第04讲——第3章 系统总线(3.4-3.5)

1、第第04讲讲第第3章章 系统总线（系统总线（3.4-3.5）主讲人：李淑芝主讲人：李淑芝3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 总线的分类总线的分类3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制本课本课学习学习让学生对系统总线在计让学生对系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用有所算机硬件结构中的地位和作用有所了解，掌握总线判优、仲裁、总线了解，掌握总线判优、仲裁、总线定时、总线数据传送模式定时、总线数据传送模式 。 判优控制和通信控制判优控制和通信控制 。总线的判优控制总线的判优控制 。l计算机五大组成部件靠总线连接起来计算机五大组成部件靠总线

2、连接起来后，看不见、摸不着的各类信息是怎后，看不见、摸不着的各类信息是怎么样么样“各行其道各行其道”的呢？的呢？ l计算机中数据、地址、控制等信息流计算机中数据、地址、控制等信息流在总线上传输时如何保证不在总线上传输时如何保证不“碰撞碰撞”、“不拥塞不拥塞”（如高速公路多车道、各（如高速公路多车道、各走各道、单向车道、双向车道等例子）走各道、单向车道、双向车道等例子）呢？呢？ （1）单总线结构）单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线） CPU M.M I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2 I/O接口接口 外部外部 设备设备n I/O接口接口特点：结构简单、便于扩特点

3、：结构简单、便于扩充，所有传送都通过这组充，所有传送都通过这组共享总线，容易形成计算共享总线，容易形成计算机系统的瓶颈，多被小型机系统的瓶颈，多被小型机或微型机所采用。机或微型机所采用。u双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器具有特殊功能的处理器由通道对由通道对I/O统一管理统一管理通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存主存总线主存总线I/O总线总线 （2）多总线结构）多总线结构特点：将速度较低的特点：将速度较低的I/O设设备从单总线上分离出来，备从单总线上分离出来，形成主存总线与形成主存总线与I/O总线分总线分开的结构。这种结构大多开的结构。这种结

4、构大多用于大中型计算机系统。用于大中型计算机系统。 主存总线主存总线DMADMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口 （2）多总线结构）多总线结构u三总线结构三总线结构特点：主存总线用于特点：主存总线用于CPU与主与主存之间的传输；存之间的传输；I/O总线供总线供CPU与各类与各类I/O设备之间传递设备之间传递信息；信息；DMA总线用于高速总线用于高速I/O设备与主存之间交换信息。这设备与主存之间交换信息。这种三总线结构中，任一时刻只种三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。能使用一种总线。 局域网局域网系统总线

5、系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存 （2）多总线结构）多总线结构u三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSI多媒体多媒体CPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥 （2）多总线结构）多总线结构u四总线结构四总线结构特点：增加了一条与计算特点：增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总机系统紧密相连的高速总线，对于高性能设备与线，对于高性能设备与

6、CPU来说，各自的效率将来说，各自的效率将获得更大的提高。获得更大的提高。 存储器存储器SCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16 6位数据通路位数据通路标准总线控制器标准总线控制器33 MHz3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线调制解调器调制解调器多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU （3）总线结构举例）总线结构举例u传统微型机总线结构传统微型机总线结构uVL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA EISA多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器

7、调制解调器图文传真图文传真8 MHz的的1616位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存储器存储器局部总线局部总线 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUSuPCI 总线结构总线结构CPU多媒体多媒体PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz的的32位数据通路位数据通路8 MHz的的16位数据通路位数据通路ISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存储器存储器u多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器桥桥0桥桥4

8、 PCI设备设备桥桥5总线桥总线桥桥桥3桥桥1设备设备桥桥2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCI总线总线4PCI总线总线5PCI总线总线3PCI总线总线1PCI总线总线0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPU3.5.1 总线判优控制总线判优控制l 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式l 主设备主设备(模块模块) 对总线有对总线有 控制权控制权l 从设备从设备(模块模块) 响应响应 从主设备发来的总线命令从主设备发来的总线命令（1）基本概念基本概念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（2）链式查询方式）链式查询方式总总线线控控制

9、制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG-总线同意总线同意I/O接口接口1特点：只需很少几根线就特点：只需很少几根线就能按一定优先次序实现总能按一定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏设备，但对电路故障很敏感，且优先级别低的设备感，且优先级别低的设备可能很难获得请求。可能很难获得请求。 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址（3

10、）计数器定时查询方式）计数器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1特点：计数可以从特点：计数可以从“0”开开始，设备的优先级就按始，设备的优先级就按0，1，2，n顺序降序排列；顺序降序排列；计数也可以从上次计数的计数也可以从上次计数的终止点开始，此时优先级终止点开始，此时优先级相等；计数器的初始值还相等；计数器的初始值还可由程序设置，故优先次可由程序设置，故优先次序可以改变。这种方式对序可以改变。这种方式对电路故障不如链式查询方电路故障不如链式查询方式敏感，但增加了控制线式敏感，但增加了控制线数，控制也较复杂。数，控制也较复杂。 排队器排队器排队器排队器（4）独立请求方

11、式）独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求特点：响应速度快，优先特点：响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序次序控制灵活（通过程序改变），但控制线数量很改变），但控制线数量很多，总线控制更复杂。多，总线控制更复杂。 （1）目的）目的（2）总线传输周期）总线传输周期主模块申请主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤销有关信息撤销

12、有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方协调配合协调配合问题问题3.5.2 总线通信控制总线通信控制众多部件共享总线，在争众多部件共享总线，在争夺总线使用权时，应按各夺总线使用权时，应按各部件的优先等级分时占用部件的优先等级分时占用总线。总线。 由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每瞬间总线每瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 （3）总线通信的四种方式）总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式，没有公共时钟标准，没有

13、公共时钟标准同步、异步结合同步、异步结合u同步通信方式同步通信方式数据输入数据输入T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 读读命令命令 数据数据（3）总线通信的四种方式）总线通信的四种方式T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令 数据数据u同步通信方式同步通信方式数据输出数据输出（3）总线通信的四种方式）总线通信的四种方式优点：优点：规定明确、统一，规定明确、统一，模块间的配合简单一致。模块间的配合简单一致。缺点：缺点：主、从模块间时间主、从模块间时间配合属于强制性配合属于强制性“同步同步”，必须在限定时间内完成规必须在限定时间内完成规定

14、的要求。定的要求。同步通信一般用于总线长同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间度较短、各部件存取时间比较一致的场合。比较一致的场合。问题问题1 1：为什么在同步通信：为什么在同步通信的总线系统中，总线传输的总线系统中，总线传输周期越短，数据线的位数周期越短，数据线的位数越多，越直接影响总线的越多，越直接影响总线的数据传输率？数据传输率？ 一倍数据传输率，可以在不改变总线时钟频一倍数据传输率，可以在不改变总线时钟频率的前提下，将数据线的宽度改为率的前提下，将数据线的宽度改为64位，或数据宽度位，或数据宽度不变，但使总线的时钟频率增加到不变，但使总线的时钟频率增加到200M不互锁不互锁半互锁

15、半互锁全互锁全互锁主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答u异步通信方式异步通信方式（3）总线通信的四种方式）总线通信的四种方式特点：特点：异步通信克服了同异步通信克服了同步通信的缺点，允许各模步通信的缺点，允许各模块速度的不一致性，它没块速度的不一致性，它没有公共的时钟标准，采用有公共的时钟标准，采用应答方式（握手方式）。应答方式（握手方式）。应答方式又可分为：应答方式又可分为：不互不互锁、半互锁和全互锁三种锁、半互锁和全互锁三种类型。类型。 如如CPU向向主存写入主存写入如多机系如多机系统的访存统的访存如网络通如网络通信中信中u异步通信方式异步通信方式（3）总线通信的四种方式）总线通信的四

16、种方式问题问题2 2：比特率：比特率与波特率有什与波特率有什么区别？么区别？ 在系统总线的数据线上，不可能传输的是：在系统总线的数据线上，不可能传输的是：A指令指令 B操作数操作数 C握手（应答）信号握手（应答）信号 D中断类型号中断类型号 l答案：答案：Cl解析：握手（应答）信号在通信总线上传解析：握手（应答）信号在通信总线上传输输同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAITu半同步

17、通信方式（同步、异步结合）半同步通信方式（同步、异步结合）（3）总线通信的四种方式）总线通信的四种方式T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模块提供数据T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAITTw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAITu半同步通信方式半同步通信方式以输入数据为例以输入数据为例（3）总线通信的四种方式）总线通信的四种方式一个总线传输周期（以输入数据为例）一个总线传输周期（以输入数据为例） 主模块发地址主模块发地址 、命令、命令

18、 从模块准备数据从模块准备数据 从模块向主模块发数据从模块向主模块发数据总线空闲总线空闲占用总线占用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线充分挖掘系统总线每瞬间的潜力充分挖掘系统总线每瞬间的潜力主模块主模块 申请申请 占用总线占用总线，使用完后，使用完后即即 放弃总线放弃总线 的使用权的使用权从模块从模块 申请申请 占用总线占用总线，将各种信，将各种信息送至总线上息送至总线上一个总线传输周期一个总线传输周期子周期子周期1子周期子周期2主模块主模块u分离式通信方式分离式通信方式（3）总线通信的四种方式）总线通信的四种方式l各模块有权申请占用总线各模块有权申请占用总线这种方式充分发挥了总线的有效占用，这种方式充分发挥了总线的有效占用，对大型计算机系统极为重要。对大型计算机系统极为重要。l采用同步方式通信，不等对方回答采用同步方式通信，不等对方回答l各模块准备数据时，不占用总线各模块准备数据时，不占用总线l总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲1. PCI总线采用总线采用A._仲裁方式，每一个仲裁方式，每一个PCI设备都有独立的总线请求和总线授权两条信设备都有独立的总线请求和总线授权两条信号线与号线与B._