第5章總線技術(shù)

第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計與實現(xiàn)5.3總線的控制

5.4總線的性能指標(biāo)5.5總線的標(biāo)準(zhǔn)第5章總線技術(shù)5.1總線概述

總線是計算機系統(tǒng)中各個部件之間（甚至各個系統(tǒng)之間）傳遞信息的一組共享的電導(dǎo)線。每一根導(dǎo)線負(fù)責(zé)傳輸一個電脈沖信號，這個信號就代表一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。若干根導(dǎo)線就可以同時傳輸若干位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

總線一般由傳輸線、接口和總線控制器組成。傳輸線包括信息線、電源線、地線等。由于總線與其上所掛的部件是物理相連的，但是從邏輯上有輸入、輸出、斷開三種狀態(tài)，所以總線上的部件需要通過由一些三態(tài)門和緩沖寄存器組成的接口與總線連接。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能

按照所傳輸信息的性質(zhì)分，總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。按照連接的部件分，總線分為系統(tǒng)總線（也叫處理器總線）和輸入/輸出總線（即I/O總線）。按照在計算機系統(tǒng)中的位置分總線分為片內(nèi)總線、底板總線、板間總線和通信總線。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性對于通信總線，根據(jù)所傳數(shù)據(jù)的位數(shù)又可以將其分為串行總線和并行總線。2.物理特性：又稱機械特性，指總線的物理連接標(biāo)準(zhǔn)，包括插頭和插座的幾何形狀與尺寸、引腳的數(shù)量與排列方式、固定方式等。串行并行第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性按照允許信息傳輸?shù)姆较蚍?，總線分為單向總線和雙向總線。雙向總線又分為全雙工和半雙工。

全雙工是指同一時刻允許信息分別沿兩個方向傳輸，半雙工是指同一時刻只允許信息沿一個方向傳輸而另一個方向的信息傳輸要等到下一時刻。3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性通常規(guī)定送入微處理器的信號為輸入信號（IN），從微處理器發(fā)出的信號為輸出信號（OUT）。例如，地址總線為輸出信號線，數(shù)據(jù)總線為雙向信號線，控制總線中既有輸出信號線，又有輸入信號線，但都是單向的。3.電氣特性：第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性將總線中高電平定義為“邏輯1”，稱為正邏輯；將低電平定義為“邏輯1”，稱為負(fù)邏輯。大多數(shù)總線信號采用正邏輯，但是也有個別總線信號采用負(fù)邏輯。3.電氣特性：第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性規(guī)定了每一根傳輸線上的信號在什么時間內(nèi)才是有效的，即總線上各種信號的時序關(guān)系。時間特性可以用信號時序圖來表示。2.物理特性3.電氣特性4.時間特性第5章總線技術(shù)5.2總線的設(shè)計與實現(xiàn)

總線的設(shè)計與實現(xiàn)主要關(guān)注的是采用何種總線結(jié)構(gòu)，選擇總線結(jié)構(gòu)需要綜合考慮通信帶寬、成本及可靠性等因素。典型的總線結(jié)構(gòu)有單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)。

CPU

M.M

I/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2

I/O接口…

外部設(shè)備n

I/O接口…單總線（系統(tǒng)總線）主存總線I/O總線

I/O接口設(shè)備n

……

I/O接口設(shè)備0

CPU主存通道雙總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線系統(tǒng)總線

CPU

主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口I/O接口I/O接口……層次結(jié)構(gòu)的三總線三總線結(jié)構(gòu)的另一形式局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴展總線接口擴展總線Modem串行接口SCSI主存四總線結(jié)構(gòu)主存擴展總線接口局域網(wǎng)SCSI多媒體CPU調(diào)制解調(diào)器串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴展總線圖形Cache/橋第5章總線技術(shù)5.3總線的控制

5.3.1總線仲裁 總線具有兩個特性：發(fā)送的互斥性和接受的共享性為了協(xié)調(diào)總線上各個部件對總線的爭用、避免發(fā)生總線沖突，必須有一個總線控制器來對總線的使用進(jìn)行分配和管理。擁有總線控制權(quán)的總線部件，稱為總線的主部件。被主部件訪問的部件稱為從部件。第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

當(dāng)總線上有多個候選的主部件同時申請使用總線時，必須有一個總線控制機構(gòu)按照某種策略（優(yōu)先次序）對申請進(jìn)行裁決，這就叫做總線仲裁。集中式總線仲裁:如果總線仲裁邏輯基本上集中在一處。分布式總線仲裁:如果總線仲裁邏輯分散在總線上的各個部件中。

5.3總線的控制

第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

集中式控制串行鏈接/鏈?zhǔn)讲樵兌〞r查詢/計數(shù)器定時查詢獨立請求5.3總線的控制

串行鏈接方式總線控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線地址線BS

-總線忙BR-總線請求BG-總線可用I/O接口1

0BS

-總線忙BR-總線請求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址定時查詢方式I/O接口1計數(shù)器設(shè)備地址

1排隊器排隊獨立請求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線可用BR-總線請求第5章總線技術(shù)5.3總線的控制5.3.2總線通信控制

總線通信中，發(fā)出數(shù)據(jù)的部件稱為源部件，接收數(shù)據(jù)的部件稱為目的部件。為了完成一次有效的通信，源部件與目的部件之間需要進(jìn)行一系列有時序限制的操作。為此，通信雙方需要“感知”對方的操作及操作效果，這個“感知”由總線通信控制來實現(xiàn)的。5.3.2

總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請，總線仲裁決定主模塊向從模塊給出地址

和命令主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)主模塊撤消有關(guān)信息

申請分配階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段解決通信雙方協(xié)調(diào)配合

問題由統(tǒng)一時標(biāo)

控制數(shù)據(jù)傳送充分挖掘

系統(tǒng)總線每瞬間

的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線通信的四種方式采用應(yīng)答方式，沒有公共時鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合(1)同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址

讀命令數(shù)據(jù)(2)同步式數(shù)據(jù)輸出T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址

寫命令數(shù)據(jù)不互鎖半互鎖全互鎖(3)異步通信主設(shè)備從設(shè)備請求回答(4)半同步通信同步發(fā)送方用系統(tǒng)時鐘前沿發(fā)信號

接收方用系統(tǒng)時鐘后沿判斷、識別（同步、異步結(jié)合）異步允許不同速度的模塊和諧工作

增加一條“等待”響應(yīng)信號

WAIT以輸入數(shù)據(jù)為例的半同步通信時序T1主模塊發(fā)地址T2主模塊發(fā)命令…T3從模塊提供數(shù)據(jù)T4從模塊撤消數(shù)據(jù)，主模塊撤消命令Tw

當(dāng)為低電平時，等待一個TWAITTw

當(dāng)為低電平時，等待一個TWAIT上述三種通信的共同點一個總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例）主模塊發(fā)地址、命令從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)總線空閑占用總線不占用總線占用總線(5)分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力主模塊申請占用總線，使用完后即放棄總線的使用權(quán)從模塊申請占用總線，將各種信息送至總線上一個總線傳輸周期子周期1子周期2主模塊1.各模塊有權(quán)申請占用總線分離式通信特點充分發(fā)揮了總線的有效占用2.采用同步方式通信，不等對方回答3.各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時，不占用總線4.總線被占用時，無空閑第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計與實現(xiàn)5.3總線的控制

5.4總線的性能指標(biāo)總線的位寬總線的工作時鐘頻率總線的負(fù)載能力總線的數(shù)據(jù)傳輸速率

總線一次同時傳送的信息位數(shù)或所需的線數(shù)。例如，ISA總線的數(shù)據(jù)總線位寬是16位，地址總線的位寬是24位?？刂瓶偩€中的時鐘信號線所提供的時鐘頻率。如ISA和EISA總線為8MHz，PCI總線為33.3MHz。

第5章總線技術(shù)5.4總線的性能指標(biāo)總線的位寬總線的工作時鐘頻率

總線的負(fù)載能力總線的數(shù)據(jù)傳輸速率

總線上所能連接部件的最大個數(shù)。例如，ISA總線的負(fù)載能力是8，PCI總線的的負(fù)載能力是3?？偩€在一秒鐘內(nèi)所能穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，單位為KB/s或MB/s。

總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率稱為總線帶寬。總線帶寬＝總線位寬×總線工作頻率/8

例如，ISA總線的帶寬為16.66MB/s。例

假設(shè)總線的時鐘頻率為100MHz，總線的傳輸周期為4個時鐘周期，總線的寬度為32

位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？解：根據(jù)總線時鐘頻率為100MHz，得1

個時鐘周期為1/100MHz=0.01μs

總線傳輸周期為0.01μs×4=0.04μs

由于總線的寬度為32

位=

4

B（字節(jié)）故總線的數(shù)據(jù)傳輸率為4B/（0.04μs）=100

MBps總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）與總線的寬度和總線的時鐘頻率有關(guān)例

假設(shè)總線的時鐘頻率為100MHz，總線的傳輸周期為4

個時鐘周期，總線的寬度為32

位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）與總線的寬度和總線的時鐘頻率有關(guān)

若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率

(1)在不改變