第3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3.1总线的基本概念一、为什么要用总线读写控制信号地址线数据线握手信号（状态、中断、DMA）时钟、电源、地线存储器读/写地址数据CPU读/写地址数据中断DMAI/O接口读/写地址数据中断DMA状态状态部件之间的两种互连方式：

各部件之间通过单独的连线互连，称为分散连接方式。

各个部件连接到一组公共信息传输线上，称为总线连接方式。分散连接内部连线十分复杂，布线困难扩展性差效率高存储器运算器

控制器输入设备输出设备总线结构的两个主要优点是灵活和成本低。

灵活性体现在新部件可以很容易地加到总线上，且部件可以在使用相同总线的计算机系统之间互换。

一组单独的连线可被多个部件共享，所以总线的性价比高。

现代计算机普遍使用的是总线互连结构。二、什么是总线

总线是指一组进行互连和传输信息的信号线，这组信号线一般都包括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线。微型机系统所使用的芯片内部、电路插件板元器件之间、系统各插件板之间、系统与系统之间的连线，都由各自的总线把各部分组织起来，从而组成一个能彼此传输信息和对信息进行加工处理的整体.总线的两个特点：任意时刻只能有一个设备向总线发送信息系统瓶颈多个部件可以同时从总线接受相同的信息广播式三、总线上信息的传送串行并行四、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…3.13.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3.13.2总线的分类1.片内总线

片内总线也称为CPU总线，它是位于微处理器内部的总线，是ALU及各种寄存器等功能单元之间的通路.按照传送方式：并行传输总线和串行传输总线并行总线按数据传送宽度：8、16、32、64总线的使用范围：计算机总线、测控总线和网络通信总线2.系统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地址、I/O地址有关有出有入计算机各部件之间的信息传输线存储器读、存储器写总线允许、中断确认中断请求、总线请求3.通信总线串行通信总线USB、RS－232并行通信总线传输方式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3.3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1.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3.3地址数据控制三、总线的性能指标1.总线宽度

总线宽度是指一次可以同时传输数据的位数，也就是数据线的根数，单位为位。2.总线频率

它是指总线在每秒钟内能传输数据的次数，单位为MHz。如ISA的总线频率为8MHz，而PCI总线有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率。3.总线带宽(标准传输率)

传输速率指总线在每秒钟内能传输的最多字节数，单位为MB/s。三者的关系是传输速率=总线宽度/8×总线频率总线宽度越宽，总线频率越高，则总线传输速率越快

例

总线频率为33.3MHz，总线宽度32位，则：传输速率=32b/8×33.3MHz=133.2MB/s4.时钟同步/异步同步、不同步5.总线复用地址线与数据线复用6.信号线数地址线、数据线和控制线的总和7.总线控制方式并发、自动、仲裁、逻辑、计数8.其他指标负载能力、电源电压、总线方式能否扩展等。ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB总线标准四、总线标准在微机系统中，通常由多种总线构成。如386主板板上常有ISA

总线和EISA总线，486主板上常有ISA总线和VESA总线，Pentium主板上常有ISA

总线和PCI总线，PⅡ、PⅢ主板常有ISA

总线、PCI总线和AGP总线，而PⅣ主板上常有用PCI总线和AGP总线，或称AGP接口标准等。总线标准就是系统与模块之间，模块和模块之间的一个互连的标准界面。这个界面对两端的模块是透明的。ISAISA（IndustrialStandardArchitecture）总线是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准。所以也叫AT总线。它保留了原来PC总线的全部62个引脚信号，以便与原PC总线插槽板兼容，同时它又在底板上增加了一个36引脚的插槽，以便增加新的功能。没有支持总线仲裁的硬件逻辑，不能支持多台主设备ISA必须通过CPU和DMA来管理数据传送。ISA总线插槽EISAEISA总线将ISA总线的数据宽度扩展到32位，同时也将寻址能力扩展到4G。不仅如此，EISA总线与ISA总线保持向下兼容，ISA标准插卡能直接插入EISA总线插槽内，最大限度地保护了用户的利益。从CPU主分离出总线控制权，能支持多个总线主控器。VESA总线VESA总线是视频电子标准委员会制定的一种局部总线，又称VL-BUS总线。是1992年8月由VESA（视频电子标准协会）公布的基于80486CPU的32位局部总线，可扩展到64位，具有32位寻址能力。PCI总线PCI总线（PeripheralComponentInterconnect，即外围元件互连）是一种为主CPU和外设之间提供高性能数据通道的总线。其总线规范是由Intel公司为首的一个PCI特别兴趣小组制定并维护的。它是一种32位局部总线，并且可进行32位寻址，既可做单数据操作又可作猝发传送。高性能兼容性、支持即插即用、支持多主设备等特点PCI扩展槽的引脚配置AGP总线AGP（AccelerateGraphicPort）即加速图形接口，它是Intel专门为PentiumⅡ系统的图形控制器设计的系统总线结构，它十分默契地配合着PentiumⅡ的高速浮点运算能力和MMX技术，目前几乎垄断了3D图形加速卡的接口。AGP是32位数据总线，工作时钟是66MHz，数据传输率为264MB/S，是PCI的二倍。第二代增强AGP2×的工作时钟是133MHz，数据传输率达到532MB/S，是PCI的四倍。目前奔腾III主板已采用了AGP4×，数据宽度扩展到64位，工作时钟133MHz，数据传输率高达1GB/S。AGP扩展插槽RS-232CRS-232C是一种串行通信总线标准，也是数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准。1．RS-232C总线1）R232C的主要特点：信号线少：传输距离远：可供选择的传输速率多：抗干扰能力强：

RS-232C的机械特性规定：微机的RS-232C接口通向外部的连接器是一种标准的“D”型插针

需要注意的是：RS-232C中规定的逻辑电平与TTL中的不同，用低电平表示1（－3～－15V）， 用高电平表示0（3～15V） 因此在使用时需要进行两种电平的转换。USBUSB（UniversalSerialBus）称为通用串行总线，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NT（北方电讯）七家公司推出的新一代接口标准总线。1996年1月公布了USB1.0版本，传输速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。USB2.0已于2000年4月27日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，作为新一代USB标准，USB2.0兼容所有USB1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。USB2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经USB连接到PCUSB的性能特点

传输速度快

连接简单快捷

通用连接器

无须外接电源

扩充外设能力强总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）33MBpsEISA328MHz（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3.4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…1.双总线结构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、多总线结构它将CPU中大部分I/O控制任务接管过来，从而具有对各种I/O设备进行统一管理的功能。2.三总线结构主存总线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……在主存和高速的磁盘等设备之间引入一个DMA总线，那么系统可构造一种三总线结构。3.三总线结构的又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局部I/O控制器主存处理器和高速缓存之间通过专门的局部总线相连，并且可将其他靠近CPU的局部设备连接到该总线。4.四总线结构多媒体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3.4在主存总线和扩充I/O总线之间引入一种高速总线(如PCI总线等)，将那些高速的大容量I/O设备挂接在这种高速总线上。而低速I/O设备仍然由扩充I/O总线支持。1.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……Modem2.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……Modem33MHz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

PCI桥

SCSIⅡ控制器PCI总线……Modem3.PCI总线结构图4.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CPU3.41．南、北桥结构顾名思义，南、北桥的结构一般是由两块芯片组成的芯片组结构，即北桥芯片（NorthBridge）和南桥芯片（SouthBridge）。简单地来说桥就是一个总线转换器和控制器。它实现各类微处理器总线通过一个PCI总线来进行连接的标准，可见，桥是不对称的。在桥的内部包含有兼容协议以及总线信号线和数据的缓冲电路，以便把一条总线映射到另一条总线上。北桥与南桥之间也通过PCI总线完成通讯。北桥芯片主要负责管理CPU、内存与AGP接口间的数据传输，为Cache、PCI、AGP、ECC纠错提供工作平台。北桥芯片一般位于CPU插槽附近。南桥芯片负责管理IDE、I/O设备接口，为高级电源管理、USB等提供工作平台。现在的南桥芯片也集成了多媒体功能，整和了AC972.0（满足PC98基本音频规范）/SoundBlaster兼容的音频处理等。北桥芯片南桥芯片3.5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（总线控制器所处的位置不同）

当某个主设备需要使用总线时，通过总线请求(BR)发出请求，总线控制器通过总线允许（BG）响应，总线允许采用串联方式传递，即总线允许传到某个设备时，若该设备无总线请求，则总线允许信号往下传，若该设备请求总线使用权，则封锁总线允许信号，不再往下传，从而获得总线使用权,同时使总线忙（BS）有效。2.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I/O接口1

特点：①控制方法简单，易于扩充；②对电路故障敏感；③主设备的优先级别由BG的连接顺序决定，不能改变。总线控制器接到由总线请求送来的请求后，在总线未被使用（总线忙无效）的情况下，使计数器开始计数，并把计数值作为地址信息发给各主设备，当某个有总线请求的设备地址与该计数值相同时，便获得总线控制权，并将总线忙置为有效，总线控制器停止计数。

3.计数器定时查询方式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13.5计数器设备地址1特点：①计数器是循环的，故主设备的优先级相等;②计数器可以预置为某个值，故可以改变主设备的优先顺序；③对电路故障不如链式查询敏感,但需要增加主控制线（设备地址）数。

每个主设备均有一对独立的BRi和BGi控制线，在总线控制器内部有一个排队电路，根据优先次序确定响应哪一个设备。特点：①响应速度快，优先次序控制灵活；②控制线数量多，总线控制复杂。4.独立请求方式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－总线请求二、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3.51、同步通信

通信双方由统一时标控制数据传送。特点：①规定明确、统一，模块间的配合简单一致。②主从模块配合属强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求。③对所有模块都用同一限时，这就势必造成对各不相同速度的部件而言，必须按最慢速度部件来设计公共时钟，严重影响总线的工作效率，也给设计带来了局限性，缺乏灵活性。④一般用于总线长度较短，各部件存取时间比较一致的场合。

读命令(1)同步式数据输入T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址数据3.5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3.5例3.1假设总线的时钟频率是100MHz，总线的传输周期是4个时钟周期，总线的宽度是32位，求总线的数据传输率。若要提高一倍数据传输率，可采取什么措施。解：总线时钟频率为100MHz，所以一个时钟周期为：1/100MHz＝0.01us总线传输周期：0.01×4＝0.04us总线宽度32位＝4B数据传输率4B/0.04＝100MBps采取的措施有两项。2、异步通信

采用应答方式，即当主模块发出请求信号时，一直等待从模块反馈回来“响应”信号后，才开始通信。异步通信方式可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型。不互锁请求回答主设备从设备主模块发出请求，不必等从模块的应答信号，经过一段时间后，撤销请求信号。从模块接到请求信号后，经过一段时间后撤销其应答信号。半互锁主设备从设备请求回答主模块发出请求，必须接到从模块的应答信号后，才撤销请求信号。有互锁关系。从模块接到请求信号后，发出回答信号，过一段时间后撤销其回答信号。全互锁主设备从设备请求回答主模块发出请求，必须接到从模块的应答信号后，才撤销请求信号。有互锁关系。从模块接到请求信号后，发出回答信号，必须等到主模块请求信号撤销后，才撤销其回答信号。异步通信可分为并行传送和串行传送。异步传送时没有同步时钟，也不需要在传送时传送同步信号。但需要设置数据传送速率和数据传送格式。异步串行通信的传送速率用波特率来表示，波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位是比特/秒。起始位标志每个字符的开始，通知接收器开始接收一个字符，以便和发送器取得同步。停止位标志每个字符的结束。收发双方不必使用同一个时钟，只需使用两个频率相同的本地局部时钟，使收发双方在一个字符内保持同步，即可正确可靠地传送。

1个字符（一帧信息）起始位数据位校验位空闲位异步通信时字符是一帧一帧传送的，每帧字符的传送以起始位为基准实现同步。异步通信格式停止位例3.2在异步串行传送中，每秒传送120个字符，字符格式位1个起始位、7个数据位、1个奇偶校验位、1个终止位，计算波特率。解：一帧