第7章總線系統(tǒng)

1、 總線的基本概念 總線結構 總線控制 總線接口 常用總線第七章第七章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)中各部件之間的互聯(lián)方式：計算機系統(tǒng)中各部件之間的互聯(lián)方式： 分散式連接分散式連接 總線式連接總線式連接7.1 7.1 總線的基本概念總線的基本概念 總線：總線：是構成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構，是構成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。的公共通路。 借助總線連接，計算機在各系統(tǒng)功能部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交信息的交換換，并在爭用資源爭用資源的基礎上進行工作。7.1 7.1 總線的基本概念總線的基本概念總線的兩個基本特征：總線的兩

2、個基本特征：共享性：共享性：指多個部件連接在同一組總指多個部件連接在同一組總線上，各部件之間相互交換的信息都線上，各部件之間相互交換的信息都可以通過這組總線傳送?？梢酝ㄟ^這組總線傳送。分時性：分時性：同一時刻總線只能在一對部同一時刻總線只能在一對部件之間傳送信息，系統(tǒng)中的多個部件件之間傳送信息，系統(tǒng)中的多個部件不能同時傳送信息。不能同時傳送信息。7.1 總線的基本概念1.1.總線的特性：總線的特性：物理特性：物理特性：指總線的物理連接方式。指總線的物理連接方式。功能特性：功能特性：總線中每一根線的功能。總線中每一根線的功能。電氣特性：電氣特性：每一根線上信號的傳遞方每一根線上信號的傳遞方向及有

3、效電平范圍。向及有效電平范圍。時間特性：時間特性：每根線在什么時間有效。每根線在什么時間有效。7.1 總線的基本概念2.2.總線的分類總線的分類* * 注：按照不同的分類標準，有多種分類方法注：按照不同的分類標準，有多種分類方法一、按照總線傳輸?shù)膬热莘诸愐?、按照總線傳輸?shù)膬热莘诸?（1 1）數(shù)據(jù)總線）數(shù)據(jù)總線 （2 2）地址總線）地址總線 （3 3）控制總線）控制總線二、按照總線在單處理器系統(tǒng)中的位置，分為三類：二、按照總線在單處理器系統(tǒng)中的位置，分為三類：（1 1）片內總線：）片內總線：CPUCPU內部連接各寄存器及運算部件之間的總線。內部連接各寄存器及運算部件之間的總線。（片級（片級總線總

4、線 ）（2 2）系統(tǒng)總線：）系統(tǒng)總線：CPUCPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件之間互相連接的同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件之間互相連接的總線。總線。（內部總線（內部總線 ）（3 3）I/OI/O總線：總線：中、低速中、低速I/OI/O設備之間互相連接的總線設備之間互相連接的總線（外部總線（外部總線 ）。7.1 總線的基本概念3.3.總線的性能指標總線的性能指標 總線寬度：總線寬度：數(shù)據(jù)總線的條數(shù)，用數(shù)據(jù)總線的條數(shù)，用bitbit（位）表示，目前（位）表示，目前常用的是常用的是3232位和位和6464位數(shù)據(jù)總線。位數(shù)據(jù)總線。 總線帶寬：總線帶寬：總線上每秒能傳輸?shù)淖畲笞止?jié)量，單位是總線上每秒能

5、傳輸?shù)淖畲笞止?jié)量，單位是MB/sMB/s。例如，PCI總線的寬度為32位，總線時鐘頻率為33 MHz，則最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 信號線數(shù)：信號線數(shù)：地址、數(shù)據(jù)、控制總線的總和，信號線數(shù)與地址、數(shù)據(jù)、控制總線的總和，信號線數(shù)與性能不成正比，但反映了總線的復雜程度。性能不成正比，但反映了總線的復雜程度。7.1 總線的基本概念132 MB/s。 總線時鐘頻率：總線時鐘頻率：總線中各種信號的定時基準?？偩€中各種信號的定時基準?？偩€時鐘的周期稱為總線周期總線周期。（同步總線同步總線和和異步總線異步總線） 多路復用技術：多路復用技術：為了提高總線效率，將數(shù)據(jù)總為了提高總線效率，將數(shù)據(jù)總線與地址總線共用一組物理

6、線路，總線在某一線與地址總線共用一組物理線路，總線在某一時刻傳輸?shù)刂反a，而在另一時刻傳輸數(shù)據(jù)信號時刻傳輸?shù)刂反a，而在另一時刻傳輸數(shù)據(jù)信號或命令信號或命令信號7.1 總線的基本概念4.4.總線的組成總線的組成 信號線：信號線：包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制、時序和包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制、時序和中斷信號線、電源線、備用線。中斷信號線、電源線、備用線。 總線控制器：總線控制器：總線判優(yōu)控制邏輯和通信控制邏總線判優(yōu)控制邏輯和通信控制邏輯。輯。 接口電路：接口電路：總線與各個部件之間需要通過接口總線與各個部件之間需要通過接口進行連接。進行連接。7.1 總線的基本概念5. 5. 總線的數(shù)據(jù)傳輸方式總線的數(shù)據(jù)傳

7、輸方式 串行傳送串行傳送按順序傳送一個數(shù)碼的所有二進制位，每次按順序傳送一個數(shù)碼的所有二進制位，每次一位。被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件進行并串變換，一位。被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件進行并串變換，稱為稱為拆卸拆卸，反之稱為，反之稱為裝配裝配。 并行傳送并行傳送 對每個數(shù)據(jù)位需要單獨一條傳輸線，信息有對每個數(shù)據(jù)位需要單獨一條傳輸線，信息有多少二進制位組成，就需要多少條傳輸線。多少二進制位組成，就需要多少條傳輸線。 并串傳送并串傳送 傳送單字節(jié)數(shù)據(jù)是采用并行方式，傳送多字傳送單字節(jié)數(shù)據(jù)是采用并行方式，傳送多字節(jié)時才用串行方式。節(jié)時才用串行方式。 分時傳送分時傳送 傳輸線上采用總線復用方式傳送地址和數(shù)據(jù)

8、傳輸線上采用總線復用方式傳送地址和數(shù)據(jù)信息；共享總線的部件分時使用總線。信息；共享總線的部件分時使用總線。7.1 總線的基本概念7.2 7.2 總線結構總線結構 根據(jù)連接方式不同，單機系統(tǒng)中采用的根據(jù)連接方式不同，單機系統(tǒng)中采用的總線結構有兩種基本類型：總線結構有兩種基本類型：單總線系統(tǒng)單總線系統(tǒng)多總線系統(tǒng)多總線系統(tǒng)CPU主存設備適配器設備適配器系統(tǒng)總線1 1、單總線結構、單總線結構單總線結構特點：單總線結構特點：優(yōu)點優(yōu)點：結構簡單，容易擴充；：結構簡單，容易擴充；缺點缺點：共享總線的各個部件需要分時使用總線，所以信息傳：共享總線的各個部件需要分時使用總線，所以信息傳輸吞吐量受到限制，會導致很

9、大的時間延遲。輸吞吐量受到限制，會導致很大的時間延遲。CPU主存設備適配器設備適配器存儲總線系統(tǒng)總線由于由于CPU與主存交換數(shù)據(jù)的機會多，故增加了存儲與主存交換數(shù)據(jù)的機會多，故增加了存儲總線解決此問題，減輕了總線的負擔?？偩€解決此問題，減輕了總線的負擔。2 2、雙總線結構、雙總線結構以存儲器為中心的雙總線結構以存儲器為中心的雙總線結構 存儲總線（存儲總線（M總線）用來連接總線）用來連接CPU和主存，和主存，I/O總總線連接線連接CPU和外部設備。但外部設備和主存交換和外部設備。但外部設備和主存交換信息仍需要占用信息仍需要占用CPU，影響了，影響了CPU的工作效率。的工作效率。以以CPU為中心的

10、雙總線結構為中心的雙總線結構CPU主存設備適配器設備適配器IOPI/O總線三總線結構三總線結構系統(tǒng)總線存儲總線 通道的功能：通道的功能：對外設的統(tǒng)一管理；完成外設與主對外設的統(tǒng)一管理；完成外設與主存，存，CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。之間的數(shù)據(jù)傳送。3 3、三總線結構、三總線結構主存總線主存總線：負責：負責CPU和主存的信息傳遞；和主存的信息傳遞；I/O總線總線：負責外設和：負責外設和CPU的信息傳遞；的信息傳遞；DMA總線總線：負責外設和主存的信息傳遞：負責外設和主存的信息傳遞4 4、四總線結構、四總線結構PCI總線結構示意圖總線結構示意圖5 5、總線結構舉例、總線結構舉例 總線仲裁總線仲裁 總線通

11、信控制總線通信控制7.3 7.3 總線控制總線控制 連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態(tài)。態(tài)。CPUCPU及及I/OI/O模塊都可以作為主設備提出總線模塊都可以作為主設備提出總線請求。每次總線操作只能有一個主方占用總線請求。每次總線操作只能有一個主方占用總線控制權。控制權。 為了解決多個主設備同時競爭總線控制權，必為了解決多個主設備同時競爭總線控制權，必須具有須具有總線仲裁部件總線仲裁部件，以某種方式選擇其中一，以某種方式選擇其中一個主設備作為總線的下一次主方。個主設備作為總線的下一次主方。一、總線仲裁一、總線仲裁 按照總線仲裁電路的設置不同，仲裁

12、方按照總線仲裁電路的設置不同，仲裁方式分為式分為集中式仲裁集中式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁兩類。兩類。集中式集中式 鏈式查詢方式鏈式查詢方式 計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)器定時查詢方式 獨立請求方式獨立請求方式 分布式分布式總線仲裁總線仲裁（1 1）鏈式查詢方式）鏈式查詢方式1. 1. 集中式仲裁集中式仲裁中央仲裁器設備接口0設備接口1設備接口NBGBRBSBR-總線請求信號；總線請求信號；BG-總線授權信號；總線授權信號；BS-總線忙總線忙 鏈式查詢的過程：鏈式查詢的過程： 總線仲裁器接到總線請求后，若總線仲裁器接到總線請求后，若BS=0，則總線授，則總線授權信號串行地從一個權信號串行地從一個I

13、/O接口傳送到下一個接口傳送到下一個I/O接接口；口； 假如假如BG到達的接口無總線請求，則繼續(xù)往下查到達的接口無總線請求，則繼續(xù)往下查詢；詢； 假如假如BG到達的接口有總線請求，到達的接口有總線請求，BG信號便不再信號便不再往下查詢，該往下查詢，該I/O接口就獲得了總線控制權，使接口就獲得了總線控制權，使BS=1。 特點：特點： 判優(yōu)方法簡單，擴充設備容易；判優(yōu)方法簡單，擴充設備容易； 總線請求優(yōu)先級較低的設備容易被忽略；總線請求優(yōu)先級較低的設備容易被忽略； 總線授權信號串行傳送，因設備的差錯，容易造總線授權信號串行傳送，因設備的差錯，容易造成堵塞。成堵塞。 優(yōu)點：優(yōu)點：只用很少幾根線就能按

14、一定優(yōu)先次序實只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序實現(xiàn)總線仲裁?，F(xiàn)總線仲裁。 缺點：缺點：對詢問鏈的電路故障很敏感對詢問鏈的電路故障很敏感。（2 2）計數(shù)器定時查詢方式）計數(shù)器定時查詢方式總線仲裁中央仲裁器設備接口0設備接口1設備接口NBRBS計數(shù)值計數(shù)值地址線地址線 計數(shù)器定時查詢過程：計數(shù)器定時查詢過程：各設備經(jīng)各設備經(jīng)BR發(fā)出請求；發(fā)出請求；總線仲裁電路判斷：當總線仲裁電路判斷：當BS=0時，開始計數(shù)；時，開始計數(shù)；計數(shù)值經(jīng)地址線送各設備：計數(shù)值計數(shù)值經(jīng)地址線送各設備：計數(shù)值=某設備地址，某設備地址，該設備獲總線授權；該設備獲總線授權；當計數(shù)從當計數(shù)從0開始時，誰的地址號越小越優(yōu)先，當計開始

15、時，誰的地址號越小越優(yōu)先，當計數(shù)值從終止點開始，所有設備優(yōu)先級相同。數(shù)值從終止點開始，所有設備優(yōu)先級相同。 優(yōu)點：比較靈活。優(yōu)點：比較靈活。 缺點：線數(shù)比較多。缺點：線數(shù)比較多。（3 3）獨立請求方式）獨立請求方式中央仲裁器設備接口0設備接口1設備接口N總線仲裁BG0BR0BR1BG1BGnBRn 過程：過程：每個設備有獨立的總線請求線BR至總線仲裁；總線總裁也對每個設備送總線授權線。當有總線請求時，有總線總裁內部進行判優(yōu)裁決。 優(yōu)點：優(yōu)點：判優(yōu)及相應的速度快；優(yōu)先次序控制靈活。判優(yōu)及相應的速度快；優(yōu)先次序控制靈活。 缺點：缺點：設備、電路復雜。設備、電路復雜。2.2.分布式仲裁分布式仲裁 不

16、需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器仲裁器。當它們有總線請求時，把它們唯一的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁共享的仲裁總線總線上，每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應，并撤消它的仲裁號。 最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。顯然，分布式仲裁是以優(yōu)先級仲裁策略優(yōu)先級仲裁策略為基礎。總線仲裁中央處理器設備接口0設備接口1設備接口N3121. 1. 總線的定時總線的定時l總線的一次信息傳送過程，大致可分為四個階段：總線的一次信息傳送過程，大致可分為四個階段：總線請求及仲裁，尋址，信息傳送，結束階段總線請求及仲裁，尋址，信息傳

17、送，結束階段l定時：定時：指事件出現(xiàn)在總線上的時序關系。指事件出現(xiàn)在總線上的時序關系。l數(shù)據(jù)傳送過程中采用兩種定時方式：數(shù)據(jù)傳送過程中采用兩種定時方式： 同步定時和異步定時同步定時和異步定時 二、二、 總線的定時和數(shù)據(jù)傳輸模式總線的定時和數(shù)據(jù)傳輸模式（1 1）同步定時）同步定時同步總線讀操作時序同步總線讀操作時序同步總線寫操作時序同步總線寫操作時序同步定時特點：同步定時特點： 出現(xiàn)在總線上的地址或數(shù)據(jù)都由統(tǒng)一的時鐘信出現(xiàn)在總線上的地址或數(shù)據(jù)都由統(tǒng)一的時鐘信號定時控制；號定時控制； 具有較高的傳輸頻率；具有較高的傳輸頻率； 對所有模塊都用同一限時，必須按最慢速度部對所有模塊都用同一限時，必須按最

18、慢速度部件來設計公共時鐘，當各功能模塊存取時間相件來設計公共時鐘，當各功能模塊存取時間相差很大時，會嚴重影響總線的工作效率，差很大時，會嚴重影響總線的工作效率， 適用于總線長度較短、各功能模塊存取時間應適用于總線長度較短、各功能模塊存取時間應比較接近的情況。比較接近的情況。（2 2）異步定時）異步定時 沒有統(tǒng)一的時鐘周期沒有統(tǒng)一的時鐘周期劃分，不要求嚴格使用統(tǒng)一的動作劃分，不要求嚴格使用統(tǒng)一的動作時間，而采取時間，而采取應答方式應答方式，又叫，又叫握手方式握手方式，即當主模塊發(fā)出請，即當主模塊發(fā)出請求信號時，一直等待從模塊反饋回來求信號時，一直等待從模塊反饋回來“響應響應”信號后，才開信號后，

19、才開始通信。始通信。 異步定時方式可分為異步定時方式可分為不互鎖不互鎖、半互鎖半互鎖和和全互鎖全互鎖三種類型三種類型 異步定時異步定時異步總線讀操作時序異步總線讀操作時序主同步 /請求信號從同步 /響應信號異步定時特點：異步定時特點： 無公共時鐘信號；無公共時鐘信號； 掛在總線上的模塊的存取時間差別較大；掛在總線上的模塊的存取時間差別較大； 傳送方式依靠應答信號，總線周期長度不固定。傳送方式依靠應答信號，總線周期長度不固定。 讀、寫操作讀、寫操作 塊傳送操作塊傳送操作 寫后讀、讀修改寫操作寫后讀、讀修改寫操作 廣播、廣集操作廣播、廣集操作2.2.總線數(shù)據(jù)傳送模式總線數(shù)據(jù)傳送模式 用于連接主機與

20、用于連接主機與I/OI/O設備的這個轉換機構稱為設備的這個轉換機構稱為I/OI/O接口電路接口電路，簡稱，簡稱接口接口，接口也叫，接口也叫適配器適配器7.4 7.4 總線接口總線接口 接口的主要功能：接口的主要功能：1 1設置數(shù)據(jù)的寄存、緩沖邏輯，以適應設置數(shù)據(jù)的寄存、緩沖邏輯，以適應CPUCPU與外設之間的速與外設之間的速度差異；度差異； 2 2能夠進行數(shù)據(jù)類型、格式等方面的轉換；能夠進行數(shù)據(jù)類型、格式等方面的轉換； 3 3能夠協(xié)調能夠協(xié)調CPUCPU和外設兩者在信息的類型和電平方面的差異；和外設兩者在信息的類型和電平方面的差異； 4 4協(xié)調時序差異；協(xié)調時序差異； 5 5地址譯碼和設備選擇

21、功能；地址譯碼和設備選擇功能； 6 6設置中斷和設置中斷和DMADMA控制邏輯，以保證在中斷和控制邏輯，以保證在中斷和DMADMA允許的情況允許的情況下產(chǎn)生中斷和下產(chǎn)生中斷和DMADMA請求信號，并在接收到中斷和請求信號，并在接收到中斷和DMADMA應答之應答之后完成中斷處理和后完成中斷處理和DMADMA傳輸。傳輸。 各廠家生產(chǎn)的相同功能部件可以互換使用-總線的標準化總線的標準化 總線標準：系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線和設備總線設備總線。 7.5 7.5 常用系統(tǒng)總線及設備總線舉例常用系統(tǒng)總線及設備總線舉例1.1.總線的標準化總線的標準化2.2.系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線（1 1）工業(yè)標準結構總線（）工業(yè)標準結構總

22、線（ISAISA總線）總線） (Industry Standard Architecture） 數(shù)據(jù)16位，地址24位，工作頻率8MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率16.67MB/S。 ISA總線是286時代所定義的8/16位總線，在PIII時代的主板甚至還保留1、2個ISA擴充插槽。 ISA主要是用來匹配速度較慢的接口卡，如串/并行口卡、網(wǎng)絡卡等。通常PC內ISA插槽用黑塑料制作。（2 2）擴充的工業(yè)標準總線（）擴充的工業(yè)標準總線（EISAEISA總線）總線） (Extended Industrial Standard Architecture) ISA總線的增強版，數(shù)據(jù)和地址總線都是32位，工作頻率仍

23、是8.33MHz，直接尋址范圍為4GB，最大傳輸率為33MB/S。 與ISA具有良好的兼容性，同時發(fā)揮了32位處理器的功能，使之在圖形技術、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)處理等發(fā)揮作用。 EISA插槽通常用褐色塑料制作。（3 3）視頻電子標準協(xié)會視頻電子標準協(xié)會總線（總線（VESAVESA總線）總線） (Video Electronic Standard Association) 為了支持早期高性能WINDOWS圖形顯示卡和存儲設備而設計此總線。速度高達40MHz，但是超過33MHz后穩(wěn)定性較差。最大傳輸率為133MB/S。 但沒有流行多久就被PCI總線所代替。（4 4）PCIPCI總線總線 Peripheral

24、 component interconnect（周邊元件擴展接口 ) 由Intel公司1991年提出，很快為IBM，DEC，Compaq，Apple公司接受。后成立PCI集團。目前PC計算機都以PCI為主的系統(tǒng)總線。PCIPCI插槽形狀插槽形狀主要系統(tǒng)總線性能比較主要系統(tǒng)總線性能比較: :好很好有有有無限132/264/52832/64位PCI差差無無無有限 13232位VESA較好好無無有有限 3332位EISA較好差無無無無 816位總線數(shù)據(jù)總線帶寬（MB/S）猝發(fā)方式自動配置并行工作支持3.3V規(guī)范性可擴展性ISA（5 5） PCI-EPCI-E總線總線 PCI-ExpressPCI-E

25、xpress是最新的總是最新的總線和接口標準，它原來的名線和接口標準，它原來的名稱為稱為“3GIO3GIO”，是由英特爾，是由英特爾提出的，很明顯英特爾的意提出的，很明顯英特爾的意思是它代表著下一代思是它代表著下一代I/OI/O接接口標準。口標準。 它的主要優(yōu)勢就是數(shù)據(jù)它的主要優(yōu)勢就是數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前最高的傳輸速率高，目前最高的16X 2.016X 2.0版本可達到版本可達到10GB/s10GB/s，而且還有相當大的發(fā)展?jié)摿Χ疫€有相當大的發(fā)展?jié)摿?PCI VS PCI ExpressPCI VS PCI ExpressPCI 采用采用并行并行的信號機制的信號機制傳輸速率從傳輸速率從33M

26、T/S 到到 266MT/S總線帶寬有總線帶寬有32bit/64bit 兩種兩種支持邊帶支持邊帶(Side band)信號控制信號控制Load-Store 架構架構內存，內存，I/O，配置，配置PCI 電源管理電源管理奇偶和奇偶和ECC v串行差分串行差分接口接口v傳輸速率達到了傳輸速率達到了10GB/sv多種傳輸模式，非常靈活：多種傳輸模式，非常靈活：1X，2X.32XvIn-band 控制控制vLoad Store 架構架構v內存，內存，I/O，配置和信息，配置和信息v增強控制機制增強控制機制v與目前的與目前的PCI 軟件軟件100%兼容兼容v高級電源管理高級電源管理v高級高級RAS，支持熱插拔，支持熱插拔v支持支持QoS(服務質量服務質量)PCI-E總線與其他總線性能的比較總線與其他總線性能的比較3.3.設備總線設備總線主要用于計算機系統(tǒng)的主機與外部設主要用于計算機系統(tǒng)的主機與外部設備之間的互聯(lián)，也稱備之間的互聯(lián)，也稱外部總線外部總線 。（1 1） ATAATA（IDE IDE ）接口）接口 集成設備電路（集成設備電路（IDEID