第三章系统总线

1、第章第章 系统总线系统总线3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 3.2 总线的分类总线的分类3.3 3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 3.4 总线结构总线结构3.5 3.5 总线控制总线控制 总线总线是计算机系统中的一组能为多个部件是计算机系统中的一组能为多个部件分时分时共享共享的公共信息传输通路的公共信息传输通路 在微机中各个部件通过标准总线连接在一起，在微机中各个部件通过标准总线连接在一起，给微型计算机系统的开发及应用带来方便和好处：给微型计算机系统的开发及应用带来方便和好处：（1 1）简化了软件和硬件的设计）简化了软件和硬件的设计（2 2）简化了系统的结构

2、）简化了系统的结构（3 3）便于系统的扩充和更新）便于系统的扩充和更新 （1 1）按作用、规模、应用场合分）按作用、规模、应用场合分：（2 2）按时序控制方式分：）按时序控制方式分：同步总线同步总线异步总线异步总线（3 3）按数据传送格式分：）按数据传送格式分：并行总线并行总线串行总线串行总线局部总线（片总线局部总线（片总线/ /板内总线）板内总线）: :部件内各芯片之间。部件内各芯片之间。系统总线（内总线系统总线（内总线/ /板级总线）：各功能部件之间。板级总线）：各功能部件之间。通信总线（外总线通信总线（外总线/ /设备总线）：计算机系统之间。设备总线）：计算机系统之间。1 1、机械结构特

3、性、机械结构特性2 2、功能特性、功能特性规定插件板尺寸、总线插头、规定插件板尺寸、总线插头、边沿连结器等的规格及位置边沿连结器等的规格及位置确定引脚名称与功能，以及其确定引脚名称与功能，以及其相互作用的协议说明相互作用的协议说明3 3、电气特性、电气特性规定信号逻辑电平、动态转换规定信号逻辑电平、动态转换时间、负载能力及最大额定值时间、负载能力及最大额定值总线宽度总线宽度：数据总线的根数。数据总线的根数。1616位总线，指其数据总线为位总线，指其数据总线为1616根。根。寻址能力寻址能力：取决于地址总线的根数。取决于地址总线的根数。PCIPCI总线的地址总线为总线的地址总线为3232位，寻址

4、能力达位，寻址能力达4GB4GB。传输率传输率：也称为总线带宽也称为总线带宽，通常指总线所能达到的，通常指总线所能达到的最高数据传输率，单位是最高数据传输率，单位是BpsBps（每秒传送字节数）（每秒传送字节数）计算公式：计算公式：Dr=DDr=Df f /N/NDD数据宽度；数据宽度；f f总线时钟频率；总线时钟频率；NN完成一次数据传送所需的时钟周期数。完成一次数据传送所需的时钟周期数。是否支持突发传送是否支持突发传送总线上数据传送方式：总线上数据传送方式：正常传送正常传送每个传送周期先传送数据的地每个传送周期先传送数据的地址，再传送数据。址，再传送数据。突发传送突发传送支持成块连续数据的

5、传送，只需支持成块连续数据的传送，只需给出数据块的首地址，后续数据地址自动生给出数据块的首地址，后续数据地址自动生成。成。负载能力负载能力总线上能够连接的设备数。总线上能够连接的设备数。总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽ISA168 MHz（独立）（独立）16 MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3233 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）66 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps53

6、3 MBpsRS-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0)三、三、 总线标准总线标准 3.4 3.4 总线结构总线结构一、单总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线） CPUCPU 主存主存 I/OI/O接口接口 I/OI/O 设备设备1 1 I/OI/O

7、 设备设备2 2 I/OI/O接口接口 I/OI/O 设备设备n n I/OI/O接口接口1. 1. 双总线结构双总线结构二、多总线结构二、多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/OI/O接口接口 设备设备n n I/OI/O接口接口 设备设备0 0 CPUCPU主存主存主存总线主存总线I/OI/O总线总线CPU内存内存2. 2. 三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMADMA总线总线I/OI/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3. 3. 三总线结构的又一

8、形式三总线结构的又一形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCPUCacheCache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ModemModem串行接口串行接口SCSISCSI局部局部I/OI/O控制器控制器 主存主存4. 4. 四总线结构四总线结构多媒体多媒体 Modem Modem主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSISCSICPUCPU串行接口串行接口FAXFAX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/Cache/桥桥图形图形ModemModem1. 1. 传统微型机总线结构传统微型机总线结构三、总线结构举例三、总

9、线结构举例SCSI SCSI 控制器控制器存储器存储器ISA、EISA 8 MHz的的16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 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线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 CPU ModemModemModem2. VL-BUS2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构图文传真图文传真33 MHz33 MHz的的3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISAISA、EISAEISA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8 MHz8 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

10、控制器CPUCPU主存控制器主存控制器局部总线局部总线 控制器控制器 SCSISCSI控制器控制器VL BUSVL BUS odem odemModemModem3. PCI 3. PCI 总线结构总线结构CPUCPU多媒体多媒体PCI PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形图文传真图文传真PCI PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz33 MHz的的3232位数据通路位数据通路8 MHz8 MHz的的1616位数据通路位数据通路ISAISA、EISAEISA标准总线标准总线 控制器控制器 CSI CSI 控制控制器器存储器存储器 Modem Modem4. 4. 多层多层

11、 PCI PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器 桥桥0 0 桥桥4 4 PCI PCI设备设备 桥桥5 5总线桥总线桥 桥桥3 3 桥桥1 1设备设备 桥桥2 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 CPU CPU一般来说，总线上完成一次数据传输要经历一般来说，总线上完成一次数据传输要经历4 4个阶段：个阶段：1.1.申请占用总线阶段申请占用总线阶段需要使用总线的主设备需要使用总线的主设备( (如如CPUCPU或或DMA)DMA)，向总线仲裁机，向总

12、线仲裁机构提出占有总线控制权的申请。总线仲裁机构判别确定后，构提出占有总线控制权的申请。总线仲裁机构判别确定后，把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。2. 2. 寻址阶段寻址阶段获得总线控制权的主设备，通过地址总线发出本次打获得总线控制权的主设备，通过地址总线发出本次打算访问的从设备（如存储器或算访问的从设备（如存储器或I/OI/O接口）的地址。通过译接口）的地址。通过译码使被访问的从设备被选中，而开始启动工作。码使被访问的从设备被选中，而开始启动工作。 3.5 3.5 总线控制总线控制一一. .总线传输周期总线传输周期3. 3. 传数阶段传数

13、阶段主设备与从设备进行数据交换。数据由源设备发主设备与从设备进行数据交换。数据由源设备发出经数据总线流入目的设备。对于读传送，源设备是出经数据总线流入目的设备。对于读传送，源设备是存储器或存储器或I/OI/O接口等从设备，而目的设备是主设备如接口等从设备，而目的设备是主设备如CPUCPU等；对于写传送，则源设备是主设备（如等；对于写传送，则源设备是主设备（如CPUCPU），），而目的设备是存储器或而目的设备是存储器或I/OI/O接口等从设备。接口等从设备。4. 4. 结束阶段结束阶段主、从设备的有关信息均从总线上撤除，让出总主、从设备的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它设备能继续使用总

14、线。线，以便其它设备能继续使用总线。二、二、 总线判优控制总线判优控制总线同一时刻只允许在一对模块之间进总线同一时刻只允许在一对模块之间进行通信。当多个主模块同时要求使用总线时，行通信。当多个主模块同时要求使用总线时，总线控制机构中的判优和仲裁逻辑按一定的总线控制机构中的判优和仲裁逻辑按一定的判优原则，来决定由哪个模块判优原则，来决定由哪个模块优先使用总线优先使用总线。只有获得了总线使用权的模块，才能开始传只有获得了总线使用权的模块，才能开始传送数据。总线是多个模块的共享部件，为了送数据。总线是多个模块的共享部件，为了正确实现多个模块之间的通信，必须对总线正确实现多个模块之间的通信，必须对总线

15、资源进行合理的分配和管理。资源进行合理的分配和管理。1. 1. 链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件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BSBS 总线忙总线忙BRBR总线请求总线请求BGBG总线同意总线同意I/O接口接口1 0BSBS 总线忙总线忙BRBR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2. 2. 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排队器排队器排队器排队器3. 3. 独立请求方式独

16、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nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBGBG总线同意总线同意BRBR总线请求总线请求 三、总线通信三、总线通信 信息在总线上的传送方式可分为同步和异信息在总线上的传送方式可分为同步和异步两种方式步两种方式 1.1.同步通信。同步通信。在同步方式下，在同步方式下，通信双方由通信双方由统一的时钟控制数据的传送统一的时钟控制数据的传送，时钟通常是由，时钟通常是由CPUCPU发出的，并送到总线上的所有部件。经过一段发出的，并送到总线上的所有部件。经过一段固定时间，本次总线传送周期结束，开始下一固

17、定时间，本次总线传送周期结束，开始下一个新的总线传送周期。个新的总线传送周期。 (1) (1) 同步式数据输入同步式数据输入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(2) (2) 同步式数据输出同步式数据输出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 数据数据例例3.13.1 假设总线的时钟频率为假设总线的时钟频率为100MHZ100MHZ，总，总线的传输周期为线的传输周期为4 4个时钟周期，总线的宽个时钟周期，总线的宽度为度为3232位，试求总线的数据传输率。若位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍的数据传输率，可采

18、取什么想提高一倍的数据传输率，可采取什么措施？措施？1 1个时钟周期个时钟周期1/100MHZ=0.011/100MHZ=0.01s s总线传输周期为总线传输周期为0.010.01sX4sX40.040.04s s3232位位4Byte4Byte总线的数据传输率为总线的数据传输率为4Byte/(0.044Byte/(0.04s)=100Mbpss)=100Mbps提高的办法：提高的办法：1.641.64位位 2.200MHZ2.200MHZ2.2.异步通信异步通信 利用数据发送部件和接收部件之间的相互利用数据发送部件和接收部件之间的相互握手握手信号来实现总线数据传送的方式称作信号来实现总线数据

19、传送的方式称作异步通信方式。异步通信方式。 在异步通信方式下，发送部件将数据放到在异步通信方式下，发送部件将数据放到总线上后经过一定的时间延迟后，在控制线上总线上后经过一定的时间延迟后，在控制线上发出发出“数据准备好数据准备好信号、而接收部件则应发信号、而接收部件则应发数据接收数据接收信号来响应，送此信号到发送部信号来响应，送此信号到发送部件，并接收数据。发送部件收到这个响应信号件，并接收数据。发送部件收到这个响应信号后，去除原数据至此结束本次传送。后，去除原数据至此结束本次传送。 异步通信方式便于实现不同速度部件之间异步通信方式便于实现不同速度部件之间的数据传送。的数据传送。 不互锁不互锁单

20、机单机不互锁方式不互锁方式主模块发出请求信号后，不等主模块发出请求信号后，不等待接到从模块的回答信号，而待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间。确认从模块是经过一段时间。确认从模块已收到请求信号后，便撤消其已收到请求信号后，便撤消其请求信号；从设备接到请求信请求信号；从设备接到请求信号后，在条件允许时发出回答号后，在条件允许时发出回答信号，并且经过一段时间，确信号，并且经过一段时间，确认主设备已收到回答信号后，认主设备已收到回答信号后，自动撤消回答信号。可见通信自动撤消回答信号。可见通信双方并无互锁关系。双方并无互锁关系。请请求求回回答答主设备主设备从设备从设备半互锁半互锁多机多机请请求求回

21、回答答半互锁方式半互锁方式主模块发出请求信号，待接主模块发出请求信号，待接到从模块的回答信号后再撤到从模块的回答信号后再撤消其请求信号，存在着简单消其请求信号，存在着简单的互锁关系：而从模块发出的互锁关系：而从模块发出回答信号后，不等待主模块回答信号后，不等待主模块回答，在一段时间后便撤消回答，在一段时间后便撤消其回答信号，无互锁关系。其回答信号，无互锁关系。故称半互锁方式。故称半互锁方式。请请求求回回答答全互锁方式全互锁方式主模块发出请求信号，等待主模块发出请求信号，等待从模块回答后再撤其请求信从模块回答后再撤其请求信号；从模块发出回答信号，号；从模块发出回答信号，待主模块获知后，再撤消其待

22、主模块获知后，再撤消其回答信号。故称全互锁方式。回答信号。故称全互锁方式。全互锁全互锁网络通信网络通信 异步通信数据格式例例3.23.2 在异步串行传输系统中，假设每秒在异步串行传输系统中，假设每秒传输传输120120个数据帧，其字符格式规定包含个数据帧，其字符格式规定包含1 1个起始位、个起始位、7 7个数据位、个数据位、1 1个奇校验位、个奇校验位、1 1个终止位，试计算波特率个终止位，试计算波特率1 1帧帧1 17 71 11 11010位位波特率波特率10X12010X1201200pbs=12001200pbs=1200波特波特例：画图说明用异步串行传输方式发送十例：画图说明用异步串

23、行传输方式发送十六进制数据六进制数据95H95H。要求字符格式为：。要求字符格式为：1 1位位起始位、起始位、8 8位数据位、位数据位、1 1位偶校验位，位偶校验位，1 1位位终止位。终止位。95H=1001010195H=10010101 偶校验位为偶校验位为0 0起起始始位位校校验验位位停停止止位位 1 0 1 0 1 0 0 1例例3.43.4 在异步串行传输系统中，若字符格在异步串行传输系统中，若字符格式为：式为：1 1位起始位、位起始位、8 8位数据位、位数据位、1 1位奇校位奇校验位、验位、1 1位终止位。假设波特率为位终止位。假设波特率为1200bps,1200bps,求这时的比特率。求这时的比特率。1200X1200X（8/11)=872.72bps8/11)=872.72bps3. 3. 半同步通信半同步通信同步同步 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（同步同步、异步异步 结合）结合）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