1、第3章 系统总线 为什么要用总线为什么要用总线 在计算机系统中，功能部件之间必须互联。部件之间的互联方式有两种，一种是各部件之间通过单独的连线互联，这种方式称为分散连接。另一个是将各个部件连接到一组公共信息传输线上，这种方式称为总线连接。总线结构的主要优点是“灵活、成本低”。灵活性体现在新部件可容易地加到总线上，且可在使用相同总线的计算机系统之间互换。因一组单独的连线可被多个部件共享，所以总线的性能比较高。总线的缺点是它可能产生通信瓶颈。现代计算机普遍使用的是总线互联结构。3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念1 1、什么是总线、什么是总线2 2、总线上信息的传送总线上信息的传送总线是连
2、接各个部件的信息传输线总线是连接各个部件的信息传输线是是 各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介质串行串行并行并行总线的基本概念 计算机由计算机由CPUCPU、主存模块和主存模块和I/OI/O模块组成。计算机的所有功能都是通过模块组成。计算机的所有功能都是通过CPUCPU周而复始地执行指令实现的。在指令执行过程中，周而复始地执行指令实现的。在指令执行过程中，CPUCPU、主存和主存和I/OI/O模块模块之间要不断地交换数据，因此，可以说之间要不断地交换数据，因此，可以说计算机所有功能的实现，归根结底计算机所有功能的实现，归根结底是各种信息在计算机内部之间进行交换的过程是各种信息在计算机内部
3、之间进行交换的过程。要进行信息交换，必须在。要进行信息交换，必须在部件之间构筑通信线路，通常把部件之间构筑通信线路，通常把连接各部件的通路的集合称为互联结构连接各部件的通路的集合称为互联结构。互联结构有分散结构和总线结构两种互联结构有分散结构和总线结构两种。分散结构相互通信的部件之间都有。分散结构相互通信的部件之间都有独立的连线，如果某个部件与其他所有部件都有信息交换的话，它的内部独立的连线，如果某个部件与其他所有部件都有信息交换的话，它的内部连线就非常复杂，而且成本高。此外，某一时刻它只能和其他部件中的一连线就非常复杂，而且成本高。此外，某一时刻它只能和其他部件中的一个交换信息，在交换信息过
4、程中也必须停止本身的工作。这将大大影响系个交换信息，在交换信息过程中也必须停止本身的工作。这将大大影响系统的工作效率。且分散方式无法满足人们随时增减设备的需要。统的工作效率。且分散方式无法满足人们随时增减设备的需要。总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线，它的主要，它的主要特征就是多个部件共享传输介质。一个部件发生的信号可以被连接到总线特征就是多个部件共享传输介质。一个部件发生的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收。总线通常由许多传输线或通路构成，每条线可上的其他所有部件所接收。总线通常由许多传输线或通路构成，每条线可传输一位
5、二进制信息，若干条线可同时传输多位二进制信息。例如，一个传输一位二进制信息，若干条线可同时传输多位二进制信息。例如，一个8 8位二进制的数据能通过总线中位二进制的数据能通过总线中8 8条线传送。条线传送。3 3、总线结构计算机举例、总线结构计算机举例(1)(1)面向面向 CPU CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图中央处理中央处理 器器 CPUCPUI/OI/O总线总线M M总总线线主存储器主存储器 M.MM.MI/OI/O接口接口 外部外部 设备设备1 1 外部外部 设备设备2 2I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口 外部外部 设备设备n n结构简单。但外设与主存间必须通过结构简单。
6、但外设与主存间必须通过CPUCPU进行信进行信息交换，降低了息交换，降低了CPUCPU的工作效率。的工作效率。单总线（系统总线）单总线（系统总线）(2)(2)单总线结构框图单总线结构框图 CPU CPU M.M M.M I/O I/O接口接口 外部外部 设备设备1 1 外部外部 设备设备2 2 I/O I/O接口接口 外部外部 设备设备n n I/O I/O接口接口提高了提高了CPUCPU的工作效率，外设连接灵活。但信息传送的工作效率，外设连接灵活。但信息传送的吞吐率受到限制，控制逻辑比专用存储复杂。的吞吐率受到限制，控制逻辑比专用存储复杂。(3)(3)以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为
7、中心的双总线结构框图系统总线系统总线 M.M M.M CPU CPU I/O I/O接口接口 外部外部 设备设备1 1 外部外部 设备设备n n I/O I/O接口接口存储总线存储总线保留了单总线结构的优点，而存取速度大大提高。保留了单总线结构的优点，而存取速度大大提高。但硬件的代价随之增加。但硬件的代价随之增加。3.2 3.2 总线的分类总线的分类1.1.片内总线片内总线2.2.系统总线系统总线芯片内部芯片内部 的总线的总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、I/OI/O地址有关地址有关有
8、出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求总线分类按位置n片内总线片内总线n是指芯片内部的总线。是指芯片内部的总线。n如在如在CPUCPU芯片内部，寄存器和芯片内部，寄存器和寄存器之间、寄存器和算逻单寄存器之间、寄存器和算逻单元元ALUALU之间都有总线连接。之间都有总线连接。n系统总线系统总线n是指是指CPUCPU、主存、主存、I/OI/O（通过（通过I/OI/O接口）各大部件之间的信接口）各大部件之间的信息传输线。息传输线。n又叫板级总线和板间总线又叫
9、板级总线和板间总线n如如ISAISA、PCIPCI等。等。n通信总线（通信总线（I/OI/O总线）总线）n是指计算机系统之间或计算机是指计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表系统与其他系统（如控制仪表等）之间的通信传输线。等）之间的通信传输线。nIDEIDE、SCSISCSI、USBUSB、RSRS232232processormemoryI/O Interface（adapter）I/O Interface（adapter）I/O deviceI/O device主机片内总线系统总线通信总线通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式 用于用于
10、计算机系统之间计算机系统之间 或或 计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）（如控制仪表、移动通信等）之间的通信之间的通信系统总线分类按传输信息的不同n数据总线（DB）n双向，宽度差别n地址总线（AB）n单向，宽度与寻址空间有关n控制总线（CB）n命令和状态总线也包括电源线和地线！总线也包括电源线和地线！数据总线n数据总线上传送数据信息，数据总线是双向的。数据总线上传送数据信息，数据总线是双向的。n数据总线的条数称为数据总线的条数称为数据总线宽度数据总线宽度。比如，。比如，1616位总线，指其位总线，指其数据总线为数据总线为1616根。根。n数据总线是数据总线是三态三
11、态的，未被地址信号选中的部件，不驱动数据的，未被地址信号选中的部件，不驱动数据总线（其数据引脚为高阻）。总线（其数据引脚为高阻）。为什么使用三态？所谓三态，是指为什么使用三态？所谓三态，是指0 0，1 1和高阻抗三个状态。由于数和高阻抗三个状态。由于数据总线是公共通道，在某一时刻，只允许接收某一设备的信号，其据总线是公共通道，在某一时刻，只允许接收某一设备的信号，其他一切设备都应和它断开（呈高阻抗状态）。他一切设备都应和它断开（呈高阻抗状态）。数据数据总线总线设备2设备n设备3设备1通信控制总线n控制总线上传送一个部件对另一个部件的控控制总线上传送一个部件对另一个部件的控制信号。制信号。n主设
12、备与从设备：主设备与从设备：在总线上所连接的各类设在总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备备，按其对总线有无控制功能可分为主设备和从设备。和从设备。主设备主设备对总线有控制权对总线有控制权，从设备，从设备只能响应主设备发来的总线命令。这样，只能响应主设备发来的总线命令。这样，总总线上所有的信息传输都是由主设备启动的。线上所有的信息传输都是由主设备启动的。n根据不同的使用意义，控制总线上有的信号根据不同的使用意义，控制总线上有的信号线为三态，有的非三态。线为三态，有的非三态。地址总线n地址总线上传送地址信号，主要用来指定需要访问地址总线上传送地址信号，主要用来指定需要访问的部
13、件（如存储器单元、外设）。的部件（如存储器单元、外设）。n总线主设备发出地址信号后，总线上的所有部件均总线主设备发出地址信号后，总线上的所有部件均感受到该地址信号，但只有感受到该地址信号，但只有经过译码电路选中的部经过译码电路选中的部件件才接收主设备的控制信号，并与之通信。才接收主设备的控制信号，并与之通信。n地址总线是地址总线是单向单向的，即地址信号只能由总线主设备的，即地址信号只能由总线主设备至从设备。地址总线也是三态的，非主设备部件不至从设备。地址总线也是三态的，非主设备部件不能驱动地址总线。能驱动地址总线。3.3 3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标CPUCPU 插件板插件板M
14、.MM.M 插件板插件板I/OI/O插件板插件板3.3.1 3.3.1 总线物理实现总线物理实现BUSBUS1.1.机械特性机械特性2.2.电气特性电气特性3.3.功能特性功能特性4.4.时间特性时间特性3.3.2 3.3.2 总线特性总线特性尺寸尺寸 形状形状传输方向传输方向 和有效的和有效的 电平电平 范围范围每根传输线的每根传输线的 功能功能信号的信号的 时序时序 关系关系地址地址数据数据控制控制总线特性n机械特性：机械特性：是指总线在机械连接方式上的一些性是指总线在机械连接方式上的一些性能。能。n如插头和插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引如插头和插座使用的标准，它们的几何尺寸、形
15、状、引脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等等。脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等等。n电气特性：电气特性：是指总线的每一根传输线上信号的传是指总线的每一根传输线上信号的传输方向和有效的电平范围。输方向和有效的电平范围。n如低电平表示逻辑如低电平表示逻辑“0 0”，并要求电平低于，并要求电平低于3V3V；高电平；高电平表示逻辑表示逻辑“1 1”，并要求高电平高于，并要求高电平高于3V3V。n功能特性：功能特性：是指总线中每根信号传输线的功能。是指总线中每根信号传输线的功能。n时间特性：时间特性：是指总线中的任一根信号传输线在什是指总线中的任一根信号传输线在什么时间内有效。么时间内有
16、效。n为了正确传输数据信息，每条总线上的各种信号，互相为了正确传输数据信息，每条总线上的各种信号，互相存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时序图来描述。信号时序图来描述。3.3.3 3.3.3 总线的性能指标总线的性能指标1 1.总线宽度总线宽度2.2.标准传输率标准传输率3.3.时钟同步时钟同步/异步异步4.4.总线复用总线复用5.5.信号线数信号线数6.6.总线控制方式总线控制方式7.7.其他指标其他指标数据线数据线 的根数的根数每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBMBs s）同步、不同步同步、不同步地址线地址线
17、与与 数据线数据线 复用复用地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和负载能力负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数总线性能指标(1)n总线宽度：总线宽度：是指数据总线的根数，用是指数据总线的根数，用bitbit（位）表（位）表示，如示，如8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位（也即位（也即8 8根、根、1616根、根、3232根、根、6464根数据线）。根数据线）。n最大传输率最大传输率 (总线带宽总线带宽)：总线本身所能达到的最总线本身所能达到的最高传输速率，用高传输速率，用MB/sMB/s（每秒多少兆字节）表示。（每秒多少兆字节
18、）表示。n例：总线工作频率例：总线工作频率33.3MHz33.3MHz，总线宽度，总线宽度3232位，则最大位，则最大传输率传输率 33.333.332/832/8132MB/s132MB/s。n时钟同步时钟同步/异步：异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线。为异步总线。n总线复用：总线复用：为提高总线的利用率，将地址总线和为提高总线的利用率，将地址总线和数据总线共用一组物理线，在某一时刻该总线传数据总线共用一组物理线，在某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信
19、号。输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。总线性能指标(2)n信号线数：信号线数：即地址总线、数据总线和控制总线三种即地址总线、数据总线和控制总线三种总线的根数总和。总线的根数总和。n总线控制方式：总线控制方式：包括并发工作、自动配置、仲裁方包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。式、逻辑方式、计数方式等。n负载能力：负载能力：通常用可连接扩增电路板数来反映总线通常用可连接扩增电路板数来反映总线的负载能力。的负载能力。n由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同一电路由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同一电路在不同的工作频率下，总线的负载也是不同的。因此，在不同的工
20、作频率下，总线的负载也是不同的。因此，总线负载能力的指标是不太严格的。总线负载能力的指标是不太严格的。n其他：如电源电压是其他：如电源电压是5V5V还是还是3.3V3.3V、总线能否扩展至、总线能否扩展至6464位宽度等。位宽度等。ISAISAEISAEISAVL-BUSVL-BUSPCIPCI模块模块系统系统总总线线标标准准 3.3.4 3.3.4 总线标准总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面总线标准的产生n总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，随总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，随着计算及应用领域的不断扩大，计算机系统中各类模着计算及应用领域的不断扩大，计算机系统
21、中各类模块（特别是块（特别是I/OI/O设备所带来的各类接口模块），其品种设备所带来的各类接口模块），其品种极其繁杂，往往出现一种模块要配一种总线，极其繁杂，往往出现一种模块要配一种总线，很难在很难在总线上更换、组合各类模块或设备。总线上更换、组合各类模块或设备。n2020世纪世纪7070年代末，为了使系统设计简化，模块生产批年代末，为了使系统设计简化，模块生产批量化，确保其性能稳定，质量可靠，便于维护，人们量化，确保其性能稳定，质量可靠，便于维护，人们开始研究如何建立总线标准，完成系统设计和模块制开始研究如何建立总线标准，完成系统设计和模块制作。作。n概念：概念：所谓总线标准，可视为系统与各
22、模块、模块与所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。模块之间的一个互连的标准界面。n这个界面两端的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一这个界面两端的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。n因此，按总线标准设计的接口可视为通用接口。因此，按总线标准设计的接口可视为通用接口。目前流行的总线标准nISAnEISAnVESAnPCInMCAnSTDnISA、EISAnISAISA：Industry Standard ArchitectureIndustry Sta
23、ndard Architecture工业标工业标准体系结构，又称准体系结构，又称ATAT总线总线n24位地址线（可直接寻址的内存容量为16MB）n62+36引脚n8/16位数据线n最高时钟频率8MHzn最大传输率16MB/snEISAEISA：Extended Industry Standard Extended Industry Standard Architecture Architecture 扩展工业标准体系结构扩展工业标准体系结构nEISA是一种在ISA基础上扩充开放的总线标准n地址总线32位n数据总线32位n总线的时钟频率为8MHzn最大传输率33MB/sMCA、STDnMCAMC
24、A：Micro Channel ArchitectureMicro Channel Architecture微通道体系微通道体系结构，结构，3232位标准总线，最大传输率位标准总线，最大传输率40MB/s40MB/s。nMCAMCA是是IBMIBM公司在推出其第一台公司在推出其第一台8038680386系统时，突破传统系统时，突破传统ISAISA标准而创建的新型系统总线标准。标准而创建的新型系统总线标准。MCAMCA与与ISAISA完全不兼容，完全不兼容，所以限制了其推广。所以限制了其推广。nSTDSTD：STDSTD总线于总线于19871987年被国际电子电气工程师年被国际电子电气工程师协会
25、（协会（IEEEIEEE）列为标准（）列为标准（IEEE961IEEE961标准），主标准），主要用于以微处理器为中心的工业控制领域。要用于以微处理器为中心的工业控制领域。n数据总线数据总线8 8位，最大传输率位，最大传输率2MB/S2MB/S。n例如：系统需求如下n每秒30帧，每帧640*480，彩色数24位的图象显示卡的数据吞吐量为28M字节/s；n100Mbps传输率的光纤网，需总线吞吐量为12.5M字节/s；n再加上其他高速设备，原有的ISA，EISA显然太慢。VL-BUS、PCInVL-BUSVL-BUS：是由是由VESAVESA（Video Electronic Standard
26、Video Electronic Standard AssociationAssociation，视频电子标准协会）提出来的局部，视频电子标准协会）提出来的局部总线标准，也称为总线标准，也称为 VESAVESA总线总线。n数据总线数据总线3232位位n总线时钟频率总线时钟频率33MHz33MHzn配有局部控制器，将高速设备直接挂在配有局部控制器，将高速设备直接挂在CPUCPU的总线上，实的总线上，实现现CPUCPU与高速外设之间的高速数据交换与高速外设之间的高速数据交换nPCIPCI：Peripheral Component InterconnectPeripheral Component I
27、nterconnect外外部设备互连总线。部设备互连总线。n32/6432/64位数据总线，总线时钟频率位数据总线，总线时钟频率33MHz33MHzn最大数据传输率最大数据传输率132MB/s132MB/s264MB/s264MB/sn与与ISAISA、EISAEISA均可兼容均可兼容n支持即插即用、支持多层结构支持即插即用、支持多层结构AGP、SCSI、USBnAGPAGP：Accelerated Graphics PortAccelerated Graphics Port加速图形接口，专加速图形接口，专为提高视频带宽而设计的总线规范。它采用点对点连接，为提高视频带宽而设计的总线规范。它采用
28、点对点连接，连接控制芯片组和连接控制芯片组和AGPAGP显示卡，因此严格说显示卡，因此严格说AGPAGP不能称为总不能称为总线，而是一种接口标准。线，而是一种接口标准。nSCSISCSI：Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface小型计算机小型计算机系统接口。系统接口。SCSISCSI总线主要用于光驱、音频设备、扫描仪、总线主要用于光驱、音频设备、扫描仪、打印机以及像硬盘驱动器这样的大容量存储设备等的连接，打印机以及像硬盘驱动器这样的大容量存储设备等的连接，是一种直接连接外设的并行是一种直接连接外设的并行I/OI
29、/O总线。总线。nUSBUSB：Universal Serial BusUniversal Serial Bus通用串行总线通用串行总线，是一种，是一种连接外围设备的连接外围设备的I/OI/O总线，总线，具有即插即用、热拔插等优良具有即插即用、热拔插等优良特点。特点。16位位ISA总线总线例1n题目：题目：某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4 4个字节个字节的数据，的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周假设一个总线周期等于一个总线时钟周期期，总线时钟频率为，总线时钟频率为33MHz33MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?如果一个总线周期中并行传送如果一个总
30、线周期中并行传送6464位数据，总线时位数据，总线时钟频率升为钟频率升为66MHz66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?n解：解：设总线带宽用设总线带宽用DrDr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1/fT=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用D D表示，表示，（1 1）根据定义可得）根据定义可得 Dr=D/T=DDr=D/T=D1/T=D1/T=Df f=4B=4B33331000000/s=132MB/s1000000/s=132MB/s（2 2）6464位位=8B=8B，Dr=DDr=Df f=8B=8B66661000000/s=52
31、8MB/s1000000/s=528MB/s 提示：此题主要是考查对总线带宽的理解。提示：此题主要是考查对总线带宽的理解。总线带宽一次传输的字节数总线周期总线带宽一次传输的字节数总线周期 总线宽度总线宽度/8/8*总线时钟频率总线时钟频率3.4 3.4 总线结构总线结构3.4.1 3.4.1 单总线结构单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线）CPU CPU M.M M.M I/O I/O接接口口 外部外部 设备设备1 1 外部外部 设备设备2 2 I/O I/O接接口口 外部外部 设备设备n n I/O I/O接接口口1.1.双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器具有特殊功能的处理器由
32、通道对由通道对I/OI/O统一管理统一管理通道通道 I/O I/O接口接口 设备设备n n I/O I/O接口接口 设备设备0 0 CPUCPU主存主存主存总线主存总线I/OI/O总线总线3.4.2 3.4.2 多总线结构多总线结构2.2.三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMADMA总线总线I/OI/O总线总线 CPU CPU 主存主存设备设备1 1设备设备n n高速外设高速外设I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口3.3.三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCPUCacheCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总
33、线扩展总线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4.4.四总线结构四总线结构主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSISCSI多媒体多媒体CPUCPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口FAXFAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/Cache/桥桥1.1.传统微型机总线结构传统微型机总线结构3.4.3 3.4.3 总线结构举例总线结构举例存储器存储器SCSI IISCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISAISA EISA8 MHz18 MHz16 6位数据通路位
34、数据通路标准总线控制器标准总线控制器33 MHz33 MHz3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线调制解调器调制解调器多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU CPU2.VL-BUS2.VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz33 MHz的的3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA EISAISA EISA多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真8 MHz8 MHz的的1616位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPUCPU主存控制器主存控制器存储器存储器局部总线局部总线 控制器控制器 S
35、CSISCSI控制器控制器VL BUSVL BUS3.PCI 3.PCI 总线结构总线结构CPUCPU多媒体多媒体PCI PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真PCI PCI 总线总线系统总线系统总线33 33 MHzMHz的的3232位数据通路位数据通路8 8 MHzMHz的的1616位数据通路位数据通路ISA EISAISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI SCSI 控制器控制器存储器存储器4.4.多层多层 PCI PCI 总线结构总线结构PCIPCI总线总线2 2存储器存储器桥桥0 0桥桥4 4 PCI PCI设备设备桥
36、桥5 5总线桥总线桥桥桥3 3桥桥1 1设备设备桥桥2 2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCIPCI总线总线4 4PCIPCI总线总线5 5PCIPCI总线总线3 3PCIPCI总线总线1 1PCIPCI总线总线0 0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPUCPUPentium计算机主板总线结构图CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、控、控制芯片组等芯片之制芯片组等芯片之间的信号连接线称间的信号连接线称为为CPUCPU总线。总线。CPUCPU总总线针对具体处理器线针对具体处理器设计，因此没有统设计，因此没有统一的规范。一的规范。这是一个三总线结这是一个三总线结构，即有
37、构，即有CPUCPU总线、总线、PCIPCI总线和总线和ISAISA总线。总线。CPUCPU总线的时总线的时钟频率为钟频率为66.6MHz66.6MHz，CPUCPU内部时钟是此内部时钟是此时钟频率的倍时钟频率的倍频。此总线可频。此总线可连接连接4-128M4-128M内内存。存。主存控制器和主存控制器和CacheCache控制器控制器芯片用来管理芯片用来管理CPUCPU对对主主存和存和CacheCache的存取的存取操作。操作。PCIPCI总线用来连接高总线用来连接高速的速的I/OI/O设备模块，设备模块，如显卡等。如显卡等。通过通过“桥桥”芯片，芯片，PCIPCI总线上连总线上连CPUCP
38、U总总接，下连接，下连ISAISA总线。总线。ISAISA总线连总线连接低速接低速I IO O设备，支持设备，支持7 7个个DMADMA通道通道和和1515级可屏级可屏蔽硬件中断。蔽硬件中断。CPUCPU总线、总线、PCIPCI总线总线和和ISAISA总线通过两个总线通过两个“桥桥”芯片连成整芯片连成整体。桥芯片起到了体。桥芯片起到了信号速度缓冲、电信号速度缓冲、电平转换和控制协议平转换和控制协议转换的作用。转换的作用。3.5 3.5 总线控制总线控制3.5.1 3.5.1 总线判优控制总线判优控制 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式 主设备主设备(模块模块)对总线有对总线有 控
39、制权控制权 从设备从设备(模块模块)响应响应 从主设备发来的总线命令从主设备发来的总线命令1.1.基本概念基本概念链式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式总线控制n两个问题两个问题n总线使用权分配，即总线判优控制，也称为仲裁逻辑n通信过程控制n总线判优控制：总线判优控制：多个主设备同时申请总线时，按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线。n集中式：将控制逻辑集中在一处，即总线仲裁器，分为链式查询、计数器定时查询、独立请求链式查询、计数器定时查询、独立请求三种n分布式：将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上，由各个节点竞争使用权n总线通信控制总线通信控制n同
40、步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信2.2.链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/OI/O接口接口0 0BSBSBRBRI/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n nBGBG数据线数据线地址线地址线BSBS -总线忙总线忙BR-BR-总线请求总线请求BG-BG-总线同意总线同意I/OI/O接口接口1 1在串行链接方式中，总线上所有的部件共同一根总线请求线。当有部件请求使用总线时，均需经此线发总线请求到总线控制器。由总线控制器检查总线忙否，若总线不忙，则立即发总线响应信号BG，经BG串行地从一个部件送到下一个部件，依次查询。若响应
41、信号到达的部件无总线请求，则该信号立即传到下一个部件；若响应信号到达的部件有总线请求，则信号便截住，不再传下去。例如：设BR2有请求，则BR=1，总线控制器检查总线忙否，若不忙，则立即发总线响应信号BG，因为BG1=0，所以BS1=0，但A=1，即经总线响应线BG传到下一个部件。这里由于BR2=1，所以BS2=1，即部件2得到总线使用权，同时B=0，即信号便截住，不再传下去，从而封锁了后面的部件的请求。查询链的优先级是通过各部件与总线接口的优先权排队电路实现的，离总线控制器越近的部件，其优先级越高；离其越远的部件，其优先级越低。该方式的特点是采用硬件接线逻辑，将各部件扣链在总线响应线上。因此，
42、优先级固定，有较高的实时响应性。此外，只需很少几根控制线就能按一定优先次序实现总线控制，结构简单，扩充容易。缺点是对配件电路故障很敏感，优先级不能改变。总线判优控制集中式n链式查询方式的主要特点：链式查询方式的主要特点：n越靠近控制器的模块，优先级越高；越靠近控制器的模块，优先级越高；n链形优先级存在传播延迟，这种延迟与模块数成链形优先级存在传播延迟，这种延迟与模块数成正比，所以判优速度较慢，一般只接少量（几个）正比，所以判优速度较慢，一般只接少量（几个）模块；模块；n链形结构，一个故障，链失效；链形结构，一个故障，链失效；n结构较简单，造价较低。结构较简单，造价较低。3计数器定时查询方式这种
43、方式的电路如下图3-8所示。并说明工作原理定时查询方式采用一个计数器控制总线使用权。它仍公用一根请求线，当总线控制器收到总线请求信号，判断总线不忙时，计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各部件，当地址线上的计数值与请求使用总线设备的地址一致时，该设备获得总线控制权，置忙线为“1”，同时中止计数器的计数及查询工作。（1）设计数器初值为00若BR1=1，则计数器为00时，由于BR0=0，所以BS0=0；计数器继续计数到01，由于BR1=1，所以BS1=1，部件1占用总线，计数器停止计数。若BR0=BR1=1，则计数器为00时，由于BR0=1，所以BS0=1，部件0占用总线，计数器停止计数，部件
44、1要等待。所以计数器初值为00时，优先级为部件0部件1部件3（2）设计数初值为01若BR1=1，则计数顺为01时，由于BR1=1，所以BS1=1，部件1占用总线，计数器停止计数。若BR0=BR1=1，则计数器为01时，由于BR1=1，所以BS1=1，部件1占用总线，计数器停止计数，部件0要等待。所以计数器初值为10时，优先级为部件1部件2部件3部件0（3）计数器初值为10时，优先级为部件2部件3部件0部件1（4）计数器初值为11时，优先级为部件3部件2部件1部件0由于每次计数不都是从“0”开始，因此每个部件的优先级可随机改变，使它们使用总线的机会均等。此外，计数器的值可由程序设置，因而能方便地
45、改变优先次序。但是，这种灵活性的获得是以增加线数为代价的。0 0BSBS -总线忙总线忙BR-BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/OI/O接口接口0 0BSBSBRBRI/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n n设备地址设备地址 计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/OI/O接口接口1 1 计数器计数器设备地址设备地址 1 1总线判优控制集中式n计数器定时查询方式的主要特点：计数器定时查询方式的主要特点：n计数方式与优先次序直接相关。计数方式与优先次序直接相关。计数可以从计数可以从“0”开始，此时设备的优先次序是固定的；计开始，此时设备的优先次序
46、是固定的；计数也可以从终止点开始，即是一种循环方法，数也可以从终止点开始，即是一种循环方法，此时设备使用总线的优先级相等；计数的初始此时设备使用总线的优先级相等；计数的初始值还可由程序设置，故优先次序可以改变。值还可由程序设置，故优先次序可以改变。n对电路故障不如链式查询方式敏感，但增加了对电路故障不如链式查询方式敏感，但增加了主控制线（设备地址），控制也较复杂。主控制线（设备地址），控制也较复杂。排队器排队器排队器排队器4.4.独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/OI/O接口接口0 0I/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n nBRBR0 0B
47、GBG0 0BRBR1 1BGBG1 1BRBRn nBGBGn nBG-BG-总线同意总线同意BR-BR-总线请求总线请求图中：BG1=BR1。BG2=BR2 ，BG3=BR3 ，优先次序为BR1BR2 BR3。当总线上的部件要使用总线时，经各自的总线请求线发送总线请求信号，在总线控制器中排队，当总线控制器按一定的优先次序决定批准某个部件的请求时，则给该部件发送总线响应信号，该部件接到此信号就获得了总线使用权，开始传数据。独立请求方式的特点是响应时间快，不必一个一个设备地查询。独立请求方式对优先次序的控制相当灵活，即可采用固定优先级，也可通过程序改变优先次序，还可通过屏蔽某个请求，来禁止相应
48、的部件使用总线。独立请求方式的优点是通过增加线数换取的。在串行链接方式中，确定总线使用权属于哪个部件，只需二根线，在独立方式中，每个部件要二根线，从而使线数大大增加，因而也增加了总线控制器的复杂性。1BR1BR2BR总线判优控制集中式n独立请求方式的工作原理：独立请求方式的工作原理：n每个模块有一组独立的每个模块有一组独立的“总线请求总线请求”和和“总线允许总线允许”信号信号线，每对信号线有其相应的优先级；线，每对信号线有其相应的优先级；n控制器中有一个优先级编码器和优先级译码器，用以选择控制器中有一个优先级编码器和优先级译码器，用以选择优先级最高的请求，并产生出相应的优先级最高的请求，并产生
49、出相应的“总线允许总线允许”信号；信号；n当当“总线忙总线忙”信号有效时，表示有的模块正在使用总线，信号有效时，表示有的模块正在使用总线，因此请求使用总线的模块必须等待；直至因此请求使用总线的模块必须等待；直至“总线忙总线忙”信号信号变为无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出变为无效时，所有需要使用总线的模块都可以发出“总线总线请求请求”信号，总线仲裁器仅向优先级最高的模块发出信号，总线仲裁器仅向优先级最高的模块发出“总总线允许线允许”信号。信号。n独立请求方式的主要特点：独立请求方式的主要特点：n判优速度快，且与模块数无关；判优速度快，且与模块数无关；n所需所需“请求线请求线”和和“允许线
50、允许线”较多，较多，N N个模块需要个模块需要2N2N条。条。总线判优控制分布式n分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三种常见分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三种常见的仲裁方式：的仲裁方式：n自举分布式仲裁自举分布式仲裁n冲突检测分布式仲裁冲突检测分布式仲裁n并行竞争分布式仲裁并行竞争分布式仲裁总线判优控制分布式自举分布式仲裁自举分布式仲裁n自举分布式仲裁方法使用多个请求线，不需要中心裁决器，自举分布式仲裁方法使用多个请求线，不需要中心裁决器，每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。n每个需要请求总线控制权的设备在各自对应的总线请求线每个需要请求总线
