第7章+总线系统

总线系统1总线的基本概念冯诺依曼机控制器输入设备存储器输出设备运算器计算步骤和原始数据计算结果图1-5计算机硬件系统结构框图2总线的基本概念总线多个系统部件之间进行数据传送的公共通路总线控制组件能够解决争用资源的仲裁问题运算器控制器存储器输入设备输出设备外存储器地址总线控制总线数据总线图1-7单总线结构的计算机原理图总线的定义：为多个功能组件服务的一组公用信息线与专用连线相比，减少了信息传输线的数目3总线的基本概念总线的分类——按位置内部总线—CPU内部的寄存器与运算部件系统总线—CPU与其他高速部件（存储器等）I/O总线—中、低速I/O设备之间4总线的基本概念总线的分类——按功能地址总线—单向，接受源部件发送的地址信息数据总线—双向，传输数据控制总线—双向，设备之间的请求、仲裁、同步等5总线的基本概念控制总线控制总线上传送一个部件对另一个部件的控制信号。在总线上，可以控制其他部件的部件称为总线主控或主控(busmaster)，被控部件称为从控(slave)根据不同的使用意义，有的为双向,有的为三态，有的非三态6地址总线地址总线上传送地址信号，总线主控用地址信号指定其需要访问的部件（如外设、存储器单元）。总线主控发出地址信号后，总线上的所有部件均感受到该地址信号，但只有经过译码电路选中的部件才接收主控的控制信号，并与之通信。地址总线是单向的，即地址信号只能由总线主控至从控。地址总线也是三态的，非主控部件不能驱动地址总线。7数据总线数据总线上传送数据信息，数据总线是双向的，数据信息可由主控至从控（写），也可由从控至主控（读）。数据总线是三态的，未被地址信号选中的部件，不驱动数据总线（其数据引脚为高阻）。数据总线的根数称为总线的宽度。16位总线，指其数据总线为16根。8总线的层次结构计算机的总线系统由处于计算机系统不同层次上的若干总线组成，大致分为三类：

内部总线、系统总线、I/O总线。内部总线CPU内部连接各寄存器及运算部件的总线。系统总线

连接CPU与计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等的总线I/O总线

中、低速I/O设备之间互相连接的总线9系统总线为主机系统与外围设备之间的通信通道。在主板上，系统总线表现为与扩展插槽相连接的一组逻辑电路和导线，所以系统总线也叫I/O通道总线系统总线必须有统一的标准，以便按标准设计各类适配卡ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP10系统总线ISA:IndustryStandardArchitecture——工业标准体系结构，16位标准总线，数据传输率8MB/sMCA:MicroChannelArchitecture——微通道体系结构，32位标准总线，数据传输率40MB/sEISA:ExtendedIndustryStandardArchitecture——扩展工业标准体系结构，32位标准总线，数据传输率33MB/sVESA:VideoElectronicStandardAssociation——视频电子标准协会。VESA总线也称为VL-bus(VESALocalBus)，32位标准总线，数据传输率133MB/s11系统总线PCI:PeripheralComponent——外部设备互连。32/64位标准总线，数据传输率132MB/sAGP:AcceleratedGraphicsPort——加速图形接口，专为提高视频带宽而设计的总线规范。它是点对点连接，连接控制芯片组和AGP显示卡，因此严格说AGP不能称为总线，而是一种接口标准12I/O总线用来提供I/O设备与系统中其他部件间的公共通信通路。I/O总线标准化程度最高，适用各种处理器。SCSI——小型计算机系统互连USB——通用串行总线I/O总线本质上应该算作主机与外设的接口13总线的层次结构82439TXSystemController(MTXC)82371ABPCIISAIDEXcelerator(PIIX4)1415总线的连接方式适配器、设备控制器：

可以实现高速主机与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成主机和外设之间的数据传送和控制。

总线都是以相同方式构成的，其不同之处仅在于总线中数据线和地址线的数目，以及控制线的多少及其功能。然而，总线的排列方式以及与其他各类部件的连接方式对计算机系统的性能起着十分重要的作用。

单机系统中采用的总线结构有三种基本类型：单总线结构、双总线结构、三总线结构。

16总线的基本概念性能指标——总线带宽总线的最高传输速率，MB/s影响因素工作频率字宽实际带宽各个设备实际可用的通信带宽决定于总线挂接的设备类型和数目例如：PCI总线可达64位，100MHz，带宽为6.4Gbps17总线结构对计算机系统性能的影响

最大存储容量：

在单总线结构的系统中，必须小于由计算机字长所决定的可能的地址总数。

指令系统：

在双总线结构的系统中，访存操作和输入/输出操作各有不同的指令，由指令中的操作码规定要使用哪一条总线。吞吐量：

指流入、处理和流出系统的信息的速度。取决于信息输入主存，数据从主存取出或存入，以及所得结果从主存送给外围设备的速度。

系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。18总线的连接方式ALU总线19总线的连接方式单总线CPU、主存与I/O设备连在一组系统总线上优点：统一编址和访问缺点：效率低下共享带宽20在单总线结构中：1.要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行。2.当CPU取一条指令时，首先把程序计数器PC中的地址同控制信息一起送至总线上。3.对输入/输出设备的操作，完全和对主存的操作一样来处理。4.某些外围设备也可以指定地址。单总线结构：

把I/O设备与主存统一编址，可以省去I/O指令。单总线结构的缺点是这组总线总是太忙，数据传送速度受到限制，这对提高系统效率和充分利用子系统的功能都是不利的。21总线的连接方式双总线保留系统总线、扩展存储总线优点：利用专用通路降低系统总线压力缺点：设计复杂22总线的连接方式三总线保留双总线、增加I/O总线IOP：统一管理外设、负责外设与主存通信优点：效率高缺点：设计复杂I/O处理器，IOP23总线的内部结构早期结构处理器引脚的延伸优点：简单缺点：CPU是唯一控制者总线设计与CPU密切相关通用性差可用于简单、专用的系统设计24不足之处在于：第一，CPU是总线上惟一的控制者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。第二，总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。当代流行的总线内部结构CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。25总线的内部结构当代结构独立的总线系统优点：标准化设计设备无关通用性好缺点：复杂数据传送总线：地址、数据、控制仲裁总线：请求与授权信号中断和同步总线：中断请求和仲裁、同步信号公用总线：时钟、电源、地、复位等26总线接口功能：位于总线和外设的设备控制器之间的适配器电路，实施信号和协议的转换。CPU总线外设（含控制器）接口接口的定位：从总线的角度来看，连接的对象是接口接口的功能：控制、缓冲、状态、转换、整理、中断27总线接口的基本概念一个适配器必有两个接口：一是和系统总线的接口

二是和外设的接口根据外围设备供求串行数据或并行数据的方式不同，适配器分为串行数据接口和并行数据接口两大类。

总线的控制和通信

1.总线的控制

当总线上的一个部件要与另一个部件进行通信时：

首先应该发出请求信号，总线控制部件根据一定的判决原则，即按一定的优先次序，来决定首先同意哪个部件使用总线。

根据总线控制部件的位置，控制方式可以分成集中式与分布式两类。28总线控制总线多个系统部件之间进行数据传送的公共通路能够解决争用资源的仲裁问题运算器控制器存储器输入设备输出设备外存储器地址总线控制总线数据总线图1-7单总线结构的计算机原理图总线控制29总线控制集中式总线控制(每个功能模块有两条线连到中央仲裁器)链式查询方式计数器定时查询方式独立请求方式分布式总线控制30总线控制链式查询方式总线控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG数据线地址线BS

-总线忙BR-总线请求BG-总线同意过程：请求（BR）、传递BG、分配（BS）优点：连线少、实现简单、易扩展缺点：故障敏感、优先级固定易造成死等31总线控制计数器定时查询方式BS

-总线忙BR-总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址过程：BR、计数、匹配、BS优点：可以通过调整计数初值的实现优先级轮转，可靠性高缺点：增加连线，扩展性差计数器32总线控制独立请求方式总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意BR-总线请求过程：BR、BG优点：响应时间快、优先级设置灵活缺点：增加连线33总线控制分布式总线控制（略）各个设备拥有独立的仲裁号和仲裁器设备请求总线就是将仲裁号发送到仲裁线上如果发觉自己的仲裁号较小就撤销最终仲裁线上保留仲裁号最高的请求34总线通信同步通信总线上的部件通信都基于一个公共时钟信号完成同步优点：传输速率高缺点：仅适用于总线长度有限，部件存取时间接近的情况35总线通信异步通信又称应答方式，双方没有公用的时钟和固定的时间间隔，依靠相互制约的“握手”信号来协调双方，实现传输的定时控制。数据RDYACK优点：适用于长距离、速率差异大的设备缺点：速率低36总线的