第7章总线系统

1、 总线的基本概念 总线结构 总线控制 总线接口 常用总线第七章第七章 总线系统总线系统 计算机系统中各部件之间的互联方式：计算机系统中各部件之间的互联方式： 分散式连接分散式连接 总线式连接总线式连接7.1 7.1 总线的基本概念总线的基本概念 总线：总线：是构成计算机系统的互联机构，是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。的公共通路。 借助总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交信息的交换换，并在争用资源争用资源的基础上进行工作。7.1 7.1 总线的基本概念总线的基本概念总线的两个基本特征：总线的两

2、个基本特征：共享性：共享性：指多个部件连接在同一组总指多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。可以通过这组总线传送。分时性：分时性：同一时刻总线只能在一对部同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息，系统中的多个部件件之间传送信息，系统中的多个部件不能同时传送信息。不能同时传送信息。7.1 总线的基本概念1.1.总线的特性：总线的特性：物理特性：物理特性：指总线的物理连接方式。指总线的物理连接方式。功能特性：功能特性：总线中每一根线的功能。总线中每一根线的功能。电气特性：电气特性：每一根线上信号的传递方每一根线上信号的传递方向及有

3、效电平范围。向及有效电平范围。时间特性：时间特性：每根线在什么时间有效。每根线在什么时间有效。7.1 总线的基本概念2.2.总线的分类总线的分类* * 注：按照不同的分类标准，有多种分类方法注：按照不同的分类标准，有多种分类方法一、按照总线传输的内容分类一、按照总线传输的内容分类 （1 1）数据总线）数据总线 （2 2）地址总线）地址总线 （3 3）控制总线）控制总线二、按照总线在单处理器系统中的位置，分为三类：二、按照总线在单处理器系统中的位置，分为三类：（1 1）片内总线：）片内总线：CPUCPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。（片级（片级总线总

4、线 ）（2 2）系统总线：）系统总线：CPUCPU同计算机系统的其他高速功能部件之间互相连接的同计算机系统的其他高速功能部件之间互相连接的总线。总线。（内部总线（内部总线 ）（3 3）I/OI/O总线：总线：中、低速中、低速I/OI/O设备之间互相连接的总线设备之间互相连接的总线（外部总线（外部总线 ）。7.1 总线的基本概念3.3.总线的性能指标总线的性能指标 总线宽度：总线宽度：数据总线的条数，用数据总线的条数，用bitbit（位）表示，目前（位）表示，目前常用的是常用的是3232位和位和6464位数据总线。位数据总线。 总线带宽：总线带宽：总线上每秒能传输的最大字节量，单位是总线上每秒能

5、传输的最大字节量，单位是MB/sMB/s。例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33 MHz，则最大数据传输速率为 信号线数：信号线数：地址、数据、控制总线的总和，信号线数与地址、数据、控制总线的总和，信号线数与性能不成正比，但反映了总线的复杂程度。性能不成正比，但反映了总线的复杂程度。7.1 总线的基本概念132 MB/s。 总线时钟频率：总线时钟频率：总线中各种信号的定时基准。总线中各种信号的定时基准。总线时钟的周期称为总线周期总线周期。（同步总线同步总线和和异步总线异步总线） 多路复用技术：多路复用技术：为了提高总线效率，将数据总为了提高总线效率，将数据总线与地址总线共用一组物理

6、线路，总线在某一线与地址总线共用一组物理线路，总线在某一时刻传输地址码，而在另一时刻传输数据信号时刻传输地址码，而在另一时刻传输数据信号或命令信号或命令信号7.1 总线的基本概念4.4.总线的组成总线的组成 信号线：信号线：包括地址线、数据线、控制、时序和包括地址线、数据线、控制、时序和中断信号线、电源线、备用线。中断信号线、电源线、备用线。 总线控制器：总线控制器：总线判优控制逻辑和通信控制逻总线判优控制逻辑和通信控制逻辑。辑。 接口电路：接口电路：总线与各个部件之间需要通过接口总线与各个部件之间需要通过接口进行连接。进行连接。7.1 总线的基本概念5. 5. 总线的数据传输方式总线的数据传

7、输方式 串行传送串行传送按顺序传送一个数码的所有二进制位，每次按顺序传送一个数码的所有二进制位，每次一位。被传送的数据需要在发送部件进行并串变换，一位。被传送的数据需要在发送部件进行并串变换，称为称为拆卸拆卸，反之称为，反之称为装配装配。 并行传送并行传送 对每个数据位需要单独一条传输线，信息有对每个数据位需要单独一条传输线，信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线。多少二进制位组成，就需要多少条传输线。 并串传送并串传送 传送单字节数据是采用并行方式，传送多字传送单字节数据是采用并行方式，传送多字节时才用串行方式。节时才用串行方式。 分时传送分时传送 传输线上采用总线复用方式传送地址和数据

8、传输线上采用总线复用方式传送地址和数据信息；共享总线的部件分时使用总线。信息；共享总线的部件分时使用总线。7.1 总线的基本概念7.2 7.2 总线结构总线结构 根据连接方式不同，单机系统中采用的根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有两种基本类型：总线结构有两种基本类型：单总线系统单总线系统多总线系统多总线系统CPU主存设备适配器设备适配器系统总线1 1、单总线结构、单总线结构单总线结构特点：单总线结构特点：优点优点：结构简单，容易扩充；：结构简单，容易扩充；缺点缺点：共享总线的各个部件需要分时使用总线，所以信息传：共享总线的各个部件需要分时使用总线，所以信息传输吞吐量受到限制，会导致很

9、大的时间延迟。输吞吐量受到限制，会导致很大的时间延迟。CPU主存设备适配器设备适配器存储总线系统总线由于由于CPU与主存交换数据的机会多，故增加了存储与主存交换数据的机会多，故增加了存储总线解决此问题，减轻了总线的负担。总线解决此问题，减轻了总线的负担。2 2、双总线结构、双总线结构以存储器为中心的双总线结构以存储器为中心的双总线结构 存储总线（存储总线（M总线）用来连接总线）用来连接CPU和主存，和主存，I/O总总线连接线连接CPU和外部设备。但外部设备和主存交换和外部设备。但外部设备和主存交换信息仍需要占用信息仍需要占用CPU，影响了，影响了CPU的工作效率。的工作效率。以以CPU为中心的

10、双总线结构为中心的双总线结构CPU主存设备适配器设备适配器IOPI/O总线三总线结构三总线结构系统总线存储总线 通道的功能：通道的功能：对外设的统一管理；完成外设与主对外设的统一管理；完成外设与主存，存，CPU之间的数据传送。之间的数据传送。3 3、三总线结构、三总线结构主存总线主存总线：负责：负责CPU和主存的信息传递；和主存的信息传递；I/O总线总线：负责外设和：负责外设和CPU的信息传递；的信息传递；DMA总线总线：负责外设和主存的信息传递：负责外设和主存的信息传递4 4、四总线结构、四总线结构PCI总线结构示意图总线结构示意图5 5、总线结构举例、总线结构举例 总线仲裁总线仲裁 总线通

11、信控制总线通信控制7.3 7.3 总线控制总线控制 连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。态。CPUCPU及及I/OI/O模块都可以作为主设备提出总线模块都可以作为主设备提出总线请求。每次总线操作只能有一个主方占用总线请求。每次总线操作只能有一个主方占用总线控制权。控制权。 为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有须具有总线仲裁部件总线仲裁部件，以某种方式选择其中一，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。个主设备作为总线的下一次主方。一、总线仲裁一、总线仲裁 按照总线仲裁电路的设置不同，仲裁

12、方按照总线仲裁电路的设置不同，仲裁方式分为式分为集中式仲裁集中式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁两类。两类。集中式集中式 链式查询方式链式查询方式 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 独立请求方式独立请求方式 分布式分布式总线仲裁总线仲裁（1 1）链式查询方式）链式查询方式1. 1. 集中式仲裁集中式仲裁中央仲裁器设备接口0设备接口1设备接口NBGBRBSBR-总线请求信号；总线请求信号；BG-总线授权信号；总线授权信号；BS-总线忙总线忙 链式查询的过程：链式查询的过程： 总线仲裁器接到总线请求后，若总线仲裁器接到总线请求后，若BS=0，则总线授，则总线授权信号串行地从一个权信号串行地从一个I

13、/O接口传送到下一个接口传送到下一个I/O接接口；口； 假如假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查到达的接口无总线请求，则继续往下查询；询； 假如假如BG到达的接口有总线请求，到达的接口有总线请求，BG信号便不再信号便不再往下查询，该往下查询，该I/O接口就获得了总线控制权，使接口就获得了总线控制权，使BS=1。 特点：特点： 判优方法简单，扩充设备容易；判优方法简单，扩充设备容易； 总线请求优先级较低的设备容易被忽略；总线请求优先级较低的设备容易被忽略； 总线授权信号串行传送，因设备的差错，容易造总线授权信号串行传送，因设备的差错，容易造成堵塞。成堵塞。 优点：优点：只用很少几根线就能按

14、一定优先次序实只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁。现总线仲裁。 缺点：缺点：对询问链的电路故障很敏感对询问链的电路故障很敏感。（2 2）计数器定时查询方式）计数器定时查询方式总线仲裁中央仲裁器设备接口0设备接口1设备接口NBRBS计数值计数值地址线地址线 计数器定时查询过程：计数器定时查询过程：各设备经各设备经BR发出请求；发出请求；总线仲裁电路判断：当总线仲裁电路判断：当BS=0时，开始计数；时，开始计数；计数值经地址线送各设备：计数值计数值经地址线送各设备：计数值=某设备地址，某设备地址，该设备获总线授权；该设备获总线授权；当计数从当计数从0开始时，谁的地址号越小越优先，当计开始

15、时，谁的地址号越小越优先，当计数值从终止点开始，所有设备优先级相同。数值从终止点开始，所有设备优先级相同。 优点：比较灵活。优点：比较灵活。 缺点：线数比较多。缺点：线数比较多。（3 3）独立请求方式）独立请求方式中央仲裁器设备接口0设备接口1设备接口N总线仲裁BG0BR0BR1BG1BGnBRn 过程：过程：每个设备有独立的总线请求线BR至总线仲裁；总线总裁也对每个设备送总线授权线。当有总线请求时，有总线总裁内部进行判优裁决。 优点：优点：判优及相应的速度快；优先次序控制灵活。判优及相应的速度快；优先次序控制灵活。 缺点：缺点：设备、电路复杂。设备、电路复杂。2.2.分布式仲裁分布式仲裁 不

16、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仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁共享的仲裁总线总线上，每个仲裁器将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，分布式仲裁是以优先级仲裁策略优先级仲裁策略为基础。总线仲裁中央处理器设备接口0设备接口1设备接口N3121. 1. 总线的定时总线的定时l总线的一次信息传送过程，大致可分为四个阶段：总线的一次信息传送过程，大致可分为四个阶段：总线请求及仲裁，寻址，信息传送，结束阶段总线请求及仲裁，寻址，信息传

17、送，结束阶段l定时：定时：指事件出现在总线上的时序关系。指事件出现在总线上的时序关系。l数据传送过程中采用两种定时方式：数据传送过程中采用两种定时方式： 同步定时和异步定时同步定时和异步定时 二、二、 总线的定时和数据传输模式总线的定时和数据传输模式（1 1）同步定时）同步定时同步总线读操作时序同步总线读操作时序同步总线写操作时序同步总线写操作时序同步定时特点：同步定时特点： 出现在总线上的地址或数据都由统一的时钟信出现在总线上的地址或数据都由统一的时钟信号定时控制；号定时控制； 具有较高的传输频率；具有较高的传输频率； 对所有模块都用同一限时，必须按最慢速度部对所有模块都用同一限时，必须按最

18、慢速度部件来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相件来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会严重影响总线的工作效率，差很大时，会严重影响总线的工作效率， 适用于总线长度较短、各功能模块存取时间应适用于总线长度较短、各功能模块存取时间应比较接近的情况。比较接近的情况。（2 2）异步定时）异步定时 没有统一的时钟周期没有统一的时钟周期划分，不要求严格使用统一的动作划分，不要求严格使用统一的动作时间，而采取时间，而采取应答方式应答方式，又叫，又叫握手方式握手方式，即当主模块发出请，即当主模块发出请求信号时，一直等待从模块反馈回来求信号时，一直等待从模块反馈回来“响应响应”信号后，才开信号后，

19、才开始通信。始通信。 异步定时方式可分为异步定时方式可分为不互锁不互锁、半互锁半互锁和和全互锁全互锁三种类型三种类型 异步定时异步定时异步总线读操作时序异步总线读操作时序主同步 /请求信号从同步 /响应信号异步定时特点：异步定时特点： 无公共时钟信号；无公共时钟信号； 挂在总线上的模块的存取时间差别较大；挂在总线上的模块的存取时间差别较大； 传送方式依靠应答信号，总线周期长度不固定。传送方式依靠应答信号，总线周期长度不固定。 读、写操作读、写操作 块传送操作块传送操作 写后读、读修改写操作写后读、读修改写操作 广播、广集操作广播、广集操作2.2.总线数据传送模式总线数据传送模式 用于连接主机与

20、用于连接主机与I/OI/O设备的这个转换机构称为设备的这个转换机构称为I/OI/O接口电路接口电路，简称，简称接口接口，接口也叫，接口也叫适配器适配器7.4 7.4 总线接口总线接口 接口的主要功能：接口的主要功能：1 1设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应CPUCPU与外设之间的速与外设之间的速度差异；度差异； 2 2能够进行数据类型、格式等方面的转换；能够进行数据类型、格式等方面的转换； 3 3能够协调能够协调CPUCPU和外设两者在信息的类型和电平方面的差异；和外设两者在信息的类型和电平方面的差异； 4 4协调时序差异；协调时序差异； 5 5地址译码和设备选择

21、功能；地址译码和设备选择功能； 6 6设置中断和设置中断和DMADMA控制逻辑，以保证在中断和控制逻辑，以保证在中断和DMADMA允许的情况允许的情况下产生中断和下产生中断和DMADMA请求信号，并在接收到中断和请求信号，并在接收到中断和DMADMA应答之应答之后完成中断处理和后完成中断处理和DMADMA传输。传输。 各厂家生产的相同功能部件可以互换使用-总线的标准化总线的标准化 总线标准：系统总线系统总线和设备总线设备总线。 7.5 7.5 常用系统总线及设备总线举例常用系统总线及设备总线举例1.1.总线的标准化总线的标准化2.2.系统总线系统总线（1 1）工业标准结构总线（）工业标准结构总

22、线（ISAISA总线）总线） (Industry Standard Architecture） 数据16位，地址24位，工作频率8MHz，最大数据传输率16.67MB/S。 ISA总线是286时代所定义的8/16位总线，在PIII时代的主板甚至还保留1、2个ISA扩充插槽。 ISA主要是用来匹配速度较慢的接口卡，如串/并行口卡、网络卡等。通常PC内ISA插槽用黑塑料制作。（2 2）扩充的工业标准总线（）扩充的工业标准总线（EISAEISA总线）总线） (Extended Industrial Standard Architecture) ISA总线的增强版，数据和地址总线都是32位，工作频率仍

23、是8.33MHz，直接寻址范围为4GB，最大传输率为33MB/S。 与ISA具有良好的兼容性，同时发挥了32位处理器的功能，使之在图形技术、网络和数据处理等发挥作用。 EISA插槽通常用褐色塑料制作。（3 3）视频电子标准协会视频电子标准协会总线（总线（VESAVESA总线）总线） (Video Electronic Standard Association) 为了支持早期高性能WINDOWS图形显示卡和存储设备而设计此总线。速度高达40MHz，但是超过33MHz后稳定性较差。最大传输率为133MB/S。 但没有流行多久就被PCI总线所代替。（4 4）PCIPCI总线总线 Peripheral

24、 component interconnect（周边元件扩展接口 ) 由Intel公司1991年提出，很快为IBM，DEC，Compaq，Apple公司接受。后成立PCI集团。目前PC计算机都以PCI为主的系统总线。PCIPCI插槽形状插槽形状主要系统总线性能比较主要系统总线性能比较: :好很好有有有无限132/264/52832/64位PCI差差无无无有限 13232位VESA较好好无无有有限 3332位EISA较好差无无无无 816位总线数据总线带宽（MB/S）猝发方式自动配置并行工作支持3.3V规范性可扩展性ISA（5 5） PCI-EPCI-E总线总线 PCI-ExpressPCI-E

25、xpress是最新的总是最新的总线和接口标准，它原来的名线和接口标准，它原来的名称为称为“3GIO3GIO”，是由英特尔，是由英特尔提出的，很明显英特尔的意提出的，很明显英特尔的意思是它代表着下一代思是它代表着下一代I/OI/O接接口标准。口标准。 它的主要优势就是数据它的主要优势就是数据传输速率高，目前最高的传输速率高，目前最高的16X 2.016X 2.0版本可达到版本可达到10GB/s10GB/s，而且还有相当大的发展潜力而且还有相当大的发展潜力 PCI VS PCI ExpressPCI VS PCI ExpressPCI 采用采用并行并行的信号机制的信号机制传输速率从传输速率从33M

26、T/S 到到 266MT/S总线带宽有总线带宽有32bit/64bit 两种两种支持边带支持边带(Side band)信号控制信号控制Load-Store 架构架构内存，内存，I/O，配置，配置PCI 电源管理电源管理奇偶和奇偶和ECC v串行差分串行差分接口接口v传输速率达到了传输速率达到了10GB/sv多种传输模式，非常灵活：多种传输模式，非常灵活：1X，2X.32XvIn-band 控制控制vLoad Store 架构架构v内存，内存，I/O，配置和信息，配置和信息v增强控制机制增强控制机制v与目前的与目前的PCI 软件软件100%兼容兼容v高级电源管理高级电源管理v高级高级RAS，支持热插拔，支持热插拔v支持支持QoS(服务质量服务质量)PCI-E总线与其他总线性能的比较总线与其他总线性能的比较3.3.设备总线设备总线主要用于计算机系统的主机与外部设主要用于计算机系统的主机与外部设备之间的互联，也称备之间的互联，也称外部总线外部总线 。（1 1） ATAATA（IDE IDE ）接口）接口 集成设备电路（集成设备电路（IDEID