组成原理讲稿六章线系统

第六章系统总线6.1

总线的概念和结构形态

什么是bus?（1）公共汽车：运送人员。（2）一组导线：传送信息。共同点：多个使用者共享通道。总线的基本概念

总线是计算机中连接各个功能部件的纽带，是计算机各部件之间进行信息传输的公共线路。借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。

（1）建立总线的原则（1）互斥性：挂接总线的各总线驱动器(发送端)必须具有分时操作的可能性，即不允许在同一总线上同时有两个发送源发送信息。（2）一致性：同一总线中所挂接总线的器件(OC门或三态门)类型要一致。BUS多路选择器多路分配器（2）总线的分类（a）按数据传送方式分串行总线，并行总线。（b）按连接部件的不同分片内总线，系统总线，通信总线。（c）按系统传输信息的不同分

数据总线，地址总线，控制总线。（d）按数据传输的方向分单工总线，半双工总线，全双工总线。（e）按总线的结构分

单总线，双总线，多总线。（f）按总线传输的定时方法分同步总线，异步总线。（3）总线特性及性能指标（a）总线特性总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。

物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座形状，引脚排列方式）功能特性：每根线的功能。电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。（b）性能指标宽度：指数据总线的根数，用bit表示。数据传输率：总线指单位时间内总线传输数据的能力，用MB/s或Mb/s表示。例1：总线工作频率f=33MHz，总线宽度W=32bits，则：数据传输率(并行传输带宽）=33*4=132MB/s波特率：指每秒通过信道(串行)传输的码元(二进制位)数。比特率：指每秒通过信道(串行)传输的有效数据量。例2：在一个串行传输系统中，每秒可传输10个数据帧，每个数据帧包含1个起始位，8个数据位和2个停止位，则：波特率=11*10=110b/s

比特率=8*10=80b/s（3）总线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。

总线标准：可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。这个界面对它两端的模块都是透明的，即界面的任何一方只需根据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。按总线标准设计的接口是通用接口。

目前流行的总线标准有：

ISA(IndustrialStandardArchitecture):16位标准总线。

EISA(ExtendedIndustrialStandardArchitecture):32总线。

PCI(PeripheralComponentInterconnect):32位标准总线。

采用标准总线的优点：（a）简化系统设计。（b）简化系统结构，提高系统可靠性。（c）便于系统的扩充和更新。总线结构（1）单总线结构

单总线BUS

所有模块都连接到一条总线上，总线分时工作，多用于小型、微型计算机系统。优点：控制方便，易于扩充。缺点：吞吐量低，总线成为系统瓶颈。CPUM.MI/O接口外设1I/O接口外设2I/O接口外设n（2）双总线结构将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成存储总线与I/O总线分开的结构。多用于大、中型计算机系统。系统总线存储总线

存储总线

I/O总线M.M外设1外设nCPUM.MI/O处理机(通道)外设nCPU外设1（3）三总线结构

现代PC基本采用的结构。主板总线连接到处理器-主存总线，处理器-主存总线主要用于处理器和主存之间数据交换，I/O总线连接到主板总线。

优点：大大减少处理器-主存总线负载。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。桥：通过桥，CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。（4）多总线结构多个CPU、存储器、I/O设备通过交叉开关互连。

总线套数=n+m+k要求：n≥

m+k，使每个CPU和I/O设备在同一时间可分到一套总线与存储模块相连。M.M1M.M2M.MnCPU1CPUmI/O1I/Ok6.2总线接口信息传送方式

计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。（1）串行传送：当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并－－串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要进行串－－并变换，这称为装配。串行传送的主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。缺点就是速度慢。

（2）并行传送：用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送。并行传送一般采用电位传送。由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。（3）分时传送：分时传送有两种概念，一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。总线接口的基本概念接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。一个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备。（1）接口的功能能实现通信双方的数据缓冲、通信联络、速度匹配与协调、数据格式变换等。主要包括：（a）选址功能。（b）传送命令功能。（c）传送数据功能。（d）反映I/O设备工作状态的功能。（2）接口类型（a）按数据传送方式分：并行接口和串行接口。（b）按功能选择的灵活性分：可编程接口和不可编程接口。（c）按通用性分：通用接口和专用接口。（d）按数据传送的控制方式分：程序型式接口和DMA式接口。（3）接口的组成一个适配器的两个接口：一个同系统总线相连，采用并行方式，另外一个同设备相连，可能采用并行方式或是串行方式。

CPU外部设备数据缓冲寄存器(DBR)设备状态标记控制逻辑电路设备选择电路命令寄存器和译码器I/O接口状态线命令线地址线数据线数据线状态命令6.3总线的仲裁

总线只是作为传送信息的通道，当总线上多个部件同时申请使用总线来传送信息时，为了保证同一时刻只能有一个申请者使用总线避免它们同时发送造成信息丢失，必须有一个总线仲裁器分配总线使用权。通常，总线仲裁器把总线使用权赋给多个申请者中优先级最高的那个部件。

连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态，其中主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方请求。每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。

主设备与从设备

（1）主设备：占有总线控制权的设备，是总线事务的发起者。（2）从设备：与主设备组成通信的设备，是总线事务的响应者。（3）总线事务：（a）发送命令（和地址）。（b）传送数据。（c）申请与仲裁

总线主设备总线从设备控制信号：主设备发起总线事务数据可双向传输

按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。

集中式仲裁

总线控制逻辑集中于一个设备（总线控制器）。集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。集中式仲裁有三种：（1）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。

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（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。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。

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设备地址计数器定时查询方式I/O接口1

计数器设备地址1（3）独立请求方式：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。中央仲裁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。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。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。

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-总线请求分布式仲裁

总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件中。不需要中央仲裁器，而是多个仲裁器竞争使用总线。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。6.4总线的定时和数据传送模式众多部件共享总线，在争夺总线使用权时，只能按各部件的优先等级来解决。而在传送通信时间上，只能按分时方式来解决。即哪一个部件获得使用，此刻就由它传送，下一个部件获得使用，接着下一时刻传送。这样一个接一个轮流交替传送。完成一次总线传输，可分为四个阶段：（a）申请分配阶段（b）寻址阶段（c）传数阶段（d）结束阶段。主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调配合等等。总线的定时

（1）同步定时在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。缺点：主、从模块时间配合属于强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求。并且对所有从模块都用同一限时，这就势必造成，对各不相同速度的部件而言，必须按最慢速度的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。同步定时一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。

通信双方由统一时标控制数据传送。时钟同步输入时序地址t1：主机发地址读命令t2：主机发读命令数据t3：外设送数据

t1t2t3t4t4：传输结束

主机外设输入输出例3：

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。总线的数据传输率：4B/（0.04us）=100MBps（2）异步定时：通信双方依靠“握手”信号控制数据传送。在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上。在这种系统中，不需要统一的共公时钟信号。异步定时的优点是总线周期长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，因而允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。但这以增加总线的复杂性和成本为代价。

异步输出时序（全互锁）地址数据就绪应答选通

t1t2t