第3章總線(xiàn)系統(tǒng)

第３章系統(tǒng)總線(xiàn)3.1總線(xiàn)的基本概念3.2總線(xiàn)的分類(lèi)3.3總線(xiàn)特性及性能指標(biāo)3.4總線(xiàn)結(jié)構(gòu)3.5總線(xiàn)控制3.1總線(xiàn)的基本概念一、為什么要用總線(xiàn)二、什么是總線(xiàn)三、總線(xiàn)上信息的傳送總線(xiàn)是連接各個(gè)部件的信息傳輸線(xiàn)，是各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)。串行并行3.2總線(xiàn)的分類(lèi)1.片內(nèi)總線(xiàn)2.系統(tǒng)總線(xiàn)芯片內(nèi)部的總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)地址總線(xiàn)控制總線(xiàn)雙向與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)單向與存儲(chǔ)地址、I/O地址有關(guān)有出有入計(jì)算機(jī)各部件之間的信息傳輸線(xiàn)存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)總線(xiàn)允許、中斷確認(rèn)中斷請(qǐng)求、總線(xiàn)請(qǐng)求3.通信總線(xiàn)串行通信總線(xiàn)并行通信總線(xiàn)傳輸方式3.2用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動(dòng)通信等）之間的通信。3.3總線(xiàn)特性及性能指標(biāo)CPU插板主存插板I/O插板一、總線(xiàn)物理實(shí)現(xiàn)BUS主板1.機(jī)械特性2.電氣特性3.功能特性4.時(shí)間特性二、總線(xiàn)特性尺寸、形狀、管腳數(shù)

及

排列順序傳輸方向和有效的電平范圍每根傳輸線(xiàn)的功能信號(hào)的時(shí)序關(guān)系3.3地址數(shù)據(jù)控制三、總線(xiàn)的性能指標(biāo)1.總線(xiàn)寬度2.總線(xiàn)帶寬3.時(shí)鐘同步/異步4.總線(xiàn)復(fù)用5.信號(hào)線(xiàn)數(shù)6.總線(xiàn)控制方式7.其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線(xiàn)的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps）同步、不同步地址線(xiàn)與數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制線(xiàn)的總和負(fù)載能力并發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)3.3ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊系統(tǒng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)四、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模塊3.3標(biāo)準(zhǔn)界面總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線(xiàn)總線(xiàn)時(shí)鐘帶寬ISA168MHz（獨(dú)立）15MBpsEISA328.33MHz（獨(dú)立）33MBpsVESA(VL-BUS)3266MHz（CPU）266MBpsPCI326433MHz（獨(dú)立）64MHz（獨(dú)立）133MBps528MBpsAGP3266.7MHz（獨(dú)立）133MHz（獨(dú)立）266MBps533MBpsRS-232串行通信總線(xiàn)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(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)普通無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)帶屏蔽雙絞線(xiàn)最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)3.3四、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)3.4總線(xiàn)結(jié)構(gòu)一、單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)單總線(xiàn)（系統(tǒng)總線(xiàn)）CPU

主存I/O接口

I/O設(shè)備1

I/O設(shè)備2I/O接口…

I/O設(shè)備nI/O接口…1.雙總線(xiàn)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(xiàn)I/O總線(xiàn)二、多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)3.42.三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)主存總線(xiàn)DMA總線(xiàn)I/O總線(xiàn)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……3.43.三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的又一形式3.4局域網(wǎng)系統(tǒng)總線(xiàn)CPUCache局部總線(xiàn)擴(kuò)展總線(xiàn)接口擴(kuò)展總線(xiàn)Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存4.四總線(xiàn)結(jié)構(gòu)多媒體Modem主存擴(kuò)展總線(xiàn)接口局域網(wǎng)SCSICPU串行接口FAX系統(tǒng)總線(xiàn)局部總線(xiàn)高速總線(xiàn)擴(kuò)展總線(xiàn)圖形Cache/橋3.41.傳統(tǒng)微型機(jī)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)三、總線(xiàn)結(jié)構(gòu)舉例3.4存儲(chǔ)器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)控制器33MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線(xiàn)多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形CPU……Modem2.VL-BUS局部總線(xiàn)結(jié)構(gòu)3.433MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線(xiàn)ISA、EISA多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形圖文傳真8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)控制器CPU主存控制器存儲(chǔ)器局部總線(xiàn)控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……Modem3.PCI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)3.4CPU多媒體PCI橋高速局域網(wǎng)高性能圖形圖文傳真PCI總線(xiàn)系統(tǒng)總線(xiàn)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(xiàn)控制器SCSIⅡ

控制器存儲(chǔ)器Modem4.多層PCI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)PCI總線(xiàn)2存儲(chǔ)器橋0橋4PCI設(shè)備橋5總線(xiàn)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(xiàn)4PCI總線(xiàn)5PCI總線(xiàn)3PCI總線(xiàn)1PCI總線(xiàn)0存儲(chǔ)器總線(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)CPU3.43.5總線(xiàn)控制一、總線(xiàn)判優(yōu)控制總線(xiàn)判優(yōu)控制分布式集中式主設(shè)備(模塊)對(duì)總線(xiàn)有控制權(quán)從設(shè)備(模塊)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來(lái)的總線(xiàn)命令1.基本概念鏈?zhǔn)讲樵?xún)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)獨(dú)立請(qǐng)求方式總線(xiàn)判優(yōu)控制總線(xiàn)通信控制2.鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式總線(xiàn)控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線(xiàn)地址線(xiàn)BS

－總線(xiàn)忙BR－總線(xiàn)請(qǐng)求BG－總線(xiàn)同意3.5I/O接口10BS

－總線(xiàn)忙BR－總線(xiàn)請(qǐng)求總線(xiàn)控制部件數(shù)據(jù)線(xiàn)地址線(xiàn)I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址3.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式I/O接口13.5計(jì)數(shù)器設(shè)備地址1排隊(duì)器排隊(duì)器4.獨(dú)立請(qǐng)求方式總線(xiàn)控制部件數(shù)據(jù)線(xiàn)地址線(xiàn)I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG－總線(xiàn)同意BR－總線(xiàn)請(qǐng)求3.5二、總線(xiàn)通信控制1.目的2.總線(xiàn)傳輸周期主模塊申請(qǐng)，總線(xiàn)仲裁決定主模塊向從模塊給出地址和命令主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)主模塊撤消有關(guān)信息申請(qǐng)分配階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段解決通信雙方協(xié)調(diào)配合問(wèn)題由統(tǒng)一時(shí)標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送充分挖掘系統(tǒng)總線(xiàn)每個(gè)瞬間的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線(xiàn)通信的四種方式采用應(yīng)答方式

，沒(méi)有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合3.5

讀命令T1總線(xiàn)傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址數(shù)據(jù)（1）同步通信：數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)T1總線(xiàn)傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

寫(xiě)命令（1）同步通信：數(shù)據(jù)輸出同步通信的優(yōu)點(diǎn)控制方式簡(jiǎn)單、傳送速度快，數(shù)據(jù)傳輸率高。同步通信的缺點(diǎn)同步通信的使用場(chǎng)合必須按速度最慢的設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘。不知道被訪(fǎng)問(wèn)的設(shè)備是否已響應(yīng)，故可靠性低。時(shí)鐘上的干擾信號(hào)會(huì)引起錯(cuò)誤的同步，且滯后的時(shí)鐘也會(huì)造成同步誤差?？偩€(xiàn)較短、且各部件存取時(shí)間相近的系統(tǒng)。例3.1假設(shè)總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率為100MHz，總線(xiàn)的傳輸周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，總線(xiàn)的寬度為32位，試求總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？解：∵總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率為100MHz∴1個(gè)時(shí)鐘周期=1/100MHz=0.01μs總線(xiàn)的傳輸周期=0.01μs*4=0.04μs

∵總線(xiàn)的寬度為32位，即4B∴總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸率=4B/(0.04μs)=100MBps若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可在不改變總線(xiàn)時(shí)鐘頻率前提下將總線(xiàn)寬度提高為64位，或者保持總線(xiàn)寬度不變將時(shí)鐘頻率提高為200MHz。不互鎖半互鎖全互鎖（2）異步通信（不互鎖、半互鎖、全互鎖）主設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)求回答異步通信的優(yōu)點(diǎn)不許時(shí)鐘信號(hào)，能保證速度差異很大的設(shè)備之間進(jìn)行可靠通信。異步通信的缺點(diǎn)異步通信的使用場(chǎng)合控制方式復(fù)雜，成本高?？偩€(xiàn)較長(zhǎng)、且各部件存取時(shí)間相差較大的系統(tǒng)。異步通信的分類(lèi)異步并行通信、異步串行通信在串行異步通信中，采用了一種更為簡(jiǎn)單的通信方式，即在串行異步通信總線(xiàn)中，既不用握手信號(hào)，也沒(méi)有時(shí)鐘線(xiàn)，它利用收、發(fā)雙方事先約定的數(shù)據(jù)傳輸格式和傳輸速率來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸。例如：RS232總線(xiàn)串行異步傳輸字符格式（幀格式）：停止（1/1.5/2位）校驗(yàn)位起始位D1D0數(shù)據(jù)（5/6/7/8位）數(shù)據(jù)線(xiàn)空閑位例3.2在異步串行通信系統(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)校驗(yàn)位、1個(gè)終止位，試計(jì)算波特率。解：∵一幀包括：1+7+1+1=10位∴波特率=10*120位/秒=1200bps=1200波特例3.3畫(huà)圖說(shuō)明用異步串行傳輸方式發(fā)送8位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)95H。要求字符格式為：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)偶校驗(yàn)位、1個(gè)終止位。串行同步通信：去掉串行異步中的附加位，用同步字符進(jìn)行同步。串行同步傳輸字符格式（幀格式）：一般串行異步通信速率最高50—19200bps，串行同步通信速率最高500Kbps比特率、波特率例3.4在串行異步通信系統(tǒng)中，其字符格式規(guī)定為：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位、1個(gè)終止位。假設(shè)波特率為1200bps，試計(jì)算比特率。（3）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既有公共時(shí)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(lái)協(xié)調(diào)通訊雙方的配合問(wèn)題，稱(chēng)半同步通信。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(xiāo)數(shù)據(jù)，主模塊撤銷(xiāo)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(xiàn)傳輸周期T1T2TWTWT3T4（3）半同步通信（同步、異步結(jié)合）上述三種通信的共同點(diǎn)一個(gè)總線(xiàn)傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例）主模