第11周大課 總線技術(shù)

回顧文字的表示定點加法、減法運算教學(xué)內(nèi)容總線概述總線的設(shè)計與實現(xiàn)總線的控制總線的性能指標教學(xué)要求掌握總線的基本概念；了解總線的分類原則；熟練掌握總線的性能指標（總線帶寬）；熟悉總線的結(jié)構(gòu)。掌握總線仲裁的原則，掌握集中式仲裁的幾種方式。第5章總線技術(shù)5.1總線概述

總線是計算機系統(tǒng)中各個部件之間（甚至各個系統(tǒng)之間）傳遞信息的一組共享的電導(dǎo)線。每一根導(dǎo)線負責(zé)傳輸一個電脈沖信號，這個信號就代表一位二進制數(shù)據(jù)。若干根導(dǎo)線就可以同時傳輸若干位二進制數(shù)據(jù)。

總線一般由傳輸線、接口和總線控制器組成。傳輸線包括信息線、電源線、地線等。由于總線與其上所掛的部件是物理相連的，但是從邏輯上有輸入、輸出、斷開三種狀態(tài)，所以總線上的部件需要通過由一些三態(tài)門和緩沖寄存器組成的接口與總線連接。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能

按照所傳輸信息的性質(zhì)分，總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。按照連接的部件分，總線分為系統(tǒng)總線（也叫處理器總線）和輸入/輸出總線（即I/O總線）。按照在計算機系統(tǒng)中的位置分總線分為片內(nèi)總線、底板總線、板間總線和通信總線。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能對于通信總線，根據(jù)所傳數(shù)據(jù)的位數(shù)又可以將其分為串行總線和并行總線。2.物理特性：又稱機械特性，指總線的物理連接標準，包括插頭和插座的幾何形狀與尺寸、引腳的數(shù)量與排列方式、固定方式等。串行并行第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性按照允許信息傳輸?shù)姆较蚍郑偩€分為單向總線和雙向總線。雙向總線又分為全雙工和半雙工。全雙工是指同一時刻允許信息分別沿兩個方向傳輸，半雙工是指同一時刻只允許信息沿一個方向傳輸而另一個方向的信息傳輸要等到下一時刻。2.物理特性3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性通常規(guī)定送入微處理器的信號為輸入信號（IN），從微處理器發(fā)出的信號為輸出信號（OUT）。例如，地址總線為輸出信號線，數(shù)據(jù)總線為雙向信號線，控制總線中既有輸出信號線，又有輸入信號線，但都是單向的。2.物理特性3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性將總線中高電平定義為“邏輯1”，稱為正邏輯；將低電平定義為“邏輯1”，稱為負邏輯。大多數(shù)總線信號采用正邏輯，但是也有個別總線信號采用負邏輯。2.物理特性3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性規(guī)定了每一根傳輸線上的信號在什么時間內(nèi)才是有效的，即總線上各種信號的時序關(guān)系。時間特性可以用信號時序圖來表示。2.物理特性3.電氣特性4.時間特性第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計與實現(xiàn)

總線的設(shè)計與實現(xiàn)主要關(guān)注的是采用何種總線結(jié)構(gòu)，選擇總線結(jié)構(gòu)需要綜合考慮通信帶寬、成本及可靠性等因素。典型的總線結(jié)構(gòu)有單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)。

CPUM.MI/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2I/O接口…

外部設(shè)備nI/O接口…單總線（系統(tǒng)總線）主存總線I/O總線I/O接口設(shè)備n

……I/O接口設(shè)備0

CPU主存通道雙總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線系統(tǒng)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……層次結(jié)構(gòu)的三總線三總線結(jié)構(gòu)的另一形式局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴展總線接口擴展總線Modem串行接口SCSI主存四總線結(jié)構(gòu)主存擴展總線接口局域網(wǎng)SCSI多媒體CPU調(diào)制解調(diào)器串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴展總線圖形Cache/橋第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計與實現(xiàn)5.3總線的控制

5.3.1總線仲裁電子計算機的總線具有兩個特性：發(fā)送的互斥性和接受的共享性。為了協(xié)調(diào)總線上各個部件對總線的爭用、避免發(fā)生總線沖突，必須有一個總線控制器來對總線的使用進行分配和管理。擁有總線控制權(quán)的總線部件，稱為總線的主部件。被主部件訪問的部件稱為從部件。第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

當總線上有多個候選的主部件同時申請使用總線時，必須有一個總線控制機構(gòu)按照某種策略（優(yōu)先次序）對申請進行裁決，這就叫做總線仲裁。如果總線仲裁邏輯基本上集中在一處，就稱為集中式總線仲裁。如果總線仲裁邏輯分散在總線上的各個部件中，則稱為分布式總線仲裁。

第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

1.

集中式控制串行鏈接/鏈式查詢定時查詢/計數(shù)器定時查詢獨立請求串行鏈接方式總線控制部件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-總線請求BG-總線可用I/O接口1

0BS

-總線忙BR-總線請求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址定時查詢方式I/O接口1計數(shù)器設(shè)備地址

1排隊器排隊獨立請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-總線可用BR-總線請求第5章總線技術(shù)5.3總線的控制5.3.1總線仲裁5.3.2總線通信控制

總線通信中，發(fā)出數(shù)據(jù)的部件稱為源部件，接收數(shù)據(jù)的部件稱為目的部件。為了完成一次有效的通信，源部件與目的部件之間需要進行一系列有時序限制的操作。為此，通信雙方需要“感知”對方的操作及操作效果，這個“感知”由總線通信控制來實現(xiàn)的。第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制總線通信控制的方法只要分兩大類：無須感知和需要感知。無須感知表示通信雙方是相互信任的、是心有靈犀的，每一個通信步驟都會在規(guī)定的時間內(nèi)正確完成。如果通信雙方不能完全相互信任，那么就需要感知了。基于“無須感知”觀點進行總線通信控制的通信稱為同步通信，基于“需要感知”觀點進行總線通信控制的通信稱為異步通信。第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制同步通信是指參與通信的兩個部件之間的信息傳送是由定寬、定距的時標來控制的。每隔一個時標，源部件就向總線發(fā)送一個數(shù)據(jù)，而不去對目的部件是否收到數(shù)據(jù)進行確認；同樣地，目的部件每隔一個時標就對總線進行采樣來獲取數(shù)據(jù)，而不去確認數(shù)據(jù)是否已發(fā)出，也不向源部件確認收到的數(shù)據(jù)是正確的。第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制異步通信是指參與通信的兩個部件需要“感知”對方的操作，這個“感知”是通過“握手”信號實現(xiàn)的。異步通信主要應(yīng)用于工作速率不同的部件之間相互通信或者通信線路受到干擾的場合。異步通信的“握手”協(xié)議分為單邊控制和雙邊控制單邊控制是指通信過程是由源部件或目的部件控制雙邊控制是指通信過程由源部件和目的部件共同控制第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制異步單邊控制第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制異步雙邊控制3.半同步通信（同步、異步

結(jié)合）

增加一條“就緒(READY)”響應(yīng)信號

宏觀上按同步通信組織通信過程，局部上用異步應(yīng)答方式實現(xiàn)通信雙方速度的配合。每個操作只能在固定時鐘確定的一定時刻發(fā)生（這是同步通信的特征），控制信號的時間間隔卻是可變長的（這是異步通信的特征）。當然時間間隔的長度必須是時鐘周期的整數(shù)倍，這樣就兼顧了同步通信和異步通信的優(yōu)點

半同步通信時序T1主模塊發(fā)地址T2主模塊發(fā)命令…T3主模塊檢測“READY”信號T4從模塊撤銷數(shù)據(jù)，主模塊撤銷命令Tw

若“READY”為低電平，插入一個等待周期TWTw

若“READY”為低電平，插入一個等待周期TW第5章總線技術(shù)5.4總線的性能指標總線的位寬總線的工作時鐘頻率

單個數(shù)據(jù)傳送周期數(shù)

先發(fā)地址，再傳輸數(shù)據(jù)。循環(huán)往復(fù)2024/2/15正常傳輸猝發(fā)傳輸?shù)?個周期發(fā)數(shù)據(jù)首地址，然后連續(xù)傳輸一組數(shù)據(jù)。使用一次總線的過程稱為總線事務(wù)（Transaction）第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計與實現(xiàn)5.3總線的控制

5.4總線的性能指標總線的位寬總線的工作時鐘頻率總線的負載能力總線的數(shù)據(jù)傳輸速率

總線一次同時傳送的信息位數(shù)或所需的線數(shù)。例如，ISA總線的數(shù)據(jù)總線位寬是16位，地址總線的位寬是24位?？刂瓶偩€中的時鐘信號線所提供的時鐘頻率。如ISA和EISA總線為8MHz，PCI總線為33.3MHz。

第5章總線技術(shù)5.4總線的性能指標總線的位寬總線的工作時鐘頻率

總線的負載能力總線的數(shù)據(jù)傳輸速率

總線上所能連接部件的最大個數(shù)。例如，ISA總線的負載能力是8，PCI總線的負載能力是3?？偩€在一秒鐘內(nèi)所能穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，單位為KB/s或MB/s。

總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率稱為總線帶寬?？偩€帶寬＝總線位寬×總線工作頻率/8

例如，ISA總線的帶寬為16.66MB/s。總結(jié)

總線是計算機系統(tǒng)中各個部件之間（甚至各個系統(tǒng)之間）傳遞信息的一組共享的電導(dǎo)線。根據(jù)傳輸?shù)男畔ⅲ煞譃榈刂房偩€、數(shù)據(jù)總線和控制總線。