第三章 系統(tǒng)總線

第３章系統(tǒng)總線3.1總線的基本概念3.2總線的分類3.3總線特性及性能指標(biāo)3.4總線結(jié)構(gòu)3.5總線控制

總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一組能為多個(gè)部件分時(shí)共享的公共信息傳輸通路

在微機(jī)中各個(gè)部件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線連接在一起，給微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用帶來(lái)方便和好處：

（1）簡(jiǎn)化了軟件和硬件的設(shè)計(jì)（2）簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（3）便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新

3.1總線的基本概念3.2總線的分類（1）按作用、規(guī)模、應(yīng)用場(chǎng)合分：（2）按時(shí)序控制方式分：同步總線異步總線（3）按數(shù)據(jù)傳送格式分：并行總線串行總線局部總線（片總線/板內(nèi)總線）:部件內(nèi)各芯片之間。系統(tǒng)總線（內(nèi)總線/板級(jí)總線）：各功能部件之間。通信總線（外總線/設(shè)備總線）：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間。3.3總線特性及性能指標(biāo)

一、總線特性1、機(jī)械結(jié)構(gòu)特性2、功能特性規(guī)定插件板尺寸、總線插頭、邊沿連結(jié)器等的規(guī)格及位置確定引腳名稱與功能，以及其相互作用的協(xié)議說(shuō)明3、電氣特性規(guī)定信號(hào)邏輯電平、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、負(fù)載能力及最大額定值總線寬度：數(shù)據(jù)總線的根數(shù)。16位總線，指其數(shù)據(jù)總線為16根。尋址能力：取決于地址總線的根數(shù)。PCI總線的地址總線為32位，尋址能力達(dá)4GB。傳輸率：也稱為總線帶寬，通常指總線所能達(dá)到的最高數(shù)據(jù)傳輸率，單位是Bps（每秒傳送字節(jié)數(shù)）計(jì)算公式：Dr=D×f/ND——數(shù)據(jù)寬度；f——總線時(shí)鐘頻率；N——完成一次數(shù)據(jù)傳送所需的時(shí)鐘周期數(shù)。二、總線的性能指標(biāo)是否支持突發(fā)傳送總線上數(shù)據(jù)傳送方式：正常傳送——每個(gè)傳送周期先傳送數(shù)據(jù)的地址，再傳送數(shù)據(jù)。突發(fā)傳送——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(dòng)生成。負(fù)載能力總線上能夠連接的設(shè)備數(shù)?？偩€標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線總線時(shí)鐘帶寬ISA168MHz（獨(dú)立）16MBpsEISA328MHz（獨(dú)立）33MBpsVESA(VL-BUS)3233MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（獨(dú)立）66MHz（獨(dú)立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（獨(dú)立）133MHz（獨(dú)立）266MBps533MBpsRS-232串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口USB串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)普通無(wú)屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)三、總線標(biāo)準(zhǔn)3.4總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線）

CPU

主存

I/O接口

I/O設(shè)備1

I/O設(shè)備2

I/O接口…

I/O設(shè)備n

I/O接口…1.雙總線結(jié)構(gòu)二、多總線結(jié)構(gòu)具有特殊功能的處理器，由通道對(duì)I/O統(tǒng)一管理通道

I/O接口設(shè)備n

……

I/O接口設(shè)備0

CPU主存主存總線I/O總線CPU內(nèi)存2.三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線I/O總線CPU主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口I/O接口I/O接口……3.三總線結(jié)構(gòu)的又一形式局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存4.四總線結(jié)構(gòu)多媒體Modem主存擴(kuò)展總線接口局域網(wǎng)SCSICPU串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴(kuò)展總線圖形Cache/橋圖形Modem1.傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例SCSIⅡ控制器存儲(chǔ)器ISA、EISA8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器33MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形CPU……ModemModem2.VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)圖文傳真33MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線ISA、EISA多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器CPU主存控制器局部總線控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……odemModem3.PCI總線結(jié)構(gòu)CPU多媒體PCI橋高速局域網(wǎng)高性能圖形圖文傳真PCI總線系統(tǒng)總線33MHz的32位數(shù)據(jù)通路8MHz的16位數(shù)據(jù)通路ISA、EISA標(biāo)準(zhǔn)總線控制器CSIⅡ控制器存儲(chǔ)器Modem4.多層PCI總線結(jié)構(gòu)PCI總線2存儲(chǔ)器橋0橋4PCI設(shè)備橋5總線橋橋3橋1設(shè)備橋2第一級(jí)橋第二級(jí)橋第三級(jí)橋PCI總線4PCI總線5PCI總線3PCI總線1PCI總線0存儲(chǔ)器總線

標(biāo)準(zhǔn)總線CPU一般來(lái)說(shuō)，總線上完成一次數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷4個(gè)階段：1.申請(qǐng)占用總線階段需要使用總線的主設(shè)備(如CPU或DMA)，向總線仲裁機(jī)構(gòu)提出占有總線控制權(quán)的申請(qǐng)?？偩€仲裁機(jī)構(gòu)判別確定后，把下一個(gè)總線傳輸周期的總線控制權(quán)授給申請(qǐng)者。2.尋址階段獲得總線控制權(quán)的主設(shè)備，通過(guò)地址總線發(fā)出本次打算訪問(wèn)的從設(shè)備（如存儲(chǔ)器或I/O接口）的地址。通過(guò)譯碼使被訪問(wèn)的從設(shè)備被選中，而開(kāi)始啟動(dòng)工作。

3.5總線控制一.總線傳輸周期3.傳數(shù)階段主設(shè)備與從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)由源設(shè)備發(fā)出經(jīng)數(shù)據(jù)總線流入目的設(shè)備。對(duì)于讀傳送，源設(shè)備是存儲(chǔ)器或I/O接口等從設(shè)備，而目的設(shè)備是主設(shè)備如CPU等；對(duì)于寫傳送，則源設(shè)備是主設(shè)備（如CPU），而目的設(shè)備是存儲(chǔ)器或I/O接口等從設(shè)備。4.結(jié)束階段主、從設(shè)備的有關(guān)信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它設(shè)備能繼續(xù)使用總線。二、總線判優(yōu)控制總線同一時(shí)刻只允許在一對(duì)模塊之間進(jìn)行通信。當(dāng)多個(gè)主模塊同時(shí)要求使用總線時(shí)，總線控制機(jī)構(gòu)中的判優(yōu)和仲裁邏輯按一定的判優(yōu)原則，來(lái)決定由哪個(gè)模塊優(yōu)先使用總線。只有獲得了總線使用權(quán)的模塊，才能開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)?？偩€是多個(gè)模塊的共享部件，為了正確實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊之間的通信，必須對(duì)總線資源進(jìn)行合理的分配和管理。1.鏈?zhǔn)讲樵兎绞娇偩€控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線地址線BS

－總線忙BR－總線請(qǐng)求BG－總線同意I/O接口10BS

－總線忙BR－總線請(qǐng)求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址2.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式I/O接口1計(jì)數(shù)器設(shè)備地址1排隊(duì)器排隊(duì)器3.獨(dú)立請(qǐng)求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG－總線同意BR－總線請(qǐng)求

三、總線通信

信息在總線上的傳送方式可分為同步和異步兩種方式

1.同步通信。在同步方式下，通信雙方由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的傳送，時(shí)鐘通常是由CPU發(fā)出的，并送到總線上的所有部件。經(jīng)過(guò)一段固定時(shí)間，本次總線傳送周期結(jié)束，開(kāi)始下一個(gè)新的總線傳送周期。

(1)同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

讀命令數(shù)據(jù)(2)同步式數(shù)據(jù)輸出T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

寫命令數(shù)據(jù)例3.1假設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為100MHZ，總線的傳輸周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，總線的寬度為32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，可采取什么措施？1個(gè)時(shí)鐘周期＝1/100MHZ=0.01μs總線傳輸周期為0.01μsX4＝0.04μs32位＝4Byte總線的數(shù)據(jù)傳輸率為4Byte/(0.04μs)=100Mbps提高的辦法：1.64位2.200MHZ

2.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‘握手’信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳送的方式稱作異步通信方式。在異步通信方式下，發(fā)送部件將數(shù)據(jù)放到總線上后經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲后，在控制線上發(fā)出“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好’信號(hào)、而接收部件則應(yīng)發(fā)‘?dāng)?shù)據(jù)接收’信號(hào)來(lái)響應(yīng)，送此信號(hào)到發(fā)送部件，并接收數(shù)據(jù)。發(fā)送部件收到這個(gè)響應(yīng)信號(hào)后，去除原數(shù)據(jù)至此結(jié)束本次傳送。異步通信方式便于實(shí)現(xiàn)不同速度部件之間的數(shù)據(jù)傳送。

不互鎖單機(jī)不互鎖方式主模塊發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)后，不等待接到從模塊的回答信號(hào)，而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間。確認(rèn)從模塊已收到請(qǐng)求信號(hào)后，便撤消其請(qǐng)求信號(hào)；從設(shè)備接到請(qǐng)求信號(hào)后，在條件允許時(shí)發(fā)出回答信號(hào)，并且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，確認(rèn)主設(shè)備已收到回答信號(hào)后，自動(dòng)撤消回答信號(hào)?？梢?jiàn)通信雙方并無(wú)互鎖關(guān)系。請(qǐng)求回答主設(shè)備從設(shè)備半互鎖多機(jī)請(qǐng)求回答半互鎖方式主模塊發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，待接到從模塊的回答信號(hào)后再撤消其請(qǐng)求信號(hào)，存在著簡(jiǎn)單的互鎖關(guān)系：而從模塊發(fā)出回答信號(hào)后，不等待主模塊回答，在一段時(shí)間后便撤消其回答信號(hào)，無(wú)互鎖關(guān)系。故稱半互鎖方式。請(qǐng)求回答全互鎖方式主模塊發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，等待從模塊回答后再撤其請(qǐng)求信號(hào)；從模塊發(fā)出回答信號(hào)，待主模塊獲知后，再撤消其回答信號(hào)。故稱全互鎖方式。全互鎖網(wǎng)絡(luò)通信

異步通信數(shù)據(jù)格式例3.2在異步串行傳輸系統(tǒng)中，假設(shè)每秒傳輸120個(gè)數(shù)據(jù)幀，其字符格式規(guī)定包含1個(gè)起始位、7個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位、1個(gè)終止位，試計(jì)算波特率1幀＝1＋7＋1＋1＝10位波特率＝10X120＝1200pbs=1200波特例：畫(huà)圖說(shuō)明用異步串行傳輸方式發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)95H。要求字符格式為：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位偶校驗(yàn)位，1位終止位。95H=10010101偶校驗(yàn)位為0起始位校驗(yàn)位停止位

10101001例3.4在異步串行傳輸系統(tǒng)中，若字符格式為：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇校驗(yàn)位、1位終止位。假設(shè)波特率為1200bps,求這時(shí)的比特率。1200X（8/11)=872.72bps3.半同步通信同步發(fā)送方用系統(tǒng)時(shí)鐘前沿

發(fā)信號(hào)

接收方用系統(tǒng)時(shí)鐘后沿判斷、識(shí)別（同步、異步結(jié)合）異步允許不同速度的模塊和諧工作增加一條“等待”響應(yīng)信號(hào)

WAIT以輸入數(shù)據(jù)為例的半同步通信時(shí)序T1主模塊發(fā)地址T2主模塊發(fā)命令…T3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Tw

當(dāng)為低電平時(shí)，等待一個(gè)TWAITTw

當(dāng)為低電平時(shí)，等待一個(gè)TWAIT

讀

命令WAIT

地址

數(shù)據(jù)

時(shí)鐘總線傳輸周期T1T2TWTWT3T4上述三種通信的共同點(diǎn)一個(gè)總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為