步总线总线。 2022-3-741 同步

28、总线同步总线 在同步总线中，总线上所有事件的发生，在同步总线中，总线上所有事件的发生，都要由一个时钟脉冲序列来定时。都要由一个时钟脉冲序列来定时。 在同步定时方式下，总线中包含一条时在同步定时方式下，总线中包含一条时钟信号线钟信号线 ，所有的总线事件都应在一个，所有的总线事件都应在一个时钟周期的开始时（即高电平有效时）时钟周期的开始时（即高电平有效时）启动动作。启动动作。 2022-3-742同步定时方式下的总线操作同步定时方式下的总线操作 状态信号地址信号输出的有效数据输入的有效数据时钟信号线状态信号线地址信号线地址有效信号线数据总线数据总线读信号线写信号线T1T2T3读周期写周期总线时段2

29、022-3-743 异步总线异步总线 异步定时异步定时 总线上一个事件的动作发生与否，依赖总线上一个事件的动作发生与否，依赖于前一个事件动作的执行情况。于前一个事件动作的执行情况。 2022-3-744异步方式下的读总线周期异步方式下的读总线周期 状 态 信 号地 址 信 号状 态 信 号 线地 址 信 号 线读 信 号 线有 效 数 据数 据 总 线应 答 信 号 线2022-3-745异步方式下的写总线周期异步方式下的写总线周期 状 态 信 号地 址 信 号状 态 信 号 线地 址 信 号 线写 信 号 线有 效 数 据数 据 总 线应 答 信 号 线2022-3-7464 4数据传输类型

30、数据传输类型 数据传输类型数据传输类型 读读/写操作在各种类型总线上的各种实现写操作在各种类型总线上的各种实现方法。方法。 总线中一次数据传输的总线中一次数据传输的两个阶段两个阶段 地址、命令阶段地址、命令阶段 数据传输阶段数据传输阶段2022-3-747 读操作读操作 总线的从设备发送数据到主控设备。总线的从设备发送数据到主控设备。 写操作写操作 总线的主控设备发送数据到从设备。总线的主控设备发送数据到从设备。2022-3-748非复用总线上的读操作非复用总线上的读操作 2022-3-749分时复用总线上的读操作分时复用总线上的读操作 2022-3-750联合操作联合操作 2022-3-75

31、1 读读修改修改写操作写操作 在读操作之后对同一单元立即实施写操作在在读操作之后对同一单元立即实施写操作在读读修改修改写操作时，数据单元的地址只需写操作时，数据单元的地址只需在操作开始时发送一次即可，且整个操作是在操作开始时发送一次即可，且整个操作是不间断地连续执行的。这样可以防止其它潜不间断地连续执行的。这样可以防止其它潜在的总线主控设备（如其它处理机）在操作在的总线主控设备（如其它处理机）在操作执行期间对目标数据单元的访问。执行期间对目标数据单元的访问。 读读修改修改写操作的主要目的是在多道程序写操作的主要目的是在多道程序执行的环境下，确保保存在共享存储资源中执行的环境下，确保保存在共享存

32、储资源中的数据能够保持数据的一致性。的数据能够保持数据的一致性。2022-3-752 写后读操作写后读操作 对某一存储单元的写操作完成后立即实对某一存储单元的写操作完成后立即实施读操作。施读操作。 写后读操作的目的是为了对刚写入的信写后读操作的目的是为了对刚写入的信息进行校验。息进行校验。2022-3-753数据块传输方式数据块传输方式2022-3-754 数据块传输方式数据块传输方式 在一个地址、命令阶段后，即给出了第在一个地址、命令阶段后，即给出了第一个数据所在存储单元的地址之后，可一个数据所在存储单元的地址之后，可以有多个数据传送操作，即可以读以有多个数据传送操作，即可以读/写连写连续的

33、多个数据单元。续的多个数据单元。 也称为也称为连续数据传输方式连续数据传输方式、突发（猝发突发（猝发或迸发）数据传输方式或迸发）数据传输方式、成组数据传输成组数据传输方式方式。2022-3-755 在数据块传输方式下，总线的主控设备在数据块传输方式下，总线的主控设备只需将要发送或接收的第一个数据项的只需将要发送或接收的第一个数据项的地址发送给存储器，其余多个数据项的地址发送给存储器，其余多个数据项的地址相对于第一个数据项的地址来说都地址相对于第一个数据项的地址来说都是连续地址，主存储器可以自动修改后是连续地址，主存储器可以自动修改后续访问的数据单元的地址而不需要主控续访问的数据单元的地址而不需

34、要主控设备每次都发送地址。这样做能够大大设备每次都发送地址。这样做能够大大提高数据的传输效率。提高数据的传输效率。2022-3-756 例：某同步总线的时钟频率为例：某同步总线的时钟频率为100MHz，宽度为，宽度为32位，地址位，地址/数据线复用，每传输一个地址或数据数据线复用，每传输一个地址或数据占用一个时钟周期。若该总线支持猝发传输模式，占用一个时钟周期。若该总线支持猝发传输模式，则一次则一次“主存写主存写”总线事务传输总线事务传输128位数据所需位数据所需要的时间至少是多少？要的时间至少是多少？ 解：一次解：一次“主存写主存写”共需要传输共需要传输1次地址，次地址，4次数次数据，共据，

35、共5次。次。 所需要的时间：所需要的时间：51/100MHz50ns2022-3-7577.3.2 7.3.2 总线的实现总线的实现 1. 1. 采用集电极开路与非门电路实现总线采用集电极开路与非门电路实现总线 2022-3-7582. 2. 采用三采用三态门电路实现总线态门电路实现总线2022-3-7597.4 7.4 总线与计算机系统总线与计算机系统 按照总线的组织结构不同，可将计算机按照总线的组织结构不同，可将计算机系统分为：系统分为： 单总线结构的计算机系统单总线结构的计算机系统 双总线结构的计算机系统双总线结构的计算机系统 多总线结构的计算机系统多总线结构的计算机系统 2022-3-

36、7601. 1. 单总线结构的计算机系统单总线结构的计算机系统 所有连接到系统总线上的功能部件既可所有连接到系统总线上的功能部件既可以共享同一地址空间也可以分享不同的以共享同一地址空间也可以分享不同的地址空间。地址空间。 早期采用单总线结构的小型计算机系统早期采用单总线结构的小型计算机系统大多采用异步定时方式。大多采用异步定时方式。 单总线往往成为计算机系统性能的瓶颈。单总线往往成为计算机系统性能的瓶颈。 2022-3-761 图 1-7 计算机的单总线结构 接口 CPU 存储器 接口 I/O 设备 I/O 设备 单总线 2022-3-7622. 2. 双总线结构的计算机系统双总线结构的计算机

37、系统 在双总线结构的计算机系统中，通过设置内存总在双总线结构的计算机系统中，通过设置内存总线，使线，使CPU和主存储器之间的信息流与外设和主和主存储器之间的信息流与外设和主存储器之间的信息流分开，大大减轻了系统总线存储器之间的信息流分开，大大减轻了系统总线的负担，实现了的负担，实现了CPU与外设的并行操作，有效地与外设的并行操作，有效地提升了计算机系统的性能，但又保持了单总线结提升了计算机系统的性能，但又保持了单总线结构所具有的简洁、易扩充的优点。构所具有的简洁、易扩充的优点。 存在的问题存在的问题 内存总线与系统总线对主存储器的访问存在冲突内存总线与系统总线对主存储器的访问存在冲突。2022

38、-3-763 图 1-8 面向存储器的双总线结构 接口 CPU 存储器 接口 I/O 设备 I/O 设备 系统总线 存储总线 2022-3-7643. 3. 多总线结构的计算机系统多总线结构的计算机系统 多总线结构计算机系统是在双总线结构基础上增多总线结构计算机系统是在双总线结构基础上增加加I/O总线实现的一种计算机系统结构。总线实现的一种计算机系统结构。 增加增加I/O总线的目的总线的目的 进一步提高计算机系统的工作效率。进一步提高计算机系统的工作效率。 多总线结构可以在计算机系统的各部件之间采用多总线结构可以在计算机系统的各部件之间采用多条各自独立的总线来构成分层次的信息通路。多条各自独立

39、的总线来构成分层次的信息通路。2022-3-7652022-3-7664. 4. 多层次总线结构多层次总线结构 现代计算机系统往往采用分层划分的层次型多现代计算机系统往往采用分层划分的层次型多总线结构。即总线结构。即根据系统功能模块性能上的要求根据系统功能模块性能上的要求设置不同层次、不同种类的总线。设置不同层次、不同种类的总线。 引入层次型总线的必要性引入层次型总线的必要性 当计算机系统中的所有设备都在使用单一的当计算机系统中的所有设备都在使用单一的系统总线时，会使得系统总线显得非常拥挤。系统总线时，会使得系统总线显得非常拥挤。 解决的方法：解决的方法： 在处理机子系统中配置专供在处理机子系

40、统中配置专供CPUCPU使用的使用的局部总线局部总线，在局部总线上连接局部存储器和局部在局部总线上连接局部存储器和局部I/OI/O接口，接口，在系统总线上连接主存储器和其他速度较慢的在系统总线上连接主存储器和其他速度较慢的I/OI/O设备控制器。设备控制器。 2022-3-767 将许多组件电路板连接到总线，将增加总将许多组件电路板连接到总线，将增加总线的长度，带来传递延迟。线的长度，带来传递延迟。 造成延迟的原因造成延迟的原因 总线仲裁机构用来协调各个组件对总线使用的总线仲裁机构用来协调各个组件对总线使用的有关操作需要时间。有关操作需要时间。 当总线的使用权频繁地从一个组件传递到另一当总线的

41、使用权频繁地从一个组件传递到另一个组件时，传递延迟将明显地影响总线的性能。个组件时，传递延迟将明显地影响总线的性能。 2022-3-768 总线成为系统的瓶颈总线成为系统的瓶颈 一些需要连续且数目较大的数据字的传输应用，一些需要连续且数目较大的数据字的传输应用，比如主存到显示缓冲存储器之间的数据传输，将比如主存到显示缓冲存储器之间的数据传输，将几乎耗尽总线的带宽。几乎耗尽总线的带宽。 解决问题的方法：解决问题的方法： 通过提高总线的带宽，如增加数据总线的宽度以通过提高总线的带宽，如增加数据总线的宽度以及提高总线的工作频率。及提高总线的工作频率。 但由于某些组件（如图形、视频显示适配器、千但由于

42、某些组件（如图形、视频显示适配器、千兆网络接口适配器等）对总线带宽的要求增长得兆网络接口适配器等）对总线带宽的要求增长得非常快，对于结构单一总线来说很难满足这些要非常快，对于结构单一总线来说很难满足这些要求。求。 2022-3-769传统的层次型多总线结构传统的层次型多总线结构处理机高速缓冲存储器局部I/O设备控制器系统总线主存储器扩展总线接口网络接口控制器SCSI接口控制器串行接口调制解调器扩展总线局部总线2022-3-770 局部总线用于处理机与局部总线用于处理机与Cache以及其它局部组以及其它局部组件（例如显示适配器）的连接。件（例如显示适配器）的连接。 Cache控制器不仅与局部总线

43、相连，还与系统控制器不仅与局部总线相连，还与系统总线相连，由此实现局部总线与主存的连接。总线相连，由此实现局部总线与主存的连接。 使用使用Cache能有效地隔离处理机对主存频繁的能有效地隔离处理机对主存频繁的访问请求，因此主存不再与局部总线连接，转访问请求，因此主存不再与局部总线连接，转而连接到系统总线。而连接到系统总线。 在这种方式下在这种方式下I/O设备与主存之间的数据传输设备与主存之间的数据传输只需要通过系统总线即可完成，从而不会干扰只需要通过系统总线即可完成，从而不会干扰到处理机的操作。到处理机的操作。 2022-3-771 I/O接口控制器可以直接连接到系统总线，但由接口控制器可以直

44、接连接到系统总线，但由于于I/O设备的速度差别非常大，因此可以设置一设备的速度差别非常大，因此可以设置一条或多条扩展总线来连接条或多条扩展总线来连接I/O接口控制器。接口控制器。 扩展总线接口在系统总线和连接在扩展总线上扩展总线接口在系统总线和连接在扩展总线上的的I/O接口控制器之间起了一个缓冲数据的作用。接口控制器之间起了一个缓冲数据的作用。 传统的层次型多总线结构的传统的层次型多总线结构的优点优点： 计算机系统可以方便地支持速率不同的各种计算机系统可以方便地支持速率不同的各种I/O设备。设备。 使主存与处理机之间的数据传输和主存与使主存与处理机之间的数据传输和主存与I/O设备之间的数据传输

45、分隔开来，互不干扰。设备之间的数据传输分隔开来，互不干扰。 2022-3-772高性能多层次总线结构高性能多层次总线结构系统总线主存储器高速缓冲存储器/总线桥处理机高速总线SCSI接口适配器FireWire接口适配器局域网接口适配器图形接口适配器扩展总线扩展总线接口传真机接口适配器调制解调器接口适配器串行接口适配器局部总线2022-3-773 为了适应一些新型设备（例如视频为了适应一些新型设备（例如视频/图形显示接图形显示接口适配器、千兆以太网卡等）对总线在性能方面口适配器、千兆以太网卡等）对总线在性能方面不断增长的需求，业界普遍采用的方法是构建一不断增长的需求，业界普遍采用的方法是构建一个具

46、有与处理机紧密集成的、用来支撑整个系统个具有与处理机紧密集成的、用来支撑整个系统且相对独立的且相对独立的高速总线高速总线。 与处理机紧密集成的高速总线与处理机紧密集成的高速总线 高速总线充分考虑与它连接的处理机的体系结构，高速总线充分考虑与它连接的处理机的体系结构，如处理机引脚的信号定义情况以及工作时序，使如处理机引脚的信号定义情况以及工作时序，使得处理机与高速总线之间仅需要一个桥接电路得处理机与高速总线之间仅需要一个桥接电路（简称总线桥）即可实现处理机与总线的互连，（简称总线桥）即可实现处理机与总线的互连，而不需要另外去实现一个复杂的处理机引脚信号而不需要另外去实现一个复杂的处理机引脚信号与

47、标准的总线信号之间的转换电路，以降低系统与标准的总线信号之间的转换电路，以降低系统实现的难度。实现的难度。 2022-3-774 高性能多层次总线结构高性能多层次总线结构的的优点优点 高速总线桥紧密地和处理机集成在一起，但同高速总线桥紧密地和处理机集成在一起，但同时又独立于处理机之外，使得处理机与高速总时又独立于处理机之外，使得处理机与高速总线在信号线定义上的差别可以方便地予以解决。线在信号线定义上的差别可以方便地予以解决。即使改变处理机的体系结构也不会影响到高速即使改变处理机的体系结构也不会影响到高速总线和扩展总线，反之亦然。总线和扩展总线，反之亦然。 2022-3-775典型的典型的Pen

48、tium4系统总线结构系统总线结构2022-3-7767.5 7.5 常用总线举例常用总线举例 7.5.1 7.5.1 系统总线系统总线 1.工业标准总线（工业标准总线（ISA总线）总线） (Industry Standard Architccture) ISA总线也称总线也称AT总线，是在原总线，是在原PC/XT的的62线总线总线的基础上扩充了线的基础上扩充了36个引脚构成的。个引脚构成的。 ISA总线定义的总线定义的98条总线信号包括了条总线信号包括了24条地址条地址信号线、信号线、16条数据信号线、条数据信号线、16条中断请求信号条中断请求信号线、线、1条中断应答信号线，条中断应答信号线

49、，7组组DMA通道请求通道请求/应答信号线，以及存储器读应答信号线，以及存储器读/写信号、写信号、I/O读读/写写信号、辅助控制信号、时钟、电源、地线等。信号、辅助控制信号、时钟、电源、地线等。 2022-3-7772022-3-778ISAISA总线插槽总线插槽2022-3-779ISAISA总线存在的主要问题总线存在的主要问题 ISA总线是面向单用户应用的总线，并不适总线是面向单用户应用的总线，并不适合多用户应用环境。合多用户应用环境。 16位的位的ISA总线带宽只有总线带宽只有5MB/s，因此，因此ISA总线并不适合用于总线并不适合用于 32位位CPU 。 2022-3-7802. 2.

50、 扩充的工业标准总线（扩充的工业标准总线（EISAEISA总线）总线） EISA总线（总线（Extended Industry Standard Architecture，EISA）是）是EISA集团专为集团专为32位位CPU设计的系统总线。设计的系统总线。 EISA总线标准将总线标准将ISA总线的数据总线从总线的数据总线从16位扩位扩展到展到32位，地址总线从位，地址总线从24位扩展到位扩展到32位，共定位，共定义了义了198条信号线。条信号线。 EISA总线中总线中198条信号线可分成为条信号线可分成为4组：组： 地址总线和数据总线组、数据传送控制组、总地址总线和数据总线组、数据传送控制组

51、、总线仲裁信号组以及其他功能组。线仲裁信号组以及其他功能组。 2022-3-781EISAEISA总线总线插槽插槽2022-3-7823. PCI3. PCI局部总线局部总线 (Peripheral Component Interconnect bus) PCI局部总线是基于分层多层次总线设计思想局部总线是基于分层多层次总线设计思想设计的一种设计的一种时钟同步型扩展总线时钟同步型扩展总线。 2002年年4月，月，PCI SIG颁布了颁布了PCI-X v2.0规范。规范。定义了定义了66MHz、100MHz、133MHz、266MHz和和533MHz等等5种不同的工作频率，这样规划的种不同的工作

52、频率，这样规划的PCI总线的最大带宽可达总线的最大带宽可达4.264GB/s。 目前，目前，PCI总线已成为了一种系统，无论在台总线已成为了一种系统，无论在台式机还是服务器中都得到了广泛的应用。式机还是服务器中都得到了广泛的应用。 2022-3-783PCI总线总线2022-3-784Pentium计算机主板的总线结构框图计算机主板的总线结构框图2022-3-785典型的台式计算机系统典型的台式计算机系统 2022-3-786典型的多处理器计算机系统典型的多处理器计算机系统 系统总线内存控制储器DRAM构成的内存储器CPU/高速缓冲存储器（Cache）PCI总线SCSI接口适配器主桥高速局域网

53、接口适配器PCI总线扩展桥扩展总线桥CPU/高速缓冲存储器（Cache）.主桥PCI总线扩展总线桥PCI总线ISA/EISA总线1ISA/EISA总线22022-3-787桥接芯片桥接芯片 PCI桥用于连结桥用于连结CPU、内存和、内存和PCI总线。总线。 扩展总线桥（扩展总线桥（ISA桥）用于连结桥）用于连结PCI总线和总线和ISA总线。总线。 PCI扩展总线桥用于连结两条扩展总线桥用于连结两条PCI总线。总线。 CPU与内存之间的带宽最宽，使得与内存之间的带宽最宽，使得PCI总线可总线可以为快速的外设提供较高的带宽。以为快速的外设提供较高的带宽。2022-3-788PCI桥桥2022-3-

54、789PCIPCI总线信号总线信号 PCI总线有总线有32位和位和64位两个版本。位两个版本。 使用使用32位版本的卡有位版本的卡有120个管脚（必备信个管脚（必备信号）。号）。 使用使用64位版本的卡是在位版本的卡是在32位版本的位版本的120个管个管脚的基础上增加了脚的基础上增加了64个管脚（可选信号）。个管脚（可选信号）。2022-3-790必备信号必备信号2022-3-791可选信号可选信号2022-3-792PCIPCI总线的特点总线的特点 较高的总线带宽较高的总线带宽 支持数据块传输支持数据块传输 支持多个设备作为总线的主控设备支持多个设备作为总线的主控设备 PCI PCI总线独立

55、于微处理器，与具体的处理器体总线独立于微处理器，与具体的处理器体系结构无关，具有较好的适应性。系结构无关，具有较好的适应性。 数据总线和地址总线可以分时复用数据总线和地址总线可以分时复用 支持支持5V5V和和3.3V3.3V两种电源两种电源 支持即插即用支持即插即用(P&P)(P&P) 高可靠性。对地址和数据均提供了奇偶校验高可靠性。对地址和数据均提供了奇偶校验功能，保证了所传输数据的完整性和准确性。功能，保证了所传输数据的完整性和准确性。 2022-3-7934. 4. PCI ExpressPCI Express总线总线 PCI Express总线是全新的第三代总线（总线是

56、全新的第三代总线（Third-Generation Input/Output，3GIO）。）。 PCI Express总线的基本结构总线的基本结构 Root Complex：用于连接：用于连接CPU、内存、内存、PCI/PCI-X总线桥和遵循总线桥和遵循PCI Express标准的标准的I/O设备。设备。 Switches：用于实现：用于实现I/O设备之间的数据交换以设备之间的数据交换以及多个不同种类的及多个不同种类的PCI Express总线设备。总线设备。2022-3-794PCI ExpressPCI Express总线结构图总线结构图CPURoot Complex内存储器PCI Exp

57、ress总线设备连接点PCI Express总线与PCI总线转接桥SwitchPCI/PCI-XPCI Express总线PCI Express总线PCI Express总线传统PCI 总线设备连接点PCI Express总线设备连接点PCI Express总线设备连接点传统PCI 总线设备连接点PCI Express总线PCI Express总线PCI Express总线PCI Express总线2022-3-795PCI ExpressPCI Express的功能的功能 点对点总线点对点总线 串行的数据传输方式串行的数据传输方式 高传输速率高传输速率 低成本低成本 支持长距离传输和热插拔支

58、持长距离传输和热插拔 多种连接方式多种连接方式 高级功能高级功能 跨平台的兼容性跨平台的兼容性 2022-3-7967.5.2 7.5.2 外部外部总线总线 外部总线外部总线主要用于计算机系统的主机与外部设主要用于计算机系统的主机与外部设备之间的互联，所以有时也称之为备之间的互联，所以有时也称之为设备总线设备总线。 由于外部设备之间的差别很大，因此外部总线由于外部设备之间的差别很大，因此外部总线在形式上与系统总线也有很大的差别。在形式上与系统总线也有很大的差别。 系统总线系统总线多数位于机箱内部，采用插槽形式集多数位于机箱内部，采用插槽形式集成在主电路板上，用户可以在扩充计算机系统成在主电路板

59、上，用户可以在扩充计算机系统功能时插入各种功能时插入各种I/OI/O接口适配器，如网卡、声接口适配器，如网卡、声卡等。卡等。 外部总线外部总线多在机箱外部，而且在机箱后部居多，多在机箱外部，而且在机箱后部居多，其外形多样，差别很大，互不兼容。其外形多样，差别很大，互不兼容。 2022-3-7971. 1. 小型计算机系统接口小型计算机系统接口SCSISCSI接口接口 小型计算机系统接口（小型计算机系统接口（Small Computer System Small Computer System InterfaceInterface，SCSISCSI）是用于小型、微型计算机和外）是用于小型、微型计

60、算机和外围设备连接的一种接口标准。围设备连接的一种接口标准。 SCSISCSI接口可以支持包括磁盘驱动器、磁带机、光接口可以支持包括磁盘驱动器、磁带机、光盘驱动器以及扫描仪在内的多种外部设备。盘驱动器以及扫描仪在内的多种外部设备。 SCSISCSI接口实际上是一种接口实际上是一种外部并行总线外部并行总线。依据标准。依据标准的不同，的不同，SCSISCSI接口可以有接口可以有8 8、1616或或3232位数据线。位数据线。 每个每个SCSISCSI设备都有两个连接设备都有两个连接SCSISCSI线缆的接口，一线缆的接口，一个用于输入，另一个用于输出。个用于输入，另一个用于输出。 SCSI接口接口由由SCSI控制