第06章总线系统

1、n总线的概述总线的概述n总线的结构总线的结构n总线接口总线接口n总线的仲裁，通信控制总线的仲裁，通信控制第六章第六章 系统总线系统总线总线的概述总线的概述n定义：定义：构成计算机系统的构成计算机系统的互连机构互连机构，是多个系统功，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。能部件之间进行数据传送的公共通路。n计算机系统中的总线分类（按连接部件的不同分）：计算机系统中的总线分类（按连接部件的不同分）： 1 1）内部总线：）内部总线：CPUCPU内部连接各寄存器及运算部件之内部连接各寄存器及运算部件之间的总线；间的总线； 2 2）系统总线：）系统总线：CPUCPU同计算机系统的其他功能部件，同

2、计算机系统的其他功能部件，如存储器、如存储器、I/OI/O接口等互相连接的总线。按系统传输接口等互相连接的总线。按系统传输信息的不同分：信息的不同分：数据总线，地址总线，控制总线；数据总线，地址总线，控制总线； 3)I/O3)I/O总线：总线：中、低速中、低速I/OI/O设备之间互相连接的总线；设备之间互相连接的总线；1 1）波特率：波特率：每秒钟通过信道传输的二进制位数每秒钟通过信道传输的二进制位数2 2）比特率：比特率：每秒钟通过信道传输的有效二进制位数每秒钟通过信道传输的有效二进制位数 假设数据传送速率是假设数据传送速率是120120个字符个字符/ /秒，每一个字符秒，每一个字符格式规定

3、包含格式规定包含1010个数据位个数据位( (起始位、停止位、起始位、停止位、8 8个个数据位数据位) )，问传送的波特数是多少，问传送的波特数是多少? ?比特率是多少？比特率是多少？ 解答：每秒波特数为：解答：每秒波特数为：1010位位120/120/秒秒=1200=1200波特，波特， 波特率为波特率为1200b/s1200b/s 比特率为：比特率为：120012008/108/10960b/s960b/s基本概念基本概念3 3）传送宽度：传送宽度：获得总线使用权后，在一次总线操作获得总线使用权后，在一次总线操作中通过总线传送的数据位数。中通过总线传送的数据位数。4 4）总线周期：总线周期

4、：一次总线操作所需要的时间一次总线操作所需要的时间5 5）总线带宽（数据传输率）：总线带宽（数据传输率）：每秒传送的每秒传送的字节数字节数 = = 传送宽度传送宽度/(8/(8* *总线周期总线周期) )，一般用，一般用MB/SMB/S为单位为单位例：例：(1) (1) 某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4 4个字节个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为期，总线时钟频率为33MHz33MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少? ? (2) (2)如果一个总线周期中并行传送如果一个总线周期中并行传送

5、6464位数据，总位数据，总线时钟频率升为线时钟频率升为66MHz66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少? ?1)1)设总线带宽用设总线带宽用DrDr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1/fT=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用D D表示，根据定义可得表示，根据定义可得 Dr = D/T = DDr = D/T = D1/T = D1/T = Df f =4B =4B33331000000/s=132MB/s1000000/s=132MB/s(2)64(2)64位位=8B=8B， Dr= DDr= Df f =8B=8B6666100000

6、0/s=528MB/s 1000000/s=528MB/s 得出结论：得出结论：总线时钟频率越高，传送的宽总线时钟频率越高，传送的宽度越宽，那么总线的带宽就越大。度越宽，那么总线的带宽就越大。解答解答总线的结构总线的结构1 1、单总线结构：、单总线结构：用一条单一的系统总线来连接用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、主、主存和存和I/OI/O设备，叫做单总线结构。设备，叫做单总线结构。 优点：优点：允许允许I/OI/O设备之间或设备之间或I/OI/O设备与内存之间直接交设备与内存之间直接交换信息，只需要换信息，只需要CPUCPU分配使用权。各大功能部件分时享分配使用权。各大功能部件分时享用总

7、线资源用总线资源 缺点：缺点：全部系统的部件连接在一组总线上，总线的负全部系统的部件连接在一组总线上，总线的负载很重。载很重。2 2、以存储器为中心双总线结构：、以存储器为中心双总线结构：CPUCPU和主存之间专门和主存之间专门设置了一组高速的内存总线，使设置了一组高速的内存总线，使CPUCPU可通过专用总线与可通过专用总线与存储器交换信息，减轻了系统总线的负担，同时主存存储器交换信息，减轻了系统总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现仍可通过系统总线与外设之间实现DMADMA操作，而不必经操作，而不必经过过CPUCPU。当然这种双总线系统以增加硬件为代价。当然这种双总线系统以增加硬

8、件为代价。3 3、三总线结构：、三总线结构：在双总线系统的基础上增加在双总线系统的基础上增加I/OI/O总线形成的。总线形成的。总线的结构总线的结构n通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为为IOP(I/OIOP(I/O处理器处理器),),它分担了一部分它分担了一部分CPUCPU的功能，以的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送送n系统总线：用于连接系统总线：用于连接CPUCPU与通道以及通道与存储器与通道以及通道与存储器之间的总线之间的总线n内存总线：用于内存总线：用于CPUCPU与内存

9、之间传送地址、数据和与内存之间传送地址、数据和控制信息控制信息nI/OI/O总线：用于连接各种外设之间的总线。总线：用于连接各种外设之间的总线。三总线结构三总线结构1. 1. 最大存储容量最大存储容量n在单总线系统中，外设与内存统一编址，在单总线系统中，外设与内存统一编址，最大主存容量容易受到外设数量的影响。最大主存容量容易受到外设数量的影响。n在双总线系统中，对主存和外设进行存在双总线系统中，对主存和外设进行存取的判断是利用各自的指令操作码。由取的判断是利用各自的指令操作码。由于主存地址和外设地址出现于不同的总于主存地址和外设地址出现于不同的总线上，所以存储容量不会受到外围设备线上，所以存储

10、容量不会受到外围设备多少的影响。多少的影响。总线的结构对计算机性能的影响总线的结构对计算机性能的影响2. 2. 指令系统指令系统 n在双总线系统中，在双总线系统中，CPUCPU对存储总线和系统总线必对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统。须有不同的指令系统。n在单总线系统中，访问主存和在单总线系统中，访问主存和I/OI/O传送可使用相传送可使用相同的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的地址。同的地址。3. 3. 吞吐量吞吐量n计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息的速率。它取决于信息能够多快地输统的

11、信息的速率。它取决于信息能够多快地输入内存，入内存，CPUCPU能够多快地取指令，数据能够多快能够多快地取指令，数据能够多快地从内存取出或存入，以及所得结果能够多快地从内存取出或存入，以及所得结果能够多快地从内存送给一台外围设备。地从内存送给一台外围设备。总线的结构对计算机性能的影响总线的结构对计算机性能的影响n早期的总线内部结构：早期的总线内部结构：这些线按其功这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控能可分为三类：地址线、数据线和控制线。制线。 简单总线结构的不足之处在于：简单总线结构的不足之处在于： 第一第一CPUCPU是总线上的唯一主控者。是总线上的唯一主控者。 第二第二总线信号是总

12、线信号是CPUCPU引脚信号的延引脚信号的延伸，故总线结构紧密与伸，故总线结构紧密与CPUCPU相关，通用相关，通用性较差性较差总线的内部结构总线的内部结构当前流行的总线内部结构，分成如下四部分：当前流行的总线内部结构，分成如下四部分：1 1）数据传送总线：由地址线、数据线、控制线数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。组成。2 2）仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。3 3）中断和同步总线：用于处理带优先级的中断中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。操作，包括中断请求线和中断认可线。4 4）公用线：包括时钟信号线、

13、电源线、地线、公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。总线的内部结构总线的内部结构 大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的结构中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。pentiumpentium计算机主板的总线结构包含了下几种总线：计算机主板的总线结构包含了下几种总线：CPUCPU总线：总线：它它是一个是一个6464位数据线和位数据线和323

14、2位地址线的总线。位地址线的总线。PCIPCI总线（外部设备互联总线）总线（外部设备互联总线） ：用于连接高速的用于连接高速的I/OI/O设备模块。通过设备模块。通过“桥桥”芯片，上面与更高速的芯片，上面与更高速的CPUCPU总总线相连，下面与低速的线相连，下面与低速的ISAISA总线相接。支持即插即用。总线相接。支持即插即用。ISAISA总线：总线：pentiumpentium机使用该总线与低速机使用该总线与低速I/OI/O设备连接设备连接总线结构举例总线结构举例键键 盘盘 键盘接口键盘接口 显示器显示器 显示卡显示卡鼠鼠 标标 串行接口串行接口 网网 络络 网卡网卡 打印机打印机 并行接口

15、并行接口 音箱、麦可风音箱、麦可风 声卡声卡IDE2Pentium III北桥北桥440BX南桥南桥PIIX4ECMOS & RTCUSB超级超级I/OIDE1COM1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI 插槽插槽ISA 插槽插槽内存条内存条ROM BIOS显显示示器器硬盘硬盘光驱光驱软驱软驱键盘鼠标键盘鼠标打印机打印机MODEM显卡显卡ISA插插槽槽PCI插槽插槽AGP插插槽槽北桥北桥芯片组芯片组南桥南桥芯片组芯片组内存插槽内存插槽CPU插槽插槽IDE接口接口软驱接口软驱接口并口连接器并口连接器串口连接器串口连接器ROM BIOS鼠标键盘鼠标键盘USB接口接口主板主板电

16、源电源插座插座nCPUCPU总线、总线、PCIPCI总线、总线、ISAISA总线通过两个总线通过两个“桥桥”芯片连成整体。桥芯片在此起到了信号速度芯片连成整体。桥芯片在此起到了信号速度缓冲、电平转换和控制协议的转换作用。通缓冲、电平转换和控制协议的转换作用。通过桥将两类不同的总线过桥将两类不同的总线“粘合粘合”在一起的技在一起的技术特别适合于系统的术特别适合于系统的升级换代升级换代。npentiumpentium个人机总线系统中有一个核心逻辑芯个人机总线系统中有一个核心逻辑芯片组，简称片组，简称PCIPCI芯片组芯片组，它，它包括主存控制器和包括主存控制器和cachecache控制器芯片、北桥

17、芯片和南桥芯片控制器芯片、北桥芯片和南桥芯片。n数字计算机使用二进制数，它们或用电数字计算机使用二进制数，它们或用电位的高、低来表示，或用脉冲的有、无位的高、低来表示，或用脉冲的有、无来表示。来表示。n计算机系统中，传输信息采用三种方式：计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送串行传送、并行传送和和分时传送分时传送。但是。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用传送的信息必须采用并行传送并行传送方式。方式。信息的传送方式信息的传送方式信息的传送方式信息的传送方式1.1.串行传送串行传送 在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行

18、并在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并-串变换，这称为串变换，这称为拆卸拆卸；而在接收部件又需要进行串；而在接收部件又需要进行串-并变换，这称为并变换，这称为装配装配。 优点：优点：只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。输线，成本比较低廉。2.2.并行传送并行传送 对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制进制位组成，就需要多少条传输线，

19、从而使得二进制数数“0”0”或或“1”1”在不同的线上同时进行传送。在不同的线上同时进行传送。 优点：优点：并行传送一般采用电位传送。由于所有的位同并行传送一般采用电位传送。由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。3 3、分时传送、分时传送n采用总线复用方式，某个传输线上既传送采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。传送地址和传送数据的任务。n分时传送的另一种概

20、念是共享总线的部件分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。分时使用总线。信息的传送方式信息的传送方式 定义：定义：接口即接口即I/OI/O设备适配器设备适配器，具体指，具体指CPUCPU和主存、外围设备之间通过总线进和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。行连接的逻辑部件。接口部件在连接的两个部件之间起着接口部件在连接的两个部件之间起着“转换器转换器”的作用，以便实现彼此之的作用，以便实现彼此之间的信息传送。间的信息传送。接口概念接口概念1.1.控制控制 接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。启动、关闭设备等

21、。2.2.缓冲缓冲接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。3.3.状态状态接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据态信息包括数据“准备就绪准备就绪”、“忙忙”、“错误错误”等等，供等等，供CPUCPU询问外围设备时进行分析之用。询问外围设备时进行分析之用。4.4.转换转换接口可以完成任何要求的数据转换，例如并串接口可以完成任何要求的数据转换，例如并串转换或串并转换，因此数据能在外围设备和转换或串并转换，

22、因此数据能在外围设备和CPUCPU之间正确地进行传送。之间正确地进行传送。典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能：5.5.整理整理接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器可以修改字计数器或当前内存地址寄存器6.6.程序中断程序中断每当外围设备向每当外围设备向CPUCPU请求某种动作时，接口即发请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到生一个中断请求信号到CPUCPU。事实上，一个适配器必有事实上，一个适配器必有两个接口两个接口：一是一是和系统总线的接口，和系统总线的接口，CPUCPU和适配器的数据交和

23、适配器的数据交换一定的是并行方式；换一定的是并行方式；二是二是和外设的接口，适配器和外设的数据交换和外设的接口，适配器和外设的数据交换可能是并行方式，也可能是串行方式。可能是并行方式，也可能是串行方式。总线的仲裁总线的仲裁提出问题：提出问题：总线连接若干部件，在某时刻究竟允许哪总线连接若干部件，在某时刻究竟允许哪个部件发送信息；如何知道信息已发送完毕；如何防个部件发送信息；如何知道信息已发送完毕；如何防止信息丢失；如何避免多个部件同时发送数据。止信息丢失；如何避免多个部件同时发送数据。总线上的设备，分为主设备和从设备，主设备有总线总线上的设备，分为主设备和从设备，主设备有总线控制权，从设备只能

24、响应总线命令，所以总线控制权控制权，从设备只能响应总线命令，所以总线控制权的争夺出现在主设备之间。的争夺出现在主设备之间。 解决方法解决方法（总线仲裁总线仲裁）：解决多个设备竞争使用总线：解决多个设备竞争使用总线的管理问题，由总线仲裁逻辑线路通过判别主设备的的管理问题，由总线仲裁逻辑线路通过判别主设备的优先使用权来完成。有优先使用权来完成。有分集中式仲裁，分布式仲裁。分集中式仲裁，分布式仲裁。集中式仲裁集中式仲裁 方式方式: :每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线条是送往仲裁器的总线请求信号线请求信号线BRBR，一条是仲裁，一条是仲裁

25、器送出的器送出的总线授权信号线总线授权信号线BGBG1 1、菊花链式查询方式、菊花链式查询方式 主要特点：主要特点：总线授权信号总线授权信号BGBG串行地从一个串行地从一个I/OI/O接口接口传送到下一个传送到下一个I/OI/O接口。假如接口。假如BGBG到达的接口无总线到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如请求，则继续往下查询；假如BGBG到达的接口有总线到达的接口有总线请求，请求，BGBG信号便不再往下查询，该信号便不再往下查询，该I/OI/O接口获得了接口获得了总线控制权。离中央仲裁器最近的设备具有最高优总线控制权。离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，通过接口的优先级排队电路来实现

26、。先级，通过接口的优先级排队电路来实现。优点优点: : 只用很少几根线就能按一定优先次序只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。实现总线仲裁，很容易扩充设备。缺点缺点: : 对询问链的电路故障很敏感，如果第对询问链的电路故障很敏感，如果第i i个设备的接口中有关链的电路有故障，个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第那么第i i个以后的设备都不能进行工作。个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的，如果优先级高查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。设备可能长期不能使用总

27、线。 总线上的任一设备要求使用总线时，通过总线上的任一设备要求使用总线时，通过BRBR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在号以后，在BSBS线为线为“0”0”的情况下让计数器的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备置的设备地址相一致时，该设备置BSBS线为线为“1” 1” ，获得了总线使用权，此时中止计，获得了总线使用权，此时中止计数

28、及查询。数及查询。2 2、计数器定时查询、计数器定时查询（采用计数器控制总线使用权）（采用计数器控制总线使用权）计数器定时查询举例：计数器定时查询举例：1 1）设计数初值为设计数初值为0000 若若BR1=1,BR1=1,则计数器为则计数器为0000时，由于时，由于BR0=0,BR0=0,所以所以BS0=0;BS0=0;计计数器继续计数到数器继续计数到0101，由于，由于BR1=1,BR1=1,所以所以BS1=1,BS1=1,部件部件1 1占占用总线，计数器停止计数。用总线，计数器停止计数。 若若BR0=BR1=1,BR0=BR1=1,则计数器为则计数器为0000时，时，由于由于BR0=1BR

29、0=1, ,所以所以BS0=1,BS0=1,部件部件0 0占用总线，计数器停止计数，部件占用总线，计数器停止计数，部件1 1要等要等待。待。 计数初值为计数初值为0000时，优先级为：时，优先级为：0 01 12 23 32 2）计数初值为计数初值为0101时，优先级为：时，优先级为：1 12 23 30 03 3）计数初值为计数初值为1010时，优先级为：时，优先级为：2 23 30 01 14 4）计数初值为计数初值为1111时，优先级为：时，优先级为：3 30 01 12 2 每次计数可以从每次计数可以从“0”0”开始，也可以从中开始，也可以从中止点开始。如果从止点开始。如果从“0”0”

30、开始，各设备的优开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。固定的。 计数器的初值也可用程序来设置，这可计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，使每个部件使用总以方便地改变优先次序，使每个部件使用总线的机会均等。但这种灵活性是以增加线的机会均等。但这种灵活性是以增加设备设备地址线地址线为代价的。为代价的。计数器定时查询总结计数器定时查询总结 每一个共享总线的设备均有一对总线请求线每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRiBRi和总线授权线和总线授权线BGiBGi。当设备要求使用总线。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请

31、求信号。中央仲裁器时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号给设备以授权信号BGiBGi。3 3、独立请求方式、独立请求方式 优点：优点：响应时间快，确定优先响应的设备所响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活，地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活，可以预先固定也可以通过程序来改变优先次可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽序；还可以用屏蔽( (禁止禁止) )某个请求的办法，某个请

32、求的办法，不响应来自无效设备的请求不响应来自无效设备的请求 缺点：缺点：需要的控制线很多，增加了总线控制需要的控制线很多，增加了总线控制器的复杂性。器的复杂性。 独立请求方式独立请求方式总线通信控制总线通信控制 问题提出问题提出: :如何解决通信双方知道传输的开如何解决通信双方知道传输的开始和结束始和结束, ,以及通信双方如何协调处理如何以及通信双方如何协调处理如何配合配合. . 解决方法解决方法: : 1 1、同步通信、同步通信 2 2、异步通信、异步通信1 1、同步通信、同步通信n定义：定义：采用一个统一的时钟信号来协调发送和采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。时钟产生相等的时接收双方的传送定时关系。时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期，在一个间间隔，每个间隔构成一个总线周期，在一个总线周期中，发送方和接收方可以进行一次数总线周期中，发送方和接收方可以进行一次数据传送。传送操作在规定的时间内进行。据传送。传送操作在规定的时间内进行。n优点：优点：速度快，有较高的传输速率速度快，有较高的传输速率n缺点：缺点： 1 1）干扰会引起错误同步干扰会引起错误同步