第3章总线系统

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3.2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每秒传输的最大字节数（MBps）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并发、自动、仲裁、逻辑、计数3.3ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准四、总线标准系统模块3.3标准界面总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）15MBpsEISA328.33MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3266MHz（CPU）266MBpsPCI326433MHz（独立）64MHz（独立）133MBps528MBpsAGP3266.7MHz（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3.42.三总线结构主存总线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……3.43.三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3.41.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……Modem3.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Modem4.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CPU3.43.5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判优控制总线通信控制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3.5I/O接口10BS

－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1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3.5二、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3.5

读命令T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址数据（1）同步通信：数据输入数据T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令（1）同步通信：数据输出同步通信的优点控制方式简单、传送速度快，数据传输率高。同步通信的缺点同步通信的使用场合必须按速度最慢的设备来设计公共时钟。不知道被访问的设备是否已响应，故可靠性低。时钟上的干扰信号会引起错误的同步，且滞后的时钟也会造成同步误差。总线较短、且各部件存取时间相近的系统。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。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？解：∵总线的时钟频率为100MHz∴1个时钟周期=1/100MHz=0.01μs总线的传输周期=0.01μs*4=0.04μs

∵总线的宽度为32位，即4B∴总线的数据传输率=4B/(0.04μs)=100MBps若想提高一倍数据传输率，可在不改变总线时钟频率前提下将总线宽度提高为64位，或者保持总线宽度不变将时钟频率提高为200MHz。不互锁半互锁全互锁（2）异步通信（不互锁、半互锁、全互锁）主设备从设备请求回答异步通信的优点不许时钟信号，能保证速度差异很大的设备之间进行可靠通信。异步通信的缺点异步通信的使用场合控制方式复杂，成本高。总线较长、且各部件存取时间相差较大的系统。异步通信的分类异步并行通信、异步串行通信在串行异步通信中，采用了一种更为简单的通信方式，即在串行异步通信总线中，既不用握手信号，也没有时钟线，它利用收、发双方事先约定的数据传输格式和传输速率来协调数据的传输。例如：RS232总线串行异步传输字符格式（帧格式）：停止（1/1.5/2位）校验位起始位D1D0数据（5/6/7/8位）数据线空闲位例3.2在异步串行通信系统中，假设每秒传输120个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位、7个数据位、1个校验位、1个终止位，试计算波特率。解：∵一帧包括：1+7+1+1=10位∴波特率=10*120位/秒=1200bps=1200波特例3.3画图说明用异步串行传输方式发送8位十六进制数据95H。要求字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个偶校验位、1个终止位。串行同步通信：去掉串行异步中的附加位，用同步字符进行同步。串行同步传输字符格式（帧格式）：一般串行异步通信速率最高50—19200bps，串行同步通信速率最高500Kbps比特率、波特率例3.4在串行异步通信系统中，其字符格式规定为：1个起始位、8个数据位、1个奇校验位、1个终止位。假设波特率为1200bps，试计算比特率。（3）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既有公共时钟，又允许不同速度的部件和谐工作，采用插入等待周期的措施来协调通讯双方的配合问题，称半同步通信。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TWAIT

读

命令WAIT

地址

数据

时钟总线传输周期T1T2TWTWT3T4（3）半同步通信（同步、异步结合）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