第三章_系统总线

1、13.1 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21. 有关总线的基本概念、总线的分类有关总线的基本概念、总线的分类本章学习目标本章学习目标2. 如何克服总线的瓶颈如何克服总线的瓶颈3. 如何对总线进行管理，包括判优控制和如何对总线进行管理，包括判优控制和通信控制。通信控制。3一、为什么要用总线一、为什么要用总线二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送三、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

2、传输介质。串行串行并行并行4四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1. 面向面向 CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图 中央处理器中央处理器 CPUI/O总线总线M总总线线主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 设备设备n适配器（接口）：实现高速适配器（接口）：实现高速CPUCPU与低速外设之间工作速度上的匹与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。 5单总线（系统总线）单总线（系统总线）2. 单总线结构框图单总线结构框图 C

3、PU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口63. 以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线系统总线 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线71. .片内总线片内总线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 与存储单元个数有关与存储单元个数有关有出有出 有入，有入，控制信号如：时钟、控制信号如：时钟

4、、复位、总线请求（允许）、中断复位、总线请求（允许）、中断请求（响应）、存储器写（读）、请求（响应）、存储器写（读）、I/O读（写）等。读（写）等。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83. .通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线:适于远距离传输适于远距离传输并行通信总线：适于近距离传输并行通信总线：适于近距离传输传输方式传输方式 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、移动通信等）之间的通信之间的通信9CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、总线物理实现一、总线物理实

5、现BUS主板主板101. 机械特性机械特性2. 电气特性电气特性3. 功能特性功能特性4. 时间特性时间特性二、总线特性二、总线特性尺寸尺寸、形状、形状、管脚数管脚数及及排列顺序排列顺序传输方向传输方向 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：用信号时序图描述用信号时序图描述地址地址数据数据控制控制11三、总线的性能指标三、总线的性能指标1. 总线宽度总线宽度2. 总线带宽总线带宽3. 时钟同步时钟同步/异步异步4. 总线复用总线复用5. 信号线数信号线数6. 总线控制方式总线控制方式7. 其他指标其他指标数据线数据线 的根数，

6、用的根数，用bit（位）表示（位）表示每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBps），也称为，也称为 数据传输率数据传输率同步同步、不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 总和总和负载能力、电源电压等负载能力、电源电压等并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数12 四、总线标准四、总线标准p相同的指令系统，相同的功能，不同厂家相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的相同的,但各厂家生产的相同功能部件却可但各厂家生产的相同功能部件却可以

7、互换使用，其原因何在呢以互换使用，其原因何在呢?p为了使不同厂家生产的相同功能部件可以为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前，已经出现了很多总线标准，工作。目前，已经出现了很多总线标准，如如PCI、ISA等。等。 p采用标准总线的优点采用标准总线的优点p简化系统设计简化系统设计p简化系统结构，提高系统可靠性简化系统结构，提高系统可靠性p便于系统的扩充和更新便于系统的扩充和更新13ISAEISAVESA(VL-BUS)PCIAGPRS-232USB模块模块系统系统总总线线标标准准 总线标准总线标准系统系统模块模块标标

8、 准准 界界 面面14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）16MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3232 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）64 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 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

9、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) 四、总线标准四、总线标准15pPCIPCI总线总线是当前实用的总线，是一个高带宽且是当前实用的总线，是一个高带宽且与处理器无关的标准总线，又是重要的层次总与处理器无关的标准总线，又是重要的层次总线。它采用同步定时协议和集中式仲裁策略，线。它采用同步定时协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。并具有自动配置能力。PCIPCI适合于低成本的小系适合于低成本的小系统，因此在统，因

10、此在微型机系统微型机系统中得到了广泛的应用。中得到了广泛的应用。pInfiniBandInfiniBand标准标准，瞄准了高端服务器市场的最，瞄准了高端服务器市场的最新新I/OI/O规范，它是一种基于开关的体系结构，可规范，它是一种基于开关的体系结构，可连接多达连接多达6400064000个服务器、存储系统、网络设备，个服务器、存储系统、网络设备，能替代当前服务器中的能替代当前服务器中的PCIPCI总线，数据传输率高总线，数据传输率高达达30GB/s30GB/s。因此适合于。因此适合于高成本的较大规模计算高成本的较大规模计算机系统机系统。16l总线带宽总线带宽：总线本身所能达到的：总线本身所能

11、达到的最高传输速率。最高传输速率。 p一次操作可以传输的数据位数一次操作可以传输的数据位数p如如S100为为8位，位，ISA为为16位，位，EISA为为32位，位，PCI-2可达可达64位。位。p总线宽度不会超过微处理器外部总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。数据总线的宽度。17【例例1】（1）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个字节个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，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时钟频率为33MHz，总线带宽是多少，总线带宽是多少?（2）如果一个总线周期中并行传送）如果一个总线周期中并行

12、传送64位数据，总线时钟位数据，总线时钟频率升为频率升为66MHz，总线带宽是多少，总线带宽是多少?解解：（：（1）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，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表示，表示，根据定义可得根据定义可得Dr=D/T=D（1/T）=Df=4B33106/s=132MB/s（2）64位位=8BDr=Df=8B66106/s=528MB/s18一、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） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O

13、设备设备n I/O接口接口191. 双总线结构：适用于大中型计算机系统双总线结构：适用于大中型计算机系统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总线总线二、多总线结构二、多总线结构202. 三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMA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接口接口任一时刻只能使用任一时刻只能使用一种总线一种总线只有在只有在CPUCPU执行执行I/OI/O指令时用到指令

14、时用到与与DMADMA总线不能同时总线不能同时对主存进行存取对主存进行存取213. 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224. 四总线结构四总线结构多媒体多媒体 Modem主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSICPU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231. 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、总线结构举例存储器存

15、储器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器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 Modem242. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的32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图文传真图文传真8 MHz的的16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

16、器VL BUS Modem253. PCI 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 Modem264. 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 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

17、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CPU27l早期总线的内部结构如图所示，它实际上是处理器芯早期总线的内部结构如图所示，它实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这设备适配器的通道。这种简单的总线一般也由种简单的总线一般也由50100条线组成，这些线按条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。28早期总线结构的早期总线结构的不足不足之处在于：之处在于：pCPU是总线上惟一的主控者。即使后是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的来增加了具有简单仲裁逻

18、辑的DMA控控制器以支持制器以支持DMA传送，但仍不能满足传送，但仍不能满足多多CPU环境的要求。环境的要求。p总线信号是总线信号是CPU引脚信号的延伸，故引脚信号的延伸，故总线结构紧密与总线结构紧密与CPU相关，通用性较相关，通用性较差。差。2930p由地址线、数据线、控制线组成。其结构由地址线、数据线、控制线组成。其结构与简单总线相似，但一般是与简单总线相似，但一般是32条地址线，条地址线，32或或64条数据线。为了减少布线，条数据线。为了减少布线，64位数据的位数据的低低32位数据线常常和地址线采用多路复用位数据线常常和地址线采用多路复用方式。方式。p仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线

19、。仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。p中断和同步总线：用于处理带优先级的中中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。断操作，包括中断请求线和中断认可线。p公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。等。31l大多数计算大多数计算机采用了机采用了分分层次的多总层次的多总线结构线结构。l右图它是一右图它是一个三层次的个三层次的多总线结构多总线结构即有即有CPU总总线、线、PCI总总线和线和ISA总总线。线。32Pentium机的总线结构分为三层：机的总线结构

20、分为三层：CPU总线、总线、PCI总线和总线和ISA总线。总线。 CPUCPUPCIPCIISAISA北北桥桥南南桥桥33一、总线判优控制一、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. 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342. 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BS 总线忙总线忙BR总线请

21、求总线请求BG总线同意总线同意I/O接口接口135链式查询方式：离中央仲裁器链式查询方式：离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，最近的设备具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越离总线控制器越远，优先权越低。低。优点：只用很少几根线就能按优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充并且这种链式结构很容易扩充设备。设备。缺点：是对询问链的电路故障缺点：是对询问链的电路故障很敏感，优先级固定。很敏感，优先级固定。36 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

22、口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址3. 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 137p每次计数可以从每次计数可以从“0”0”开始，也可以从中开始，也可以从中止点开发始。如果从止点开发始。如果从“0”0”开始，各设备开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的的优先次序与链式查询法相同，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级相等。个设备使用总线的优级相等。p计数器的初值也可用程序来设置，这可以计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以方便地改变优先次

23、序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。可方便的改变优先级增加线数为代价的。可方便的改变优先级。38排队器排队器排队器排队器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/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意BR总线请求总线请求39p独立请求方式的优点是响应时间快，即确定独立请求方式的优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。个设备接一个设备地查询。p其次，对优先次序的控制相当灵活。它可以其次，对优先次序的控制相当灵

24、活。它可以预先固定，例如预先固定，例如BR0优先级最高，优先级最高，BR1次次之之BRn最低；也可以通过程序来改变优先最低；也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。法，不响应来自无效设备的请求。p当代总线标准普遍采用独立请求方式。当代总线标准普遍采用独立请求方式。40p链式查询链式查询：控制线数量少（：控制线数量少（2根线），控根线），控制简单，容易扩充设备；但对电路故障制简单，容易扩充设备；但对电路故障很敏感，且优先级别低的设备很难获得很敏感，且优先级别低的设备很难获得请求。请求。p计数器定时查询计数器

25、定时查询：控制线数量较多：控制线数量较多（log2n根），优先控制比较灵活，对电根），优先控制比较灵活，对电路故障敏感度差，但电路复杂。路故障敏感度差，但电路复杂。p独立请求方式独立请求方式：响应速度快，优先次序：响应速度快，优先次序控制灵活，但控制线数量多（控制灵活，但控制线数量多（2n根），根），控制复杂。控制复杂。n n为允许接纳的最大设备数为允许接纳的最大设备数41二、总线通信控制二、总线通信控制1. 目的目的2. 总线周期：完成一次总线操作的过程总线周期：完成一次总线操作的过程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

26、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 撤消有关信息撤消有关信息 ，让出总线，让出总线使用权使用权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,让各设备以获让各设备以获得总线使用权的先后顺序分时占用总线。得总线使用权的先后顺序分时占用总线。42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 总线每个瞬间总线每个瞬间 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

27、方式应答方式 ，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步同步、异步结合异步结合43 读读命令命令(1) 同步式数据输入（键盘同步式数据输入（键盘CPU）T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 数据数据44 数据数据(2) 同步式数据输出同步式数据输出（CPUCPU打印机）打印机）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45p同步通信同步通信优点优点：规定明确统一，模：规定明确统一，模块配合简单一致。块配合简单一致。p缺点缺点：主从模块时间配合属于强制：主从模块时间配合属于强制性同步，所有从模块使用同一限时，性同步，所有从模块使用同一限时，公

28、共时钟须按照最慢速度的部件来公共时钟须按照最慢速度的部件来设计。缺乏灵活性。设计。缺乏灵活性。p同步通信同步通信适用适用于：于：总线长度较短、总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合各部件存取时间比较一致的场合。46例例3.1 假设总线的时钟频率为假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传，总线的传输周期为输周期为4个时钟周期，总线的宽度为个时钟周期，总线的宽度为32位，试位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍的数据传求总线的数据传输率。若想提高一倍的数据传输率，可采取什么措施？输率，可采取什么措施？解解：一个时钟周期为：一个时钟周期为 1/100MHz=0.01us 总线传输周期为总线传输

29、周期为 0.04us 总线传输率总线传输率=总线宽度总线宽度B/总线传输周期总线传输周期 =328/0.04us=100MBps措施措施：数据线宽度改为：数据线宽度改为64位位 或或 时钟频率增加时钟频率增加1倍倍47不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(3) 异步通信异步通信异步通信有三种异步通信有三种应答方式应答方式：主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答48异步串行通信异步串行通信1.传送字符格式：传送字符格式：1个起始位（低电平）、个起始位（低电平）、58个数据位、个数据位、1个奇偶校验位、终止位（高电平个奇偶校验位、终止位（高电平1个或个或1.5或或2个）个）2.起始位至终止位为起

30、始位至终止位为1帧，两帧间隔为任意长帧，两帧间隔为任意长度。度。3.波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，单位用单位用bps表示。表示。例子见课本例子见课本63页页4.比特率：单位时间内传送二进制有效数据的比特率：单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位用位数，单位用bps表示。表示。49(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

31、条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAIT50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 TWAIT51 读读 命令命令WAIT 地址地址 数据数据 时钟时钟总线传输周期总线传输周期T1T2TWTWT3T4 半同步通信数据输入过程半同步通信数据输入过程52p半同步通信半同步通信优点优点：可靠性高，

32、同步：可靠性高，同步结构方便。结构方便。p缺点缺点：对系统时钟频率不能要求太：对系统时钟频率不能要求太高，高， 整体工作速度较低。整体工作速度较低。p半同步通信半同步通信适用适用于：工作速度不高于：工作速度不高但又包含了由许多工作速度差异较但又包含了由许多工作速度差异较大的各类设备组成的简单系统。大的各类设备组成的简单系统。53上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点一个总线传输周期（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 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

33、线占用总线占用总线54(5) 分离式通信分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力充分挖掘系统总线每个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551. 各模块有权申请占用总线各模块有权申请占用总线分离式通信特点分离式通信特点充分提高了总线的有效占用充分提高了总线的有效占用2. 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3. 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4. 总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲56l掌握总线的基本概念、总线的分类掌握总线的基本概念、总线的分类l掌握总线的性能指标：总线宽度、总线掌握总线的性能指标：总线宽度、总线带宽