第8章 总线技术

1、第第8 8章章 总线技术总线技术主要内容主要内容8.1 8.1 总线的基本概念总线的基本概念 8.2 82888.2 8288总线控制器总线控制器8.3 82898.3 8289总线裁决器总线裁决器8.4 8.4 常用系统总线常用系统总线学习目标学习目标了解：总线的主要性能参数和总线标了解：总线的主要性能参数和总线标准。准。理解：常用的系统总线的基本原理。理解：常用的系统总线的基本原理。应用：掌握本章所介绍的总线的分类应用：掌握本章所介绍的总线的分类、体系结构及操作、总线仲裁及传输方式、体系结构及操作、总线仲裁及传输方式等，并能够在实践中灵活运用。等，并能够在实践中灵活运用。 8.1 8.1

2、总线的基本概念总线的基本概念总线是构成计算机系统的互连机构，是多个功总线是构成计算机系统的互连机构，是多个功能部件之间进行信息传送的公共通路。能部件之间进行信息传送的公共通路。主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。借助于总线连接，在各系统功能部件之机硬件系统。借助于总线连接，在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。的基础上进行工作。8.1.1 8.1.1 总线的分

3、类和特性总线的分类和特性在微机系统中，有多种类型的总线，这些总线可在微机系统中，有多种类型的总线，这些总线可以从不同的层次和角度进行分类。以从不同的层次和角度进行分类。1. 1. 按照总线在系统中的层次结构和位置划分，按照总线在系统中的层次结构和位置划分，一个单处理器系统中的总线，大致分为四类：一个单处理器系统中的总线，大致分为四类：(1) (1) 内部总线：连接内部总线：连接CPUCPU内部控制器、运算器及内部控制器、运算器及各寄存器的总线。各寄存器的总线。(2) (2) 存储总线：连接存储总线：连接CPUCPU、存储控制器及内存的、存储控制器及内存的总线。总线。(3) (3) 系统总线：也

4、称为系统总线：也称为I/OI/O通道总线，是通道总线，是CPUCPU同计同计算机系统的其他高速功能部件，如外存储器、通道等算机系统的其他高速功能部件，如外存储器、通道等互相连接的总线。也可用来连接扩充插槽上的各扩充互相连接的总线。也可用来连接扩充插槽上的各扩充板卡。系统总线有多种标准，如板卡。系统总线有多种标准，如ISAISA、EISAEISA、PCIPCI、AGPAGP等。等。 (4) (4) 外部通信总线：也称为外部设备总线，用来外部通信总线：也称为外部设备总线，用来连接外设控制芯片，以及中、低速连接外设控制芯片，以及中、低速I/OI/O设备之间互相设备之间互相连接的总线。目前在微机中流行

5、的外部通信总线接口连接的总线。目前在微机中流行的外部通信总线接口标准有标准有IDEIDE、EIDEEIDE、SCSISCSI、IEEE 488IEEE 488、USBUSB和和IEEE IEEE 13941394等。前三种主要是与硬盘、光驱等等。前三种主要是与硬盘、光驱等IDEIDE设备接口设备接口，后面三种外部总线可以用来连接多种外部设备。具，后面三种外部总线可以用来连接多种外部设备。具体内容将在体内容将在8.48.4节详细介绍。节详细介绍。2. 2. 按照总线的功能划分，大致分为三类：按照总线的功能划分，大致分为三类：(1) (1) 数据总线（数据总线（Data BusData Bus）：

6、用于传送数据信息）：用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，它既可以把。数据总线是双向三态形式的总线，它既可以把CPUCPU的的数据传送到存储器或数据传送到存储器或I IO O接口等其它部件，也可以将接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到其它部件的数据传送到CPUCPU。(2) (2) 地址总线（地址总线（Address BusAddress Bus）：用于传送地址）：用于传送地址信息。由于地址只能从信息。由于地址只能从CPUCPU传向存储器或传向存储器或I IO O接口，所接口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。一般来说，

7、若地址总线为一般来说，若地址总线为n n位，则可寻址空间为位，则可寻址空间为2 2n n字节。字节。(3) (3) 控制总线（控制总线（Control BusControl Bus）用于传送控制信）用于传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是号和时序信号。控制信号中，有的是CPUCPU送往存储器和送往存储器和I/OI/O接口电路的，如读接口电路的，如读/ /写信号、片选信号、中断响应写信号、片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给信号等；也有是其它部件反馈给CPUCPU的，比如：中断申的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪

8、信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的。控制总线的位数要根据系统的实际，一般是双向的。控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于于CPUCPU。3. 3. 按照总线传输数据的方式划分，可以分为两类按照总线传输数据的方式划分，可以分为两类：(1) (1) 串行总线：在串行总线中，二进制数据逐位串行总线：在串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的部件。常见的串行总线有通过一根数据线发送到目的部件。常见的串行总线有SPISPI、I I2 2C

9、 C、USBUSB及及RS232RS232等。等。(2) (2) 并行总线：在并行总线中，数据线有多根，并行总线：在并行总线中，数据线有多根，可同时将多个数据位发送到目的部件。可同时将多个数据位发送到目的部件。4. 4. 按照总线时钟信号是否独立划分，可以分为两按照总线时钟信号是否独立划分，可以分为两类：类：(1) (1) 同步总线：同步总线的时钟信号独立于数据同步总线：同步总线的时钟信号独立于数据。如。如SPISPI、I I2 2C C是同步串行总线，是同步串行总线，(2) (2) 异步总线：异步总线的时钟信号是从数据中异步总线：异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。如提取出来的。如RS2

10、32RS232采用异步串行总线。采用异步串行总线。8.1.2 8.1.2 总线的主要性能指标和总总线的主要性能指标和总线标准线标准1.1.总线的主要性能参数总线的主要性能参数 总线的主要性能参数有总线带宽、总线位宽和总线工作总线的主要性能参数有总线带宽、总线位宽和总线工作频率。频率。 总线带宽（总线数据传输速率）：指的是单位时间内总总线带宽（总线数据传输速率）：指的是单位时间内总线上传送的数据量，是衡量总线性能的重要指标，单位兆字节线上传送的数据量，是衡量总线性能的重要指标，单位兆字节每秒每秒(MB/s)(MB/s)。 总线位宽：指总线能同时传送的二进制数据的位数，或数总线位宽：指总线能同时传

11、送的二进制数据的位数，或数据总线的位数。如据总线的位数。如ISAISA总线位宽为总线位宽为1616位，位，EISAEISA总线位宽为总线位宽为3232位位，PCI-2PCI-2总线位宽总线位宽6464位。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率位。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。总线位宽通常不会超过微处理器外部越大，总线的带宽越宽。总线位宽通常不会超过微处理器外部数据总线的宽度。数据总线的宽度。 总线工作频率：即总线的工作时钟频率，它以总线工作频率：即总线的工作时钟频率，它以MHzMHz为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽

12、。线带宽越宽。上述三个性能参数密切，总线带宽、总线位宽和上述三个性能参数密切，总线带宽、总线位宽和总线工作频率之间的关系为：总线工作频率之间的关系为：总线带宽总线工作频率总线带宽总线工作频率* *总线位宽总线位宽/8 /8 2.2.总线的标准化总线的标准化 通过总线，计算机各部件间可进行各种数据和命通过总线，计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送，为使不同厂家生产的同类功能部件能够互令的传送，为使不同厂家生产的同类功能部件能够互换使用，给用户更多的选择，就必须使连接到总线上换使用，给用户更多的选择，就必须使连接到总线上的各部件遵守相同的技术规范，这就是总线的标准化的各部件遵守相同的技术规范，

13、这就是总线的标准化。 采用标准化的总线除了易于使不同部件之间实现采用标准化的总线除了易于使不同部件之间实现互连，还可以简化系统设计，便于各个部件采用模块互连，还可以简化系统设计，便于各个部件采用模块化结构，提高系统可靠性以及扩充和更新的能力。化结构，提高系统可靠性以及扩充和更新的能力。 8.2 82888.2 8288总线控制器总线控制器 1.1.最大模式下的工作方式最大模式下的工作方式 8086/80888086/8088有两种工作模式：有两种工作模式： 最小模式：所有总线控制信号均由最小模式：所有总线控制信号均由CPUCPU产生产生，适用于单个处理器系统。，适用于单个处理器系统。 最大模式

14、：由外部的总线控制器最大模式：由外部的总线控制器82888288根据根据CPUCPU输出的状态信号产生相应的总线控制信号，输出的状态信号产生相应的总线控制信号，适用于多处理器系统。微机采用的是最大模式。适用于多处理器系统。微机采用的是最大模式。当当8086CPU8086CPU的的 引脚接引脚接5V5V电电压时，系统处于最小模式。当压时，系统处于最小模式。当 引脚接地引脚接地(0V(0V电压电压) )时，系统处于最时，系统处于最大模式。大模式。最大模式是相对最小模式而言的。在最大最大模式是相对最小模式而言的。在最大模式下，系统中大部分的总线控制信号都不是模式下，系统中大部分的总线控制信号都不是直

15、接由直接由8086CPU8086CPU产生，而是由系统中另外接入的产生，而是由系统中另外接入的总线控制器总线控制器Intel 8288Intel 8288产生的。产生的。 MXMN/MXMN/80868086的最大模式典型系统结构如图的最大模式典型系统结构如图8-18-1所示。所示。图图8-1 8086最大模式典型系统结构最大模式典型系统结构 因此，在最大模式下可分为两种工作方式：因此，在最大模式下可分为两种工作方式：协处理器模式协处理器模式：8086808682888288（总线控制器）（总线控制器）8087/80898087/8089此时的系统总线由一个此时的系统总线由一个80868086

16、独占，独占，82888288工作于工作于“I/OI/O总线工作方式总线工作方式”。多处理器模式多处理器模式：80868086（8087/80898087/8089）82888288（总线控制器）总线控制器）82898289（总线裁决器）（总线裁决器）此时的系统总线由多个此时的系统总线由多个80868086共享，控制对共享资共享，控制对共享资源进行访问的源进行访问的82888288工作于工作于“系统总线工作方式系统总线工作方式”。2.2.最大模式下最大模式下80868086重新定义的重新定义的24-3124-31引脚引脚 在最大模式下，许多总线控制信号是通过在最大模式下，许多总线控制信号是通过总

17、线控制器总线控制器82888288产生的，而不是产生的，而不是80868086直接产生直接产生的。这样，的。这样，80868086在最小模式下提供的总线控制在最小模式下提供的总线控制信号的引脚就可以重新定义，改作支持多处理信号的引脚就可以重新定义，改作支持多处理器系统之用。器系统之用。80868086重新定义的控制信号见下页重新定义的控制信号见下页图中带括号的定义。图中带括号的定义。 8086 8086重新定义了重新定义了24-3124-31共共8 8个引脚的名称及个引脚的名称及功能，详细说明请见教材。功能，详细说明请见教材。3.3.总线控制器总线控制器82888288引脚及功能引脚及功能 8

18、2888288是是2020引脚的双列直插式封装芯片引脚的双列直插式封装芯片(Dual In-line Package(Dual In-line Package，缩写为，缩写为DIP)DIP)，所有，所有信号为信号为TTLTTL电平兼容，其引脚图如图电平兼容，其引脚图如图8-28-2所示。所示。图图8-2 8288引脚图引脚图82888288除电源除电源VccVcc和地线和地线GNDGND之外，余下的之外，余下的1818个引个引脚，按功能可分为四大类，分别为处理器状态输入信脚，按功能可分为四大类，分别为处理器状态输入信号、控制输入信号、总线命令输出信号、控制输出信号、控制输入信号、总线命令输出信

19、号、控制输出信号。具体名称及功能如表号。具体名称及功能如表8-28-2所示。所示。输入信号中，最重要的是三个状态信号输入信号中，最重要的是三个状态信号S0S0、S1S1、S2 S2 ，82888288就是根据这三种状态信号的组合，输出就是根据这三种状态信号的组合，输出相应的总线控制信号的。相应的总线控制信号的。 S0S0、S1S1、S2S2来自于来自于8086CPU8086CPU，它们与具体的总线操作功能及，它们与具体的总线操作功能及82888288输出的控制信号输出的控制信号之间的对应关系如表之间的对应关系如表8-38-3所示。所示。 从图从图8-18-1中可以看到：中可以看到：828882

20、88接收接收80868086执行指令时执行指令时提供的状态信号提供的状态信号S0S0、S1S1、S2S2，在时钟发生器的，在时钟发生器的CLKCLK信信号控制下，译码产生时序性的各种总线控制信号和命号控制下，译码产生时序性的各种总线控制信号和命令信号，并且也提高了控制总线的驱动能力。尽管最令信号，并且也提高了控制总线的驱动能力。尽管最大方式一般用于多处理器系统，但在一些单处理器系大方式一般用于多处理器系统，但在一些单处理器系统中，由于此优点，也使用了统中，由于此优点，也使用了82888288。 4.4.总线控制器总线控制器82888288的工作时序的工作时序8288的工作时序如图8-3所示。图

21、图8-3 8288的工作时序的工作时序 8.3 82898.3 8289总线裁决器总线裁决器1.1.总线仲裁概述总线仲裁概述 总线上可以连接多个主模块，它们均可占用总线传总线上可以连接多个主模块，它们均可占用总线传送数据。当出现多个主模块申请占用总线时，要进行仲送数据。当出现多个主模块申请占用总线时，要进行仲裁，将总线控制权交给一个主模块。总线仲裁的主要方裁，将总线控制权交给一个主模块。总线仲裁的主要方法有分布式仲裁与集中式仲裁两种方法。为了解决多个法有分布式仲裁与集中式仲裁两种方法。为了解决多个设备同时竞争总线控制权的冲突，必须具有总线仲裁部设备同时竞争总线控制权的冲突，必须具有总线仲裁部件

22、，以某种方式选择其中一个设备作为总线的下一次主件，以某种方式选择其中一个设备作为总线的下一次主方。方。 2.2.总线裁决器总线裁决器82898289引脚及功能引脚及功能 总线裁决器总线裁决器82898289是为构成中、大规模的是为构成中、大规模的8086/80888086/8088系统而设计的。在最大模式下，系统中有多个微处理器系统而设计的。在最大模式下，系统中有多个微处理器，包括主处理器，包括主处理器8086/80888086/8088、数值运算协处理器、数值运算协处理器80878087、输入输出协处理器输入输出协处理器80898089。这些处理器需要分时占用总。这些处理器需要分时占用总线，

23、共享总线上的资源，为防止总线竞争产生的冲突，线，共享总线上的资源，为防止总线竞争产生的冲突，就必须使用总线裁决器就必须使用总线裁决器82898289来确定每一时刻总线控制权来确定每一时刻总线控制权的归属，以保证能依据各处理器的优先级有条不紊地安的归属，以保证能依据各处理器的优先级有条不紊地安排对系统总线的使用。排对系统总线的使用。82898289进行总线仲裁时可有多种仲进行总线仲裁时可有多种仲裁方法（集中式、菊花链等）。裁方法（集中式、菊花链等）。 82898289是是2020引脚的双列直插式封装芯片，引脚的双列直插式封装芯片，所有信号为所有信号为TTLTTL电平兼容，其引脚图如图电平兼容，其

24、引脚图如图8-48-4所示。所示。图图8-4 8289引脚图引脚图 82898289除电源除电源VccVcc和地线和地线GNDGND之外，余下之外，余下的的1818个引脚，按功能可分为四大类，分别个引脚，按功能可分为四大类，分别为处理器状态输入信号、控制与组合选择为处理器状态输入信号、控制与组合选择输入信号、多总线接口信号、系统信号。输入信号、多总线接口信号、系统信号。具体名称及功能如表具体名称及功能如表8-48-4所示。所示。3.3.总线裁决器总线裁决器82898289的工作方式的工作方式82898289根据根据RESBRESB和和IOBIOB输入电平不同可组成输入电平不同可组成四种工作方式

25、，它们与各工作方式之间的对应四种工作方式，它们与各工作方式之间的对应关系如表关系如表8-58-5所示。所示。 RESBRESBIOBIOB工作方式工作方式00IOB方式01单总线方式10IOB与RESB混合方式11RESB方式表表8-5 8289工作方式工作方式4.4.总线裁决器总线裁决器82898289优先级控制优先级控制 构成系统的处理器都要通过主控器总线来构成系统的处理器都要通过主控器总线来共享总线上的资源。在某一时刻，只允许一个共享总线上的资源。在某一时刻，只允许一个处理器使用主控系统总线。利用处理器使用主控系统总线。利用82898289可以实现可以实现优先级控制。优先级控制。8289

26、8289主要有两种优先级控制。主要有两种优先级控制。 并行优先级控制：将各裁决器的并行优先级控制：将各裁决器的BREQBREQ接到接到优先级编码器上。优先级编码器的优先级编码器上。优先级编码器的3 3个输出信号个输出信号的编码代表优先级最高的的编码代表优先级最高的BREQBREQ输入。优先级编输入。优先级编码信号经码信号经3 38 8译码器输出，使提出请求的优先译码器输出，使提出请求的优先级最高的级最高的82898289获得主控系统总线。当优先级低获得主控系统总线。当优先级低的的82898289正在使用总线而具有更高优先级的正在使用总线而具有更高优先级的82898289又提出请求时，后者并不能

27、立即获得总线，待又提出请求时，后者并不能立即获得总线，待当前正在工作的当前正在工作的82898289现行总线传送完成才获得现行总线传送完成才获得总线。总线。82898289获得总线，会将获得总线，会将BUSYBUSY置为低电平。置为低电平。串行优先级控制：由串行优先级控制：由1 1号号82898289到到3 3号号82898289的的优先级依次降低。在这种方式下，信号是逐级优先级依次降低。在这种方式下，信号是逐级串行通过的，每通过一级都要对信号造成延迟串行通过的，每通过一级都要对信号造成延迟。因此，芯片制造厂家推荐在。因此，芯片制造厂家推荐在BCLKBCLK为为10MHZ10MHZ时时，828

28、98289不要超过不要超过3 3个。个。8.4 8.4 常用系统总线常用系统总线系统总线是与系统总线是与I/OI/O扩充插槽相连的，扩充插槽相连的，I/OI/O插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总为各种外设的适配器与外设连接。系统总线必须有统一的标准，以便按照这些标准线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。在本节将要介绍微型计设计各类适配卡。在本节将要介绍微型计算机中常用的各种系统总线标准。算机中常用的各种系统总线标准。 8.4.1 ISA8.4.1 ISA总线总线1.ISA1.ISA总线概述总线概述 ISAISA

29、（Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Architecture）总线又称）总线又称ATAT总线，它是总线，它是IBMIBM公司为公司为PC/ATPC/AT微机微机制定的扩展系统总线标准。制定的扩展系统总线标准。 ISAISA总线工作频率总线工作频率8MHz8MHz，位宽，位宽1616位，最大位，最大数据传输率数据传输率16MB/s16MB/s，有，有9898个信号线，工作电压个信号线，工作电压5V5V和和12V12V，兼容，兼容8 8位的位的PC/XTPC/XT总线。总线。 由于由于ISAISA总线的开放性以及总线的开放性以及PCPC

30、系列机的广系列机的广泛使用，全世界的泛使用，全世界的PCPC机制造商纷纷采用该总线机制造商纷纷采用该总线标准。标准。ISAISA总线在总线在8028680286至至8048680486时代应用非常时代应用非常广泛，以至于在一些奔腾机主板中还保留有广泛，以至于在一些奔腾机主板中还保留有ISAISA总线插槽。总线插槽。 现在的微机主板都不再使用现在的微机主板都不再使用ISAISA接口。但接口。但以以ISAISA总线为基础的其他总线依然被应用于工总线为基础的其他总线依然被应用于工业和嵌入式系统。业和嵌入式系统。8.4.2 PCI8.4.2 PCI总线总线1.PCI1.PCI总线概述总线概述 在在IS

31、AISA总线之后，先后出现了总线之后，先后出现了EISAEISA和和VESAVESA总线。总线。EISAEISA是是ISAISA的扩充，的扩充，VESAVESA是一种解决是一种解决CPUCPU与显卡之间快速数据传输问题的总线，但它们与显卡之间快速数据传输问题的总线，但它们都没有从根本上解决总线对系统高速数据传输都没有从根本上解决总线对系统高速数据传输的支持问题。的支持问题。 PCI(PeripheralPCI(Peripheral Component Component Interconnect)Interconnect)是外设部件互连标准的缩写，是外设部件互连标准的缩写，是为了满足外设间以及

32、外设与主机间高速数据是为了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用输率要求较高的应用中，采用PCIPCI总线来进行总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。率低带来的瓶颈问题。PCIPCI总线已成为局部总线的主流标准。总线已成为局部总线的主流标准。2.PCI2.PCI总线的主要性能和特点总线的主要性能和特点(1)(1)数据传输率高数据传输率高 最早提出的最早提出的PCIPCI总线工作频率为总线工作频率为33MHz33MHz，总，总线位宽为线位宽为3232位，总线带宽达到了位，总线带宽达到了132MB/s(132MB/s(即即33MHz33MHz32bit/8)32bit/8)，基本上满足了当时处理器的，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，发展需要。随着对更高性能的要求，19931993年又年又提出