第三章-系统总线

第３章系统总线3.1总线的基本概念3.2总线的分类3.3总线特性及性能指标3.4总线结构3.5总线控制11.有关总线的基本概念、总线的分类本章学习目标2.如何克服总线的瓶颈3.如何对总线进行管理，包括判优控制和通信控制。3.523.1总线的基本概念一、为什么要用总线二、什么是总线三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。串行并行3四、总线结构的计算机举例1.面向CPU的双总线结构框图

中央处理器

CPUI/O总线M总线3.1主存

I/O接口

I/O设备1

I/O设备2……I/O接口I/O接口

I/O设备n适配器（接口）：实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。4单总线（系统总线）2.单总线结构框图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…3.153.以存储器为中心的双总线结构框图系统总线

主存CPUI/O接口

I/O设备1…

I/O设备nI/O接口…存储总线3.163.2总线的分类1.片内总线2.系统总线芯片内部的总线数据总线地址总线控制总线双向与机器字长、存储字长有关单向与存储单元个数有关有出有入，控制信号如：时钟、复位、总线请求（允许）、中断请求（响应）、存储器写（读）、I/O读（写）等。计算机各部件之间的信息传输线73.通信总线串行通信总线:适于远距离传输并行通信总线：适于近距离传输传输方式3.2用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信83.3总线特性及性能指标CPU插板主存插板I/O插板一、总线物理实现BUS主板91.机械特性2.电气特性3.功能特性4.时间特性二、总线特性尺寸、形状、管脚数

及

排列顺序传输方向和有效的电平范围每根传输线的功能信号的时序关系：用信号时序图描述3.3地址数据控制10三、总线的性能指标1.总线宽度2.总线带宽3.时钟同步/异步4.总线复用5.信号线数6.总线控制方式7.其他指标数据线的根数，用bit（位）表示每秒传输的最大字节数（MBps），也称为数据传输率同步、不同步地址线与数据线复用地址线、数据线和控制线的总和负载能力、电源电压等并发、自动、仲裁、逻辑、计数3.311四、总线标准3.3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，其原因何在呢?为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等。

采用标准总线的优点简化系统设计简化系统结构，提高系统可靠性便于系统的扩充和更新12ISAEISAVESA(VL-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准总线标准系统模块3.3标准界面13总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）16MBpsEISA328MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3232MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（独立）64MHz（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)3.3四、总线标准14PCI总线是当前实用的总线，是一个高带宽且与处理器无关的标准总线，又是重要的层次总线。它采用同步定时协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。PCI适合于低成本的小系统，因此在微型机系统中得到了广泛的应用。InfiniBand标准，瞄准了高端服务器市场的最新I/O规范，它是一种基于开关的体系结构，可连接多达64000个服务器、存储系统、网络设备，能替代当前服务器中的PCI总线，数据传输率高达30GB/s。因此适合于高成本的较大规模计算机系统。15例题-总线带宽的计算总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。一次操作可以传输的数据位数如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。16【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，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，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×33×106/s=132MB/s

（2）64位=8B Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s173.4总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）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…181.双总线结构：适用于大中型计算机系统具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一管理通道I/O接口设备n

……I/O接口设备0

CPU主存主存总线I/O总线二、多总线结构3.4192.三总线结构主存总线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……3.4任一时刻只能使用一种总线只有在CPU执行I/O指令时用到与DMA总线不能同时对主存进行存取203.三总线结构的又一形式3.4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局部I/O控制器主存214.四总线结构多媒体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3.4221.传统微型机总线结构三、总线结构举例3.4存储器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位数据通路标准总线控制器33MHz的32位数据通路系统总线多媒体高速局域网高性能图形CPU……Modem232.VL-BUS局部总线结构3.433MHz的32位数据通路系统总线ISA、EISA多媒体高速局域网高性能图形图文传真8MHz的16位数据通路标准总线控制器CPU主存控制器存储器局部总线控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……Modem243.PCI总线结构3.4CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISA、EISA标准总线控制器SCSIⅡ

控制器存储器Modem254.多层PCI总线结构PCI总线2存储器桥0桥4PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第二级桥第三级桥PCI总线4PCI总线5PCI总线3PCI总线1PCI总线0存储器总线

标准总线CPU3.426补充：早期总线的内部结构早期总线的内部结构如图所示，它实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般也由50～100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。27早期总线结构的不足之处在于：CPU是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。28当代流行总线的内部结构29由地址线、数据线、控制线组成。其结构与简单总线相似，但一般是32条地址线，32或64条数据线。为了减少布线，64位数据的低32位数据线常常和地址线采用多路复用方式。仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。30总线结构实例-Pentium个人机主板结构大多数计算机采用了分层次的多总线结构。右图它是一个三层次的多总线结构即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。31总线结构实例

Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。

CPUPCIISA北桥南桥323.5总线控制一、总线判优控制总线判优控制分布式集中式主设备(模块)对总线有控制权从设备(模块)响应从主设备发来的总线命令1.基本概念链式查询计数器定时查询独立请求方式332.链式查询方式总线控制部件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－总线同意3.5I/O接口134链式查询方式：离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。缺点：是对询问链的电路故障很敏感，优先级固定。350BS

－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3.计数器定时查询方式I/O接口13.5计数器设备地址136每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开发始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优级相等。计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。可方便的改变优先级。37排队器排队器4.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－总线同意BR－总线请求3.538独立请求方式的优点是响应时间快，即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。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1次之…BRn最低；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。当代总线标准普遍采用独立请求方式。39比较链式查询：控制线数量少（2根线），控制简单，容易扩充设备；但对电路故障很敏感，且优先级别低的设备很难获得请求。计数器定时查询：控制线数量较多（log2n根），优先控制比较灵活，对电路故障敏感度差，但电路复杂。独立请求方式：响应速度快，优先次序控制灵活，但控制线数量多（2n根），控制复杂。n为允许接纳的最大设备数40二、总线通信控制1.目的2.总线周期：完成一次总线操作的过程主模块申请，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，让出总线使用权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,让各设备以获得总线使用权的先后顺序分时占用总线。3.541由统一时标控制数据传送充分挖掘系统总线每个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3.542

读命令(1)同步式数据输入（键盘—>CPU）T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址数据3.543数据(2)同步式数据输出（CPU—>打印机）T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令3.544同步通信优点：规定明确统一，模块配合简单一致。缺点：主从模块时间配合属于强制性同步，所有从模块使用同一限时，公共时钟须按照最慢速度的部件来设计。缺乏灵活性。同步通信适用于：总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。45例3.1

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。若想提高一倍的数据传输率，可采取什么措施？3.5解：一个时钟周期为1/100MHz=0.01us

总线传输周期为0.04us

总线传输率=总线宽度B/总线传输周期

=32÷8/0.04us=100MBps措施：数据线宽度改为64位或时钟频率增加1倍46不互锁半互锁全互锁(3)异步通信异步通信有三种应答方式：3.5主设备从设备请求回答47异步串行通信1.传送字符格式：1个起始位（低电平）、5~8个数据位、1个奇偶校验位、终止位（高电平1个或1.5或2个）3.52.起始位至终止位为1帧，两帧间隔为任意长度。3.波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，单位用bps表示。例子见课本63页4.比特率：单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位用bps表示。48(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3.5（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

WAIT49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从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw

当为低电平时，等待一个TWAITTw

当为低电平时，等待一个TWAIT3.550

读

命令WAIT

地址

数据3.5

时钟总线传输周期T1T2TWTWT3T4半同步通信数据输入过程51半同步通信优点：可靠性高，同步结构方便。缺点：对系统时钟频率不能要求太高，整体工作速度较低。半同步通信适用于：工作速度不高但又包含了由许多工作速度差异较大的各类设备组成的简单系统。52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3.5占用总线不占用总线占用总线53(5)分离式通信充分挖掘系统总线每个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23.5主模块541.各模块有权申请占用总线分离式通信特点充分提高了总线的有效占用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3.555本章重点掌握总线的基本概念、总线的分类掌握总线的性