第3章-系统总线

1、唐朔飞唐朔飞第版第版高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社123.1 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3一、为什么要用总一、为什么要用总线？线？二、什么是总二、什么是总线？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分散连接不灵活，无法随时增分散连接不灵活，无法随时增添或减撤添或减撤I/OI/O

2、设备设备程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算4四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1. 面向面向 CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图 中央处理器中央处理器 CPUI/O总线总线M总总线线主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 设备设备nI/O设备与主存交换信息时需要占用设备与主存交换信息时需要占用CPU5单总线（系统总线）单总线（系统总线）2. 单总线结构单总线结构框图框图 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/

3、O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口I/O设备与主存交换信息时原则上不影响设备与主存交换信息时原则上不影响CPU工作；单总线可能成为瓶颈工作；单总线可能成为瓶颈63. 以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线系统总线 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线I/O设备与主存交换信息不需占用设备与主存交换信息不需占用CPU，存储总线缓解系统总线压力。，存储总线缓解系统总线压力。例如单车道和双车道。例如单车道和双车道。71. .片内总线片内总线2. .系统总线系统总线芯片或芯片或CPU内部内部 的

4、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 位数与位数与机器字长、存储字长有关机器字长、存储字长有关单向单向 位数与位数与存储地址、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、总线请求寄存器与寄存器之间，寄存器与寄存器与寄存器之间，寄存器与ALU之间之间83. .通信总线通信总线串行通信串行通信总线，适合远距离传输总线，适合远距离传输并行通信并行通信总线，适合近距离传输总线，适合近距离传输传输方式传输方式

5、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9CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、总线物理一、总线物理实现示意图实现示意图BUS主板主板101. 机械特性机械特性2. 电气特性电气特性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 功能功能一根线在什么时间内有效，信号一根线在什么时间内有效，信号的的 时序时序 关

6、系关系地址地址数据数据控制控制11三、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. 总线总线带宽带宽数据线数据线 的根的根数，数，8位位(根根)，16位位(根根)，32位位(根根) ，64位位(根根)等等总线的数据传输速率，每秒总线的数据传输速率，每秒传输传输的的最大最大字节数（字节数（MBps）例：总线的工作频率为例：总线的工作频率为33MHz，总线宽度为，总线宽度为32位，总线带宽为多少？位，总线带宽为多少？33 (32 8) = 132 MBps12l习题3.14，P67138 (16 8) = 16 MBps三、总线的性能指标三、总线的性能指标3. 时钟同步时钟同步/异步

7、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. 其他指标其他指标总线上的数据与时钟总线上的数据与时钟同步同步/不同步不同步地址线地址线 与与 数据线数据线 分时分时复用一组复用一组物理总线物理总线地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和负载负载能力，电源电压，总线宽度能力，电源电压，总线宽度是否可扩展等是否可扩展等并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数14ISAEISAVESA(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 I/

8、O接口模块品种复杂，一种接口要配一种总线，需要标准化接口模块品种复杂，一种接口要配一种总线，需要标准化15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）16 MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3233 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）66 MHz（独立）（独立）132 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

9、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16一、单总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）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接口接口所有所有I/OI/O设备通过同一个总线设备通过同一个总线与与CPUCPU通

10、信，容易产生竞争和通信，容易产生竞争和影响影响CPUCPU效率，成为系统瓶颈。效率，成为系统瓶颈。171. 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统一统一管理，管理，提高了提高了CPU的工作效率的工作效率通道通道 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182. 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193. 三总线结构的又一形式三总线结构

11、的又一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204. 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211. 传传统微型机总线结构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

12、器标准总线控制器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 Modem高速设备和低速设备都通过高速设备和低速设备都通过ISAISA与系统总线相连，成为瓶与系统总线相连，成为瓶颈。相当于快车与慢车在同颈。相当于快车与慢车在同一车道行驶，快车受限。一车道行驶，快车受限。222. 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

13、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 Modem高速设备挂在高速总线，低高速设备挂在高速总线，低速设备都通过速设备都通过ISAISA与高速总线与高速总线相连。缺点：相连。缺点：VL-BUSVL-BUS总线与总线与CPUCPU关系太紧密。关系太紧密。233. 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

14、器控制器存储器存储器 ModemPCIPCI总线通过总线通过PCIPCI桥与桥与CPUCPU相连，具有相连，具有灵活性，即插即用。灵活性，即插即用。PCIPCI总线连接高总线连接高速设备，低速设备通过速设备，低速设备通过ISAISA、EISAEISA连连接至接至PCIPCI总线。总线。244. 多层多层 PCI 总线结构总线结构-驱动能力驱动能力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

15、准总线标准总线CPU25什么时候由哪个部件发送信息什么时候由哪个部件发送信息?如何给信息传送定时如何给信息传送定时?如何防止信息丢失如何防止信息丢失?如何避免多个部件同时发送如何避免多个部件同时发送?需要总线控制器同一管理需要总线控制器同一管理包括判优控制和通信控制包括判优控制和通信控制26一、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

16、当多个主设备同时要使用总线时，需要判优或仲裁当多个主设备同时要使用总线时，需要判优或仲裁272. 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128 链式查询链式查询方式的特点方式的特点1、离总线控制器最近的设备具有最高优先级、离总线控制器最近的设备具有最高优先级2、实现简单，需要、实现简单，需要2根线确定总线使用权根线确定总线使用权3、容易扩充设备、容易扩充设备4、对电路故障很敏感、对电路故障很敏感5、优先级别低的设备可能很难获得请求

17、、优先级别低的设备可能很难获得请求29 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0BSBRI/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 130 计数器定时查询方式的特点计数器定时查询方式的特点1、计数器从、计数器从0开始时，优先级为开始时，优先级为0,1,2，n2、计数器从上一次计数的终止点开始，优先级均等、计数器从上一次计数的终止点开始，优先级均等3、计数器初始值、计数器初始值 也可由程序设置，优先次序可变也可由程序设置，优先次序可变4、对

18、电路故障不敏感、对电路故障不敏感5、控制较为复杂，需要、控制较为复杂，需要log2n根线确定总线使用权根线确定总线使用权31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32 独立请求方式的特点独立请求方式的特点1、响应速度快、响应速度快2、优先次序控制灵活（通过程序改变）、优先次序控制灵活（通过程序改变）3、控制复杂，需用、控制复杂，需用2n根线根线33二、总线通信控制二、总线通信控制1. 目的目的2. 总线传输

19、总线传输周期（周期（分时）分时）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 给出给出地址地址 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34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

20、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35 读读命令命令(1)同步通信同步通信-数据输入（读）数据输入（读）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36 数据数据(1)同步通信同步通信-数据输出（写）数据输出（写）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37 同步通信的特点同步通信的特点1、模块间的配合简单一致、模块间的配合简单一致2、主、从模块时间配合属于强制性、主、从模块时间配合属于强制性“同步同步”，必须在规定时间内完成规定的要求必须在规定时间内完成规定的要求3、须按最慢速度的

21、部件设计公共时钟，缺乏灵、须按最慢速度的部件设计公共时钟，缺乏灵活性活性3839例例3.1, 教材第教材第61页页l习题3.15，P6740不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(2)异步通信（串行和并行）异步通信（串行和并行）主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答单机单机多机多机网络通信网络通信4142异步串行通信的一种字符格式异步串行通信的一种字符格式43波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，单位单位bps(位位/秒秒)。例。例3.2，P62。44例例3.3，P6345比特率：单位时间内传送二进制比特率：单位时间内传送二进制有效有效数据的位数据的位数，单位数，单位bps(位位/秒秒)。例例3.4，P64l习题3.16，P6746(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 WAIT47以输入数据为例的半同步通信时序以输入数