第3章系统总线

1、2009年2月6日第3章 系统总线计算机计算机I/OI/O系统总线系统总线存储器存储器CPUCPU为什么要用总线为什么要用总线?系统互联n分散连接分散连接n内部连线十分复杂，布内部连线十分复杂，布线困难线困难n扩展性差扩展性差n效率高效率高n总线连接总线连接n简洁、简洁、成本低成本低n扩展性好、灵活扩展性好、灵活n共享竞争共享竞争n19701970年年DECDEC公司公司PDP-11PDP-11小型计算机首次采用总小型计算机首次采用总线技术线技术processormemoryI/O Interface（adapter）I/O Interface（adapter）I/O deviceI/O de

2、vice主机 存储器 运算器运算器 控制器 输入设备输出设备3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念1 1、什么是总线、什么是总线2 2、总线上信息的传送总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线总线是连接各个部件的信息传输线是是 各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介质串行串行并行并行总线n定义：是连接多个部件的传输线定义：是连接多个部件的传输线n总线的关键特征是共享传输线。总线的关键特征是共享传输线。n总线的两个特点：总线的两个特点：n任意时刻只能有一个设备向总线发送信息任意时刻只能有一个设备向总线发送信息n系统瓶颈系统瓶颈n多个部件可以同时从总线接受相同的信息多个部件可以同时

3、从总线接受相同的信息n广播式广播式processormemoryI/O Interface（adapter）I/O Interface（adapter）I/O deviceI/O device主机3.2 3.2 总线的分类总线的分类1.1.片内总线片内总线2.2.系统总线系统总线芯片内部芯片内部 的总线的总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、 I/OI/O地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许

4、、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求总线分类按位置n片内总线片内总线n是指芯片内部的总线。是指芯片内部的总线。n如在如在CPUCPU芯片内部，寄存器和芯片内部，寄存器和寄存器之间、寄存器和算逻单寄存器之间、寄存器和算逻单元元ALUALU之间都有总线连接。之间都有总线连接。n系统总线系统总线n是指是指CPUCPU、主存、主存、I/OI/O（通过（通过I/OI/O接口）各大部件之间的信接口）各大部件之间的信息传输线。息传输线。n又叫板级总线和板间总线又叫板级总线和板间总线n如如ISAISA、PCIPCI等。等。n通信总线（通信总线（I/OI/O总线）总线）n是指计算机系

5、统之间或计算机是指计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表系统与其他系统（如控制仪表等）之间的通信传输线。等）之间的通信传输线。nIDEIDE、SCSISCSI、USBUSB、RSRS232232processormemoryI/O Interface（adapter）I/O Interface（adapter）I/O deviceI/O device主机片内总线系统总线通信总线通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式 用于用于 计算机系统之间计算机系统之间 或或 计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）（如控制仪表、移

6、动通信等）之间的通信之间的通信总线分类按功能n数据总线（DB）n双向，宽度差别n地址总线（AB）n单向，宽度与寻址空间有关n控制总线（CB）n命令和状态总线也包括电源线和地线！总线也包括电源线和地线！数据总线n数据总线上传送数据信息，数据总线是双向的。数据总线上传送数据信息，数据总线是双向的。n数据总线的条数称为数据总线的条数称为数据总线宽度数据总线宽度。比如，。比如，1616位总线，指其位总线，指其数据总线为数据总线为1616根。根。n数据总线是数据总线是三态三态的，未被地址信号选中的部件，不驱动数据的，未被地址信号选中的部件，不驱动数据总线（其数据引脚为高阻）。总线（其数据引脚为高阻）。为

7、什么使用三态？所谓三态，是指为什么使用三态？所谓三态，是指0 0，1 1和高阻抗三个状态。由于数和高阻抗三个状态。由于数据总线是公共通道，在某一时刻，只允许接收某一设备的信号，其据总线是公共通道，在某一时刻，只允许接收某一设备的信号，其他一切设备都应和它断开（呈高阻抗状态）。他一切设备都应和它断开（呈高阻抗状态）。数据数据总线总线设备2设备n设备3设备1通信控制总线n控制总线上传送一个部件对另一个部件的控控制总线上传送一个部件对另一个部件的控制信号。制信号。n主设备与从设备：主设备与从设备：在总线上所连接的各类设在总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备备，按其对总线有无控制

8、功能可分为主设备和从设备。和从设备。主设备主设备对总线有控制权对总线有控制权，从设备，从设备只能响应主设备发来的总线命令。这样，只能响应主设备发来的总线命令。这样，总总线上所有的信息传输都是由主设备启动的。线上所有的信息传输都是由主设备启动的。n根据不同的使用意义，控制总线上有的信号根据不同的使用意义，控制总线上有的信号线为三态，有的非三态。线为三态，有的非三态。地址总线n地址总线上传送地址信号，主要用来指定需要访问地址总线上传送地址信号，主要用来指定需要访问的部件（如存储器单元、外设）。的部件（如存储器单元、外设）。n总线主设备发出地址信号后，总线上的所有部件均总线主设备发出地址信号后，总线

9、上的所有部件均感受到该地址信号，但只有感受到该地址信号，但只有经过译码电路选中的部经过译码电路选中的部件件才接收主设备的控制信号，并与之通信。才接收主设备的控制信号，并与之通信。n地址总线是地址总线是单向单向的，即地址信号只能由总线主设备的，即地址信号只能由总线主设备至从设备。地址总线也是三态的，非主设备部件不至从设备。地址总线也是三态的，非主设备部件不能驱动地址总线。能驱动地址总线。3.3 3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标CPUCPU 插件板插件板M.MM.M 插件板插件板I/OI/O插件板插件板3.3.1 3.3.1 总线物理实现总线物理实现BUSBUS1. 1. 机械特性机械

10、特性2. 2. 电气特性电气特性3. 3. 功能特性功能特性4. 4. 时间特性时间特性3.3.2 3.3.2 总线特性总线特性尺寸尺寸 形状形状传输方向传输方向 和有效的和有效的 电平电平 范围范围每根传输线的每根传输线的 功能功能信号的信号的 时序时序 关系关系地址地址数据数据控制控制总线特性n机械特性：机械特性：是指总线在机械连接方式上的一些性是指总线在机械连接方式上的一些性能。能。n如插头和插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引如插头和插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等等。脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等等。n电气特性：电气特

11、性：是指总线的每一根传输线上信号的传是指总线的每一根传输线上信号的传输方向和有效的电平范围。输方向和有效的电平范围。n如低电平表示逻辑如低电平表示逻辑“0”0”，并要求电平低于，并要求电平低于3V3V；高电；高电平表示逻辑平表示逻辑“1”1”，并要求高电平高于，并要求高电平高于3V3V。n功能特性：功能特性：是指总线中每根信号传输线的功能。是指总线中每根信号传输线的功能。n时间特性：时间特性：是指总线中的任一根信号传输线在什是指总线中的任一根信号传输线在什么时间内有效。么时间内有效。n为了正确传输数据信息，每条总线上的各种信号，互相为了正确传输数据信息，每条总线上的各种信号，互相存在着一种有效

12、时序的关系，因此，时间特性一般可用存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时序图来描述。信号时序图来描述。3.3.3 3.3.3 总线的性能指标总线的性能指标1 1. .总线宽度总线宽度2. 2. 标准传输率标准传输率3. 3. 时钟同步时钟同步/ /异步异步4. 4. 总线复用总线复用5. 5. 信号线数信号线数6. 6. 总线控制方式总线控制方式7. 7. 其他指标其他指标数据线数据线 的根数的根数每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBMBs s）同步、不同步同步、不同步地址线地址线 与与 数据线数据线 复用复用地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总

13、和负载能力负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数总线性能指标(1)n总线宽度：总线宽度：是指数据总线的根数，用是指数据总线的根数，用bitbit（位）表（位）表示，如示，如8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位（也即位（也即8 8根、根、1616根、根、3232根、根、6464根数据线）。根数据线）。n最大传输率最大传输率 ( (总线带宽总线带宽) )：总线本身所能达到的最总线本身所能达到的最高传输速率，用高传输速率，用MB/sMB/s（每秒多少兆字节）表示。（每秒多少兆字节）表示。n例：总线工作频率例：总线工作频率33.3MHz33.3MHz，总线

14、宽度，总线宽度3232位，则最大位，则最大传输率传输率 33.333.332/832/8132MB/s132MB/s。n时钟同步时钟同步/ /异步：异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线。为异步总线。n总线复用：总线复用：为提高总线的利用率，将地址总线和为提高总线的利用率，将地址总线和数据总线共用一组物理线，在某一时刻该总线传数据总线共用一组物理线，在某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。总线性能指标(2)n信号

15、线数：信号线数：即地址总线、数据总线和控制总线三种即地址总线、数据总线和控制总线三种总线的根数总和。总线的根数总和。n总线控制方式：总线控制方式：包括并发工作、自动配置、仲裁方包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。式、逻辑方式、计数方式等。n负载能力：负载能力：通常用可连接扩增电路板数来反映总线通常用可连接扩增电路板数来反映总线的负载能力。的负载能力。n由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同一电路由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同一电路在不同的工作频率下，总线的负载也是不同的。因此，在不同的工作频率下，总线的负载也是不同的。因此，总线负载能力的指标是不太严格的。总

16、线负载能力的指标是不太严格的。n其他：如电源电压是其他：如电源电压是5V5V还是还是3.3V3.3V、总线能否扩展至、总线能否扩展至6464位宽度等。位宽度等。课堂练习与思考：课堂练习与思考：1.总线中地址线的用处是_。A.选择主存单元地址 B. 选择进行信息传输的设备C. 选择外存地址 D. 指定主存单元和I/O设备接口电路的选择地址 D2.系统总线中控制线的功能是_。A.提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号B.提供数据信息 C.提供时序信号 D.提供主存、I/O接口设备的响应信号 3.在_的微型计算机系统中，外设可和主存贮器单元统一编址 ，因此可以不使用I / O指令。 A.单总线

17、 B.双总线 C.三总线 D.多总线 AAISAISAEISAEISAVL-BUSVL-BUSPCIPCI模块模块系统系统总总线线标标准准 3.3.4 3.3.4 总线标准总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面总线标准的产生n总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，随总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，随着计算及应用领域的不断扩大，计算机系统中各类模着计算及应用领域的不断扩大，计算机系统中各类模块（特别是块（特别是I/OI/O设备所带来的各类接口模块），其品种设备所带来的各类接口模块），其品种极其繁杂，往往出现一种模块要配一种总线，极其繁杂，往往出现一种模块要配一种总线，很

18、难在很难在总线上更换、组合各类模块或设备。总线上更换、组合各类模块或设备。n2020世纪世纪7070年代末，为了使系统设计简化，模块生产批年代末，为了使系统设计简化，模块生产批量化，确保其性能稳定，质量可靠，便于维护，人们量化，确保其性能稳定，质量可靠，便于维护，人们开始研究如何建立总线标准，完成系统设计和模块制开始研究如何建立总线标准，完成系统设计和模块制作。作。n概念：概念：所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个模块之间的一个互连的标准界面互连的标准界面。n这个界面两端的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一这个界面两端的任一方只需根

19、据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。n因此，按总线标准设计的接口可视为通用接口。因此，按总线标准设计的接口可视为通用接口。目前流行的总线标准nISAnEISAnVESAnPCInMCAnSTDnISA、EISAnISAISA：Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Architecture工业标工业标准体系结构，又称准体系结构，又称ATAT总线总线n24位地址线（可直接寻址的内存容量为16MB）n62+36引脚n8/16位数据线n最高时钟频率

20、8MHzn最大传输率16MB/snEISAEISA：Extended Industry Standard Extended Industry Standard Architecture Architecture 扩展工业标准体系结构扩展工业标准体系结构nEISA是一种在ISA基础上扩充开放的总线标准n地址总线32位n数据总线32位n总线的时钟频率为8MHzn最大传输率33MB/sMCA、STDnMCAMCA：Micro Channel ArchitectureMicro Channel Architecture微通道体系微通道体系结构，结构，3232位标准总线，最大传输率位标准总线，最大传输率

21、40MB/s40MB/s。nMCAMCA是是IBMIBM公司在推出其第一台公司在推出其第一台8038680386系统时，突破传统系统时，突破传统ISAISA标准而创建的新型系统总线标准。标准而创建的新型系统总线标准。MCAMCA与与ISAISA完全不兼容，完全不兼容，所以限制了其推广。所以限制了其推广。nSTDSTD：STDSTD总线于总线于19871987年被国际电子电气工程师年被国际电子电气工程师协会（协会（IEEEIEEE）列为标准（）列为标准（IEEE961IEEE961标准），主标准），主要用于以微处理器为中心的工业控制领域。要用于以微处理器为中心的工业控制领域。n数据总线数据总线8

22、 8位，最大传输率位，最大传输率2MB/S2MB/S。VL-BUS、PCInVL-BUSVL-BUS：是由是由VESAVESA（Video Electronic Standard Video Electronic Standard AssociationAssociation，视频电子标准协会）提出来的局部，视频电子标准协会）提出来的局部总线标准，也称为总线标准，也称为 VESAVESA总线总线。n数据总线数据总线3232位位n总线时钟频率总线时钟频率33MHz33MHzn配有局部控制器，将高速设备直接挂在配有局部控制器，将高速设备直接挂在CPUCPU的总线上，实的总线上，实现现CPUCPU与

23、高速外设之间的高速数据交换与高速外设之间的高速数据交换nPCIPCI：Peripheral Component InterconnectPeripheral Component Interconnect外外部设备互连总线。部设备互连总线。n32/6432/64位数据总线，总线时钟频率位数据总线，总线时钟频率33MHz33MHzn最大数据传输率最大数据传输率132MB/s132MB/s264MB/s264MB/sn与与ISAISA、EISAEISA均可兼容均可兼容n支持即插即用、支持多层结构支持即插即用、支持多层结构AGP、SCSI、USBnAGPAGP：Accelerated Graphics

24、 PortAccelerated Graphics Port加速图形接口，专加速图形接口，专为提高视频带宽而设计的总线规范。它采用点对点连接，为提高视频带宽而设计的总线规范。它采用点对点连接，连接控制芯片组和连接控制芯片组和AGPAGP显示卡，因此严格说显示卡，因此严格说AGPAGP不能称为总不能称为总线，而是一种接口标准。线，而是一种接口标准。nSCSISCSI：Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface小型计算机小型计算机系统接口。系统接口。SCSISCSI总线主要用于光驱、音频设备、扫描仪、总线主要用于光驱

25、、音频设备、扫描仪、打印机以及像硬盘驱动器这样的大容量存储设备等的连接，打印机以及像硬盘驱动器这样的大容量存储设备等的连接，是一种直接连接外设的并行是一种直接连接外设的并行I/OI/O总线。总线。nUSBUSB：Universal Serial BusUniversal Serial Bus通用串行总线通用串行总线，是一种，是一种连接外围设备的连接外围设备的I/OI/O总线，总线，具有即插即用、热拔插等优良具有即插即用、热拔插等优良特点。特点。16位位ISA总线总线例1n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 4个字节的数据，个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时

26、钟周期假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线，总线时钟频率为时钟频率为33MHz33MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少? ? 如果一个如果一个总线周期中并行传送总线周期中并行传送6464位数据，总线时钟频率升位数据，总线时钟频率升为为66MHz66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少? ?n解：解：设总线带宽用设总线带宽用DrDr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1/fT=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用D D表示，表示， （1 1）根据定义可得）根据定义可得 Dr = D/T = DDr = D/T = D1/T = D1/T

27、 = Df f =4B=4B33331000000/s=132MB/s1000000/s=132MB/s（2 2）6464位位=8B=8B， Dr= DDr= Df f =8B=8B66661000000/s=528MB/s1000000/s=528MB/s 提示：此题主要是考查对总线带宽的理解。提示：此题主要是考查对总线带宽的理解。 总线带宽一次传输的字节数总线周期总线带宽一次传输的字节数总线周期 总线宽度总线宽度/8/8* *总线时钟频率总线时钟频率3.4 3.4 总线结构总线结构3.4.1 3.4.1 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 CPU M.M M.

28、M I/O I/O接接口口 外部外部 设备设备1 1 外部外部 设备设备2 2 I/O I/O接接口口 外部外部 设备设备n n I/O I/O接接口口1. 1. 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/OI/O统一管理统一管理通道通道 I/O I/O接口接口 设备设备n n I/O I/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3.4.2 3.4.2 多总线结构多总线结构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 CPU 主存主存设备设备1 1设备设备n n

29、高速外设高速外设I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口3. 3. 三总线结构的又一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主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSISCSI多媒体多媒体CPUCPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口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

30、1. 1. 传统微型机总线结构传统微型机总线结构3.4.3 3.4.3 总线结构举例总线结构举例存储器存储器SCSI IISCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISAISA EISA8 MHz18 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 MHz33 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 CPU2. VL-BUS2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz33 MHz的的3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA EISAISA EISA多

31、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调制解调器图文传真图文传真8 MHz8 MHz的的1616位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPUCPU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 SCSISCSI控制器控制器VL BUSVL BUS3. 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调制解调器调制解调器图文传真图文传真PCI PCI 总线总线系统总线系统总线33 33 MHzMHz的的3232位数据通路位数据通路8 8 MHzMHz的的1616位数据通路位

32、数据通路ISA EISAISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI SCSI 控制器控制器存储器存储器4. 4. 多层多层 PCI PCI 总线结构总线结构PCIPCI总线总线2 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PCIPCI总线总线4 4PCIPCI总线总线5 5PCIPCI总线总线3 3PCIPCI总线总线1 1PCIPCI总线总线0 0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPUCPUPentium计算机主板总线结构图CPUCPU、RAMRAM

33、、ROMROM、控、控制芯片组等芯片之制芯片组等芯片之间的信号连接线称间的信号连接线称为为CPUCPU总线。总线。CPUCPU总总线针对具体处理器线针对具体处理器设计，因此没有统设计，因此没有统一的规范。一的规范。这是一个三总线结这是一个三总线结构，即有构，即有CPUCPU总线、总线、PCIPCI总线和总线和ISAISA总线。总线。CPUCPU总线的时总线的时钟频率为钟频率为66.6MHz66.6MHz，CPUCPU内部时钟是此内部时钟是此时钟频率的倍时钟频率的倍频。此总线可频。此总线可连接连接4-128M4-128M内内存。存。主存控制器和主存控制器和CacheCache控制器控制器芯片用来

34、管理芯片用来管理CPUCPU对对主主存和存和CacheCache的存取的存取操作。操作。PCIPCI总线用来连接高总线用来连接高速的速的I/OI/O设备模块，设备模块，如显卡等。如显卡等。通过通过“桥桥”芯片，芯片，PCIPCI总线上连总线上连CPUCPU总总接，下连接，下连ISAISA总线。总线。ISAISA总线连总线连接低速接低速I IO O设备，支持设备，支持7 7个个DMADMA通道通道和和1515级可屏级可屏蔽硬件中断。蔽硬件中断。CPUCPU总线、总线、PCIPCI总线总线和和ISAISA总线通过两个总线通过两个“桥桥”芯片连成整芯片连成整体。桥芯片起到了体。桥芯片起到了信号速度缓

35、冲、电信号速度缓冲、电平转换和控制协议平转换和控制协议转换的作用。转换的作用。一、填空题一、填空题 1. 在单机系统中，三总线结构的计算机的总线系统由 、 和 等组成。 系统总线系统总线内存总线内存总线I/OI/O总线总线 2.总线是构成计算机系统的 ，是 多个 部件之间进行数据传送的 通道，并在 的基础上进行工作。 互连机构互连机构系统功能系统功能公共公共争用资源争用资源 课堂练习与思考：课堂练习与思考：3.5 3.5 总线控制总线控制3.5.1 3.5.1 总线判优控制总线判优控制 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式 主设备主设备( (模块模块) )对总线有对总线有 控制权控

36、制权 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. 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总线控制n两个问题两个问题n总线使用权分配，即总线判优控制，也称为仲裁逻辑n通信过程控制n总线判优控制：总线判优控制：多个主设备同时申请总线时，按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线。n集中式：将控制逻辑集中在一处，即总线仲裁器，分为链式查询、计数器定时查询、独立请求链式查询、计数器定时查询、独立请求三种n分布式：将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上，由各个节点竞争使用权n总线通信控制总线通信控

37、制n同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信2. 2. 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/OI/O接口接口0 0BSBSBRBRI/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n nBGBG数据线数据线地址线地址线BSBS - -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I/OI/O接口接口1 1 链式查询方式链式查询方式基本思想基本思想： 各设备通过共同单一的各设备通过共同单一的BRBR线，向中央仲裁器发出线，向中央仲裁器发出总线请求。仲裁器接到总线请求。仲裁器接到BRBR信号以后，在信号以后，在BSBS线

38、状态为线状态为“0”0”（总线不忙）的情况下，发出总线授权信号（总线不忙）的情况下，发出总线授权信号BGBG，该信，该信号串行地从一个号串行地从一个I/OI/O接口传送到下一个接口传送到下一个I/OI/O接口。假如接口。假如BGBG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BGBG到达的接口有总线请求，到达的接口有总线请求，BGBG信号便不再往下查询，该信号便不再往下查询，该I/OI/O接口获得了总线控制权（将接口获得了总线控制权（将BSBS置为置为“1”1”）。显然，）。显然，离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，可以通过离中央仲裁器最近的设备具有最

39、高优先级，可以通过接口的优先级排队电路来实现。接口的优先级排队电路来实现。 链式查询方式的优点链式查询方式的优点: : 只用很少几根线就能按一只用很少几根线就能按一定优先次序实现多个设备的总线仲裁，并且很容易扩定优先次序实现多个设备的总线仲裁，并且很容易扩充设备。充设备。 链式查询方式的缺点链式查询方式的缺点: : 1. 1. 这种方式对询问链的这种方式对询问链的电路故障很敏感电路故障很敏感，即：如，即：如果第果第i i个设备的接口中有关链的电路出现故障，造成个设备的接口中有关链的电路出现故障，造成“断链断链”，那么第，那么第i i个以后的设备都不能进行工作。个以后的设备都不能进行工作。 2.

40、 2. 查询链的查询链的优先级是固定的优先级是固定的，如果优先级高的设，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线能使用总线3.3.计数器定时查询方式计数器定时查询方式 基本思想基本思想： 总线上的任一设备要求使用总线时，仍然通过共总线上的任一设备要求使用总线时，仍然通过共同的同的BRBR线向中央仲裁器发出总线请求。仲裁器接到请线向中央仲裁器发出总线请求。仲裁器接到请求信号以后，在求信号以后，在BSBS线为线为“0”0”（总线不忙）的情况下，（总线不忙）的情况下，让让仲裁地址计数器开始计数，计数值通过仲裁地址计数器开始

41、计数，计数值通过一组地址线一组地址线发发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备置致时，该设备置BSBS线为线为“1”1”（总线占用），获得了总（总线占用），获得了总线线使用权，同时中止计数查询。使用权，同时中止计数查询。 计数器查询方式的特点计数器查询方式的特点： 1. 1. 每次计数可以从每次计数可以从“0”0”开始，也可以从上次的开始，也可以从上次的中中止点开始。如果从止点开始。如果从“0”0”开始，各设备的优先次序与链开始，各设备的优先

42、次序与链式式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。开始，则每个设备使用总线的优先级相等。2. 2. 计数器的初值也可计数器的初值也可用程序来设置用程序来设置，因而可以方，因而可以方便地改变优先次序。当然，这种灵活性是以增加线数便地改变优先次序。当然，这种灵活性是以增加线数为代价的（如：增加为为代价的（如：增加为3 3根线，可管理根线，可管理2 23 3=8=8个设备；增个设备；增加为加为4 4根线，则可管理根线，则可管理2 24 4=16=16个设备等）。个设备等）。 0 0BSBS - -总线忙总线忙

43、BR-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/OI/O接口接口0 0BSBSBRBRI/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n n设备地址设备地址 计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/OI/O接口接口1 1 计数器计数器设备地址设备地址 1 1排队器排队器排队器排队器4. 4. 独立请求方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/OI/O接口接口0 0I/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n nBRBR0 0BGBG0 0BRBR1 1BGBG1 1BRBRn nBGBGn nBG-BG-总线同意总线同意BR-BR-总

44、线请求总线请求 独立请求方式独立请求方式 基本思想基本思想：让每一个共享总线的设备都有一对总线请求线让每一个共享总线的设备都有一对总线请求线BRiBRi和总线授权线和总线授权线BGiBGi。当任何一个设备要求使用总线时，都可。当任何一个设备要求使用总线时，都可独立地向仲裁器发出自己的请求信号独立地向仲裁器发出自己的请求信号BRiBRi。由中央仲裁器中的排。由中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，并给该设备以授权信号队电路决定首先响应哪个设备的请求，并给该设备以授权信号BGiBGi。独立请求方式的特点独立请求方式的特点： 1. 1. 响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，用响

45、应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着逐个设备地查询。不着逐个设备地查询。 2. 2. 既可以预先固定，也可以通过程序来方便地改变优先次既可以预先固定，也可以通过程序来方便地改变优先次序，因此对优先次序的控制相当灵活；序，因此对优先次序的控制相当灵活； 3. 3. 可以用屏蔽可以用屏蔽( (禁止禁止) )某个请求的办法，封锁来自无效设备某个请求的办法，封锁来自无效设备的请求。（的请求。（对设备的请求进行干预和管理对设备的请求进行干预和管理） 4. 4. 这种方式需增加的线数较多（这种方式需增加的线数较多（N N个设备，需要个设备，需要2N2N根根线），仲裁器的结构相应也要复杂一些。

46、线），仲裁器的结构相应也要复杂一些。总线判优控制集中式n独立请求方式的工作原理：独立请求方式的工作原理：n每个模块有一组独立的每个模块有一组独立的“总线请求总线请求”和和“总线允许总线允许”信号信号线，每对信号线有其相应的优先级；线，每对信号线有其相应的优先级；n控制器中有一个优先级编码器和优先级译码器，用以选择控制器中有一个优先级编码器和优先级译码器，用以选择优先级最高的请求，并产生出相应的优先级最高的请求，并产生出相应的“总线允许总线允许”信号；信号；n当当“总线忙总线忙”信号有效时，表示有的模块正在使用总线，信号有效时，表示有的模块正在使用总线，因此请求使用总线的模块必须等待；直至因此请

47、求使用总线的模块必须等待；直至“总线忙总线忙”信号信号变为无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出变为无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出“总线总线请求请求”信号，总线仲裁器仅向优先级最高的模块发出信号，总线仲裁器仅向优先级最高的模块发出“总总线允许线允许”信号。信号。n独立请求方式的主要特点：独立请求方式的主要特点：n判优速度快，且与模块数无关；判优速度快，且与模块数无关；n所需所需“请求线请求线”和和“允许线允许线”较多，较多，N N个模块需要个模块需要2N2N条。条。总线判优控制分布式n分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三种常见分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三种常见的仲裁方式：的仲裁方式

48、：n自举分布式仲裁自举分布式仲裁n冲突检测分布式仲裁冲突检测分布式仲裁n并行竞争分布式仲裁并行竞争分布式仲裁 分布式仲裁分布式仲裁 分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。共享的仲裁总共享的仲裁总线线上总是保留着当前占用总线模块的仲裁号，当其它上总是保留着当前占用总线模块的仲裁号，当其它模块有总线请求时，各仲裁器将从仲裁总线上得到的模块有总线请求时，各仲裁器将从仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予

49、响应，并撤消它的仲裁号。最后，它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以裁是以优先级仲裁策略优先级仲裁策略为基础。为基础。总线判优控制分布式自举分布式仲裁自举分布式仲裁n自举分布式仲裁方法使用多个请求线，不需要中心裁决器，自举分布式仲裁方法使用多个请求线，不需要中心裁决器，每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。n每个需要请求总线控制权的设备在各自对应的总线请求线每个需要请求总线控制权的设备在各自对应的总线请求线上送出请求信号，在总线裁决期间

50、每个设备将有关请求线上送出请求信号，在总线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，根据这些请求信号确定自己能上的信号合成后取回分析，根据这些请求信号确定自己能否拥有总线控制权。否拥有总线控制权。n每个设备通过取回的合成信息能够检测出其他设备是否发每个设备通过取回的合成信息能够检测出其他设备是否发出了总线请求。如果一个设备在发出总线请求的同时，检出了总线请求。如果一个设备在发出总线请求的同时，检测到其他优先级更高的设备也请求使用总线，则本设备不测到其他优先级更高的设备也请求使用总线，则本设备不立即使用总线；否则，本设备就可立即使用总线。立即使用总线；否则，本设备就可立即使用总线。nN

51、uBusNuBus（MacintoshiIIMacintoshiII中的底板式总线）和中的底板式总线）和SCSISCSI总线采用此总线采用此方案。方案。总线判优控制分布式自举分布式仲裁自举分布式仲裁BR3 BR2 I/O接口0I/O接口1I/O接口3BR0BR1I/O接口2假定：假定：I/OI/O接口接口0 0的优先级最低，的优先级最低，I/OI/O接口接口3 3的优先级最高。的优先级最高。BRBR0 0为总线忙信号线为总线忙信号线BRBRi i(i(i从从1 13)3)为为I/OI/O接口接口i i的总线请求信号线。的总线请求信号线。总线判优控制分布式n基本思想：在冲突检测分布式仲裁方法中，

52、每个基本思想：在冲突检测分布式仲裁方法中，每个设备独立地请求总线，多个同时使用总线的设备设备独立地请求总线，多个同时使用总线的设备会发生冲突，这时冲突被检测到，按照某种策略会发生冲突，这时冲突被检测到，按照某种策略在冲突的各方选择一个设备。在冲突的各方选择一个设备。n例如，例如，EthernetEthernet总线仲裁方案如下：总线仲裁方案如下：n当某设备要使用总线时，它首先检查一下是否有其他当某设备要使用总线时，它首先检查一下是否有其他设备正在使用总线，如果没有，那它就置总线忙，然设备正在使用总线，如果没有，那它就置总线忙，然后使用总线；若两个设备同时检测到总线空闲，那它后使用总线；若两个设

53、备同时检测到总线空闲，那它们就可能会立即使用总线并发出冲突。一个设备在传们就可能会立即使用总线并发出冲突。一个设备在传输过程中，它会侦听总线以检测是否发生了冲突，当输过程中，它会侦听总线以检测是否发生了冲突，当冲突发生时，两个设备都会停止传输，延迟一个随机冲突发生时，两个设备都会停止传输，延迟一个随机时间后再重新使用总线。过了一个随机时间段后，就时间后再重新使用总线。过了一个随机时间段后，就可能有一设备先使用总线，这样冲突就解决了。可能有一设备先使用总线，这样冲突就解决了。冲突检测分布式仲裁冲突检测分布式仲裁3.5.2 3.5.2 总线通信控制总线通信控制1. 1. 目的目的2. 2. 总线传

54、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. 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

55、答方式，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步、异步结合同步、异步结合(1) (1) 同步式数据输入同步式数据输入T T1 1总线传输周期总线传输周期T T2 2T T3 3T T4 4 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T T1 1总线传输周期总线传输周期T T2 2T T3 3T T4 4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令 数据数据不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(3) (3) 异步通信异步通信主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答(4) (4) 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

56、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和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAITWAIT以输入数据为例的半同步通信时序以输入数据为例的半同步通信时序T T1 1 主模块发地址主模块发地址T T2 2 主模块发命令主模块发命令T T3 3 从模块提供数据从模块提供数据T T4 4 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

57、 TWAIT上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点一个一个总线传输周期总线传输周期（以输入数据为例）（以输入数据为例） 主模块发地址主模块发地址 、命令、命令 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(5) (5) 分离式通信分离式通信主模块主模块 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 1子周期子周期2 2主模块主模块

58、n基本思想：将一个传输周期（或总线周期）基本思想：将一个传输周期（或总线周期）分解分解为两个子周期。为两个子周期。n在第一个子周期中，主模块在第一个子周期中，主模块A A获得总线使用权后获得总线使用权后将命令、地址、将命令、地址、 A A模块的编号模块的编号等其他信息发到系等其他信息发到系统总线上，经总线传输后，由有关的从模块统总线上，经总线传输后，由有关的从模块B B接接收下来。收下来。n在第二个子周期中，当在第二个子周期中，当B B模块接收到模块接收到A A模块发来的模块发来的有关命令信号后，经过一系列内部操作，将有关命令信号后，经过一系列内部操作，将A A模模块所需的数据准备好，然后由块

59、所需的数据准备好，然后由B B模块申请总线使模块申请总线使用权，一旦获准，用权，一旦获准，B B模块将模块将A A模块的编号、模块的编号、B B模块模块的地址的地址、A A模块所需数据等信息送到总线上，供模块所需数据等信息送到总线上，供A A模块接收。模块接收。分离式通信n在同步通信、异步通信和半同步通信的整个传输过在同步通信、异步通信和半同步通信的整个传输过程中，系统总线的使用权完全由占有使用权的主设程中，系统总线的使用权完全由占有使用权的主设备以及由它选中的从设备占据。备以及由它选中的从设备占据。n读命令过程分析：进一步分析读命令传输周期，可读命令过程分析：进一步分析读命令传输周期，可以发

60、现除了申请总线这一阶段外，其余时间主要被以发现除了申请总线这一阶段外，其余时间主要被花在如下三个方面：花在如下三个方面：n（1 1）主模块通过传输总线向从模块发送地址和命令；）主模块通过传输总线向从模块发送地址和命令；n（2 2）从模块按照命令进行读数据的必要准备；）从模块按照命令进行读数据的必要准备；n（3 3）从模块经数据总线向主模块提供数据。）从模块经数据总线向主模块提供数据。分离式通信的特点各模块欲占用总线使用权都必须提出申请。各模块欲占用总线使用权都必须提出申请。在得到总线使用权后，主模块在先规定的时间内在得到总线使用权后，主模块在先规定的时间内向对方传送信息，采用同步方式传送，不再