第04講——第3章 系統(tǒng)總線(34-35)

1、主講人：李淑芝主講人：李淑芝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(biāo)總線特性及性能指標(biāo)3.4 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)3.5 總線控制總線控制本課本課學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)讓學(xué)生對系統(tǒng)總線在計讓學(xué)生對系統(tǒng)總線在計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中的地位和作用有所算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中的地位和作用有所了解，掌握總線判優(yōu)、仲裁、總線了解，掌握總線判優(yōu)、仲裁、總線定時、總線數(shù)據(jù)傳送模式定時、總線數(shù)據(jù)傳送模式 。 判優(yōu)控制和通信控制判優(yōu)控制和通信控制 。總線的判優(yōu)控制總線的判優(yōu)控制 。l計算機(jī)五大組成部件靠總線連接起來計算機(jī)五大組成部件靠總線連接起來后，看不見、摸不著的各類信息是怎后，看不見、摸不著的

2、各類信息是怎么樣么樣“各行其道各行其道”的呢？的呢？ l計算機(jī)中數(shù)據(jù)、地址、控制等信息流計算機(jī)中數(shù)據(jù)、地址、控制等信息流在總線上傳輸時如何保證不在總線上傳輸時如何保證不“碰撞碰撞”、“不擁塞不擁塞”（如高速公路多車道、各（如高速公路多車道、各走各道、單向車道、雙向車道等例子）走各道、單向車道、雙向車道等例子）呢？呢？ （1）單總線結(jié)構(gòu)）單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線）單總線（系統(tǒng)總線） CPU M.M I/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備1 外部外部 設(shè)備設(shè)備2 I/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、便于擴(kuò)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、便于擴(kuò)充，所有傳送都通過這組充，所有傳送都通過這

3、組共享總線，容易形成計算共享總線，容易形成計算機(jī)系統(tǒng)的瓶頸，多被小型機(jī)系統(tǒng)的瓶頸，多被小型機(jī)或微型機(jī)所采用。機(jī)或微型機(jī)所采用。u雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)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(shè)備設(shè)備n I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備0 CPU主存主存主存總線主存總線I/O總線總線 （2）多總線結(jié)構(gòu)）多總線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將速度較低的特點(diǎn)：將速度較低的I/O設(shè)設(shè)備從單總線上分離出來，備從單總線上分離出來，形成主存總線與形成主存總線與I/O總線分總線分開的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)大多開的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)大多用于大中型計算機(jī)系統(tǒng)。用于大中型計算機(jī)系統(tǒng)。 主存總線

4、主存總線DMADMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備n高速外設(shè)高速外設(shè)I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口 （2）多總線結(jié)構(gòu)）多總線結(jié)構(gòu)u三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：主存總線用于特點(diǎn)：主存總線用于CPU與主與主存之間的傳輸；存之間的傳輸；I/O總線供總線供CPU與各類與各類I/O設(shè)備之間傳遞設(shè)備之間傳遞信息；信息；DMA總線用于高速總線用于高速I/O設(shè)備與主存之間交換信息。這設(shè)備與主存之間交換信息。這種三總線結(jié)構(gòu)中，任一時刻只種三總線結(jié)構(gòu)中，任一時刻只能使用一種總線。能使用一種總線。 局域網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCache局部總線局部總線擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線

5、接口擴(kuò)展總線擴(kuò)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 （2）多總線結(jié)構(gòu)）多總線結(jié)構(gòu)u三總線結(jié)構(gòu)的又一形式三總線結(jié)構(gòu)的又一形式主存主存擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線接口局域網(wǎng)局域網(wǎng)SCSI多媒體多媒體CPU調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器串行接口串行接口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(kuò)展總線擴(kuò)展總線圖形圖形Cache/橋橋 （2）多總線結(jié)構(gòu)）多總線結(jié)構(gòu)u四總線結(jié)構(gòu)四總線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：增加了一條與計算特點(diǎn)：增加了一條與計算機(jī)系統(tǒng)緊密相連的高速總機(jī)系統(tǒng)緊密相連的高速總線，對于高性能設(shè)備與線，對于高性能設(shè)備與CPU來說，各自的效率將來說，各自的效率將獲得更大的提高。獲

6、得更大的提高。 存儲器存儲器SCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16 6位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器標(biāo)準(zhǔn)總線控制器33 MHz3232位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器多媒體多媒體高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形 CPU （3）總線結(jié)構(gòu)舉例）總線結(jié)構(gòu)舉例u傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)uVL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)局部總線結(jié)構(gòu)33 MHz的的3232位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)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(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器圖文傳真圖文傳真8 MHz的的1616位數(shù)據(jù)通路位

7、數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)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 BUSuPCI 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)CPU多媒體多媒體PCI 橋橋高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器圖文傳真圖文傳真PCI 總線總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線33 MHz的的32位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路8 MHz的的16位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路ISA EISA標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存儲器存儲器u多層多層 PCI 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)PCI總線總線2存儲器存儲器橋橋0橋橋4 PCI設(shè)備設(shè)備橋橋5總線橋總線橋橋橋3橋橋1設(shè)備設(shè)備橋橋2

8、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(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線CPU3.5.1 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制l 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式分布式集中式集中式l 主設(shè)備主設(shè)備(模塊模塊) 對總線有對總線有 控制權(quán)控制權(quán)l(xiāng) 從設(shè)備從設(shè)備(模塊模塊) 響應(yīng)響應(yīng) 從主設(shè)備發(fā)來的總線命令從主設(shè)備發(fā)來的總線命令（1）基本概念基本概念鏈?zhǔn)讲樵冩準(zhǔn)讲樵冇嫈?shù)器定時查詢計數(shù)器定時查詢獨(dú)立請求方式獨(dú)立請求方式（2）鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑╂準(zhǔn)讲樵兎绞娇偪偩€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

9、接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)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特點(diǎn)：只需很少幾根線就特點(diǎn)：只需很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線控制，并且很容易擴(kuò)充線控制，并且很容易擴(kuò)充設(shè)備，但對電路故障很敏設(shè)備，但對電路故障很敏感，且優(yōu)先級別低的設(shè)備感，且優(yōu)先級別低的設(shè)備可能很難獲得請求。可能很難獲得請求。 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(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設(shè)備地址設(shè)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

10、數(shù)器計數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 1特點(diǎn)：計數(shù)可以從特點(diǎn)：計數(shù)可以從“0”開開始，設(shè)備的優(yōu)先級就按始，設(shè)備的優(yōu)先級就按0，1，2，n順序降序排列；順序降序排列；計數(shù)也可以從上次計數(shù)的計數(shù)也可以從上次計數(shù)的終止點(diǎn)開始，此時優(yōu)先級終止點(diǎn)開始，此時優(yōu)先級相等；計數(shù)器的初始值還相等；計數(shù)器的初始值還可由程序設(shè)置，故優(yōu)先次可由程序設(shè)置，故優(yōu)先次序可以改變。這種方式對序可以改變。這種方式對電路故障不如鏈?zhǔn)讲樵兎诫娐饭收喜蝗珂準(zhǔn)讲樵兎绞矫舾?，但增加了控制線式敏感，但增加了控制線數(shù)，控制也較復(fù)雜。數(shù)，控制也較復(fù)雜。 排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器（4）獨(dú)立請求方式）獨(dú)立請求方式總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地

11、址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意總線同意BR-總線請求總線請求特點(diǎn)：響應(yīng)速度快，優(yōu)先特點(diǎn)：響應(yīng)速度快，優(yōu)先次序控制靈活（通過程序次序控制靈活（通過程序改變），但控制線數(shù)量很改變），但控制線數(shù)量很多，總線控制更復(fù)雜。多，總線控制更復(fù)雜。 （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(jù)交換數(shù)據(jù)主模塊主模塊 撤銷有關(guān)信息撤銷有關(guān)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

12、數(shù)階段結(jié)束階段結(jié)束階段解決通信雙方解決通信雙方協(xié)調(diào)配合協(xié)調(diào)配合問題問題3.5.2 總線通信控制總線通信控制眾多部件共享總線，在爭眾多部件共享總線，在爭奪總線使用權(quán)時，應(yīng)按各奪總線使用權(quán)時，應(yīng)按各部件的優(yōu)先等級分時占用部件的優(yōu)先等級分時占用總線。總線。 由由 統(tǒng)一時標(biāo)統(tǒng)一時標(biāo) 控制數(shù)據(jù)傳送控制數(shù)據(jù)傳送充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每瞬間總線每瞬間 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(yīng)答方式應(yīng)答方式，沒有公共時鐘標(biāo)準(zhǔn)，沒有公共時鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合同步、異步結(jié)合u同步通信方式同步通

13、信方式數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 讀讀命令命令 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)（3）總線通信的四種方式）總線通信的四種方式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 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)u同步通信方式同步通信方式數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出（3）總線通信的四種方式）總線通信的四種方式優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：規(guī)定明確、統(tǒng)一，規(guī)定明確、統(tǒng)一，模塊間的配合簡單一致。模塊間的配合簡單一致。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：主、從模塊間時間主、從模塊間時間配合屬于強(qiáng)制性配合屬于強(qiáng)制性“同步同步”，必須在限定時間內(nèi)完成規(guī)必須在限定時間內(nèi)完成規(guī)定的要求。定的要求。同步通信一般用于總線長同步通信一般用于總線

14、長度較短、各部件存取時間度較短、各部件存取時間比較一致的場合。比較一致的場合。問題問題1 1：為什么在同步通信：為什么在同步通信的總線系統(tǒng)中，總線傳輸?shù)目偩€系統(tǒng)中，總線傳輸周期越短，數(shù)據(jù)線的位數(shù)周期越短，數(shù)據(jù)線的位數(shù)越多，越直接影響總線的越多，越直接影響總線的數(shù)據(jù)傳輸率？數(shù)據(jù)傳輸率？ 一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可以在不改變總線時鐘頻一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可以在不改變總線時鐘頻率的前提下，將數(shù)據(jù)線的寬度改為率的前提下，將數(shù)據(jù)線的寬度改為64位，或數(shù)據(jù)寬度位，或數(shù)據(jù)寬度不變，但使總線的時鐘頻率增加到不變，但使總線的時鐘頻率增加到200M不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖主設(shè)備主設(shè)備從設(shè)備從設(shè)備請請求求回回答答u

15、異步通信方式異步通信方式（3）總線通信的四種方式）總線通信的四種方式特點(diǎn)：特點(diǎn)：異步通信克服了同異步通信克服了同步通信的缺點(diǎn)，允許各模步通信的缺點(diǎn)，允許各模塊速度的不一致性，它沒塊速度的不一致性，它沒有公共的時鐘標(biāo)準(zhǔn)，采用有公共的時鐘標(biāo)準(zhǔn)，采用應(yīng)答方式（握手方式）。應(yīng)答方式（握手方式）。應(yīng)答方式又可分為：應(yīng)答方式又可分為：不互不互鎖、半互鎖和全互鎖三種鎖、半互鎖和全互鎖三種類型。類型。 如如CPU向向主存寫入主存寫入如多機(jī)系如多機(jī)系統(tǒng)的訪存統(tǒng)的訪存如網(wǎng)絡(luò)通如網(wǎng)絡(luò)通信中信中u異步通信方式異步通信方式（3）總線通信的四種方式）總線通信的四種方式問題問題2 2：比特率：比特率與波特率有什與波特率有什

16、么區(qū)別？么區(qū)別？ 在系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)線上，不可能傳輸?shù)氖牵涸谙到y(tǒng)總線的數(shù)據(jù)線上，不可能傳輸?shù)氖牵篈指令指令 B操作數(shù)操作數(shù) C握手（應(yīng)答）信號握手（應(yīng)答）信號 D中斷類型號中斷類型號 l答案：答案：Cl解析：握手（應(yīng)答）信號在通信總線上傳解析：握手（應(yīng)答）信號在通信總線上傳輸輸同步同步 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(yīng)信號響應(yīng)信號 WAITu半同步通信方式（同步、異步結(jié)合）半同步通信方式（同步、異步結(jié)合）（

17、3）總線通信的四種方式）總線通信的四種方式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(jù)從模塊提供數(shù)據(jù)T4 從模塊撤銷數(shù)據(jù)，主模塊撤銷命令從模塊撤銷數(shù)據(jù)，主模塊撤銷命令Tw 當(dāng)當(dāng) 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 TWAITTw 當(dāng)當(dāng) 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 TWAITu半同步通信方式半同步通信方式以輸入數(shù)據(jù)為例以輸入數(shù)據(jù)為例（3）總線通信的四種方式）總線通信的四種方式一個總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例）一個總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例） 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址 、命令、命令 從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù) 從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)從模塊向

18、主模塊發(fā)數(shù)據(jù)總線空閑總線空閑占用總線占用總線不占用總線不占用總線占用總線占用總線充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力主模塊主模塊 申請申請 占用總線占用總線，使用完后，使用完后即即 放棄總線放棄總線 的使用權(quán)的使用權(quán)從模塊從模塊 申請申請 占用總線占用總線，將各種信，將各種信息送至總線上息送至總線上一個總線傳輸周期一個總線傳輸周期子周期子周期1子周期子周期2主模塊主模塊u分離式通信方式分離式通信方式（3）總線通信的四種方式）總線通信的四種方式l各模塊有權(quán)申請占用總線各模塊有權(quán)申請占用總線這種方式充分發(fā)揮了總線的有效占用，這種方式充分發(fā)揮了總線的有效占用，對大型計算機(jī)系統(tǒng)極為重要。對大型計算機(jī)系統(tǒng)極為重要。l采用同步方式通信，不等對方回答采用同步方式通信，不等對方回答l各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時，不占用總線各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時，不占用總線l總線被占用時，無空閑總線被占用時，無空閑1. PCI總線采用總線采用A._仲裁方式，每一個仲裁方式，每一個PCI設(shè)備都有獨(dú)立的總線請求和總線授權(quán)兩條信設(shè)備都有獨(dú)立的總線請求和總線授權(quán)兩條信號線與號線與B._相連