系统总线-计算机组成原理

第六章总线系统第六章总线系统教学目的：了解总线概念了解总线通信控制方式的特点本章主要内容总线的概念和结构形态总线接口总线的仲裁、定时和数据传送模式常用总线6.1.1总线的基本概念总线(Bus)是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：(1)内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。(2)系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。(3)I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。6.1.1总线的基本概念1.总线的特性物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。功能特性：描述总线中每一根线的功能。如：地址总线(AB)—其宽度可表明地址空间范围数据总线(DB)---其宽度可表明一次读写的二进制位数控制总线(CB)---包括各种控制命令(如存储器读写、I/O读写)、请求信号与仲裁信号、中断请求与应答等。6.1.1总线的基本概念1.总线的特性电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。送入CPU的信号叫输入信号(IN)，从CPU发出的信号叫输出信号(OUT)。时间特性:定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。6.1.1总线的基本概念2.总线标准化不同厂家的相同功能部件可互换使用.ISA(IndustryStandardArchitecture)工业标准结构

EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)扩展工业标准结构

VESA(VideoElectronicsStandardAssociation)视频电子标准协会PCI(PeripheryConnectInterface)外部设备连接接口6.1.1总线的基本概念16位，带宽8MB/s32位，带宽33.3MB/s32位，带宽132MB/s64位，100MHz…..总线带宽总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。单位：MByte/s设总线在同一个时钟周期内能并行传送D个字节（总线带宽为Dr，总线时钟周期为T，总线频率f=1/T）总线带宽Dr=D/T=D*f

6.1.1总线的基本概念【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，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33MHz，则总线带宽是多少?(2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?[解](1)设总线带宽用Dr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D表示，根据定义可得Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×1000000/s=132MB/s(2)64位=8B，Dr=D×f=8B×66×1000000/s=528MB/s

6.1.1总线的基本概念几个例子ISA16bit8.3MHzDr=2*8=16MB/sEISA32bit16MHzDr=4*16=64MB/sPCI32/64bit33MHzDr=133/266MB/sAGP64bit66MHzDr=8*66=528MB/sPCI-X64Bit133MHzDr=8*133=1GB/s6.1.1总线的基本概念6.1.2总线连接方式总线的排列以及与其它各类部件的连接方式影响计算机系统性能单总线结构双总线结构三总线结构1.单总线结构CPU主存设备接口设备············系统总线适配器设备系统总线含DBUS，ABUS，CBUS特点：结构简单，易于扩充;多部件共用一根总线，分时工作,传输效率较低。6.1.2总线连接方式单总线速度瓶颈6.1.2总线连接方式2.双总线结构CPU内存设备接口设备············系统总线适配器设备CPU与内存有专用高速总线,减轻系统总线的负担;内存可通过系统总线与外设进行DMA操作,而不必经过CPU。存储总线6.1.2总线连接方式3.三总线结构CPU内存系统总线设备接口设备············适配器设备存储总线通道I/O总线6.1.2总线连接方式3.三总线结构特点:双总线基础上增加I/O总线,它是多个外设与通道间传送信息的公共通路;通道的使用,进一步提高了CPU的效率.“通道”是一台具有特殊功能的处理器,它分担了一部分CPU的功能.统一管理外设及实现外设与内存间的数据传送.6.1.2总线连接方式最大存储容量单总线系统中,内存要为外设保留一些地址.指令系统

单总线系统中,无须专门的I/O指令;双总线系统中,设有专门的I/O指令.吞吐量三总线系统比单总线系统要大得多.6.1.3总线结构对计算机性能的影响6.1.3总线的内部结构1.早期总线其内部结构如图所示6.1.3总线的内部结构2.当代流行的总线–--其内部结构如图北桥南桥6.1.5总线结构实例串行传送并行传送分时传送6.2.1信息的传送方式1.串行传送并-串转换串-并转换发送部件接收部件00000101T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

低位

高位

位时间

传送脉冲

1

0

1

0

0

0

0

0

6.2.1信息的传送方式一条传输线每次一位,先低位,后高位.同步---“位时间”

成本低,速度慢。6.2.1信息的传送方式1.串行传送2.并行传送发送部件低位

高位

1

接收部件0

1

0

0

0

0

0

0

每位数据一条传输线,并行传送。采用电位传送.传送速度快。6.2.1信息的传送方式发展趋势……并行传输距离受限且线间串绕严重串行传输距离长无串绕现象随着总线频率的增加，并行逐渐转向串行6.2.1信息的传送方式3.分时传送采用总线复用方式连在总线上的部件分时使用总线。6.2.1信息的传送方式指CPU与内存、外设,或两种外设或两种机器间通过总线连接的逻辑部件。CPU接口外设地址总线数据总线控制总线6.2.2接口的基本概念接口功能速度匹配;格式转换;传送主机控制信号;反映设备的工作状态;识别和指示数据传送的地址和传输量;程序中断。6.2.2接口的基本概念适配器的两面性----必有两个接口：一是和系统总线的接口，CPU和适配器的数据交换一定的是并行方式；二是和外设的接口，适配器和外设的数据交换可能是并行方式，也可能是串行方式。根据外围设备供求串行数据或并行数据的方式不同，适配器分为串行数据接口和并行数据接口两大类。6.2.2接口的基本概念【例2】利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特(bit)位数常称为波特率。假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个bit(起始位、停止位、8个数据位)，问传送的波特率是多少?每个bit占用的时间是多少?【解】：

波特率为：10位×120/秒=1200波特每个bit占用的时间Td是波特率的倒数：Td=1/1200=0.833×0.001s=0.833ms6.2.2接口的基本概念连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态，如CPU模块、存储器模块。主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方的请求。每次总线操作，只有一个主方占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方。6.3.1总线仲裁总线仲裁：对总线的使用进行合理的分配和管理.部件要使用总线进行通信时,要向控制部件发请求信号.控制部件按各部件的优先级来决定谁使用总线。根据总线控制部件的位置,仲裁方式分为:集中式总线仲裁分布式总线仲裁

6.3.1总线仲裁1.集中式仲裁链式查询方式计数器定时查询方式独立请求方式6.3.1总线仲裁链式查询方式中央仲裁器接口1接口2接口n

BS

BR

BGBS------总线忙BR------总线请求BG------总线响应请求（授权）通过接口的优先级排队电路来实现.离总线控制器越远,优先级越低。用线少-----BG1根,易扩充;对响应链的电路故障很敏感。数据总线，地址总线6.3.1总线仲裁计数器定时查询方式总线设备地址计数BRBS中央仲裁器接口1接口2接口nBS=0时，计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。各接口中的设备地址与计数值一致时，该设备置“1”BS线。线数为㏒2n根。计数器的初值可用程序来设置。------各设备的优先级可变。---灵活。6.3.1总线仲裁独立请求方式每一设备有一对BR和BG;响应速度高控制灵活,优先级可通过程序改变;控制线数多.--------2n根.总线（地址线、数据线）BR1BR2BRnBG1BG2BGn中央仲裁器

接口1接口2接口n6.3.1总线仲裁2.分布式仲裁无需中央仲裁器（总线控制器）每个功能设备都有自己的仲裁号以及仲裁器优先级仲裁策略

6.3.1总线仲裁总线信息传递过程分为:请求总线，总线仲裁，寻址，信息传送，状态返回。当共享总线的部件获得总线使用权后，就开始传送信息，即进行通讯。为了同步主方、从方的操作，必须制定定时协议。定时，即事件出现在总线上的时序关系。同步定时异步定时

6.3.1总线定时同步定时同步定时，又称无应答定时。事件出现在总线的时刻是由总线时钟信号来确定，所有的事件都出现在时钟信号的前沿，大多数事件只占据一个时钟周期。6.3.1总线定时同步定时采用公共时钟，每个功能模块什么时候发送或者接受信息都由统一时钟来规定，因此同步定时具有较高的数据传输频率。但仅仅适合于总线长度短，各功能模块存取时间相差不大的情况。必须按最慢的设备定时。

6.3.1总线定时地址线

总线时钟

读命令

数据线

认可线

同步时序启动信号

6.3.1总线定时异步定时异步定时，又称应答定时，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，建立在应答和互锁机制基础上，不需公共时钟信号；总线周期长度可变，快、慢速设备可连到同一总线上。6.3.1总线定时BG

BS

BR

SACK

异步定时6.3.1总线定时当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据传送：读、写操作读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。块传送操作只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。对于CPU(主方)、存储器(从方)而言的块传送，常称为猝发式传送，其块长一般固定