第六章 系统总线

1、 第六章 系统总线 6.1 系统总线结构系统总线结构 6.2 总线控制与通信总线控制与通信 6.1.系统总线结构系统总线结构 总线是一种能由多个部件分时共享的公共信息总线是一种能由多个部件分时共享的公共信息 传送线路传送线路 特点：特点：分时分时、共享共享 分时分时: :同一时刻总线上只能传送一个部件的信同一时刻总线上只能传送一个部件的信 息，如果系统中有多个部件它们是不能同时使用总息，如果系统中有多个部件它们是不能同时使用总 线线 共享：总线上可以挂接多个部件，各部件之间共享：总线上可以挂接多个部件，各部件之间 互相交换的信息可以通过这组线路，多个部件可以互相交换的信息可以通过这组线路，多个

2、部件可以 同时从总线上接收相同的信息同时从总线上接收相同的信息 一个计算机系统中的总线，大致可以分为一个计算机系统中的总线，大致可以分为3 3类：类： 内部总线内部总线: :指同一部件内部各器件之间的连接总线指同一部件内部各器件之间的连接总线 系统总线系统总线: :指同一台计算机系统各部件之间连接的总线指同一台计算机系统各部件之间连接的总线 多机系统总线多机系统总线: :指多台处理机之间互相连接的总线指多台处理机之间互相连接的总线 6.1.系统总线结构系统总线结构 1.1.总线的结构总线的结构 物理结构：系统总线是一组两端带插头，用扁物理结构：系统总线是一组两端带插头，用扁 平线构成互连的传输

3、线平线构成互连的传输线 按传输信息的不同总线可分为按传输信息的不同总线可分为3 3类：类： 地址总线地址总线: :单向单向, ,从源部件发送到目的部件从源部件发送到目的部件 数据总线数据总线: :双向双向, ,用于在总线上的设备之间传送数据用于在总线上的设备之间传送数据 信息信息 控制总线控制总线: :单向单向, ,用于发出各种控制信号的传输线及用于发出各种控制信号的传输线及 监视各部件状态的作用监视各部件状态的作用 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 适配器（接口）适配器（接口）：实现高速：实现高速CPUCPU与低速外设之与低速外设之 间间 工作速度上的匹

4、配和同步，并完成计算机和外设之工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之 间的所有数据传送和控制。间的所有数据传送和控制。 单机系统中总线结构的三种基本类型：单机系统中总线结构的三种基本类型： 单总线单总线 双总线双总线 三总线三总线 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 单总线单总线 a.a.结构：结构： 使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、内存和、内存和I/OI/O设备设备 单总线结构图单总线结构图 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 单总线单总线 b.b.要求要求 连接到总线上的逻辑

5、部件必须高速运行，以便连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便 在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制 权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制 权，否则会产生时间延迟权，否则会产生时间延迟 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 单总线单总线 c.c.功能功能 地址对准：地址对准： 如如“取指令取指令” 主存和主存和I/OI/O 访存访存/ /访问访问I/OI/O 存储器存储器 外设外设 ：DMADMA 外设外设 外设外设 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的

6、连接方式总线的连接方式 单总线单总线 d.d.优缺点优缺点 优：结构简单，便于扩充优：结构简单，便于扩充 缺：通信速度慢（分时使用总线），占用内存空间缺：通信速度慢（分时使用总线），占用内存空间 e.e.适用性适用性 小型或微型计算机小型或微型计算机 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 双总线双总线 a.a.结构结构 在在CPUCPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。 双总线结构图双总线结构图 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 双总线双总线 b.b.专设专设I/OI/O指令指

7、令 c.c.优点：保持了单总线系统简单、易于扩充的优优点：保持了单总线系统简单、易于扩充的优 点，点，CPUCPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻 了系统总线的负担，主存仍可通过系统总线与外设了系统总线的负担，主存仍可通过系统总线与外设 之间实现之间实现DMADMA操作，而不必经过操作，而不必经过CPUCPU 缺点：增加硬件为代价缺点：增加硬件为代价 d.d.实用性实用性 高档微型机高档微型机 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 三总线三总线 a.a.结构：结构： 它是在双总线系统的基础上增加它是在双总线系统的基础

8、上增加I/OI/O总线形成的总线形成的 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 三总线三总线 b.IOPb.IOP（通道）（通道） 通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又 称为称为IOP(I/OIOP(I/O处理器，它分担了一部分处理器，它分担了一部分CPUCPU的功能，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以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据 传送。传送。 6.1.系统总线结构系统总线结构 2.2.总线的连接方式总线的连接方式 三总线三总线 c.c.优缺点优缺点 整个系统的效率大大提高，然而这是

9、以增加更整个系统的效率大大提高，然而这是以增加更 多的硬件代价换来的多的硬件代价换来的 d.d.实用性实用性 大、中小型计算机大、中小型计算机 6.1.系统总线结构系统总线结构 3.3.总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响 1 1）最大存储容量）最大存储容量 在单总线系统中，最大主存容量必须小于由计在单总线系统中，最大主存容量必须小于由计 算机字长所决定的容量。算机字长所决定的容量。 在双总线系统中，对主存和外设进行存取的判在双总线系统中，对主存和外设进行存取的判 断是利用各自的指令操作码。由于主存地址和外设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

10、总线上，所以存储容量不会受到地址出现于不同的总线上，所以存储容量不会受到 外围设备多少的影响。外围设备多少的影响。 6.1.系统总线结构系统总线结构 3.3.总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响 2)2) 指令系统指令系统 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对存储总线和系统总线 必必 须有不同的指令系统。须有不同的指令系统。 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传送可使用传送可使用 相相 同的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的同的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的 地址。地址。 6.1.系统总线结构系

11、统总线结构 3.3.总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响 3)3)吞吐量吞吐量 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入内统的信息的速率。它取决于信息能够多快地输入内 存，存，CPUCPU能够多快地取指令，数据能够多快地从内存能够多快地取指令，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送给取出或存入，以及所得结果能够多快地从内存送给 一台外围设备。一台外围设备。 6.1.系统总线结构系统总线结构 4.4.总线接口总线接口 信息的传输方式信息的传输方式 串行、并行、并串

12、行、分时传送串行、并行、并串行、分时传送 a.a.信息描述信息描述 b.b.串行传送（脉冲传送）串行传送（脉冲传送）只有一根传输线只有一根传输线 传送：按顺序传送，表示一个数据的所有二进传送：按顺序传送，表示一个数据的所有二进 制位的脉冲信号，每次一位（地位在前，高位在后）制位的脉冲信号，每次一位（地位在前，高位在后） 01 01 ，无脉冲为脉冲：有脉冲为 ，低电平为电位：高电平为 表示 6.1.系统总线结构系统总线结构 b.b.串行传送串行传送 0 0 0 0 0 1 0 1 n-1 拆拆 00000101 1-n 装配装配 0 0 0 0 0 1 0 1 1 01 0 0 0 0 0 低低

13、 位位 高高 位位 6.1.系统总线结构系统总线结构 b.b.串行传送串行传送 信息量的判定：信息量的判定： “1 1”-有脉冲有脉冲 、“0 0”-无脉冲无脉冲 连续传送多个连续传送多个“0 0”时，要确定传送了多少个时，要确定传送了多少个 “0 0”采用采用“位时间位时间”法，即指定一个二进制位在传法，即指定一个二进制位在传 输线上占用的时间长度输线上占用的时间长度 例如：要传送例如：要传送8bit8bit需要需要8 8个位时间个位时间 并并串：拆卸（在发送部件中完成）串：拆卸（在发送部件中完成） 串串并：装配（在接收部件中完成）并：装配（在接收部件中完成） 6.1.系统总线结构系统总线结

14、构 b.b.串行传送串行传送 优缺点：优缺点： 只要一根传输线，只要一根传输线， 成本低，抗干扰传输速度成本低，抗干扰传输速度 慢，适合长距离传输慢，适合长距离传输 c.c.并行传送并行传送 传送：传送： 每一位都需要一条单独的传输线可以实现在不每一位都需要一条单独的传输线可以实现在不 同的线上同时传送一般采用同的线上同时传送一般采用电位电位传送传送 优缺点优缺点: : 速度快，适合短途传输速度快，适合短途传输 成本高成本高 6.1.系统总线结构系统总线结构 c.c.并行传送并行传送 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 高位高位 低位低位 发送部件发送部件 接收部件

15、接收部件 6.1.系统总线结构系统总线结构 d.d.串并行传送串并行传送 m m位位 分分k k组组 组内并行传送组内并行传送 每组每组n n位位 组间串行传送组间串行传送 低 送送 高 收收 6.1.系统总线结构系统总线结构 e.e.分时传送分时传送 分时复用：传送数据分时复用：传送数据/ /地址，必须分时间片，地址，必须分时间片， 以以 便在不同的时间间隔中完成传送地址和数据便在不同的时间间隔中完成传送地址和数据 分时共享（多个设备）分时共享（多个设备）共享总线的部件分共享总线的部件分 时使用总线时使用总线 分时发送分时发送 同时接收同时接收 6.1.系统总线结构系统总线结构 接口的基本概

16、念接口的基本概念 接口的概念接口的概念 接口即接口即I/OI/O设备适配器，具体指设备适配器，具体指CPUCPU和主存、外和主存、外 围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。 6.1.系统总线结构系统总线结构 接口的基本概念接口的基本概念 功能功能 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。作，如启动、关闭设备等。 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。作为一个缓冲器，以补偿各

17、种设备在速度上的差异。 6.1.系统总线结构系统总线结构 接口的基本概念接口的基本概念 功能功能 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。接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。 状态信息包括数据状态信息包括数据“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串转换或串并转换，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。 6

18、.1.系统总线结构系统总线结构 接口的基本概念接口的基本概念 功能功能 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。 6.1.系统总线结构系统总线结构 事实上，一个适配器必有两个接口：事实上，一个适配器必有两个接口： 一是和系统总线的接口，一是和系统总线的接口，CPUCPU和适配器的数据和适配器

19、的数据 交交 换一定的是并行方式；换一定的是并行方式； 二是和外设的接口，适配器和外设的数据交换二是和外设的接口，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。根据外围设可能是并行方式，也可能是串行方式。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。为串行数据接口和并行数据接口两大类。 6.1.系统总线结构系统总线结构 串行通信与数据接口串行通信与数据接口 串行通信的优点串行通信的优点 优点：减少传输线，降低成本优点：减少传输线，降低成本 缺点：速度慢缺点：速度慢 传送编码传送编码 扩展的扩

20、展的BCDBCD码码 ASCIIASCII码码 通信方式通信方式 异步方式和同步方式异步方式和同步方式 6.1.系统总线结构系统总线结构 通信方式通信方式 异步方式异步方式 字符格式：用一个起始位表示字符的开始，停字符格式：用一个起始位表示字符的开始，停 止位表示字符的结束止位表示字符的结束 波特率：单位时间传送的多少二进制位（数据波特率：单位时间传送的多少二进制位（数据 传送的速度）传送的速度） 每一位信息每一位信息 （ASCIIASCII码）码） 起始位起始位 1 1 信息编码信息编码 7 7 校验位校验位 1 1 停止位停止位 1/1.5/21/1.5/2 6.1.系统总线结构系统总线结

21、构 通信方式通信方式 同步方式同步方式 字符格式：去掉起始位和停止位（为提高速度）字符格式：去掉起始位和停止位（为提高速度） 同一时钟，同步字符同一时钟，同步字符 发送设备在发送的数据前面要先发送同步字符发送设备在发送的数据前面要先发送同步字符 接收设备在收到同步字符后就以发送设备相同接收设备在收到同步字符后就以发送设备相同 的时钟来接收数据块的时钟来接收数据块 信息编码信息编码 校验位校验位 每一位信息每一位信息 6.1.系统总线结构系统总线结构 串行传送中的几个问题串行传送中的几个问题 数据传送的方向数据传送的方向 信号的调制与解调信号的调制与解调 数字信号数字信号 模拟信号模拟信号 数字

22、信号数字信号 单工单工 A A B A B A只能发，只能发，B B只能接收只能接收 双工双工 A A B B 每次只能每次只能A A发，发，B B收，或者收，或者B B发发A A收收 完全双工完全双工 A A B A B A、B B可以同时发送可以同时发送 调制调制 解调解调 采用频移监控法（采用频移监控法（FSK） 6.1.系统总线结构系统总线结构 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 1.1.总线的控制总线的控制 总线仲裁机构总线仲裁机构 仲裁总线使用权，决定哪个部件先使用总线，仲裁总线使用权，决定哪个部件先使用总线， 告知哪个部件在总线上使用告知哪个部件在总线上使用 总线的传输过程

23、总线的传输过程 发送方：发送总线请求发送方：发送总线请求 仲裁机构：总线仲裁仲裁机构：总线仲裁 选择接收方：（获得总线使用权）寻址目的地址选择接收方：（获得总线使用权）寻址目的地址 信息传送信息传送 状态反馈状态反馈 1.1.总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 分布式分布式 集中式集中式 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 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 1.1.总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 链式查询方式链式查询方式 控制部件控制部件 单单/ /双：双：CPUCPU的一部分的一部分 三总线：通道的一部分三总线：通道的一部分 BS B

24、S 总线忙总线忙 BR BR 总线请求总线请求 BG BG 总线同意总线同意 组成组成 D D数据总线数据总线 A A地址总线地址总线 控制线控制线 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 链式查询方式链式查询方式 总 线 控 制 部 件 I/O接口0 BS BR I/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 I/O接口1 1.1.总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 链式查询方式链式查询方式 特征特征：总线同意信号：总线同意信号BGBG，串行地以一个，串行地以一个I/OI/O接接 口口 传送到下一个传送到下一个I/OI/O接口。假如接口。

25、假如BGBG到达的接口无总线到达的接口无总线 请请 求，则继续往下传。假如求，则继续往下传。假如BGBG到达的接口有总线请求，到达的接口有总线请求， 则则B B不继续往下传，且置不继续往下传，且置BSBS为为1 1，并撤销，并撤销BRBR，使用完，使用完 放弃总线，还要置放弃总线，还要置BSBS为为0 0 优先权优先权：离中央仲裁器最近，优先级最高：离中央仲裁器最近，优先级最高 离中央仲裁器最远，优先级最低离中央仲裁器最远，优先级最低 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 1.1.总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 链式查询方式链式查询方式 优点：方便改变优先次序，容易扩充设备优点：方

26、便改变优先次序，容易扩充设备 缺点：对电路故障敏感，优先级固定，优先级高的频缺点：对电路故障敏感，优先级固定，优先级高的频 繁请求时，优先级低的设备可能长期不能使用总线繁请求时，优先级低的设备可能长期不能使用总线 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 1.1.总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 计数器定时查询方式（计数查询）计数器定时查询方式（计数查询） 控制部件控制部件：采用计数器控制总线：采用计数器控制总线 组成：组成： 数据总线数据总线 地址总线地址总线 一组地址线（设备地址）一组地址线（设备地址） BSBS：总线忙：总线忙 BRBR：总线请求：总线请求 6.2 总线的控制与通信

27、总线的控制与通信 0 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 BS BR I/O接口1I/O接口n 设备地址 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 I/O接口1 计数器 设备地址 1 1.1.总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 计数器定时查询方式（计数查询）计数器定时查询方式（计数查询） 特征：特征：当当BS=0,计数器开始计数计数器开始计数 计数值通过一组地址线发计数值通过一组地址线发 向各设备每一个接口都有向各设备每一个接口都有 一个设备地址判别电路一个设备地址判别电路 相同时则置相同时则置BSBS 为为1 1，中止计数，中止计数 优先权优

28、先权： 计数值从计数值从0 0开始于链式方式相同，优先级开始于链式方式相同，优先级 顺序固定计数值从顺序固定计数值从“中止点中止点”开始，循开始，循 环优先级，各部件使用总线的级别相等环优先级，各部件使用总线的级别相等 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 1. .总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 计数器定时查询方式（计数查询）计数器定时查询方式（计数查询） 优点优点：只要改变计数器的初值，就可以方便改变优：只要改变计数器的初值，就可以方便改变优 先次序，增加系统灵活性先次序，增加系统灵活性 缺点：缺点：增加了设备地址线，控制也较复杂增加了设备地址线，控制也较复杂 6.2 总线的控制

29、与通信总线的控制与通信 1.1.总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 独立请求方式独立请求方式 控制部件控制部件：排队电路：排队电路 组成组成: :每一个共享总线的设备均有一对总线请求每一个共享总线的设备均有一对总线请求BriBri 和和BGiBGi 特征特征：当设备要求使用总线时，便发出请求信号：当设备要求使用总线时，便发出请求信号BR,BR, 总线控制器中有一排队电路，根据一定的优先次序决总线控制器中有一排队电路，根据一定的优先次序决 定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGBG 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 排队器排队器排队器 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 BR0 BG0 BR1 BG1 BRn BGn BG-总线同意 BR-总线请求 1. .总线的控制总线的控制 控制方式控制方式 独立请求方式独立请求方式 优点优点：响应速度快，优先次序控制灵活响应速度快，优先次序控制灵活 缺点：缺点：控制线数量多，总线控制更复杂控制线数量多，总线控制更复杂 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 2.2.总线的通信总线的通信 当共享总线的部件获得总线使用权后，就开始当共享总线的部件获得总线使用权后，就开始 传送信息传送信息-进行通