第3章 總線系統(tǒng)

1、3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.2 總線的分類總線的分類3.3 總線特性及性能指標總線特性及性能指標3.4 總線結構總線結構3.5 總線控制總線控制一、為什么要用總線一、為什么要用總線二、什么是總線二、什么是總線三、總線上信息的傳送三、總線上信息的傳送總線是連接各個部件的信息傳輸線，總線是連接各個部件的信息傳輸線，是是 各個部件共享的傳輸介質。各個部件共享的傳輸介質。串行串行并行并行1. .片內總線片內總線2. .系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線芯片內部芯片內部 的總線的總線數(shù)據總線數(shù)據總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關與機器字長、存儲字長有關單向單向 與存儲地址、

2、與存儲地址、 I/O地址有關地址有關有出有出 有入有入計算機各部件之間計算機各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求中斷請求、總線請求3. .通信總線通信總線串行通信總線串行通信總線并行通信總線并行通信總線傳輸方式傳輸方式 用于用于 計算機系統(tǒng)之間計算機系統(tǒng)之間 或或 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）（如控制儀表、移動通信等）之間的通信。之間的通信。CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、總線物理實現(xiàn)一、總線物理實現(xiàn)BUS主板主板1. 機械特性機械特性2. 電氣

3、特性電氣特性3. 功能特性功能特性4. 時間特性時間特性二、總線特性二、總線特性尺寸尺寸、形狀、形狀、管腳數(shù)管腳數(shù)及及排列順序排列順序傳輸方向傳輸方向 和有效的和有效的 電平電平 范圍范圍每根傳輸線的每根傳輸線的 功能功能信號的信號的 時序時序 關系關系地址地址數(shù)據數(shù)據控制控制三、總線的性能指標三、總線的性能指標1. 總線寬度總線寬度2. 總線帶寬總線帶寬3. 時鐘同步時鐘同步/異步異步4. 總線復用總線復用5. 信號線數(shù)信號線數(shù)6. 總線控制方式總線控制方式7. 其他指標其他指標數(shù)據線數(shù)據線 的根數(shù)的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps）同步同步、不同步不同步地址線地址線

4、 與與 數(shù)據線數(shù)據線 復用復用地址線、數(shù)據線和控制線的地址線、數(shù)據線和控制線的 總和總和負載能力負載能力并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù)并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù)ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)總總線線標標準準 四、總線標準四、總線標準系統(tǒng)系統(tǒng)模塊模塊標標 準準 界界 面面總線標準總線標準數(shù)據線數(shù)據線總線時鐘總線時鐘帶寬帶寬ISA168 MHz（獨立）（獨立）15 MBpsEISA328.33 MHz（獨立）（獨立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3266 MHz（CPU）266 MBpsPCI326433 MHz（獨立）（獨立）64 M

5、Hz（獨立）（獨立）133 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（獨立）（獨立）133 MHz（獨立）（獨立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信總線標準總線標準數(shù)據終端設備（計算機）和數(shù)據通信設備數(shù)據終端設備（計算機）和數(shù)據通信設備（調制解調器）之間的標準接口（調制解調器）之間的標準接口USB串行接口串行接口總線標準總線標準普通無屏蔽雙絞線普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0) 四、總線標準四、總線標準一、單總線結構一、單總線結構單總線（系統(tǒng)總線

6、）單總線（系統(tǒng)總線） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備2 I/O接口接口 I/O 設備設備n I/O接口接口1. 雙總線結構雙總線結構具有特殊功能的處理器，具有特殊功能的處理器，由通道對由通道對I/O統(tǒng)一管理統(tǒng)一管理通道通道 I/O接口接口 設備設備n I/O接口接口 設備設備0 CPU主存主存主存總線主存總線I/O總線總線二、多總線結構二、多總線結構2. 三總線結構三總線結構主存總線主存總線DMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設備設備1設備設備n高速外設高速外設I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口3. 三總線結構的又一形式三總線結構的又一

7、形式局域網局域網系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCache局部總線局部總線擴展總線接口擴展總線接口擴展總線擴展總線Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存4. 四總線結構四總線結構多媒體多媒體 Modem主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網局域網SCSICPU串行接口串行接口FAX系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線局部總線局部總線高速總線高速總線擴展總線擴展總線圖形圖形Cache/橋橋1. 傳統(tǒng)微型機總線結構傳統(tǒng)微型機總線結構三、總線結構舉例三、總線結構舉例存儲器存儲器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的的16位數(shù)據通路位數(shù)據通路標準總線控制器標準總線控制

8、器33 MHz的的32位數(shù)據通路位數(shù)據通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線多媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形 CPU Modem2. VL-BUS局部總線結構局部總線結構33 MHz的的32位數(shù)據通路位數(shù)據通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線ISA、EISA多媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形圖文傳真圖文傳真8 MHz的的16位數(shù)據通路位數(shù)據通路標準總線標準總線 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存儲器存儲器局部總線局部總線 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS Modem3. PCI 總線結構總線結構CPU多媒體多媒體PCI 橋橋高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形圖文傳

9、真圖文傳真PCI 總線總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線33 MHz的的32位數(shù)據通路位數(shù)據通路8 MHz的的16位數(shù)據通路位數(shù)據通路ISA、EISA標準總線標準總線 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存儲器存儲器 Modem4. 多層多層 PCI 總線結構總線結構PCI總線總線2存儲器存儲器橋橋0橋橋4 PCI設備設備橋橋5總線橋總線橋橋橋3橋橋1設備設備橋橋2第一級橋第一級橋第二級橋第二級橋第三級橋第三級橋PCI總線總線4PCI總線總線5PCI總線總線3PCI總線總線1PCI總線總線0存儲器總線存儲器總線 標準總線標準總線CPU一、總線判優(yōu)控制一、總線判優(yōu)控制 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式分布式集中

10、式集中式 主設備主設備(模塊模塊)對總線有對總線有 控制權控制權 從設備從設備(模塊模塊)響應響應 從主設備發(fā)來的總線命令從主設備發(fā)來的總線命令1. 基本概念基本概念鏈式查詢鏈式查詢計數(shù)器定時查詢計數(shù)器定時查詢獨立請求方式獨立請求方式總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制總線通信控制總線通信控制2. 鏈式查詢方式鏈式查詢方式總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數(shù)據線數(shù)據線地址線地址線BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求BG總線同意總線同意I/O接口接口1 0BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求總總線線控控制制部部件件數(shù)據線數(shù)據線地址線地址線I/O接口接口0

11、BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設備地址設備地址3. 計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)器定時查詢方式I/O接口接口1 計數(shù)器計數(shù)器設備地址設備地址 1排隊器排隊器排隊器排隊器4. 獨立請求方式獨立請求方式總總線線控控制制部部件件數(shù)據線數(shù)據線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG總線同意總線同意BR總線請求總線請求二、總線通信控制二、總線通信控制1. 目的目的2. 總線傳輸周期總線傳輸周期主模塊申請主模塊申請，總線仲裁決定，總線仲裁決定主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數(shù)據

12、交換數(shù)據主模塊主模塊 撤消有關信息撤消有關信息 申請分配階段申請分配階段尋址階段尋址階段傳數(shù)階段傳數(shù)階段結束階段結束階段解決通信雙方解決通信雙方 協(xié)調配合協(xié)調配合 問題問題由由 統(tǒng)一時標統(tǒng)一時標 控制數(shù)據傳送控制數(shù)據傳送充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每個瞬間總線每個瞬間 的的 潛力潛力同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 總線通信的四種方式總線通信的四種方式采用采用 應答方式應答方式 ，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準同步同步、異步結合異步結合 讀讀命令命令T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 數(shù)據數(shù)據（1）同步通信

13、：數(shù)據輸入）同步通信：數(shù)據輸入 數(shù)據數(shù)據T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令（1）同步通信：數(shù)據輸出）同步通信：數(shù)據輸出 同步通信的優(yōu)點同步通信的優(yōu)點控制方式簡單、傳送速度快，數(shù)據傳輸率高?？刂品绞胶唵巍魉退俣瓤?，數(shù)據傳輸率高。 同步通信的缺點同步通信的缺點 同步通信的使用場合同步通信的使用場合 必須按速度最慢的設備來設計公共時鐘。必須按速度最慢的設備來設計公共時鐘。 不知道被訪問的設備是否已響應，故可靠性低。不知道被訪問的設備是否已響應，故可靠性低。 時鐘上的干擾信號會引起錯誤的同步，且滯后的時時鐘上的干擾信號會引起錯誤的同步，且滯后的時鐘也會造成同步

14、誤差。鐘也會造成同步誤差?？偩€較短、且各部件存取時間相近的系統(tǒng)。總線較短、且各部件存取時間相近的系統(tǒng)。例例3.1假設總線的時鐘頻率為假設總線的時鐘頻率為100MHz，總線的傳輸，總線的傳輸周期為周期為4個時鐘周期，總線的寬度為個時鐘周期，總線的寬度為32位，試求總線的位，試求總線的數(shù)據傳輸率。若想提高一倍數(shù)據傳輸率，可采取什么措數(shù)據傳輸率。若想提高一倍數(shù)據傳輸率，可采取什么措施？施？解：解： 總線的時鐘頻率為總線的時鐘頻率為100MHz 1個時鐘周期個時鐘周期=1/100MHz=0.01s 總線的傳輸周期總線的傳輸周期=0.01s*4= 0.04s 總線的寬度為總線的寬度為32位，即位，即4B

15、 總線的數(shù)據傳輸率總線的數(shù)據傳輸率=4B/(0.04s)=100MBps若想提高一倍數(shù)據傳輸率，可在不改變總線時若想提高一倍數(shù)據傳輸率，可在不改變總線時鐘頻率前提下將總線寬度提高為鐘頻率前提下將總線寬度提高為64位，或者保持總位，或者保持總線寬度不變將時鐘頻率提高為線寬度不變將時鐘頻率提高為200MHz。不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖（2）異步通信（不互鎖、半互鎖、全互鎖）異步通信（不互鎖、半互鎖、全互鎖）主設備主設備從設備從設備請請求求回回答答 異步通信的優(yōu)點異步通信的優(yōu)點不許時鐘信號，能保證速度差異很大的設備之間不許時鐘信號，能保證速度差異很大的設備之間進行可靠通信。進行可靠通信。

16、異步通信的缺點異步通信的缺點 異步通信的使用場合異步通信的使用場合控制方式復雜，成本高?？刂品绞綇碗s，成本高。總線較長、且各部件存取時間相差較大的系統(tǒng)?？偩€較長、且各部件存取時間相差較大的系統(tǒng)。 異步通信的分類異步通信的分類異步異步并行并行通信、異步通信、異步串行串行通信通信l在在異步通信異步通信中，采用了一種更為簡單的通中，采用了一種更為簡單的通信方式，即在串行異步通信總線中，既不用握信方式，即在串行異步通信總線中，既不用握手信號，也沒有時鐘線，它利用收、發(fā)雙方事手信號，也沒有時鐘線，它利用收、發(fā)雙方事先約定的數(shù)據傳輸格式和傳輸速率來協(xié)調數(shù)據先約定的數(shù)據傳輸格式和傳輸速率來協(xié)調數(shù)據的傳輸。例

17、如：的傳輸。例如：RS232RS232總線總線l串行異步傳輸字符格式（幀格式）：串行異步傳輸字符格式（幀格式）： 停止停止（1/1.5/2位）位）校驗位校驗位起始位起始位D1D0數(shù)據（數(shù)據（5/6/7/8位）位）數(shù)據線數(shù)據線空閑位空閑位例例3.2 在異步串行通信系統(tǒng)中，假設每秒傳輸在異步串行通信系統(tǒng)中，假設每秒傳輸120個數(shù)據幀，其字符格式規(guī)定包含個數(shù)據幀，其字符格式規(guī)定包含1個起始位、個起始位、7個數(shù)據個數(shù)據位、位、1個校驗位、個校驗位、1個終止位，試計算波特率。個終止位，試計算波特率。解：解：一幀包括：一幀包括：1+7+1+1=10位位 波特率波特率=10*120位位/秒秒=1200bps

18、=1200波特波特例例3.3 畫圖說明用異步串行傳輸方式發(fā)送畫圖說明用異步串行傳輸方式發(fā)送8位十六位十六進制數(shù)據進制數(shù)據95H。要求字符格式為：。要求字符格式為：1個起始位、個起始位、8個數(shù)個數(shù)據位、據位、1個偶校驗位、個偶校驗位、1個終止位。個終止位。l串串步通信步通信：去掉串行異步中的附加位，用同步：去掉串行異步中的附加位，用同步字符進行同步。字符進行同步。l串行同步傳輸字符格式（幀格式）：串行同步傳輸字符格式（幀格式）：l一般串行異步通信速率最高一般串行異步通信速率最高5019200bps5019200bps，串行同，串行同步通信速率最高步通信速率最高500Kbps500Kbpsl比特率

19、、波特率比特率、波特率 例例3.4 在串行異步通信系統(tǒng)中，其字符格式規(guī)定在串行異步通信系統(tǒng)中，其字符格式規(guī)定為：為：1個起始位、個起始位、8個數(shù)據位、個數(shù)據位、1個奇校驗位、個奇校驗位、1個終止個終止位。假設波特率為位。假設波特率為1200bps，試計算比特率。，試計算比特率。（3）半同步通信）半同步通信同步同步 發(fā)送方發(fā)送方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘前沿時鐘前沿 發(fā)信號發(fā)信號 接收方接收方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘后沿時鐘后沿 判斷、識別判斷、識別（同步同步、異步異步 結合）結合）異步異步 允許不同速度的模塊和諧工作允許不同速度的模塊和諧工作 增加一條增加一條 “等待等待”響應信號響應信號 WAIT 既有公共時鐘，又允許不同速度的部件和諧工既有公共時鐘，又允許不同速度的部件和諧工作，采用插入等待周期的措施來協(xié)調通訊雙方的配作，采用插入等待周期的措施來協(xié)調通訊雙方的配合問題，稱半同步通信。合問題，稱半同步通信。以輸入數(shù)據為例的半同步通信時序以輸入數(shù)據為例的半同步通信時序T1 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址T2 主模塊發(fā)命令主模塊發(fā)命令T3 從模塊提供數(shù)據從模