第三章-系统总线

1、CPU史苇杭史苇杭办公室：办公室：306办公电话：办公电话子邮件：电子邮件： 计算机组成原理计算机组成原理 第三章第三章 系统总线系统总线系系统统总总线线存储器存储器 运算器运算器 控制器控制器 接口与通信接口与通信 输入输入/输出设备输出设备Cache 总线一章不是考试的重点，需要识记的内容较多，相对的重点在于总线仲裁和定时。总线一章不是考试的重点，需要识记的内容较多，相对的重点在于总线仲裁和定时。总线概述总线概述1、总线的基本概念、总线的基本概念2、总线的分类、总线的分类3、总线的组成和性能指标、总线的组成和性能指标了解了解识记识记 总线仲裁总线仲裁1、集中仲

2、裁方式、集中仲裁方式2、分布仲裁方式、分布仲裁方式掌握掌握总线操作和定时总线操作和定时1、同步定时方式、同步定时方式2、异步定时方式、异步定时方式掌握掌握总线标准总线标准了解了解大纲要求大纲要求复习目标复习目标重难点提示重难点提示1、理解理解总线的基本概念及其分类；总线的基本概念及其分类；2、理解理解总线的组成及性能指标，总线的组成及性能指标，掌握掌握相关计算；相关计算；3、掌握掌握总线仲裁、操作和定时的各种实现方式及各种实现方式的总线仲裁、操作和定时的各种实现方式及各种实现方式的 优缺点；优缺点；4、了解各种常用总线标准。、了解各种常用总线标准。1、总线的常用性能指标及相关计算；、总线的常用

3、性能指标及相关计算；2、集中仲裁方式的三种具体实现的细节与相关计算。、集中仲裁方式的三种具体实现的细节与相关计算。第三章第三章 系统总线系统总线3.1、总线的概念（共享分时）、总线的概念（共享分时）3.2、总线的分类、总线的分类3.3、总线的结构、总线的结构3.4、总线的控制、总线的控制3.5、总线的仲裁（重点掌握）、总线的仲裁（重点掌握）3.6、总线的标准、总线的标准 总线总线：连接计算机中多个部件，：连接计算机中多个部件，是一组是一组共享的共享的信号传送线路，信号传送线路， 它能够它能够分时分时接收和发送各种信号。接收和发送各种信号。 共享：共享：是指总线所连接的各部件是指总线所连接的各部

4、件都通过共享它传递信号。都通过共享它传递信号。 分时：分时：是指在某一时刻只允许有是指在某一时刻只允许有一个部件将信号发送上总线。一个部件将信号发送上总线。 分时共享分时共享是总线的主要特征。是总线的主要特征。3.1 总线的概念总线的概念总线不仅是指一组传输线总线不仅是指一组传输线，还包括相应的，还包括相应的总线接口总线接口和和总线控制器总线控制器。由于总线是分时共享的，总线所连的各个部件都应有由于总线是分时共享的，总线所连的各个部件都应有三态门电路三态门电路，这是，这是最基本的总线接口逻辑电路。最基本的总线接口逻辑电路。有的部件为了解决有的部件为了解决速度匹配速度匹配问题，设有问题，设有缓冲

5、寄存器缓冲寄存器作为作为总线接口寄存器总线接口寄存器。（例如：人例如：人 站台（缓冲）站台（缓冲） - 车车）为了实现分时共享，必须制定一套相应的规则，称为为了实现分时共享，必须制定一套相应的规则，称为总线协议总线协议，连在总，连在总线上的各个部件必须遵守这些协议，才能有序地分时共享总线。线上的各个部件必须遵守这些协议，才能有序地分时共享总线。总线控制器总线控制器便是总线协议的维护者，当多个部件争用总线时，由总线控便是总线协议的维护者，当多个部件争用总线时，由总线控制器进行裁决，决定由谁首先使用总线。制器进行裁决，决定由谁首先使用总线。3.1 总线的概念总线的概念总线的基本结构总线的基本结构一

6、组传输线一组传输线总线接口总线接口（三态门）（三态门）总线接口寄存器总线接口寄存器（缓冲作用）（缓冲作用）总线控制器总线控制器（维护总线协议）（维护总线协议）CBABACCPACPBCPC控控A控控B控控C计算机总线实现举例计算机总线实现举例 典型做法：典型做法： 发送端：发送端：通过三态门将信号分时送入总线通过三态门将信号分时送入总线 接收端：接收端：靠定时打入脉冲接收信号。靠定时打入脉冲接收信号。3.1 总线的概念总线的概念总总线线第三章第三章 系统总线系统总线3.1、总线的概念（共享分时）、总线的概念（共享分时）3.2、总线的分类、总线的分类3.3、总线的结构、总线的结构3.4、总线的控

7、制、总线的控制3.5、总线的仲裁（重点掌握）、总线的仲裁（重点掌握）3.6、总线的标准、总线的标准1）按总线连接的部件分为：）按总线连接的部件分为： 片内总线片内总线：连接芯片内各部件的总线。：连接芯片内各部件的总线。 （例：（例：CPU内部总线内部总线） 特点：特点：结构简单，传输距离短，速度高。结构简单，传输距离短，速度高。 系统总线：系统总线：在一个计算机系统内连接在一个计算机系统内连接CPU、主存、输入、主存、输入/输出接口输出接口 等部件的总线。等部件的总线。 系统总线包括：系统总线包括：地址总线、数据总线、控制总线地址总线、数据总线、控制总线，以及电源线。，以及电源线。 特点：特点

8、：传输距离较短，速度较高。传输距离较短，速度较高。 通信总线：通信总线：多台计算机之间，或计算机与一些智能设备之间的连线。多台计算机之间，或计算机与一些智能设备之间的连线。 一般仅有较窄数据线和简单的控制信号线。一般仅有较窄数据线和简单的控制信号线。 特点：特点：传输距离远，速度较低。传输距离远，速度较低。3.2 总线的分类总线的分类重点学重点学习习系统总线包括：系统总线包括：数据总线数据总线、地址总线地址总线、控制总线控制总线和和电源线电源线。数据总线数据总线DB（Data Bus） 数据总线用来实现数据传送，一般为数据总线用来实现数据传送，一般为双向双向传送。传送。 数据总线的宽度数据总线

9、的宽度，一般有，一般有8位、位、16位、位、32位、位、64位等，位等， 它是系统总线的一个重要指标。它是系统总线的一个重要指标。 根据数据总线的宽度可将系统根据数据总线的宽度可将系统 总线分为总线分为8位总线、位总线、16位总线、位总线、32位总线、位总线、64位总线等。位总线等。地址总线地址总线AB（Address Bus） 地址总线用于传送地址信号，以确定所访问的地址总线用于传送地址信号，以确定所访问的存储单元存储单元或或某个某个I/O 端口端口，地址总线一般有，地址总线一般有16位、位、20位、位、24位、位、32位等几种宽度标准位等几种宽度标准 地址总线地址总线确定了可访问存储空间的

10、大小确定了可访问存储空间的大小。地址总线为。地址总线为单向单向总线，总线， 只有掌管总线控制权的只有掌管总线控制权的主控部件主控部件，如：，如：CPU，DMA控制器、控制器、IOP 等，才能向地址总线等，才能向地址总线发地址码发地址码。 不能掌管总线控制权的部件，如存储器，不能发送地址码，只能不能掌管总线控制权的部件，如存储器，不能发送地址码，只能 从地址总线上接收地址信号，进行地址译码。从地址总线上接收地址信号，进行地址译码。3.2 总线的分类总线的分类需要一提的是在微处理器中，由于芯片的引脚数有限，常将需要一提的是在微处理器中，由于芯片的引脚数有限，常将地址总线地址总线与数据总线复合与数据

11、总线复合或部分复合使用，以减少芯片引脚数目。或部分复合使用，以减少芯片引脚数目。例如：例如：部分复合使用时，在总线周期开始，先用部分复合使用时，在总线周期开始，先用地址地址/数据复合线数据复合线传送传送地址码的地址码的高位部分高位部分，将它送入一个地址锁存器，同时，将它送入一个地址锁存器，同时专用地址线专用地址线传送传送地址码的地址码的低位部分低位部分，两部分合成为完整的地址码两部分合成为完整的地址码。然后再用。然后再用地址地址/数据数据复合线复合线传送数据。传送数据。控制总线控制总线CB（Control Bus） 控制线用来传送各类控制控制线用来传送各类控制/状态信号。状态信号。 各种各种不

12、同的总线标准不同的总线标准其数据总线和地址总线的差别都不大，而它其数据总线和地址总线的差别都不大，而它们的们的控制总线差别最大控制总线差别最大，各具特色。，各具特色。3.2 总线的分类总线的分类2）按传送方向分为：）按传送方向分为：单向总线、双向总线。单向总线、双向总线。3.2 总线的分类总线的分类单向总线：单向总线：总线上的信号只能向一个方向传送，如总线上的信号只能向一个方向传送，如地址总线地址总线。A1A2A8Y1Y2Y8G输入输入 输出输出 G G A A Y Y 0 0 10 1 0 1 高阻高阻 任意任意2）按传送方向分为：）按传送方向分为：单向总线、双向总线。单向总线、双向总线。3

13、.2 总线的分类总线的分类双向总线：双向总线：总线上的信号可以双向传送，如总线上的信号可以双向传送，如数据总线、控制总线数据总线、控制总线。控制输入控制输入操作操作00101输入信号输入信号B 到到 A 输入信号输入信号A 到到 B 隔离隔离A1A2A8B1B2B8DIRGGDIR任意任意与与与与3）按数据传送格式分为：）按数据传送格式分为： 并行总线：并行总线：并行总线的数据线有多条，可同时传送多个二进制位，并行总线的数据线有多条，可同时传送多个二进制位， 通常数据总线上可同时传送的二进制位数称为通常数据总线上可同时传送的二进制位数称为数据通路数据通路 的宽度；的宽度； 系统总线系统总线一般

14、是并行总线，其数据通路的宽度与一般是并行总线，其数据通路的宽度与CPU一一 致，并为致，并为字节的整数倍字节的整数倍。 串性总线：串性总线：串性总线中的数据线只有一条，只能串行地逐位传送数串性总线中的数据线只有一条，只能串行地逐位传送数 据或有两根数据线，分别实现两个方向的数据传输。据或有两根数据线，分别实现两个方向的数据传输。 外部总线外部总线多用串行总线，节省线路成本，实现远距离传多用串行总线，节省线路成本，实现远距离传 输，显然串行总线的传输速度低于并行总线。输，显然串行总线的传输速度低于并行总线。3.2 总线的分类总线的分类3.2 总线的分类总线的分类并行传送比串行传送速度快，系统总线

15、都采用并行传送。并行传送比串行传送速度快，系统总线都采用并行传送。串行传送串行传送并行传送并行传送第三章第三章 系统总线系统总线3.1、总线的概念（共享分时）、总线的概念（共享分时）3.2、总线的分类、总线的分类3.3、总线的结构、总线的结构3.4、总线的控制、总线的控制3.5、总线的仲裁（重点掌握）、总线的仲裁（重点掌握）3.6、总线的标准、总线的标准1 、以、以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构主存主存输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备CPU存储总线存储总线I/

16、O总线总线3.3 总线的结构总线的结构1）结构特点：两簇总线。）结构特点：两簇总线。 CPU与内存之间交换数据的通路，即存储总线与内存之间交换数据的通路，即存储总线M-BUS。 CPU与输入输出设备之间交换数据的通路，即与输入输出设备之间交换数据的通路，即I/O-BUS。2）分析与结论）分析与结论 根据结构特点画关系图，显而易见，内存与根据结构特点画关系图，显而易见，内存与I/O设备之间交换数据设备之间交换数据 都要通过都要通过CPU，因此称，因此称面向面向CPU的双总线结构的双总线结构。优点：优点：是同一时间内只能进行一种传送，因此控制线路简单，时间关系是同一时间内只能进行一种传送，因此控制

17、线路简单，时间关系 易于处理，可以采用同步控制方式。易于处理，可以采用同步控制方式。缺点：缺点：是由于是由于I/O设备与存储器交换数据要有设备与存储器交换数据要有CPU的干预，因而当的干预，因而当I/O设设 备工作频繁时要占用大量的备工作频繁时要占用大量的CPU时间，从而降低了时间，从而降低了CPU的工作效的工作效 率，因此，这种结构为多数低档小型机所采用。率，因此，这种结构为多数低档小型机所采用。存储器存储器输入输入/输出设备输出设备CPU3.3 总线的结构总线的结构2、单总线结构、单总线结构主存主存输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出

18、设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备CPU总线使用级别：总线使用级别：1）外部设备的级别最高，）外部设备的级别最高，2）CPU次之，次之，3）存储器最低。）存储器最低。系统总线系统总线3.3 总线的结构总线的结构2、单总线结构、单总线结构CPU使用单总线取指令使用单总线取指令外部设备和存储器外部设备和存储器统一编址。统一编址。例如：例如：假设地址范围假设地址范围FF00FFFF作为作为外部设备的地址，外部设备的地址，其他为内存地址。其他为内存地址。这样这样CPU就会在不就会在不同的地址单元读写同的地址单元读写数据，对外部设备数据，对外部设备的输入输出操作完的输入输出

19、操作完全与内存单元的操全与内存单元的操作方法相同。作方法相同。CPU使用单总线与外设传送数据使用单总线与外设传送数据3.3 总线的结构总线的结构2、单总线结构、单总线结构使用单总线进行使用单总线进行DMA操作操作在单总线结构中，某些在单总线结构中，某些外部设备也可以被指定地址外部设备也可以被指定地址。当外设占用总线交换数据时，当外设占用总线交换数据时，CPU放弃总线控制权，放弃总线控制权，让给外设，外设得到总线控制权后，向总线发出地址信号，与其让给外设，外设得到总线控制权后，向总线发出地址信号，与其他设备进行数据交换。他设备进行数据交换。1）如果外设指定的地址单元是内存地址，）如果外设指定的地

20、址单元是内存地址，那么内存与外设之间将进那么内存与外设之间将进 行直接内存数据传送，这就是行直接内存数据传送，这就是DMA传送传送 (Direct Memory Access，直接内存存取，直接内存存取) 3.3 总线的结构总线的结构2、单总线结构、单总线结构 2）如果外设指定的地址是另一个外设，）如果外设指定的地址是另一个外设，则外设与外设进行数据传送。则外设与外设进行数据传送。使用单总线进行两外设间数据传送使用单总线进行两外设间数据传送3.3 总线的结构总线的结构1）结构特点：）结构特点：靠一组总线（包括地址总线、数据总线和各种控制线）靠一组总线（包括地址总线、数据总线和各种控制线） 来实

21、现来实现CPU、存储器、存储器、I/O设备之间的数据交换。设备之间的数据交换。2）分析与结论）分析与结论 1）中央处理器不再是计算机的中心，）中央处理器不再是计算机的中心，CPU与其他设备一样，只不过与其他设备一样，只不过 是单总线的一个子系统。是单总线的一个子系统。 2）采用单总线结构后系统功能增强。）采用单总线结构后系统功能增强。 因为采用单总线传送方式因为采用单总线传送方式允许允许I/O设备直接与存储器交换数据设备直接与存储器交换数据， 除分配总线使用权时还要与除分配总线使用权时还要与CPU打交道外，基本上不影响打交道外，基本上不影响CPU， 外部设备和内存统一编码外部设备和内存统一编码

22、，CPU可以像访问内存一样访问外设可以像访问内存一样访问外设。3）存在问题）存在问题 1）单总线的工作）单总线的工作不允许有两个主设备同时使用总线不允许有两个主设备同时使用总线，因此，当，因此，当I/O 设备控制总线使用权时，设备控制总线使用权时，CPU不能从主存中读取数据，因而降不能从主存中读取数据，因而降 低了低了CPU的处理速度。的处理速度。 2）由于所有设备都连在一组总线上，总线负载重。）由于所有设备都连在一组总线上，总线负载重。 3.3 总线的结构总线的结构3、以存储器为中心的双总线结构（当前广泛使用）、以存储器为中心的双总线结构（当前广泛使用）主存主存输入输入/输出接口输出接口输入

23、输入/输出设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备CPU系统总线系统总线存储总线存储总线3.3 总线的结构总线的结构1）结构特点）结构特点 在内存上开了两个口子，一个与在内存上开了两个口子，一个与CPU相连，专供它与相连，专供它与CPU交换数据；交换数据；另一个口子与原来的单总线相通，实现内存与外设的数据交换。另一个口子与原来的单总线相通，实现内存与外设的数据交换。2）分析与结论）分析与结论 1）存储器为计算机的中心，这种结构为）存储器为计算机的中心，这种结构为面向存储器的双总线结构面向存储器的双总线结构。 2）这种结构不是对单总线结构的否定，而是对它很好的补充。）这种

24、结构不是对单总线结构的否定，而是对它很好的补充。 首先，首先，CPU通过专用总线与主存交换数据，不仅提高了通过专用总线与主存交换数据，不仅提高了CPU的的 速度，而且速度，而且减轻了系统总线的负担减轻了系统总线的负担。其次，主存与。其次，主存与I/O设备交换设备交换 数据，不必经过数据，不必经过CPU，因此又保持了单总线的主要优点，因此又保持了单总线的主要优点-灵活。灵活。 整个计算机系统由早期以整个计算机系统由早期以CPU为中心发展为以存储器为中心，为中心发展为以存储器为中心， 因此，这种总线结构被广泛采用。因此，这种总线结构被广泛采用。CPU输入输入/输出设备输出设备存储器存储器3.3 总

25、线的结构总线的结构输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输出总线（输入输出总线（ CPU执行执行I/O指令时才用到指令时才用到）CPUDMA接口接口存储总线存储总线DMA总线：总线：存储器与高速外部设备（磁盘）之间的总线存储器与高速外部设备（磁盘）之间的总线4、带、带DMA的三总线结构的三总线结构3.3 总线的结构总线的结构DMA Direct Memory Access（存储器直接访问）（存储器直接访问）高速高速I/O设备设备DMA总线总线内存内存若内存是单个存储体，若内存是单个存储体，存储总线与存储总线与DMA总线不能同时使用。总线不能同时使用。CPU系统总线系统总线内存

26、内存输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输入/输出总线输出总线IO处理机处理机5、带、带I/O处理机的三总线结构处理机的三总线结构存储总线存储总线3.3 总线的结构总线的结构具有特殊具有特殊功能的处功能的处理器，由理器，由通道对通道对I/O统一管理。统一管理。CPU系统总线系统总线内存内存输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备输入输入/输出接口输出接口输入输入/输出设备输出设备扩展总线扩展总线6、带、带Cache总线和桥接器的总线结构总线和桥接器的总线结构C

27、ache局部总线局部总线桥桥3.3 总线的结构总线的结构CPU系统总线系统总线内存内存扩展总线（扩展总线（ISA）7、带高速总线的系统总线结构、带高速总线的系统总线结构Cache局部总线局部总线北桥北桥高速高速 I/O南桥南桥高速总线（高速总线（PCI）高速高速 I/O低速低速 I/O低速低速 I/O低速低速 I/O3.3 总线的结构总线的结构总线结构举例：总线结构举例： PCI总线体系结构总线体系结构3.3 总线的结构总线的结构 大多数计算机采用了大多数计算机采用了分层次的多总线结构分层次的多总线结构。 速度差异较大的设备速度差异较大的设备分享不同速度的总线，分享不同速度的总线， 速度相近的

28、设备速度相近的设备共享同一速度总线。共享同一速度总线。PCI总线：总线： 用于连接用于连接高速的高速的I/O设备设备。 通过通过“桥桥”芯片，上与更高速的芯片，上与更高速的CPU总线相连，下与低速的总线相连，下与低速的ISA 总线相接。总线相接。 PCI总线是一个总线是一个32(或或64位位)的同步总线的同步总线， 32位位(或或64位位)数据数据/地址线是同一组线，分时复用地址线是同一组线，分时复用。 PCI是一个与处理器无关的是一个与处理器无关的高速外围总线高速外围总线，又是至关重要的层，又是至关重要的层 间总线。它采用间总线。它采用同步时序协议同步时序协议和和集中式仲裁策略集中式仲裁策略

29、，并具有自，并具有自 动配置能力。动配置能力。 计算机系统中允许有多条计算机系统中允许有多条PCI总线。总线。总线结构举例（续）总线结构举例（续）3.3 总线的结构总线的结构ISA总线：总线：Pentium机使用该总线与机使用该总线与低速低速I/O设备设备连接。连接。 主板上一般留有主板上一般留有34个个ISA总线扩充槽，以便使用各种适配总线扩充槽，以便使用各种适配 器卡。如声卡、器卡。如声卡、CD-ROM适配器、以太网卡等。适配器、以太网卡等。 该总线支持该总线支持7个个DMA通道和通道和15级可屏蔽硬件中断。级可屏蔽硬件中断。即插即用即插即用简称简称PnP。就是说，新设备应只需简单的插入即

30、可开始运行，。就是说，新设备应只需简单的插入即可开始运行，不需要用户去拨动开关、插拔跳线以及复杂地安装软件来调整和重新配不需要用户去拨动开关、插拔跳线以及复杂地安装软件来调整和重新配置系统。这意味着重新配置行为是自动完成的，并且对用户是透明的。置系统。这意味着重新配置行为是自动完成的，并且对用户是透明的。Intel和和Microsoft联手提出了一个联手提出了一个即插即用即插即用ISA规范规范，该规范定义了，该规范定义了ISA总线适配器卡最小实现功能集。总线适配器卡最小实现功能集。PnP ISA规范还不能做到识别什么样的规范还不能做到识别什么样的适配器卡插在哪个槽的地理位置，但它已能读取和重新

31、配置这种适配器卡插在哪个槽的地理位置，但它已能读取和重新配置这种PnP卡卡的配置数据。而且它允许的配置数据。而且它允许PnP ISA适配卡与老式的适配卡与老式的ISA总线适配器卡共总线适配器卡共存于系统中。存于系统中。 总线结构举例（续）总线结构举例（续）3.3 总线的结构总线的结构在在PCI总线体系结构中有总线体系结构中有三种桥三种桥。 桥桥连接两条总线，使彼此间相互通信。连接两条总线，使彼此间相互通信。 桥桥又是一个又是一个总线转换部件总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到一条总线的地址空

32、间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。同样的一份地址表。以桥连接实现的以桥连接实现的PCI总线结构具有很好的扩充性和兼容性，允许多条总线结构具有很好的扩充性和兼容性，允许多条总线并行工作。总线并行工作。它与处理器无关，不论它与处理器无关，不论HOST总线上是单总线上是单CPU还是多还是多CPU，也不论，也不论CPU是什么型号，只要有相应的是什么型号，只要有相应的HOST桥芯片桥芯片(组组)，就，就可与可与PCI总线相连。总线相连。Pentium机总线系统中有一个核心逻辑芯片组，简称机总线系统中有一个核心逻辑芯片组，简称PCI芯片组芯片组，它，它包括包括主存控制器和主存控

33、制器和cache控制器芯片、北桥芯片和南桥芯片控制器芯片、北桥芯片和南桥芯片。这个芯。这个芯片组叫片组叫Intel 430系列、系列、440系列，它们在系统中起着至关重要的作用。系列，它们在系统中起着至关重要的作用。3.3 总线的结构总线的结构PentiumPC总线结构是一个三层次的多总线结构，总线结构是一个三层次的多总线结构，即有：即有：CPU总线，总线，PCI总线，总线，ISA总线。总线。CPU总线：总线：64位数据线和位数据线和32位地址线的同步总线。位地址线的同步总线。PCI总线：总线：用于连接用于连接高速的高速的I/O设备设备，采用，采用集中式仲裁集中式仲裁方式。方式。ISA总线：总

34、线：用于连接用于连接低速低速I/O设备设备。3.3 总线的结构总线的结构CPU总线和总线和PCI总线总线的桥为的桥为“北桥北桥”，桥，桥的作用是信号速度缓的作用是信号速度缓冲、电平转换和控制冲、电平转换和控制协议的转换。协议的转换。PCI总线和总线和ISA总线总线的桥为的桥为“南桥南桥”，通，通过桥可以将两类不同过桥可以将两类不同的总线粘合在一起。的总线粘合在一起。3.1、总线的概念（共享分时）、总线的概念（共享分时）3.2、总线的分类、总线的分类3.3、总线的结构、总线的结构3.4、总线的控制、总线的控制3.5、总线的仲裁（重点掌握）、总线的仲裁（重点掌握）3.6、总线的标准、总线的标准第三

35、章第三章 系统总线系统总线 总线的控制总线的控制主要解决通信双方如何获知数据传输开始和传输结束，主要解决通信双方如何获知数据传输开始和传输结束， 以及通信双方如何协调配合。以及通信双方如何协调配合。总线传输周期（总线周期）总线传输周期（总线周期）一次总线操作所需要的时间。（分四个阶段：申请、寻址、传输、结束）一次总线操作所需要的时间。（分四个阶段：申请、寻址、传输、结束）申请分配阶段：申请分配阶段：主设备提出申请，总线仲裁机构决定授予总线使用权。主设备提出申请，总线仲裁机构决定授予总线使用权。寻址阶段：寻址阶段：主设备取得了总线使用权后，通过总线发出访问从设备的主设备取得了总线使用权后，通过总

36、线发出访问从设备的 存储地址或设备地址及有关命令，启动传输。存储地址或设备地址及有关命令，启动传输。传输阶段：传输阶段：主设备和从设备之间进行数据交换。主设备和从设备之间进行数据交换。结束阶段：结束阶段：主设备从系统总线上撤出，并让出总线使用权。主设备从系统总线上撤出，并让出总线使用权。 3.4 总线的控制总线的控制 同步通信同步通信：设置：设置统一的时钟信号统一的时钟信号，数据传送时，收发双方严格遵循，数据传送时，收发双方严格遵循 这个时钟信号。（和最慢的部件同步！）这个时钟信号。（和最慢的部件同步！） 应用范围：应用范围：总线上各部件间工作速度总线上各部件间工作速度差异较小，差异较小，其其

37、 控制较简单，但时间利用率可能不高。控制较简单，但时间利用率可能不高。 异步通信：没有统一的时钟信号异步通信：没有统一的时钟信号，数据传送时，采用，数据传送时，采用应答方式应答方式工作。工作。 应用范围：应用范围：总线上各部件总线上各部件工作速度差异较大，工作速度差异较大，传输时间传输时间 可根据需要而定，时间利用率高，控制复杂。可根据需要而定，时间利用率高，控制复杂。 异步分为：异步分为：不互锁、半互锁、全互锁不互锁、半互锁、全互锁 半同步通信：将同步与异步相结合半同步通信：将同步与异步相结合。既有公共时钟控制，。既有公共时钟控制， 又允许不同速度部件谐和工作（插入等待周期。）又允许不同速度

38、部件谐和工作（插入等待周期。） 分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力；分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力； 将一个总线传输周期分成两个子周期分给主从部件。将一个总线传输周期分成两个子周期分给主从部件。3.4 总线的控制总线的控制 读读命令命令T1总线传输周期总线传输周期（读）（读）T2T3T4 时钟时钟 地址地址 数据数据同步通信同步通信：事件在总线上出现的时刻由：事件在总线上出现的时刻由总线时钟信号总线时钟信号来确定，来确定， 所有的事件都出现在时钟信号的前沿，所有的事件都出现在时钟信号的前沿， 大多数事件只能占据大多数事件只能占据单一总线时钟周期单一总线时钟周期。 数据数据T

39、1总线传输周期总线传输周期（写）（写）T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令同步通信同步通信：事件在总线上出现的时刻由：事件在总线上出现的时刻由总线时钟信号总线时钟信号来确定，来确定， 所有的事件都出现在时钟信号的前沿，所有的事件都出现在时钟信号的前沿， 大多数事件只能占据大多数事件只能占据单一总线时钟周期单一总线时钟周期。不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁主主设设备备从从设设备备请请求求回回答答异步通信：异步通信：后一事件的出现取决于前一事件的出现，即建立在后一事件的出现取决于前一事件的出现，即建立在应答式应答式 或或互锁机制互锁机制基础上，这种系统中基础上，这种系统中不需要统一的

40、时钟信号不需要统一的时钟信号， 总线周期的长度可变。总线周期的长度可变。半同步通信：半同步通信： 同步：同步：发送方用系统时钟前沿发信号，接收方用系统时钟后沿判断识别；发送方用系统时钟前沿发信号，接收方用系统时钟后沿判断识别； 异步：异步：允许不同速度的设备和谐工作，增加一条等待响应信号允许不同速度的设备和谐工作，增加一条等待响应信号Wait， 当当Wait为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 T。 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（读）总线传输周期（读）T1T2TWTWT3T4同步、异步、半同步通信的共同点：同步、异步、半同步通信的共同点：一个总线传输周期

41、中：一个总线传输周期中：1）主设备发地址主设备发地址 、发命令、发命令（占用总线，总线忙）（占用总线，总线忙）2）从设备准备数据）从设备准备数据（占用总线，总线闲占用总线，总线闲）3）从设备向主设备发数据）从设备向主设备发数据（占用总线，总线忙）（占用总线，总线忙）分离式通信：（充分提高了总线的有效占用）分离式通信：（充分提高了总线的有效占用）一个总线传输周期分两个子周期一个总线传输周期分两个子周期子周期子周期1：主设备主设备 申请申请 占用总线占用总线，然后，然后 放弃总线放弃总线 的使用权；的使用权；子周期子周期2：从设备从设备 申请申请 占用总线占用总线，将，将传输传输的数据送至总线上。

42、的数据送至总线上。各设备有权申请占用总线各设备有权申请占用总线采用同步方式通信，不等对方回答采用同步方式通信，不等对方回答各设备准备数据时，不占用总线各设备准备数据时，不占用总线总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲3.4 总线的控制总线的控制第三章第三章 系统总线系统总线3.1、总线的概念（共享分时）、总线的概念（共享分时）3.2、总线的分类、总线的分类3.3、总线的结构、总线的结构3.4、总线的控制、总线的控制3.5、总线的仲裁（重点掌握）、总线的仲裁（重点掌握）3.6、总线的标准、总线的标准连接到总线上的功能部件有连接到总线上的功能部件有主主、从从两种形态。两种形态。如：如：CPU使用

43、总线可以主动，也可以被动，但是存储器只能被动。使用总线可以主动，也可以被动，但是存储器只能被动。主设备主设备可以启动一个总线周期可以启动一个总线周期，从设备从设备只能响应主设备的请求只能响应主设备的请求。每次总线操作，只能有一个主设备占用总线控制权每次总线操作，只能有一个主设备占用总线控制权，但同一时间里，但同一时间里可以有一个或多个从设备。可以有一个或多个从设备。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须有为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须有总线仲裁部件总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备使用总线。以某种方式选择其中一个主设备使用总线。对多个主设备提出的总线请求，一般采用对多个

44、主设备提出的总线请求，一般采用优先级优先级或或公平策略公平策略进行进行仲裁仲裁。除除CPU外，外，输入输出设备也可以提出总线请求输入输出设备也可以提出总线请求。对输入输出设备的总线请求采用优先级策略对输入输出设备的总线请求采用优先级策略。3.5 总线的仲裁总线的仲裁按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁分为按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁分为集中式集中式和和分布式仲裁分布式仲裁两类。两类。集中式仲裁总线控制：集中式仲裁总线控制：总线控制逻辑电路集中在一起。总线控制逻辑电路集中在一起。分布式仲裁总线控制：分布式仲裁总线控制：总线控制逻辑电路分散在总线上各部件中。总线控制逻辑电路分散在总线上各部件中。1

45、）、集中式仲裁）、集中式仲裁 集中式仲裁中每个总线上的部件有两条线连仲裁器：集中式仲裁中每个总线上的部件有两条线连仲裁器：一条是送往仲裁器的一条是送往仲裁器的总线请求信号线总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的一条是仲裁器送出的总线授权信号线总线授权信号线BG。(1) 链式查询方式链式查询方式(2) 计数器定时查询方式计数器定时查询方式(3) 独立请求方式独立请求方式3.5 总线的仲裁总线的仲裁 (1) 链式查询方式链式查询方式特点：特点：总线授权信号总线授权信号BG串行地从一个串行地从一个I/O接口传送到下一个接口传送到下一个I/O接口。接口。 假如假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查

46、询；到达的接口无总线请求，则继续往下查询； 假如假如BG到达的接口有总线请求，则该到达的接口有总线请求，则该I/O接口获得了总线控制权。接口获得了总线控制权。 离仲裁器离仲裁器最近的设备具有最高优先级最近的设备具有最高优先级，通过接口的优先级排队电路来实现。，通过接口的优先级排队电路来实现。优点优点: 只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，易扩充设备。只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，易扩充设备。缺点缺点: 询问链电路中，如果第询问链电路中，如果第i个设备接口有故障，第个设备接口有故障，第i个以后的设备就不能工作。个以后的设备就不能工作。 查询链的优先级是查询链的优先级是固

47、定的固定的，各个设备使用总线不公平。，各个设备使用总线不公平。3.5 总线的仲裁总线的仲裁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I/O接口接口13.5 总线的仲裁总线的仲裁 (1) 链式查询方式（过程演示）链式查询方式（过程演示）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（1）当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线上）当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线上发出发出BRi信号信号 。（2）CPU根据优先原则同意后，根据优先原则同

48、意后，回答回答BGi信号信号。（3）链式查询各设备链式查询各设备，遇到第一个请求的设备对其授权总线控制，遇到第一个请求的设备对其授权总线控制， 该设备该设备下降自己的下降自己的BRi信号信号，并，并上升上升SACK信号信号证实已收到证实已收到BGi 信号。信号。（4）CPU接到接到SACK信号后信号后下降下降BGi作为回答作为回答。（5）在）在BBSY为为“0”时该设备时该设备上升上升BBSY表示该设备获得了总线控制权。表示该设备获得了总线控制权。（6）设备用完总线后，）设备用完总线后，下降下降BBSY和和SACK，释放总线。，释放总线。CPU外设外设3.5 总线的仲裁总线的仲裁外设外设BS

49、总线忙总线忙BR 总线请求总线请求BG 总线同意总线同意 (1) 链式查询方式链式查询方式总线总线(2) 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 1）总线上的任一设备要求使用总线时，通过总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。线发出总线请求。 2）中央仲裁器接到请求信号以后，在中央仲裁器接到请求信号以后，在BBSY线为线为“0”的情况下让的情况下让计数器计数器开开 始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。 每个设备接口都有一个每个设备接口都有一个设备地址设备地址判别电路，当判别电路，当地址线上的计数值地址线上的计数值与与请求总请求总 线的设

50、备地址相一致线的设备地址相一致时，该设备置时，该设备置BBSY线线“1”，获得了总线使用权，此，获得了总线使用权，此 时中止计数查询。时中止计数查询。 每次计数可以从每次计数可以从“0”开始，也可以从上次终止点开始。开始，也可以从上次终止点开始。 如果从如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，顺序固定。开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，顺序固定。 如果从上次终止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。如果从上次终止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。3.5 总线的仲裁总线的仲裁BS 总线忙总线忙BR 总线请求总线请求总线同意总线同意 换成换成 设备地址线设备地址线 0总总

51、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I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 13.5 总线的仲裁总线的仲裁(2) 计数器定时查询方式（动态演示）计数器定时查询方式（动态演示）BS 总线忙总线忙BR 总线请求总线请求总线同意总线同意 换成换成 设备地址线设备地址线(3) 独立请求方式独立请求方式每一个共享总线的设备均有一对每一个共享总线的设备均有一对总线请求线总线请求线BRi和和总线授权线总线授权线BGi。 当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号

52、。中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。优点：优点：响应速度快，确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个响应速度快，确定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。设备接一个设备地查询。 其次，对优先次序的控制相当灵活，可以预先固定也可以通过程其次，对优先次序的控制相当灵活，可以预先固定也可以通过程 序来改变优先次序；还可以用屏蔽序来改变优先次序；还可以用屏蔽(禁止禁止)某个请求的办法，不响某个请求的办法，不响 应来自无效设备的请求。应来自无效设备的请求。3.5 总线的仲裁总线的仲

53、裁BS 总线忙总线忙BR 总线请求总线请求BG 总线同意总线同意排队器排队器排队器排队器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 BG0BR1BG1BRnBGn3.5 总线的仲裁总线的仲裁BR 总线请求总线请求BG 总线同意总线同意(3) 独立请求方式（动态演示）独立请求方式（动态演示）2）分布式仲裁）分布式仲裁 不需要中央仲裁器不需要中央仲裁器，每主动部件都有自己的仲裁号和仲裁器。，每主动部件都有自己的仲裁号和仲裁器。 当有总线请求时，把当有总线请求时，把各自唯一的仲裁号各自唯一的仲裁号发到发到共享的仲裁总线共享的仲裁总线上，上，

54、 每个仲裁器把从仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。每个仲裁器把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，则它的总线请求不予响应。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应。 最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。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。为基础。3.5 总线的仲裁总线的仲裁第三章第三章 系统总线系统总线3.1、总线的概念（共享分时）、总线的概念（共享分时）3.2、总线的分类、总线的分类3.3、总线的结构、总线的结构3.4、总线的控制、总线的控制3.5、总线的仲裁（重点掌握）、总

55、线的仲裁（重点掌握）3.6、总线的标准、总线的标准 早期计算机生产厂家生产的计算机系统中，其总线只供自己和少数早期计算机生产厂家生产的计算机系统中，其总线只供自己和少数配套厂家使用，相互间缺乏互换性，阻碍了计算机的推广。配套厂家使用，相互间缺乏互换性，阻碍了计算机的推广。 随着微型计算机技术的发展和普及，对随着微型计算机技术的发展和普及，对标准化标准化的需求日益增强，许的需求日益增强，许多厂家都采用了开放式策略，明确定义并多厂家都采用了开放式策略，明确定义并公开了总线标准公开了总线标准，使其他厂家，使其他厂家也能按此标准生产各种插件与配套产品。也能按此标准生产各种插件与配套产品。 用户可以按照

56、总线标准选购所需设备，组装成所需的系统。用户可以按照总线标准选购所需设备，组装成所需的系统。 美国电气电子工程师协会美国电气电子工程师协会（IEEE）先后制定了许多广为流行的总线）先后制定了许多广为流行的总线标准，这些总线标准一般是先由某些厂家开发出来，并已经得到社会较标准，这些总线标准一般是先由某些厂家开发出来，并已经得到社会较大程度的认同后，再由大程度的认同后，再由IEEE进行标准化并予以推荐。进行标准化并予以推荐。PC机常用的总线标准：机常用的总线标准：PC总线（总线（8位）、位）、AT总线（总线（16位，常称为工业标准位，常称为工业标准AT总线，简称为总线，简称为ISA总线总线），），

57、EISA总线（总线（32位，扩展工业标准位，扩展工业标准AT总线），总线），PCI总线总线等。等。3.6 总线的标准总线的标准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）33 MBpsEISA328 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

58、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)3.6 总线的标准总线的标准正在发展的正在发展的Futurebus+总线标准总线标准是是VME国际贸易协会、国际贸易协会、IEEE微微处理机标准委员会等团体以及来自公司、大学的专家们协作开发的。处理机标准委员会等团体以及来自公司、大学的专家们协作开发的。其目标是开发一种真正

59、开放的总线标准，使之能支持其目标是开发一种真正开放的总线标准，使之能支持64位地址空间，位地址空间，64位、位、128位、位、256位数据传输，位数据传输，为下一代的多处理机系统提供一个为下一代的多处理机系统提供一个稳定的平台。稳定的平台。 Futurebus+的重要意义在于，它很可能取代当代微处理机的总的重要意义在于，它很可能取代当代微处理机的总线策略。线策略。 Futurebus+是一个是一个高性能的异步总线标准高性能的异步总线标准。 Futurebus+总线是迄今为止最复杂的总线标准，覆盖了物理层总线是迄今为止最复杂的总线标准，覆盖了物理层和逻辑层。它既可用于和逻辑层。它既可用于CPU总

60、线，也可用于高速外围总线而与总线，也可用于高速外围总线而与PCI总总线竞争。线竞争。 Futurebus+和和PCI都支持很高的数据传输率，但都支持很高的数据传输率，但PCI的总线物理的总线物理范围较小，适合于低成本的小系统范围较小，适合于低成本的小系统(如如PC机机)，而，而Futurebus+的目标的目标是提供灵活和宽广的能力，以满足各类高性能系统的需求，适合于高是提供灵活和宽广的能力，以满足各类高性能系统的需求，适合于高成本的较大规模计算机系统。成本的较大规模计算机系统。3.6 总线的标准总线的标准小结：总线的性能指标小结：总线的性能指标1. 总线宽度总线宽度2. 标准传输率标准传输率3