第5章总线技术

第5章总线技术5.1总线概述5.2总线的设计与实现5.3总线的控制

5.4总线的性能指标5.5总线的标准第5章总线技术5.1总线概述

总线是计算机系统中各个部件之间（甚至各个系统之间）传递信息的一组共享的电导线。每一根导线负责传输一个电脉冲信号，这个信号就代表一位二进制数据。若干根导线就可以同时传输若干位二进制数据。

总线一般由传输线、接口和总线控制器组成。传输线包括信息线、电源线、地线等。由于总线与其上所挂的部件是物理相连的，但是从逻辑上有输入、输出、断开三种状态，所以总线上的部件需要通过由一些三态门和缓冲寄存器组成的接口与总线连接。第5章总线技术5.1总线概述总线具有以下4方面特性1.功能特性：指总线中的每一根传输线具有特定的功能

按照所传输信息的性质分，总线分为地址总线、数据总线和控制总线。按照连接的部件分，总线分为系统总线（也叫处理器总线）和输入/输出总线（即I/O总线）。按照在计算机系统中的位置分总线分为片内总线、底板总线、板间总线和通信总线。第5章总线技术5.1总线概述总线具有以下4方面特性对于通信总线，根据所传数据的位数又可以将其分为串行总线和并行总线。2.物理特性：又称机械特性，指总线的物理连接标准，包括插头和插座的几何形状与尺寸、引脚的数量与排列方式、固定方式等。串行并行第5章总线技术5.1总线概述总线具有以下4方面特性按照允许信息传输的方向分，总线分为单向总线和双向总线。双向总线又分为全双工和半双工。

全双工是指同一时刻允许信息分别沿两个方向传输，半双工是指同一时刻只允许信息沿一个方向传输而另一个方向的信息传输要等到下一时刻。3.电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电平范围。第5章总线技术5.1总线概述总线具有以下4方面特性通常规定送入微处理器的信号为输入信号（IN），从微处理器发出的信号为输出信号（OUT）。例如，地址总线为输出信号线，数据总线为双向信号线，控制总线中既有输出信号线，又有输入信号线，但都是单向的。3.电气特性：第5章总线技术5.1总线概述总线具有以下4方面特性将总线中高电平定义为“逻辑1”，称为正逻辑；将低电平定义为“逻辑1”，称为负逻辑。大多数总线信号采用正逻辑，但是也有个别总线信号采用负逻辑。3.电气特性：第5章总线技术5.1总线概述总线具有以下4方面特性1.功能特性规定了每一根传输线上的信号在什么时间内才是有效的，即总线上各种信号的时序关系。时间特性可以用信号时序图来表示。2.物理特性3.电气特性4.时间特性第5章总线技术5.2总线的设计与实现

总线的设计与实现主要关注的是采用何种总线结构，选择总线结构需要综合考虑通信带宽、成本及可靠性等因素。典型的总线结构有单总线结构和多总线结构。

CPU

M.M

I/O接口

外部设备1

外部设备2

I/O接口…

外部设备n

I/O接口…单总线（系统总线）主存总线I/O总线

I/O接口设备n

……

I/O接口设备0

CPU主存通道双总线结构三总线结构主存总线DMA总线系统总线

CPU

主存设备1设备n高速外设I/O接口I/O接口I/O接口……层次结构的三总线三总线结构的另一形式局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI主存四总线结构主存扩展总线接口局域网SCSI多媒体CPU调制解调器串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥第5章总线技术5.3总线的控制

5.3.1总线仲裁 总线具有两个特性：发送的互斥性和接受的共享性为了协调总线上各个部件对总线的争用、避免发生总线冲突，必须有一个总线控制器来对总线的使用进行分配和管理。拥有总线控制权的总线部件，称为总线的主部件。被主部件访问的部件称为从部件。第5章总线技术5.3.1总线仲裁

当总线上有多个候选的主部件同时申请使用总线时，必须有一个总线控制机构按照某种策略（优先次序）对申请进行裁决，这就叫做总线仲裁。集中式总线仲裁:如果总线仲裁逻辑基本上集中在一处。分布式总线仲裁:如果总线仲裁逻辑分散在总线上的各个部件中。

5.3总线的控制

第5章总线技术5.3.1总线仲裁

集中式控制串行链接/链式查询定时查询/计数器定时查询独立请求5.3总线的控制

串行链接方式总线控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG数据线地址线BS

-总线忙BR-总线请求BG-总线可用I/O接口1

0BS

-总线忙BR-总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址定时查询方式I/O接口1计数器设备地址

1排队器排队独立请求方式总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线可用BR-总线请求第5章总线技术5.3总线的控制5.3.2总线通信控制

总线通信中，发出数据的部件称为源部件，接收数据的部件称为目的部件。为了完成一次有效的通信，源部件与目的部件之间需要进行一系列有时序限制的操作。为此，通信双方需要“感知”对方的操作及操作效果，这个“感知”由总线通信控制来实现的。5.3.2

总线通信控制1.目的2.总线传输周期主模块申请，总线仲裁决定主模块向从模块给出地址

和命令主模块和从模块交换数据主模块撤消有关信息

申请分配阶段寻址阶段传数阶段结束阶段解决通信双方协调配合

问题由统一时标

控制数据传送充分挖掘

系统总线每瞬间

的潜力同步通信异步通信

半同步通信

分离式通信

3.总线通信的四种方式采用应答方式，没有公共时钟标准同步、异步结合(1)同步式数据输入T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

读命令数据(2)同步式数据输出T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令数据不互锁半互锁全互锁(3)异步通信主设备从设备请求回答(4)半同步通信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（同步、异步结合）异步允许不同速度的模块和谐工作

增加一条“等待”响应信号

WAIT以输入数据为例的半同步通信时序T1主模块发地址T2主模块发命令…T3从模块提供数据T4从模块撤消数据，主模块撤消命令Tw

当为低电平时，等待一个TWAITTw

当为低电平时，等待一个TWAIT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）主模块发地址、命令从模块准备数据从模块向主模块发数据总线空闲占用总线不占用总线占用总线(5)分离式通信充分挖掘系统总线每瞬间的潜力主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上一个总线传输周期子周期1子周期2主模块1.各模块有权申请占用总线分离式通信特点充分发挥了总线的有效占用2.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4.总线被占用时，无空闲第5章总线技术5.1总线概述5.2总线的设计与实现5.3总线的控制

5.4总线的性能指标总线的位宽总线的工作时钟频率总线的负载能力总线的数据传输速率

总线一次同时传送的信息位数或所需的线数。例如，ISA总线的数据总线位宽是16位，地址总线的位宽是24位。控制总线中的时钟信号线所提供的时钟频率。如ISA和EISA总线为8MHz，PCI总线为33.3MHz。

第5章总线技术5.4总线的性能指标总线的位宽总线的工作时钟频率

总线的负载能力总线的数据传输速率

总线上所能连接部件的最大个数。例如，ISA总线的负载能力是8，PCI总线的的负载能力是3。总线在一秒钟内所能稳定传输数据的字节数，单位为KB/s或MB/s。

总线的最大数据传输速率称为总线带宽。总线带宽＝总线位宽×总线工作频率/8

例如，ISA总线的带宽为16.66MB/s。例

假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传输周期为4个时钟周期，总线的宽度为32

位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？解：根据总线时钟频率为100MHz，得1

个时钟周期为1/100MHz=0.01μs

总线传输周期为0.01μs×4=0.04μs

由于总线的宽度为32

位=

4

B（字节）故总线的数据传输率为4B/（0.04μs）=100

MBps总线带宽（总线的数据传输率）与总线的宽度和总线的时钟频率有关例

假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传输周期为4

个时钟周期，总线的宽度为32

位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？总线带宽（总线的数据传输率）与总线的宽度和总线的时钟频率有关

若想提高一倍数据传输率

(1)在不改变