计算机组成原理 (7)

1、1第第7章及章及 BUS技术技术7.1 BUS概述概述 广义地讲，广义地讲，BUS是连接两个或多个功能部件的一组共享的信号传是连接两个或多个功能部件的一组共享的信号传输线。输线。7.1.1 采用总线实现互联的优势采用总线实现互联的优势 使用总线实现部件互连的优点有两个：使用总线实现部件互连的优点有两个： 一是可以减少各个部件之间的连线数量，降低成本；一是可以减少各个部件之间的连线数量，降低成本； 二是为了方便系统构建、扩充系统性能和便于产品更新换代。二是为了方便系统构建、扩充系统性能和便于产品更新换代。 计算机系统中通常包含许多不同种类的总线，它们在不同层次上计算机系统中通常包含许多不同种类的

2、总线，它们在不同层次上为计算机组件之间提供通信通路。为计算机组件之间提供通信通路。 用于连接计算机系统中主要的组件用于连接计算机系统中主要的组件(如如 CPU、存储器、存储器、I/O设备设备等等)的总线称为的总线称为。27.1.2BUS的分类的分类 按总线所承担的任务可分为按总线所承担的任务可分为内部总线和外部总线。内部总线和外部总线。 其中，专门用于主机系统与外设之间互连的总线称为其中，专门用于主机系统与外设之间互连的总线称为然而在现实中，许多设备总线常被叫做某某接口，例如然而在现实中，许多设备总线常被叫做某某接口，例如SCSI接口、接口、USB接口等，其实它们实质上是实现一个外部总线的功能

3、。接口等，其实它们实质上是实现一个外部总线的功能。 按物理特性按物理特性：指：指BUS在机械物理连接上的特性。包括连线类型、在机械物理连接上的特性。包括连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列。数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列。 则则BUS连线类型有连线类型有：电缆式、：电缆式、主板式和底板式。主板式和底板式。 电缆线电缆线 主板式主板式 底板式底板式 按一次传送的位数上分按一次传送的位数上分 串行串行BUS和并行和并行BUS。 并行并行BUS又分又分8位、位、16位、位、32位、位、64位位BUS 3 按传送信息分按传送信息分 AB、CB、DB 按总线所处的物理位置

4、可分为：按总线所处的物理位置可分为：内部内部BUS、系统、系统BUS和通信和通信BUS 内部内部BUS 指芯片内部连接各元件的指芯片内部连接各元件的BUS。 系统系统BUS 指指CPU、MM和和I/O模块等到主要部件的模块等到主要部件的BUS。典典型的有型的有PCI BUS、Multi bus、VME BUS等。等。 通信通信BUS(外部总线外部总线) 用于主机和用于主机和I/O设备之间或计算机系统之设备之间或计算机系统之间的通信。通信间的通信。通信BUS 种类很多，包括距离远近、速度快慢、工作方种类很多，包括距离远近、速度快慢、工作方式等，差异很大。式等，差异很大。7.1.3BUS标准标准

5、总线的规范主要从以下四个方面来描述总线的功能和特性。总线的规范主要从以下四个方面来描述总线的功能和特性。 (1)逻辑规范：逻辑规范： (2)时序规范：时序规范： (3)电器规范：电器规范： (4)机械规范：机械规范： (5)通信协议：通信协议： 4 总线标准总线标准/规范的制定通常有两种途径：规范的制定通常有两种途径： 一是由具有权威性的标准化组织一是由具有权威性的标准化组织(如国际标准化组织如国际标准化组织ISO、电气电、电气电子工程师协会子工程师协会IEEE、美国国家标准协会、美国国家标准协会ANSI等等)制定并推荐使用；制定并推荐使用； 二是由某个或某几个在业界具有影响力的设备制造商提出

6、，而又二是由某个或某几个在业界具有影响力的设备制造商提出，而又被业内其他厂家认可并广泛使用的标准，即所谓事实标准。这种标被业内其他厂家认可并广泛使用的标准，即所谓事实标准。这种标准可能还没有经过正式、严格的定义，也有可能经过一段时间的使准可能还没有经过正式、严格的定义，也有可能经过一段时间的使用后，被厂商提交给有关组织讨论而最终被确定为正式标准。用后，被厂商提交给有关组织讨论而最终被确定为正式标准。7.1.4总线的性能总线的性能 总线的性能由多方面的因素决定，一个总线的性能水平主要有以总线的性能由多方面的因素决定，一个总线的性能水平主要有以下几个因素决定：下几个因素决定： 总线的带宽。表示在单

7、位时间内，总线所能传输的最大数据量总线的带宽。表示在单位时间内，总线所能传输的最大数据量，一般用兆字节，一般用兆字节/秒秒(MB/s)来表示。来表示。 串行传输串行传输 串行串行BUS的数据在数据线上按位传输，即被传送的数据按顺序传的数据在数据线上按位传输，即被传送的数据按顺序传送一个数据的所有二进制位的脉冲信号，每次一位。因此只需要一送一个数据的所有二进制位的脉冲信号，每次一位。因此只需要一根数据线。根数据线。 优点优点：线路成本低，适合远距离的数据传输。：线路成本低，适合远距离的数据传输。5 缺点缺点：相对并行传输方式传输速度慢。：相对并行传输方式传输速度慢。 被传送的数据在发送部件中必须

8、将并行数据转换为串行数据，这被传送的数据在发送部件中必须将并行数据转换为串行数据，这个过程称为个过程称为；接收数据在接收部件中必须将串行数据转换为并接收数据在接收部件中必须将串行数据转换为并行数据，这个过程称为行数据，这个过程称为。 串行串行BUS是一种信息是一种信息传输信道传输信道。 在信息传输信道中传输数据信息信号单元叫在信息传输信道中传输数据信息信号单元叫码元码元。 每秒钟通过信道传输的每秒钟通过信道传输的码元数码元数称为称为码元传输速率码元传输速率调制速率调制速率，简，简称称波特率波特率。B(波特波特)=1/T(秒秒)。 每秒钟通过信道传输的数据信息量称为每秒钟通过信道传输的数据信息量

9、称为位传输速率位传输速率，简称，简称。C=Blog2N。 N：调制电平数或线路状态数，：调制电平数或线路状态数， 为为2的整数倍。的整数倍。 例例1：在：在8相调相制中，当调制速率为相调相制中，当调制速率为1600B时，则数据信号传送时，则数据信号传送速率速率C=1600log28=4800b/s。 串行传输方式分为串行传输方式分为和和。 例例2：在异步串行传输方式下，起始位为：在异步串行传输方式下，起始位为1位，数据位为位，数据位为8位，偶位，偶校验位校验位1位，停止位位，停止位1位，如果波特率为位，如果波特率为1200B/s，求这时的比特率，求这时的比特率为多少为多少?6 答：在这样答：在

10、这样个数据帧中，有效数据位是个数据帧中，有效数据位是8位，传输过程中发送位，传输过程中发送的代码位共有的代码位共有1+8+1+111位。所以比特率为：位。所以比特率为： b/s.7872118181200 并行传输并行传输 并行并行BUS的数据在数据线上同时有多位一起传送，一位数据有一的数据在数据线上同时有多位一起传送，一位数据有一根数据线。根数据线。 衡量并行衡量并行BUS速度的指标是最大数据传输速率，一般用速度的指标是最大数据传输速率，一般用MB/s表示表示。 例例1：BUS工作频率为工作频率为33MHz，BUS宽度为宽度为32位，问最大数据传位，问最大数据传输速率是多少输速率是多少? 解

11、：解：33 32/8=132MB/s。 注：通信频率中注：通信频率中1M=106 例例2： 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个字节的数据，假设一个个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz ，求总，求总线带宽是多少？线带宽是多少？ 如果一个总线中并行传送如果一个总线中并行传送64位数据，总线频率升为位数据，总线频率升为66MHz，求，求总线带宽是多少？总线带宽是多少？ 7 解：解： 设总线带宽用设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T= 1/f表示，表示， 一个总线周期

12、传送的数据量用一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得：表示，根据定义可得： Dr=D/T=D f=4B 33 106/s=132MB/s 64位位=8，Dr=D f =8B 66 106/s=528MB/s 例例3：现有一个带有：现有一个带有16位外部数据总线的位外部数据总线的32位微处理器，时钟频位微处理器，时钟频率为率为50MHz，假定总线的最短周期是，假定总线的最短周期是4个时钟周期，处理器最大数个时钟周期，处理器最大数据传输率是多少据传输率是多少? 解：解： 原传输周期为：原传输周期为：T字字=4/50MHz4 20 10-98010-9 (s) 传输带宽为：传输带宽为： B=

13、2/T=2/(80 10-9）=25 10 6 (B/s) 总线宽度。总线宽度的单位是二进制位，由此有总线宽度。总线宽度的单位是二进制位，由此有8位、位、16位、位、 32位及位及64位等的总线之分。位等的总线之分。 总线的时钟频率。总线的时钟频率。 总线的负载能力。限定在总线上可以连接模块的最大数目。总线的负载能力。限定在总线上可以连接模块的最大数目。87.2总线的组成与结构总线的组成与结构7.2.1 总线的组成总线的组成 从逻辑构成上看，总线由两部分构成：从逻辑构成上看，总线由两部分构成： 一是连接各个功能模块的信号线，一是连接各个功能模块的信号线， 二是起管理总线作用的总线控制器。二是起

14、管理总线作用的总线控制器。 总线的互联机制如图总线的互联机制如图7- -1所示。所示。 数据总线数据总线 数据总线为系统部件之间提供传输数据的通路。数据总线为系统部件之间提供传输数据的通路。 数据总线的特点是：数据总线的特点是：9 双向传输。双向传输。 数据线的数目一般与计算机字长相同数据线的数目一般与计算机字长相同(当然也可以不同当然也可以不同)。 采用具有三态能力的电路。采用具有三态能力的电路。 地址总线地址总线 地址总线的作用是传送地址信号，它不仅用于传送内存地址，而地址总线的作用是传送地址信号，它不仅用于传送内存地址，而且计算机系统对且计算机系统对I/O端口的寻址也要通过地址总线来完成

15、。端口的寻址也要通过地址总线来完成。 在通常情况下，在通常情况下，地址的高位部分用于形成芯片地址的高位部分用于形成芯片(或模块或模块)的选片信的选片信号号，而低位部分用于寻址芯片而低位部分用于寻址芯片(或模块或模块)内部的存储单元或内部的存储单元或I/O接口寄接口寄存器存器。 例如针对某例如针对某8位地址总线，现有一个容量为位地址总线，现有一个容量为128个字大小的存储模个字大小的存储模块和一个具有块和一个具有128个接口寄存器的个接口寄存器的I/O接口模块，分别称为模块接口模块，分别称为模块0和和模块模块1，则则8位地址的最高位用来实现模块的选择位地址的最高位用来实现模块的选择，其余，其余7

16、位用于模位用于模块内的存储单元或块内的存储单元或I/O接口寄存器的定位。例如，在地址总线上现接口寄存器的定位。例如，在地址总线上现有地址信息有地址信息01111111，表示处理机要选择模块，表示处理机要选择模块0的第的第128个存储单元个存储单元(请注意其中最高位为请注意其中最高位为0表示要选择模块表示要选择模块0)；而地址信息；而地址信息10000000表表示处理机要选择模块示处理机要选择模块1的第的第1个个I/O接口寄存器接口寄存器。 10 地址总线的特点是：地址总线的特点是： 单向传输。单向传输。 地址线的数目决定寻址能力的大小。地址线的数目决定寻址能力的大小。 控制总线控制总线 控制总

17、线的作用是传送控制信号，以控制系统完成规定的操作功控制总线的作用是传送控制信号，以控制系统完成规定的操作功能。能。 控制总线可用于控制数据总线和地址总线的使用控制总线可用于控制数据总线和地址总线的使用。因为数据。因为数据/地址地址总线被系统所有的组件共享，因此必须要制定使用它们的方式和方总线被系统所有的组件共享，因此必须要制定使用它们的方式和方法。法。 控制总线的特点是控制总线的特点是： 单向传输。单向传输。 控制线的类型和数目取决于总线类型。控制线的类型和数目取决于总线类型。 典型的控制信号线包括以下几种典型的控制信号线包括以下几种。 存储器写信号存储器写信号(Memory Write)：

18、存储器读信号存储器读信号(Memory Read)： I/O写信号写信号(I/O Write)：使数据总线上的数据输出到指定的：使数据总线上的数据输出到指定的I/O接接口数据寄存器口数据寄存器。 I/O读信号读信号(I/O Read)：将从指定的：将从指定的I/O接口数据寄存器输入的数接口数据寄存器输入的数11据放到数据总线上。据放到数据总线上。 传输应答信号传输应答信号(Transfer ACK)：指示数据已被接收或已经放到数：指示数据已被接收或已经放到数据总线上据总线上 总线请求信号总线请求信号(BUS Request) ：指示一个功能模块需要获得总线：指示一个功能模块需要获得总线的控制权

19、。的控制权。 总线授予信号总线授予信号(BUS Grant)：指示请求总线的功能模块已经获得：指示请求总线的功能模块已经获得了总线控制权了总线控制权 中断请求信号中断请求信号(Interrupt Request)：指示正在请求一个中断。：指示正在请求一个中断。 中断应答信号中断应答信号(BUS Answer)：指示先前请求的中断已经被响应。：指示先前请求的中断已经被响应。时钟信号时钟信号(Clk)：用于使使用总线的各个功能模块上的操作实现时间：用于使使用总线的各个功能模块上的操作实现时间上的同步。上的同步。 复位信号复位信号(Reset)：使总线上的各个功能模块初始化：使总线上的各个功能模块初

20、始化(复位复位)。 如果一个功能模块需要发送数据到另一个功能模块如果一个功能模块需要发送数据到另一个功能模块，它必须做两，它必须做两件事：获得总线；通过总线传送数据。件事：获得总线；通过总线传送数据。 如果一个功能模块需要从另一个功能模块接收数据，如果一个功能模块需要从另一个功能模块接收数据，它也必须做它也必须做两件事：获得总线；通过向控制总线和地址总线传送适当的控两件事：获得总线；通过向控制总线和地址总线传送适当的控制信号和地址信号，向其他功能模块发送传送数据的请求，然后等制信号和地址信号，向其他功能模块发送传送数据的请求，然后等待其他功能模块发送数据。待其他功能模块发送数据。 12 总线控

21、制器总线控制器 总线控制器负责控制和分配总线的使用，包括以下几项功能：总线控制器负责控制和分配总线的使用，包括以下几项功能： 总线系统的资源分配与管理。负责向使用总线的功能模块分配总线系统的资源分配与管理。负责向使用总线的功能模块分配中断向量号、中断向量号、DMA通道号以及通道号以及I/O端口地址等资源。端口地址等资源。 提供总线定时信号脉冲。提供总线定时信号脉冲。 负责总线使用权的仲裁。负责总线使用权的仲裁。 当多个模块都要使用总线发送信息时，当多个模块都要使用总线发送信息时，总线控制器必须确定一个总线控制器必须确定一个模块为当前总线的控制者，即总线的主控设备，简称主设备模块为当前总线的控制

22、者，即总线的主控设备，简称主设备，这时这时其他使用总线的设备为从设备其他使用总线的设备为从设备。当前的主控设备使用完总线后，再。当前的主控设备使用完总线后，再确定下面总线的主控设备由哪一个模块来担当。确定下面总线的主控设备由哪一个模块来担当。 负责实现不同总线协议的转换和不同总线之间传输数据的缓冲负责实现不同总线协议的转换和不同总线之间传输数据的缓冲 总线上的设备分类总线上的设备分类 按逻辑功能划分，连接到总线上的设备分为按逻辑功能划分，连接到总线上的设备分为总线主设备和总线从总线主设备和总线从设备设备。 按在信息交换中的地位划分，可分为总线源设备和总线目的设备按在信息交换中的地位划分，可分为

23、总线源设备和总线目的设备 注意源设备未必是主设备，目的设备也未必是从设备。注意源设备未必是主设备，目的设备也未必是从设备。137.2.2总线的结构总线的结构 典型的物理连接方案如图典型的物理连接方案如图7- -2所示。所示。147.3 总线的设计与实现总线的设计与实现 一些关键的总线要素如表一些关键的总线要素如表7- -1所示。所示。 BUS设计时要考虑的基本要素包括：设计时要考虑的基本要素包括： 信号线的类型信号线的类型 信号线的使用方式分为两类：信号线的使用方式分为两类： 专用信号线方式和复用信号线方式。专用信号线方式和复用信号线方式。 专用信号线专用信号线是指在总线中，该信号线始终被指派

24、实现一个是指在总线中，该信号线始终被指派实现一个或或。 复用信号线复用信号线是指在一根信号线上定义多种意义的信号或者用于多是指在一根信号线上定义多种意义的信号或者用于多个个(多类多类)总线设备。总线设备。表表7- -1 总线设计要素总线设计要素信号线类型：专用信号线信号线类型：专用信号线 复用信号线复用信号线总线宽度：地址线宽度总线宽度：地址线宽度 数据线宽度数据线宽度 总线仲裁的方法：集中仲裁总线仲裁的方法：集中仲裁 分布仲裁分布仲裁数据传输类型：读数据传输类型：读 写写 读读- -修改修改- -写写 写后读写后读 块传输块传输(连续数据传输连续数据传输) 分布仲裁总线定时方法：分布仲裁总线

25、定时方法： 同步同步 异步异步15 分时复用信号线的分时复用信号线的是总线只需要设置较少的信号线，这样可是总线只需要设置较少的信号线，这样可以节省空间，降低成本。以节省空间，降低成本。 是总线时序复杂，因此每个功能模块需要实现较为复杂的电是总线时序复杂，因此每个功能模块需要实现较为复杂的电路，同时也有潜在的性能下降的危险，因为总线操作只能串行执行路，同时也有潜在的性能下降的危险，因为总线操作只能串行执行，不能并行执行。，不能并行执行。 物理专用信号线方式物理专用信号线方式是指在系统中使用多条不同种类的总线时，是指在系统中使用多条不同种类的总线时，每个功能模块依据其功能的不同被连接到不同的总线上

26、。每个功能模块依据其功能的不同被连接到不同的总线上。 例如在系统中分别设置系统总线和例如在系统中分别设置系统总线和I/O总线，在通常情况下，仅总线，在通常情况下，仅在在I/O总线上扩充总线上扩充I/O模块。模块。图图7- -3 地址地址/数据分时复用信号数据分时复用信号16 I/O总线与系统总线之间的信息沟通可以通过总线与系统总线之间的信息沟通可以通过I/O总线适配模块实总线适配模块实现，这样现，这样I/O总线就可以连接到系统总线上了总线就可以连接到系统总线上了。 使用物理专用信号线方式的使用物理专用信号线方式的是系统中的各条总线都具有较高是系统中的各条总线都具有较高的吞吐量，因为每条总线只有

27、较少的设备连接其上；同时发生总线的吞吐量，因为每条总线只有较少的设备连接其上；同时发生总线竞争的概率也较低。竞争的概率也较低。 是占用系统的空间较大，相对成本也较高。是占用系统的空间较大，相对成本也较高。 总线仲裁的方法总线仲裁的方法 如何解决如何解决BUS上各通信设备争用上各通信设备争用BUS的控制权问题。的控制权问题。 根据设备对根据设备对BUS有无控制能力被分为有无控制能力被分为主控设备主控设备和和从设备从设备两种。两种。 最简单的系统只有最简单的系统只有 一个主控设备：处理器。这种情况无需一个主控设备：处理器。这种情况无需BUS裁裁决。缺点：是处理器必须介入到每个决。缺点：是处理器必须

28、介入到每个BUS事务中。事务中。 另一种选择是采用多个另一种选择是采用多个BUS主控设备。这需要提供一个机制用来主控设备。这需要提供一个机制用来决定某个时刻哪个设备具有决定某个时刻哪个设备具有BUS使用权。使用权。 决定哪个决定哪个BUS主控设备将在下次得到主控设备将在下次得到BUS使用权的过程称为使用权的过程称为。 总线仲裁方法通常可以分成集中仲裁和分布仲裁两类；总线仲裁方法通常可以分成集中仲裁和分布仲裁两类； 从另一个角度也可把总线仲裁方法分为并行仲裁和串行仲裁；从另一个角度也可把总线仲裁方法分为并行仲裁和串行仲裁； 从基于优先级的角度还可分成固定优先级和动态优先级。从基于优先级的角度还可

29、分成固定优先级和动态优先级。17是将裁决控制逻辑做在一个专用的是将裁决控制逻辑做在一个专用的BUS控制器或控制器或BUS裁决器中，通过将所有的裁决器中，通过将所有的BUS请求集中起来利用一个特定的裁决算请求集中起来利用一个特定的裁决算法进行裁决。法进行裁决。 没有专门的没有专门的BUS控制器，其控制逻辑分散在各部件或控制器，其控制逻辑分散在各部件或设备中。设备中。 ，就是连接到总线上的每个设备与总线仲裁电路之，就是连接到总线上的每个设备与总线仲裁电路之间都有独立的总线请求信号线和总线允许信号线；间都有独立的总线请求信号线和总线允许信号线；是指是指连接到总线上的设备共用一条总线请求信号线或连接到

30、总线上的设备共用一条总线请求信号线或(和和)一条总线允许一条总线允许信号线。信号线。 是指总线上的各个设备的优先级一经指定后就不是指总线上的各个设备的优先级一经指定后就不再改变；再改变；方案则允许设备使用总线的优先级是随时间方案则允许设备使用总线的优先级是随时间变化的。变化的。 经过经过BUS裁决，只有获得控制权的裁决，只有获得控制权的BUS主控设备才可以使用主控设备才可以使用BUS。 选择哪个设备获得使用选择哪个设备获得使用BUS的权利，一般的裁决方案通常试图平的权利，一般的裁决方案通常试图平衡两个因素。第一是衡两个因素。第一是“等级性等级性”，第二是，第二是“公平性公平性”18 集中式裁决

31、方式集中式裁决方式 常用的集中裁决的方式有三种：常用的集中裁决的方式有三种： 图图7- -4所采用的集中并行仲裁，即独立请求方式。所采用的集中并行仲裁，即独立请求方式。 。 使用一个中心裁决器从请求总线的一组设备中选取一个。使用一个中心裁决器从请求总线的一组设备中选取一个。 优点优点是：响应速度快，如果是可编程的是：响应速度快，如果是可编程的BUS控制器，那么优先级控制器，那么优先级还可以灵活设置。还可以灵活设置。 缺点缺点是：控制逻辑复杂、控制线数量多。是：控制逻辑复杂、控制线数量多。图图7-4 集中并行总线仲裁，集中并行总线仲裁，19 菊花链式仲裁菊花链式仲裁 图图7- -5给出了一个串行

32、仲裁给出了一个串行仲裁(即菊花链式仲裁即菊花链式仲裁)的示意图。总线仲裁的示意图。总线仲裁器与设备之间只设置一根总线请求器与设备之间只设置一根总线请求 图图7- -5 串行总线仲裁串行总线仲裁 有些有些BUS系统将查询方式和独立请求方式结合起来，如系统将查询方式和独立请求方式结合起来，如VME BUS使用了多个菊花链，每个菊花链具有一对请求和允许线，一个使用了多个菊花链，每个菊花链具有一对请求和允许线，一个并行判优的优先权编码器从多个请求线中选择。并行判优的优先权编码器从多个请求线中选择。20 计数器定时计数器定时(轮转轮转)查询方式查询方式计数定时查询方式计数定时查询方式 计时方式有两种计时

33、方式有两种： 每次计数总是从每次计数总是从0开始，此时设备的优先级是固定的。开始，此时设备的优先级是固定的。 每次计数的初始值总是从上次获得每次计数的初始值总是从上次获得BUS控制权的设备号开始，控制权的设备号开始，此时设备的优先级是相等的。此时设备的优先级是相等的。 计数器定时查询方式比菊花链查询方式多了一组设备线，少了一计数器定时查询方式比菊花链查询方式多了一组设备线，少了一根根BUS允许线允许线BG，见图，见图 例如：而独立请求方式则需要例如：而独立请求方式则需要2n根裁决线；根裁决线； 菊花链方式只需菊花链方式只需2 根裁决线；根裁决线； 计数查询方式大致需要计数查询方式大致需要log

34、2n裁决线。裁决线。 21 集中式仲裁机制的优点是：集中式仲裁机制的优点是：系统模块化程度高，设备的电路设计系统模块化程度高，设备的电路设计较为简单。较为简单。 缺点缺点是但系统可靠性不太高，因为一旦仲裁电路发生故障，总线是但系统可靠性不太高，因为一旦仲裁电路发生故障，总线就不能使用了。而分布式仲裁则正好相反。就不能使用了。而分布式仲裁则正好相反。 并行仲裁的优点并行仲裁的优点是总线仲裁速度快，优先级设置灵活，即有可能是总线仲裁速度快，优先级设置灵活，即有可能通过向总线仲裁器发送不同的控制命令，实现不同的优先级策略。通过向总线仲裁器发送不同的控制命令，实现不同的优先级策略。 缺点缺点是每个设备

35、与总线仲裁器之间都需要设置一条总线请求信号是每个设备与总线仲裁器之间都需要设置一条总线请求信号线和一条总线允许信号线。由于总线仲裁器电路在具体实现时，这线和一条总线允许信号线。由于总线仲裁器电路在具体实现时，这对信号线的数目是固定的，这意味着可以连接到总线上的设备的数对信号线的数目是固定的，这意味着可以连接到总线上的设备的数量实际上还会受到这对信号线数目的限制。同时也有可靠性不高的量实际上还会受到这对信号线数目的限制。同时也有可靠性不高的缺点。缺点。 分布式裁决方式分布式裁决方式 常见的分布裁决方式有三种：常见的分布裁决方式有三种： 自举分布式自举分布式 这也是使用多条请求线，不需要中心裁决器

36、，这也是使用多条请求线，不需要中心裁决器，每个设备每个设备独立地独立地决决定自己是否最高优先级请求者定自己是否最高优先级请求者。一般优先级是固定的一般优先级是固定的。在。在BUS裁决裁决期间，每个设备将有关请求线上的信号合成后取回分析，确定自己期间，每个设备将有关请求线上的信号合成后取回分析，确定自己能否拥有能否拥有BUS控制权。见图所示。控制权。见图所示。22 这种裁决方式的这种裁决方式的缺点缺点是需要较多的连线，所以许多是需要较多的连线，所以许多BUS用用DB作作为为BUS请求线。如请求线。如NuBus和和Macintoshll中的底板中的底板BUS。SCSI BUS也也采用了该方案。采用

37、了该方案。 冲突检测分布裁决冲突检测分布裁决 该方案中，每个设备独立地请求该方案中，每个设备独立地请求BUS，多个同时使用，多个同时使用BUS的设备的设备会产生冲突，这时检测到冲突，按照某种策略在冲突的各方选择一会产生冲突，这时检测到冲突，按照某种策略在冲突的各方选择一个设备。例个设备。例Ethernet使用侦听延时的方法检测使用侦听延时的方法检测BUS上是否有冲突。上是否有冲突。 并行竞争分布方式并行竞争分布方式 这是一种复杂但有效的裁决方案。这是一种复杂但有效的裁决方案。 基本思想是基本思想是：BUS上的每个设上的每个设备都有一个唯一的仲裁号备都有一个唯一的仲裁号，需要使用需要使用BUS的

38、主控设备把自己的仲裁的主控设备把自己的仲裁号送到仲裁线上号送到仲裁线上，每设备用并行竞争算法决定在一定的时间后占用每设备用并行竞争算法决定在一定的时间后占用23BUS，还是撤消仲裁号，还是撤消仲裁号。 并行竞争机制是这样的并行竞争机制是这样的：假定：假定BUS中有中有8根仲裁线根仲裁线AB07，需要使，需要使用用BUS控制的制备把自己的仲裁号送到这控制的制备把自己的仲裁号送到这8个仲裁线上，发送最大个仲裁线上，发送最大仲裁号的设备将获得仲裁号的设备将获得BUS使用权。使用权。 每个设备中的裁决逻辑如图所示。设备和每个设备中的裁决逻辑如图所示。设备和BUS采用相反的逻辑，采用相反的逻辑，设备中的

39、电路采用正逻辑设备中的电路采用正逻辑，而而BUS采用负逻辑采用负逻辑。24 所有参与本次竞争的各主设备所有参与本次竞争的各主设备(本例中共本例中共8个个)将设备竞争号将设备竞争号CN取反后打到仲裁总线取反后打到仲裁总线AB上，以实现上，以实现“线或线或”逻辑。逻辑。AB线低电平时线低电平时表示至少有一个主设备的表示至少有一个主设备的CNi为为1，AB线高电平时表示所有主设备线高电平时表示所有主设备的的CNi为为0。 竞争时竞争时CN与与AB逐位比较，从最高位逐位比较，从最高位(b7)至最低位至最低位(b0)以一维菊以一维菊花链方式进行，只有上一位竞争得胜者花链方式进行，只有上一位竞争得胜者Wi

40、+1位为位为1。当。当CNi=1，或，或CNi=0且且ABi为高电平时，才使为高电平时，才使Wi位为位为1位为位为1。若。若Wi+1位位=0时，将一时，将一直向下传递，使其竞争号后面的低位不能送上直向下传递，使其竞争号后面的低位不能送上AB线。线。 竞争不到的设备自动撤除其竞争号。在竞争期间，由于竞争不到的设备自动撤除其竞争号。在竞争期间，由于w位输位输入的作用，各设备在其内部的入的作用，各设备在其内部的CN线上保留其竞争号并不破坏线上保留其竞争号并不破坏AB线线上的信息。上的信息。 由于参加竞争的各设备速度不一致，这个比较过程反复由于参加竞争的各设备速度不一致，这个比较过程反复(自动自动)进

41、行，才有最后稳定的结果。竞争期的时间要足够，保证最慢的设进行，才有最后稳定的结果。竞争期的时间要足够，保证最慢的设备也能参与竞争。备也能参与竞争。 设设BUS上同时有两台设备请求使用上同时有两台设备请求使用BUS，它们的仲裁号分别是，它们的仲裁号分别是00000101， 00001010对裁决逻辑电路进行分析，可以得出表所示的对裁决逻辑电路进行分析，可以得出表所示的结果。结果。 25并行竞争裁决逻辑举例分析结果并行竞争裁决逻辑举例分析结果 裁决号裁决号1 裁决号裁决号2 裁决线电平裁决线电平裁决线逻辑裁决线逻辑CNABCNAB0高高0高高高高00高高0高高高高00高高0高高高高00高高1低低低

42、低11高高0高高高高00高高1低低低低11高高0高高高高0 这种方式与自举分布式裁决算法相比，可以用较少裁决线挂接大这种方式与自举分布式裁决算法相比，可以用较少裁决线挂接大量的设备量的设备。例如，假定仲裁线为。例如，假定仲裁线为8根，对于自举分布式裁决只有根，对于自举分布式裁决只有8 个个优先级，而对于并行竞争裁决方式可有优先级，而对于并行竞争裁决方式可有256个优先级，仲裁号为个优先级，仲裁号为255的设备优先级最高，仲裁号为的设备优先级最高，仲裁号为0的最低。的最低。Futurebus+bus标准使用这标准使用这种方案。种方案。 定时方式定时方式 总线定时方法是指为了协调总线上发生的事件所

43、采用的方法。总总线定时方法是指为了协调总线上发生的事件所采用的方法。总线上发生的事件是指那些为了使用总线传输信息，总线所做的各种线上发生的事件是指那些为了使用总线传输信息，总线所做的各种26必要的动作。必要的动作。 所谓方波信号所谓方波信号是指高、低电平具有相同持续时间的脉冲信号。从是指高、低电平具有相同持续时间的脉冲信号。从一个高电平有效开始到接下来的低电平结束一个高电平有效开始到接下来的低电平结束(即一个脉冲周期即一个脉冲周期)，在，在这里称为一个时钟周期，它定义了一个最基本的总线操作的时间单这里称为一个时钟周期，它定义了一个最基本的总线操作的时间单位。位。 BUS通信方式有四种通信方式有

44、四种：同步协议、异步协议、半同步协议和分离：同步协议、异步协议、半同步协议和分离事务协议。事务协议。 同步协议同步协议 从一个高电平有效开始到接下来的低电平结束从一个高电平有效开始到接下来的低电平结束(即一个脉冲周期即一个脉冲周期)，在这里称为一个时钟周期，它定义了一个最基本的总线操作的时在这里称为一个时钟周期，它定义了一个最基本的总线操作的时间单位。间单位。 线定义了等间隔的时间段，这个固定的时间线定义了等间隔的时间段，这个固定的时间段为一个时钟周期，也称段为一个时钟周期，也称BUS周期周期。该。该Clock信号有一个固定的通信号有一个固定的通信协议。例如，对于信协议。例如，对于PE- -M

45、M总线，如果执行总线，如果执行MEMR和和MEMW操操作，那么就会有如图作，那么就会有如图7.6所示的同步方式下具备读和写操作的协议。所示的同步方式下具备读和写操作的协议。27 异步协议异步协议 在采用异步定时的方法中，总线上一个事件的动作发生与否，依在采用异步定时的方法中，总线上一个事件的动作发生与否，依赖于前一个事件动作的执行情况。赖于前一个事件动作的执行情况。 一个异步一个异步BUS是非时钟定时的。是非时钟定时的。因此，一个异步因此，一个异步BUS能够连接带宽范围很大的各种设备能够连接带宽范围很大的各种设备。28 BUS加长时不必担心时钟偏移或同步问题。为了协调在发送和接加长时不必担心时

46、钟偏移或同步问题。为了协调在发送和接收两者之间的数据传送，一个异步收两者之间的数据传送，一个异步BUS必须使用一个握手协议。必须使用一个握手协议。 以一个设备从以一个设备从MM读取一个字为例，读取一个字为例，假定有以下三个控制线假定有以下三个控制线： ReadReq Ready Ack 下图为异步通信协议示意图下图为异步通信协议示意图3629 根据握手信号的相互作用方式，异步通信有根据握手信号的相互作用方式，异步通信有非互锁、半互锁和全非互锁、半互锁和全互锁互锁三种的可能方式，如下图所示三种的可能方式，如下图所示 非互锁非互锁 半互锁半互锁 全互锁全互锁 图图7-7 为异步方式下的读总线周期异

47、步方式下的读总线周期 30图图7-8为异步方式下的写总线周期为异步方式下的写总线周期 同步定时方式的优点同步定时方式的优点是系统中各个连接到总线的模块的控制电路是系统中各个连接到总线的模块的控制电路的实现和测试都比较简单。的实现和测试都比较简单。 缺点缺点是与异步定时方式相比，操作定时不够灵活。因为连到同步是与异步定时方式相比，操作定时不够灵活。因为连到同步总线上的所有设备都受到固定的时钟频率的约束，这意味着所有设总线上的所有设备都受到固定的时钟频率的约束，这意味着所有设备只能在同一速率下运行，性能较高的高速设备不能发挥其速度优备只能在同一速率下运行，性能较高的高速设备不能发挥其速度优势，从而

48、不能给系统带来性能提升。势，从而不能给系统带来性能提升。 31 异步定时方式优点异步定时方式优点无论是快速设备还是慢速设备，也无论是新设无论是快速设备还是慢速设备，也无论是新设备还是旧设备，它们都能比较容易地连接到总线上，通过总线实现备还是旧设备，它们都能比较容易地连接到总线上，通过总线实现它们之间的数据交换。它们之间的数据交换。 缺点缺点是控制电路实现起来较为复杂，代价也比较高。同时，由于是控制电路实现起来较为复杂，代价也比较高。同时，由于每次发送和接收数据都需要在总线的主、从设备之间多次交换信息每次发送和接收数据都需要在总线的主、从设备之间多次交换信息，所以数据传输效率较低。，所以数据传输

49、效率较低。 半同步协议方式半同步协议方式 异步通信方式的缺点异步通信方式的缺点是对噪声较敏感是对噪声较敏感。为解决这个问题，。为解决这个问题，一般在一般在异步异步BUS中引入时钟信号，就绪和应答等信号均在时钟的上升沿有中引入时钟信号，就绪和应答等信号均在时钟的上升沿有效效，这样信号的有效时间仅限于时钟到达的时刻，而不受其他时间，这样信号的有效时间仅限于时钟到达的时刻，而不受其他时间的信号干扰的信号干扰。这种所有事件都有由时钟定时，但信息的交换由就绪。这种所有事件都有由时钟定时，但信息的交换由就绪和应答等信号控制的通信方式称为和应答等信号控制的通信方式称为半同步通信方式半同步通信方式。图。图7.

50、9给出半同给出半同步通信协议示意图。步通信协议示意图。32 分离事务协议方式分离事务协议方式 当有多个当有多个BUS主控设备在主控设备在BUS上存在时，上存在时，增加有效增加有效BUS带宽的另带宽的另一个方法是在一个方法是在BUS事务执行过程中，如果不需要使用事务执行过程中，如果不需要使用BUS时，立即时，立即释放释放BUS，在其他，在其他 设备获得设备获得BUS进行数据传输的同时，进行数据传输的同时，原来释放原来释放BUS的事务的事务做数据准备做数据准备等非等非BUS数据传输的操作数据传输的操作。33 分离事务协议是将一个传输操作事务过程分为分离事务协议是将一个传输操作事务过程分为两个子过程

51、两个子过程： 主控设备主控设备A在获得在获得BUS使用权后，将请求事务类型使用权后，将请求事务类型(即即BUS命令命令)、地址以及其他有关信息地址以及其他有关信息(如标识主控设备身份的编号等如标识主控设备身份的编号等)发送到发送到BUS上，从设备上，从设备B记录下这些信息。主控设备在很短的时间内发送完这记录下这些信息。主控设备在很短的时间内发送完这些信息后，立即释放些信息后，立即释放BUS，其他设备便可使用，其他设备便可使用BUS。 从设备收到主控设备从设备收到主控设备A发来的信息后，就按照其请求的命令进发来的信息后，就按照其请求的命令进行相应的操作，当准备好设备行相应的操作，当准备好设备A所

52、需的数据后，设备所需的数据后，设备B便申请使用便申请使用BUS，一旦获得使用权后，则设备，一旦获得使用权后，则设备B就将设备就将设备A的编号及所需的数的编号及所需的数据等送据等送BUS上，这样设备上，这样设备A便可接收数据。便可接收数据。 下图给出了分离事务下图给出了分离事务BUS的定时示意图。的定时示意图。 34 分离通信方式的优点：分离通信方式的优点：通过在不传送数据期间释放通过在不传送数据期间释放BUS，使得其，使得其他申请者能使用他申请者能使用BUS，实现一个，实现一个BUS为多个主从设备间进行交叉并为多个主从设备间进行交叉并行式的信息传送，改进了整个系统的有效带宽。行式的信息传送，改

53、进了整个系统的有效带宽。 不足之处不足之处：可能会增加完成一个事务时间。：可能会增加完成一个事务时间。35 对于对于MM读操作，分离事务协议可按下述步骤进行读操作，分离事务协议可按下述步骤进行： BUS主控设备向主控设备向MM发出信号，送出地址和请求类型。发出信号，送出地址和请求类型。 当当MM回答完请求后，回答完请求后，BUS主控设备释放所有控制权。主控设备释放所有控制权。 MM访问开始，访问开始，BUS被释放为空闲，以便在被释放为空闲，以便在MM访问期间向访问期间向其他其他BUS主控设备能使用主控设备能使用BUS。 MM向主控设备发信号表示数据已经可用。向主控设备发信号表示数据已经可用。

54、主控设备通过主控设备通过BUS接收数据，并向接收数据，并向MM指示它已获得数据，指示它已获得数据，MM可以从可以从BUS上撤消信息。上撤消信息。 BUS带宽带宽 一般情况下同步一般情况下同步BUS比异步比异步BUS快。快。 设同步时钟周期为设同步时钟周期为50ns，每次，每次BUS传输花传输花1个时钟周期个时钟周期;异步异步BUS每次握手需要每次握手需要40ns，两种，两种BUS数据都是数据都是32位宽，存储器的存储周期位宽，存储器的存储周期为为200ns，则，则 同步同步BUS所需的步骤和时间：所需的步骤和时间： 发送地址和读命令到发送地址和读命令到MM：50ns。 MM读数据：读数据：20

55、0ns。 传送数据到设备：传送数据到设备：50ns。 所花总时间为所花总时间为300ns，即带宽，即带宽4B/300ns=13.3MB/s。 36 异步异步BUS所需的步骤和时间：所需的步骤和时间： 由由异步通信协议异步通信协议可知，异步可知，异步BUS通信需要通信需要7步。步。 第步第步 ：40ns。 第步和存储器访问时间重叠，故所花时间：第步和存储器访问时间重叠，故所花时间： max(3 40ns，200ns)=200ns。 第步为握手时间：第步为握手时间：3 40ns=120ns。 所花总时间为所花总时间为40+200+120=360ns，即带宽，即带宽=4B/360ns = 11.1M

56、B/s。 显然同步显然同步BUS比异步比异步BUS快。快。 异步异步BUS比同步比同步BUS能更好地适应技术改变，支持更大范围内的能更好地适应技术改变，支持更大范围内的响应速度。大多数响应速度。大多数I/O BUS采用异步通信。采用异步通信。 数据传输类型数据传输类型 总线上的一次数据传输包括两个阶段总线上的一次数据传输包括两个阶段：地址、命令阶段和数据传：地址、命令阶段和数据传输阶段。输阶段。 图图7- -9所示为通常总线所支持的各种数据传输类型。所示为通常总线所支持的各种数据传输类型。 实际上所有的总线都会支持两个最基本的总线操作实际上所有的总线都会支持两个最基本的总线操作：读操作：读操作

57、(总总线的从设备发送数据到主控设备线的从设备发送数据到主控设备)和写操作和写操作(总线的主控设备发送数总线的主控设备发送数据到从设备据到从设备)。 数据传输类型数据传输类型就是指读写操作在各种类型总线上的各种实现方就是指读写操作在各种类型总线上的各种实现方法。法。 37 地址和数据分时复用总线方式地址和数据分时复用总线方式 专用信号线方式专用信号线方式 一些总线还支持某些联合操作一些总线还支持某些联合操作。例如，读一修改一写操作就是在。例如，读一修改一写操作就是在读操作之后对同一单元立即实施写操作，这样数据单元的地址只需读操作之后对同一单元立即实施写操作，这样数据单元的地址只需在操作开始时发送

58、一次即可，且整个操作是不间断地连续执行的，在操作开始时发送一次即可，且整个操作是不间断地连续执行的，38这样可以防止其他潜在的总线主控设备这样可以防止其他潜在的总线主控设备(如其他处理机如其他处理机)在操作执行在操作执行期间对目标数据单元的访问。这样做的主要目的是在多道程序执行期间对目标数据单元的访问。这样做的主要目的是在多道程序执行的环境下，确保保存在共享存储资源中的数据的一致性。的环境下，确保保存在共享存储资源中的数据的一致性。 写后读操作也是一个不可分割的连续操作。写后读操作也是一个不可分割的连续操作。 有些总线还支持数据块传输方式有些总线还支持数据块传输方式(burst mode)，也

59、称为连续数据，也称为连续数据传输方式、突发传输方式、突发(猝发或迸发猝发或迸发)数据传输方式或成组数据传输方式。数据传输方式或成组数据传输方式。在这种情形下，在一个地址、命令阶段后，或者说给出了第一个数在这种情形下，在一个地址、命令阶段后，或者说给出了第一个数据所在存储单元的地址之后，可以有多个数据传送操作，即可以读据所在存储单元的地址之后，可以有多个数据传送操作，即可以读写连续的多个数据单元。写连续的多个数据单元。 7.3.2 总线的实现总线的实现 目前广泛采用两种方案来解决上述问题，即集电极开路与非门目前广泛采用两种方案来解决上述问题，即集电极开路与非门(OC门门)电路和三态门电路。电路和

60、三态门电路。 采用集电极开路与非门电路实现总线采用集电极开路与非门电路实现总线 图图7-10采用集电极采用集电极开路门构造的总线开路门构造的总线 在图在图7-10所示的例子中，两个所示的例子中，两个OC门的输出连门的输出连接到一起形成输出信号接到一起形成输出信号F，它们的逻辑关系为，它们的逻辑关系为F=S1X1S2X2或或F=S1X1+S2X2。39 采用三态门电路实现总线采用三态门电路实现总线 目前计算机系统在总线的物理实现上，主要采用三态门电路和传目前计算机系统在总线的物理实现上，主要采用三态门电路和传输线来进行构造。输线来进行构造。 图图7- -11给出了使用三态门电路实现的给出了使用三