第三章 系統(tǒng)總線

1、第章第章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.2 3.2 總線的分類總線的分類3.3 3.3 總線特性及性能指標總線特性及性能指標3.4 3.4 總線結構總線結構3.5 3.5 總線控制總線控制 總線總線是計算機系統(tǒng)中的一組能為多個部件是計算機系統(tǒng)中的一組能為多個部件分時分時共享共享的公共信息傳輸通路的公共信息傳輸通路 在微機中各個部件通過標準總線連接在一起，在微機中各個部件通過標準總線連接在一起，給微型計算機系統(tǒng)的開發(fā)及應用帶來方便和好處：給微型計算機系統(tǒng)的開發(fā)及應用帶來方便和好處：（1 1）簡化了軟件和硬件的設計）簡化了軟件和硬件的設計（2 2）簡化了系統(tǒng)的結構

2、）簡化了系統(tǒng)的結構（3 3）便于系統(tǒng)的擴充和更新）便于系統(tǒng)的擴充和更新 （1 1）按作用、規(guī)模、應用場合分）按作用、規(guī)模、應用場合分：（2 2）按時序控制方式分：）按時序控制方式分：同步總線同步總線異步總線異步總線（3 3）按數(shù)據(jù)傳送格式分：）按數(shù)據(jù)傳送格式分：并行總線并行總線串行總線串行總線局部總線（片總線局部總線（片總線/ /板內總線）板內總線）: :部件內各芯片之間。部件內各芯片之間。系統(tǒng)總線（內總線系統(tǒng)總線（內總線/ /板級總線）：各功能部件之間。板級總線）：各功能部件之間。通信總線（外總線通信總線（外總線/ /設備總線）：計算機系統(tǒng)之間。設備總線）：計算機系統(tǒng)之間。1 1、機械結構特

3、性、機械結構特性2 2、功能特性、功能特性規(guī)定插件板尺寸、總線插頭、規(guī)定插件板尺寸、總線插頭、邊沿連結器等的規(guī)格及位置邊沿連結器等的規(guī)格及位置確定引腳名稱與功能，以及其確定引腳名稱與功能，以及其相互作用的協(xié)議說明相互作用的協(xié)議說明3 3、電氣特性、電氣特性規(guī)定信號邏輯電平、動態(tài)轉換規(guī)定信號邏輯電平、動態(tài)轉換時間、負載能力及最大額定值時間、負載能力及最大額定值總線寬度總線寬度：數(shù)據(jù)總線的根數(shù)。數(shù)據(jù)總線的根數(shù)。1616位總線，指其數(shù)據(jù)總線為位總線，指其數(shù)據(jù)總線為1616根。根。尋址能力尋址能力：取決于地址總線的根數(shù)。取決于地址總線的根數(shù)。PCIPCI總線的地址總線為總線的地址總線為3232位，尋址

4、能力達位，尋址能力達4 4GBGB。傳輸率傳輸率：也稱為總線帶寬也稱為總線帶寬，通常指總線所能達到的，通常指總線所能達到的最高數(shù)據(jù)傳輸率，單位是最高數(shù)據(jù)傳輸率，單位是BpsBps（每秒傳送字節(jié)數(shù)）（每秒傳送字節(jié)數(shù)）計算公式：計算公式：Dr=DDr=Df f /N/ND D數(shù)據(jù)寬度；數(shù)據(jù)寬度；f f總線時鐘頻率；總線時鐘頻率；N N完成一次數(shù)據(jù)傳送所需的時鐘周期數(shù)。完成一次數(shù)據(jù)傳送所需的時鐘周期數(shù)。是否支持突發(fā)傳送是否支持突發(fā)傳送總線上數(shù)據(jù)傳送方式：總線上數(shù)據(jù)傳送方式：正常傳送正常傳送每個傳送周期先傳送數(shù)據(jù)的地每個傳送周期先傳送數(shù)據(jù)的地址，再傳送數(shù)據(jù)。址，再傳送數(shù)據(jù)。突發(fā)傳送突發(fā)傳送支持成塊連續(xù)

5、數(shù)據(jù)的傳送，只需支持成塊連續(xù)數(shù)據(jù)的傳送，只需給出數(shù)據(jù)塊的首地址，后續(xù)數(shù)據(jù)地址自動生給出數(shù)據(jù)塊的首地址，后續(xù)數(shù)據(jù)地址自動生成。成。負載能力負載能力總線上能夠連接的設備數(shù)。總線上能夠連接的設備數(shù)?？偩€標準總線標準數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線總線時鐘總線時鐘帶寬帶寬ISA168 MHz（獨立）（獨立）16 MBpsEISA328 MHz（獨立）（獨立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3233 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（獨立）（獨立）66 MHz（獨立）（獨立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（獨立）（獨立）133 MHz（獨立）（獨立）266 MBp

6、s533 MBpsRS-232串行通信串行通信總線標準總線標準數(shù)據(jù)終端設備（計算機）和數(shù)據(jù)通信設備數(shù)據(jù)終端設備（計算機）和數(shù)據(jù)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)三、三、 總線標準總線標準 3.4 3.4 總線結構總線結構一、單總線結構一、單總線結構單總線（系統(tǒng)總線）單總線（系統(tǒng)總線） CPUCPU 主存主存 I/OI/O接口接口 I/OI/O 設備設備1 1 I/O

7、I/O 設備設備2 2 I/OI/O接口接口 I/OI/O 設備設備n n I/OI/O接口接口1. 1. 雙總線結構雙總線結構二、多總線結構二、多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/OI/O接口接口 設備設備n n I/OI/O接口接口 設備設備0 0 CPUCPU主存主存主存總線主存總線I/OI/O總線總線CPU內存內存2. 2. 三總線結構三總線結構主存總線主存總線DMADMA總線總線I/OI/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. 3. 三總線結構

8、的又一形式三總線結構的又一形式局域網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCPUCacheCache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ModemModem串行接口串行接口SCSISCSI局部局部I/OI/O控制器控制器 主存主存4. 4. 四總線結構四總線結構多媒體多媒體 Modem Modem主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網(wǎng)局域網(wǎng)SCSISCSICPUCPU串行接口串行接口FAXFAX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/Cache/橋橋圖形圖形ModemModem1. 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

9、三、總線結構舉例SCSI SCSI 控制器控制器存儲器存儲器ISA、EISA 8 MHz的的16位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路標準總線控制器標準總線控制器33 MHz的的32位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線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 CPU ModemModemModem2. VL-BUS2. VL-BUS局部總線結構局部總線結構圖文傳真圖文傳真33 MHz33 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ISAISA、EISAEISA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8 MHz8 MHz的的1616位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路標準總線標準總線

10、控制器控制器CPUCPU主存控制器主存控制器局部總線局部總線 控制器控制器 SCSISCSI控制器控制器VL BUSVL BUS odem odemModemModem3. PCI 3. PCI 總線結構總線結構CPUCPU多媒體多媒體PCI 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圖文傳真圖文傳真PCI PCI 總線總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線33 MHz33 MHz的的3232位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路8 MHz8 MHz的的1616位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路ISAISA、EISAEISA標準總線標準總線 控制器控制器 CSI CSI 控制控制器器存儲器存儲器 Modem Modem4. 4. 多

11、層多層 PCI PCI 總線結構總線結構PCI總線總線2存儲器存儲器 橋橋0 0 橋橋4 4 PCI PCI設備設備 橋橋5 5總線橋總線橋 橋橋3 3 橋橋1 1設備設備 橋橋2 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 CPU一般來說，總線上完成一次數(shù)據(jù)傳輸要經歷一般來說，總線上完成一次數(shù)據(jù)傳輸要經歷4 4個階段：個階段：1.1.申請占用總線階段申請占用總線階段需要使用總線的主設備需要使用總線的主設備( (如如CPUCPU或或DMA)DMA)，向總線仲裁機

12、，向總線仲裁機構提出占有總線控制權的申請?？偩€仲裁機構判別確定后，構提出占有總線控制權的申請。總線仲裁機構判別確定后，把下一個總線傳輸周期的總線控制權授給申請者。把下一個總線傳輸周期的總線控制權授給申請者。2. 2. 尋址階段尋址階段獲得總線控制權的主設備，通過地址總線發(fā)出本次打獲得總線控制權的主設備，通過地址總線發(fā)出本次打算訪問的從設備（如存儲器或算訪問的從設備（如存儲器或I/OI/O接口）的地址。通過譯接口）的地址。通過譯碼使被訪問的從設備被選中，而開始啟動工作。碼使被訪問的從設備被選中，而開始啟動工作。 3.5 3.5 總線控制總線控制一一. .總線傳輸周期總線傳輸周期3. 3. 傳數(shù)階

13、段傳數(shù)階段主設備與從設備進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)由源設備發(fā)主設備與從設備進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)由源設備發(fā)出經數(shù)據(jù)總線流入目的設備。對于讀傳送，源設備是出經數(shù)據(jù)總線流入目的設備。對于讀傳送，源設備是存儲器或存儲器或I/OI/O接口等從設備，而目的設備是主設備如接口等從設備，而目的設備是主設備如CPUCPU等；對于寫傳送，則源設備是主設備（如等；對于寫傳送，則源設備是主設備（如CPUCPU），），而目的設備是存儲器或而目的設備是存儲器或I/OI/O接口等從設備。接口等從設備。4. 4. 結束階段結束階段主、從設備的有關信息均從總線上撤除，讓出總主、從設備的有關信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它設備能繼續(xù)

14、使用總線。線，以便其它設備能繼續(xù)使用總線。二、二、 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制總線同一時刻只允許在一對模塊之間進總線同一時刻只允許在一對模塊之間進行通信。當多個主模塊同時要求使用總線時，行通信。當多個主模塊同時要求使用總線時，總線控制機構中的判優(yōu)和仲裁邏輯按一定的總線控制機構中的判優(yōu)和仲裁邏輯按一定的判優(yōu)原則，來決定由哪個模塊判優(yōu)原則，來決定由哪個模塊優(yōu)先使用總線優(yōu)先使用總線。只有獲得了總線使用權的模塊，才能開始傳只有獲得了總線使用權的模塊，才能開始傳送數(shù)據(jù)?？偩€是多個模塊的共享部件，為了送數(shù)據(jù)?？偩€是多個模塊的共享部件，為了正確實現(xiàn)多個模塊之間的通信，必須對總線正確實現(xiàn)多個模塊之間的通信，必須

15、對總線資源進行合理的分配和管理。資源進行合理的分配和管理。1. 1. 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(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BSBS 總線忙總線忙BRBR總線請求總線請求BGBG總線同意總線同意I/O接口接口1 0BSBS 總線忙總線忙BRBR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設備地址設備地址2. 2. 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3. 3. 獨立請求

16、方式獨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)線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBGBG總線同意總線同意BRBR總線請求總線請求 三、總線通信三、總線通信 信息在總線上的傳送方式可分為同步和異信息在總線上的傳送方式可分為同步和異步兩種方式步兩種方式 1.1.同步通信。同步通信。在同步方式下，在同步方式下，通信雙方由通信雙方由統(tǒng)一的時鐘控制數(shù)據(jù)的傳送統(tǒng)一的時鐘控制數(shù)據(jù)的傳送，時鐘通常是由，時鐘通常是由CPUCPU發(fā)出的，并送到總線上的所有部件。經過一段發(fā)出的，并送到總線上的所有部件。經過一段固定時間，本次總線傳送周期結束，開始

17、下一固定時間，本次總線傳送周期結束，開始下一個新的總線傳送周期。個新的總線傳送周期。 (1) (1) 同步式數(shù)據(jù)輸入同步式數(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)(2) (2) 同步式數(shù)據(jù)輸出同步式數(shù)據(jù)輸出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)例例3.13.1 假設總線的時鐘頻率為假設總線的時鐘頻率為100MHZ100MHZ，總，總線的傳輸周期為線的傳輸周期為4 4個時鐘周期，總線的寬個時鐘周期，總線的寬度為度為3232位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍的數(shù)據(jù)傳輸率

18、，可采取什么想提高一倍的數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？措施？1 1個時鐘周期個時鐘周期1/100MHZ=0.011/100MHZ=0.01s s總線傳輸周期為總線傳輸周期為0.010.01sX4sX40.040.04s s3232位位4Byte4Byte總線的數(shù)據(jù)傳輸率為總線的數(shù)據(jù)傳輸率為4Byte/(4Byte/(0.040.04s)=100Mbpss)=100Mbps提高的辦法：提高的辦法：1.641.64位位 2.200MHZ2.200MHZ2.2.異步通信異步通信 利用數(shù)據(jù)發(fā)送部件和接收部件之間的相互利用數(shù)據(jù)發(fā)送部件和接收部件之間的相互握手握手信號來實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳送的方式稱作信號來實現(xiàn)總

19、線數(shù)據(jù)傳送的方式稱作異步通信方式。異步通信方式。 在異步通信方式下，發(fā)送部件將數(shù)據(jù)放到在異步通信方式下，發(fā)送部件將數(shù)據(jù)放到總線上后經過一定的時間延遲后，在控制線上總線上后經過一定的時間延遲后，在控制線上發(fā)出發(fā)出“數(shù)據(jù)準備好數(shù)據(jù)準備好信號、而接收部件則應發(fā)信號、而接收部件則應發(fā)數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)接收信號來響應，送此信號到發(fā)送部信號來響應，送此信號到發(fā)送部件，并接收數(shù)據(jù)。發(fā)送部件收到這個響應信號件，并接收數(shù)據(jù)。發(fā)送部件收到這個響應信號后，去除原數(shù)據(jù)至此結束本次傳送。后，去除原數(shù)據(jù)至此結束本次傳送。 異步通信方式便于實現(xiàn)不同速度部件之間異步通信方式便于實現(xiàn)不同速度部件之間的數(shù)據(jù)傳送。的數(shù)據(jù)傳送。 不互鎖不

20、互鎖單機單機不互鎖方式不互鎖方式主模塊發(fā)出請求信號后，不等主模塊發(fā)出請求信號后，不等待接到從模塊的回答信號，而待接到從模塊的回答信號，而是經過一段時間。確認從模塊是經過一段時間。確認從模塊已收到請求信號后，便撤消其已收到請求信號后，便撤消其請求信號；從設備接到請求信請求信號；從設備接到請求信號后，在條件允許時發(fā)出回答號后，在條件允許時發(fā)出回答信號，并且經過一段時間，確信號，并且經過一段時間，確認主設備已收到回答信號后，認主設備已收到回答信號后，自動撤消回答信號?？梢娡ㄐ抛詣映废卮鹦盘?。可見通信雙方并無互鎖關系。雙方并無互鎖關系。請請求求回回答答主設備主設備從設備從設備半互鎖半互鎖多機多機請請

21、求求回回答答半互鎖方式半互鎖方式主模塊發(fā)出請求信號，待接主模塊發(fā)出請求信號，待接到從模塊的回答信號后再撤到從模塊的回答信號后再撤消其請求信號，存在著簡單消其請求信號，存在著簡單的互鎖關系：而從模塊發(fā)出的互鎖關系：而從模塊發(fā)出回答信號后，不等待主模塊回答信號后，不等待主模塊回答，在一段時間后便撤消回答，在一段時間后便撤消其回答信號，無互鎖關系。其回答信號，無互鎖關系。故稱半互鎖方式。故稱半互鎖方式。請請求求回回答答全互鎖方式全互鎖方式主模塊發(fā)出請求信號，等待主模塊發(fā)出請求信號，等待從模塊回答后再撤其請求信從模塊回答后再撤其請求信號；從模塊發(fā)出回答信號，號；從模塊發(fā)出回答信號，待主模塊獲知后，再撤

22、消其待主模塊獲知后，再撤消其回答信號。故稱全互鎖方式。回答信號。故稱全互鎖方式。全互鎖全互鎖網(wǎng)絡通信網(wǎng)絡通信 異步通信數(shù)據(jù)格式例例3.23.2 在異步串行傳輸系統(tǒng)中，假設每秒在異步串行傳輸系統(tǒng)中，假設每秒傳輸傳輸120120個數(shù)據(jù)幀，其字符格式規(guī)定包含個數(shù)據(jù)幀，其字符格式規(guī)定包含1 1個起始位、個起始位、7 7個數(shù)據(jù)位、個數(shù)據(jù)位、1 1個奇校驗位、個奇校驗位、1 1個終止位，試計算波特率個終止位，試計算波特率1 1幀幀1 17 71 11 11010位位波特率波特率10X12010X1201200pbs=12001200pbs=1200波特波特例：畫圖說明用異步串行傳輸方式發(fā)送十例：畫圖說明用

23、異步串行傳輸方式發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)六進制數(shù)據(jù)95H95H。要求字符格式為：。要求字符格式為：1 1位位起始位、起始位、8 8位數(shù)據(jù)位、位數(shù)據(jù)位、1 1位偶校驗位，位偶校驗位，1 1位位終止位。終止位。95H=1001010195H=10010101 偶校驗位為偶校驗位為0 0起起始始位位校校驗驗位位停停止止位位 1 0 1 0 1 0 0 1例例3.43.4 在異步串行傳輸系統(tǒng)中，若字符格在異步串行傳輸系統(tǒng)中，若字符格式為：式為：1 1位起始位、位起始位、8 8位數(shù)據(jù)位、位數(shù)據(jù)位、1 1位奇校位奇校驗位、驗位、1 1位終止位。假設波特率為位終止位。假設波特率為1200bps,1200bps,求這時的比特率。求這時的比特率。1200X1200X（8/11)=872.72bps8/11)=872.72bps3. 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