第4章 总线系统

三大组成:1.外部设备:围绕主机而配置的各种信息媒体转换和传递的设备.2.设备控制器与接口:即设备适配器,是用以控制主机与外设间的信息格式转换、交换过程及外设运行状态的硬、软件。3.I/O总线:是主机与外设间的信息传送通路.I/O系统:是计算机主机与外界交换信息时硬软件的总称.总线系统●4.1总线工作原理●4.2几种系统总线标准●4.3几种设备总线标准第4章总线（bus）——是能由多个部件分时共享的公共信息传送线路.分时和共享是总线的两个基本特性.共享:指多个部件连接在同一组总线上,各部件间交换的信息都可通过总线传送.分时:指同一时刻总线只能在一对部件间传送信息.序

一个系统的总线结构决定了该计算机系统的数据通路用系统结构.因此,总线结构的带宽和结构对系统性能有很大影响.4.1.1总线通信的定时方式4.1总线工作原理

总线通信的定时方式:指采用一定方式,让接收端知道发送端信息的始发和结束时间.按定时方式不同,可把通信过程分成同步和异步通信两种.1.同步通信:(1)特点:各部件都用一个公共的时钟信号进行同步控制,时钟信号由CPU发出,发送到每一个部件(设备).

输入为例：●t0时刻:将CPU产生的设备地址放在地址总线上,并经控制线指出操作性质(R/W内存或R/WI/O设备).●t1时刻:CPU发读信号命令;●t2时刻:设备把数据放DB上,CPU在T3中进行数据选通,将数接收到自己的寄存器.●t3时刻:CPU的读命令和设备数据信号结束.●t4时刻:总线周期结束.可开始新数据的传送.(2)优点:模块间配合简单,步调一致.传输频率较高.(3)缺点:对所有模块有严格的时限要求,故缺乏灵活性.

读命令同步通信（数据输入）T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址数据t0t1t2t3t4设备地址放在地址总线上CPU发读信号命令设备把数据放DB上读命令和设备数据信号结束总线周期结束CPU在T3中进行数据选通,将数接收到自己的寄存器.2.异步通信:也叫应答方式(1)特点:无统一时钟和固定的时间标准,靠请求—应答方式(handshaking)进行同步控制,以实现不同速度模块间的数据传送.主模块从模块请求应答(2)三种应答关系:●全互锁:两设备间的”请求”和”应答”,互为制约.●半互锁:从设备自行决定应答信号撤消与否.●不互锁:两设备间的”请求”和”应答”信号均有一定时间宽度,何时结束不互锁.不互锁半互锁全互锁异步通信主设备从设备请求回答单机多机网络通信1.总线的组成:(1)传输线●地址线:决定直接寻址范围.●数据线:决定同时并行传输的数据宽度.●控制、时序和中断信号线:决定总线功能强弱,适应性好坏.●电源线:决定电源种类,地线分布及用法.●备用线:留给用户进行性能扩充,满足特殊需要.4.1.2总线的组成与仲裁(2)接口逻辑:需三态门和缓冲寄存器作为它们的接口.(3)总线控制器:

对各设备对总线的使用进行合理的分配和管理.2.总线的争用与仲裁

总线主设备:对总线有控制权.总线从设备:对总线无控制权.总线通信原则:●通信前由主模块发请求;●同一时刻只允许一对模块间通信;●模块同时使用总线时,应由总线控制器中的判优和仲裁逻辑按判优原则决定哪个模块使用总线.总线判优方式:集中式—总线控制逻辑集中在一处；分布式—总线控制逻辑分布在连接总线的各部件或设备中.集中控制的三种常见优先权仲裁方式如下：(1)链式查询方式:用3条控制线进行控制:BS(总线忙);BR(总线请求);BG(总线允许).特征:将BG串行地从一部件(I/O接口)送到下一个部件,直到到达有请求的部件为止.优先权位置:离总线控制器最近的部件具有最高使用权,离它越远,优先权越低.电路:链式查询靠接口的优先权排队电路实现.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－总线同意I/O接口1演示演示总线忙总线请求总线允许

将BG串行地从一部件(I/O接口)送到下一个部件,直到到达有请求的部件为止(2)计数器定时查询方式:

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.中央仲裁器接到请求信号以后,在BS线为”0”的情况下让计数器开始计数,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设备地址判别电路,当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时,该设备置“1”BS线,获得了总线使用权,此时中止计数查询。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I/O接口1计数器设备地址1(3)独立请求方式●工作原理:每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi.当设备要求使用总线时,便发出该设备的请求信号.总线控制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BGi。排队器排队器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－总线同意BR－总线请求演示●优点：响应时间快,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。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(禁止)某个请求的办法,不响应来自无效设备的请求。●三种方法控制线数目的比较:链式查询方式——只用二根线。计数器定时查询方式——大致用㏒2n根线,n是允许接纳的最大部件数。独立请求方式——要用2n根线.从结构上,总线由母线框架和各部件的插板组成.4.1.3总线特性与性能指标CPU插板主存插板I/O插板BUS主板从结构上,总线由母线框架和各部件的插板组成.1.总线特性(1)机械(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。4.1.3总线特性与性能指标(2)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)。(3)功能特性:描述总线中每一根线的功能,有DB,AB和CB.(4)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。2.总线的性能指标:

计算机总线技术包括通路控制性能,使用方法,仲裁方法和传输方式等.(1)总线宽度:即传送宽度,指一次总线操作中通过总线传送的数据位数(bit).常用8.16.32.64等.(2)总线周期:指一次总线操作中所用的时间.(3)总线带宽(标准传输率):指总线上每秒传输的最大字节数,用MB/S表示.带宽计算公式:Dr=D/T=D×f;式中T是时钟周期T=1/f,D为一个总线周期传送的数据量.(4)总线工作的时钟频率:总线工作的频率越高,带宽越宽.(5)多路(分时)复用技术:即地址和数据线共用一物理线路.(6)总线控制方式:含突发传输,并发工作,自动配置,仲裁方式,逻辑方式和计数方式等.(7)其它:如同步方式,信号线数,负载能力和电源电压等.3.总线的标准化相同的指令系统,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相同的,但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用,其原因在于它们都遵守了相同的系统总线的要求,这就是系统总线的标准化问题。ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准系统模块标准界面总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）16MBpsEISA328MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3233MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（独立）66MHz（独立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（独立）133MHz（独立）266MBps533MBpsRS-232串行通信总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口总线标准普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps(USB2.0)即插即用(plugandplay)功能:简称PnP.即新设备只需简单插入便可运行,无需用户拨动开关或安装软件等.PnP功能主要取决于微机的系统总线结构,有的总线提供较完善的功能.无统一的分类方法,但可从不同角度分类:1.按照总线传递的内容分类:地址总线(AB);数据总线(DB)和控制总线(CB).2.按总线所处位置分类:(1)片内总线:位于CPU芯片内部用于寄存器,ALU及各控制部件间传输信号的总线.4.1.4总线分类(2)片外总线:位于CPU芯片外部用于连接CPU,MM和I/O设备的总线.3.按总线在系统中连接的主要部件分类:存储总线;DMA总线;系统总线;设备总线.4.按系统中使用的总线数量分类(1)单总线结构:●特点:在许多单处理器的计算机中,使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备,叫做单总线结构.即所有的模块都挂在同一组总线上.●优点:连接灵活,便于扩充.●缺点:因所有信息公用一总线,信息传输吞吐量受限制.单总线（系统总线）单总线结构CPU

主存I/O接口

I/O设备1

I/O设备2I/O接口…

I/O设备nI/O接口…演示(2)双总线结构:形成以存储器为中心的双总线结构.●优点:保持了单总线系统简单,易于扩充的优点,但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线,使CPU可通过专用总线与存储器交换信息,并减轻了系统总线的负担,同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操作,而不必经过CPU.●缺点:以增加硬件为代价。以存储器为中心的双总线结构系统总线主存CPUI/O接口

I/O设备1…

I/O设备nI/O接口…存储总线演示(3)三总线和多总线结构●结构:它是在双总线系统的基础上增加DMA总线形成的,此举是为了在主存与高速设备(如磁盘)间进行高速成批的数据传送.这种结构的硬件代价更大.●分级的三总线结构:一般用于I/O设备性能相差不大的情况.●四总线结构:在高速设备间设立一条单独的高速总线,见图4.9.三总线结构主存总线DMA总线I/O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……三总线结构的又一形式串行接口局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线ModemSCSI局部I/O控制器主存演示演示四总线结构多媒体Modem主存扩展总线接口局域网SCSICPU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5.其他分类方法(1)按数据传送方式:●并行传送总线.●位串传送总线.(2)按并行传送总线传送的数据总宽度:●8位.●16位●32位●64位.等系统总线—连接同一台计算机系统各部件的总线.4.2几种系统总线标准4.2.1ISA(IndustryStandardArchitecture,工业

标准体系结构)总线ISA-8(XT总线)ISA-16(AT总线)ISA-16总线的每个插槽由一个长槽和一个短槽组成.长槽是与XT兼容的62个引脚,每列有31个引脚,编号为A1—A31和B1—B31;短槽每列有18个引脚,编号为C1—C18和D1—D18.引脚定义见表4.2.4.2.2微通道结构MCA和EISA1.MCA:1987年由IBM推出PS/2系统时,采用的32位的微机总线.因采用封闭策略,没把技术公开,且与ISA不兼容.2.EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture,扩充工业标准体系结构)总线32位总线,与ISA完全兼容.最大数据传输频率可达33Mb/sPCI总线位于高速外设与CPU之间.是由INTEL公司提出的局部总线标准.版本从V1.0,V2.1到V2.2.其中,V2.2的性能:1.性能:位宽总线工作频率最大带宽PCI2.232位33M/66M133/266MB/s(是ISA的33倍)（主流）64位33M/66M266/533MB/s4.2.3PCI(PeripheralComponentInterconnect)

外设部件互连总线演示2.特点:见P160.3.插座形状和引脚:为白色矩形插座.总引线数120条1.概述:AGP是一种为提高视频带宽而设计的总线规范.目的是为大幅度提高高档微机处理图形(尤其是3D)的能力.2.性能特点:见P161.3.形状和引线:褐色插座,一块主板只有一个,只能插显卡.4.2.4AGP——(AcceleratedGraohicPort)总线

PCIExpress架构原生于Intel的3GIO（3drGenerationI/O）概念，并由PCI-SIG于2002年7月23日经过审核后正式公布，推出命名为PCIExpress1.0版本的规范PCIExpress总线PCIExpress采用了点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCIExpress的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。PCIExpress的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式将用于内部接口而非插槽模式）。较短的PCIExpress卡可以插入较长的PCIExpress插槽中使用。PCIExpress接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。用于取代AGP接口的PCI-E接口位宽为X16PCI-Express×1PCIExpress2.0是PCIExpress总线家族中的第二代版本。第一代的PCIExpress1.0接口传输速率达到2.5GHz，而PCIExpress2.0则在1.0版本基础上更进了一步，将接口速率提升到了5GHz，传输性能也翻了一番。X1模式的扩展口带宽总和可达到1GB/s，X16图形接口更可以达到16GB/s的惊人带宽值。

PCIExpress3.0规范将数据传输率提升到8GHz|8GT/s(最初也预想过10GHz)，并保持了对PCI-E2.x/1.x的向下兼容，继续支持2.5GHz、5GHz信号机制。基于此，PCI-E3.0架构单信道(x1)单向带宽即可接近1GB/s，十六信道(x16)双向带宽更是可达32GB/s。PCI-E3.0同时还特别增加了128b/130b解码机制，可确保几乎100%的传输效率，相比此前版本的8b/10b机制提升了25%PCI-E2.0和PCI-E3.0之间的最大区别就是数据吞吐量有显著增加。PCI-E2.0中的信号强度为5GT/s，从而实现了500MB/s的数据吞吐能力。由此一个lane数据通路，被定义为x1，它的数据传输能力即是500MB/s。因此，具备PCI-E2.0x16的规格，意思是它有配备16条lane数据通路，它可以实现8GB/s的数据吞吐能力。而PCI-E3.0中，这些数据传输能力被再次加强了一倍。PCIExpress3.0的信号强度为8GT/s，可以实现1GB/s的数据吞吐能力。

4.3几种设备总线标准设备或部件间的连接：

总线—是用于连接部件或设备.

接口—是主机与某外设的适配器,解决两者间的电压等级、信号形式和速度匹配.不同的接口是不通用的.目前出些了一些接口标准，允许连接多种不同的外设，也称外设总线或设备总线.1.EIA-RS232(1)概述:RS-232是美国电子工业协会EIA于20世纪60年代正式公布的串行总线标准,也是目前最常用的串行接口标准.用于实现计算机间、计算机与外设间的数据通信.(2)性能指标:最高传输速率—19.2kb/s;最大传输据率—30m.使用DB-25连接器.(3)标准接口信号:共三组：主信道:15条,带*者；辅信道:5条,低速；未使用和备份:5根4.3.1EIA-RS232D/RS-449串行接口标准2.RS-449接口标准(1)概述:是EIA于1977年制定的串行接口标准.于1980年成为美国标准.电气标准由RS-422A或RS-423A定义.(2)机械性能:规定37脚和9脚两种接口连接器.(3)电气性能:依据RS-422A(平衡方式)和RS-423A(非平衡方式)及RS-485电气标准.(4)性能指标:最高传输速率—100kb/s;最大传输距离—1200m.

IDE—用于微机。

SCSI—用于工作站/服务器或小型机。1.IDE和EIDE接口:(1)IDE(IntegratedDeviceElectronics,集成设备电子部件)4.3.2IDE接口与SCSI接口总线常用硬盘和光驱接口是从IBMPC/AT上使用的高级技术配件(AdvancedTechnologyAttachment,ATA)接口发展而来的，故又称ATA端口.●最大特点:是把控制器集成到驱动器内.●三点限制:数据传输率<＝1.5MB/s;最多接2个IDE设备;支持的硬盘最大容量为528MB.(2)EIDE(ATA-2):增强IDE接口标准，其标准改进如下：读写磁盘的数据传输率可达12~18MB/s；最多可连接4个IDE设备；每个磁盘驱动器的容量可超过528MB.(3)UltraDMA/33/66/100/133:最高传输率达133Mb/s,硬盘容量达137GB.2.SCSI(SmallComputerSystemInterface)总线:（1）概述

即小型计算机系统接口,是系统级基于通道的接口,其设计思想来源于IBM大型机系统的I/O通道结构,广泛用于服务器和图形工作站.可连接硬盘,光驱,扫描仪,打印机等.（2）版本:

SCSI-1—5MB/SSCSI-2（FASTSCSI）—10MB/SSCSI-2（FASTWIDESCSI）—20MB/SSCSI-3UltraWideSCSI(16位）—40MB/SSCSI-3UltraWideSCSI(32位）—80MB/SSCSI-3Ultra2SCSI(16位）—80MB/SSCSI-3Ultra3SCSIUltra160/m—160MB/S从图中可以看出，SCSI接口是以主机系统对智能外设的统一IO接口总线的形式出现的。它处在主机适配器（SCSI接口板）与智能外设控制器之间的界面上，它不仅可以控制磁盘驱动器，而且可以控制磁带机、光盘、打印机、扫描仪等外设。由于设备中包括了控制器，设备的功能更复杂，因而称为智能外设。联结到SCSI总线上的设备（包括外设和主机），都有一个标识号ID，从0,1,…,7共8个，允许多台外设并行的工作，也允许多台主机共享外设。SCSI总线上的设备分成发出命令的“主设备”和接收并执行命令的“从设备”两大类。通常主机充当“主设备”，外设充当“从设备”。ID号高的“主设备”在占有总线的仲裁中享有高的优先级。演示(3)主要特性SCSI是系统级的标准输入/出总线接口。SCSI标准，信号线由8条数据线、一条奇偶校验线、9条控制线组成；使用50芯电缆，以菊花链形式最多可连接8台设备。支持多任务并行操作,有总线仲裁功能.可以同步/异步方式工作.有两种输出方式:单端(Dmax=6m)和差分(Dmax=25m)。差分输出方式把单输出方式中的一部分地线改成了数据线和控制线的对称差分信号线，提高了数据抗干扰能力。SCSI设备之间是一种对等关系,而不是主从关系.SCSI设备分为启动设备(发命令的设备)和目标设备(接受并响应命令的设备),它们用高级命令通信,方便,灵活.1.概述:USB总线由IBM,Intel,Microsoft等7家公司联合开发,版本有USB0.9(1995年)、USB1.1(1998年)、USB2.0、USB3.0。4.3.3USB(UniversalSerialBus)总线2.特点:(1)使用方便,可连多个设备,且热插拔.软件可自动启动.不涉及IRQ冲突.

(2)速度快,USB1.1可高达12Mb/s.

(3)连接灵活,用HUB可最多连127个.

(4)独立供电(5)支持多媒体版本速率Mb/s接点数接点间距离/m拓扑结构支持系统支持特性信号线数USB1.1USB2.01248012712755星形星形W95以上,OS/2W98以上PnP,热插拔PnP,热插拔4/94/9USB1.1和USB2.0的性能比较存在问题:●理论上能连127个设备,实际只能连3~4个.●串联时,会出现电力不足的问题.

3.拓扑结构主控器具有根集线器功能,具有2~4个USB端口,采用”级联”方式连接.最大串接能力为5个HUB级联,最长扩展连接能力为30m.4.USB的接口接头USB用矩形插座和插头,有4针和9针两种.目前常用4针.其中:引脚1—+5V电源引脚。引脚2—数据输入/数据同步引脚RD。引脚3—信号接地引脚GND。引脚4—数据输出/时钟同步引脚TD。USB3.0●传输速率理论上的最高速率是5.0Gbps●数据传输引入全双工数据传输。可以同步全速地进行读写操作。以前的USB版本并不支持全双工数据传输。●电源

USB3.0标准要求USB3.0接口供电能力为1A，而USB2.0为0.5A。●电源管理

在有中断请求数据传输之前，待机设备并不耗电。简而言之，USB3.0支持待机、休眠和暂停等状态。

USB3.0●物理外观USB3.0的线缆会更“厚”，这是因为USB3.0的数据线比2.0的多了4根内部线。●已支持的操作系统WindowsVista、Windows7SP1和Linux已支持USB3.0。苹果Macbookair和Macbookpro也支持。虽然WindowsXP的“年龄”有点大，但它也能支持USB3.0。5.USB系统总线结构●客户驱动程序:与特定USB设备通信,由USB设备商或作为操作系统一部分提供.●USB驱动程序:作为OS中支持USB设备的系统软件.●通用主控制器驱动程序:主控制器中客户软件与USB设备间进行点对点通信等.●主控制器:执行HCD产生的指令列表.●USB设备.又称FireWire或iLink.是一种高效串行接口,目前已成为数码影像设备的传输标准.其前身由Apple公司于1985年开始研究.1992年被接纳为IEEE1394 规范.4.3.4IEEE1394总线1.主要技术特点:(1)支持高速应用,可升级.

IEEE1394:传输速率100~400Mb/sIEEE1394b:800Mb~3.2Gb/s(2)分层的主控制器结构:不需HUB就可连63台设备.(3)同时支持等时和异步两类传输模式.(4)采用基于内存的地址编码,具有64位地址.(5)采用对等结构,不强调要由计算机控制这些设备.(6)拓扑结构在其外设增减时,会自动重设网络.(7)其它:信号线6(电源2,信号4)/4(无电源),支持Win98以上系统,支持PnP和热插拔.2.IEEE1394的