第5章總線技術(shù)

第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.3總線的控制

5.4總線的性能指標(biāo)5.5總線的標(biāo)準(zhǔn)第5章總線技術(shù)5.1總線概述

總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間（甚至各個(gè)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(fù)責(zé)傳輸一個(gè)電脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就代表一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。若干根導(dǎo)線就可以同時(shí)傳輸若干位二進(jìn)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(kāi)三種狀態(tài)，所以總線上的部件需要通過(guò)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(jì)算機(jī)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方面特性對(duì)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(jī)械特性，指總線的物理連接標(biāo)準(zhǔn)，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方面特性按照允許信息傳輸?shù)姆较蚍?，總線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(shí)刻允許信息分別沿兩個(gè)方向傳輸，半雙工是指同一時(shí)刻只允許信息沿一個(gè)方向傳輸而另一個(gè)方向的信息傳輸要等到下一時(shí)刻。3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號(hào)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方面特性通常規(guī)定送入微處理器的信號(hào)為輸入信號(hào)（IN），從微處理器發(fā)出的信號(hào)為輸出信號(hào)（OUT）。例如，地址總線為輸出信號(hào)線，數(shù)據(jù)總線為雙向信號(hào)線，控制總線中既有輸出信號(hào)線，又有輸入信號(hào)線，但都是單向的。3.電氣特性：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(fù)邏輯。大多數(shù)總線信號(hào)采用正邏輯，但是也有個(gè)別總線信號(hào)采用負(fù)邏輯。3.電氣特性：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(hào)在什么時(shí)間內(nèi)才是有效的，即總線上各種信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。時(shí)間特性可以用信號(hào)時(shí)序圖來(lái)表示。2.物理特性3.電氣特性4.時(shí)間特性第5章總線技術(shù)5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

總線的設(shè)計(jì)與實(shí)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)。

CPU

M.M

I/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2

I/O接口…

外部設(shè)備n

I/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(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線Modem串行接口SCSI主存四總線結(jié)構(gòu)主存擴(kuò)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(kuò)展總線圖形Cache/橋第5章總線技術(shù)5.3總線的控制

5.3.1總線仲裁 總線具有兩個(gè)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(gè)部件對(duì)總線的爭(zhēng)用、避免發(fā)生總線沖突，必須有一個(gè)總線控制器來(lái)對(duì)總線的使用進(jìn)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(wèn)的部件稱為從部件。第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

當(dāng)總線上有多個(gè)候選的主部件同時(shí)申請(qǐng)使用總線時(shí)，必須有一個(gè)總線控制機(jī)構(gòu)按照某種策略（優(yōu)先次序）對(duì)申請(qǐng)進(jìn)行裁決，這就叫做總線仲裁。集中式總線仲裁:如果總線仲裁邏輯基本上集中在一處。分布式總線仲裁:如果總線仲裁邏輯分散在總線上的各個(gè)部件中。

5.3總線的控制

第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

集中式控制串行鏈接/鏈?zhǔn)讲樵兌〞r(shí)查詢/計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請(qǐng)求5.3總線的控制

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(qǐng)求BG-總線可用I/O接口1

0BS

-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)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-總線可用BR-總線請(qǐng)求第5章總線技術(shù)5.3總線的控制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(jìn)行一系列有時(shí)序限制的操作。為此，通信雙方需要“感知”對(duì)方的操作及操作效果，這個(gè)“感知”由總線通信控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。5.3.2

總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請(qǐng)，總線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)總線每瞬間

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(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(xiě)命令數(shù)據(jù)不互鎖半互鎖全互鎖(3)異步通信主設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)求回答(4)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從模塊撤消數(shù)據(jù)，主模塊撤消命令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)為例）主模塊發(fā)地址、命令從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)總線空閑占用總線不占用總線占用總線(5)分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力主模塊申請(qǐng)占用總線，使用完后即放棄總線的使用權(quán)從模塊申請(qǐng)占用總線，將各種信息送至總線上一個(gè)總線傳輸周期子周期1子周期2主模塊1.各模塊有權(quán)申請(qǐng)占用總線分離式通信特點(diǎn)充分發(fā)揮了總線的有效占用2.采用同步方式通信，不等對(duì)方回答3.各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)，不占用總線4.總線被占用時(shí)，無(wú)空閑第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.3總線的控制

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

總線一次同時(shí)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(shí)鐘信號(hào)線所提供的時(shí)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(biāo)總線的位寬總線的工作時(shí)鐘頻率

總線的負(fù)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(gè)數(shù)。例如，ISA總線的負(fù)載能力是8，PCI總線的的負(fù)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。例

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。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？解：根據(jù)總線時(shí)鐘頻率為100MHz，得1

個(gè)時(shí)鐘周期為1/100MHz=0.01μs

總線傳輸周期為0.01μs×4=0.04μs

由于總線的寬度為32

位=

4

B（字節(jié)）故總線的數(shù)據(jù)傳輸率為4B/（0.04μs）=100

MBps總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）與總線的寬度和總線的時(shí)鐘頻率有關(guān)例

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。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）與總線的寬度和總線的時(shí)鐘頻率有關(guān)

若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率

(1)在不改變