第3章總線系統(tǒng)

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3.1總線的基本概念一、為什么要用總線二、什么是總線三、總線上信息的傳送總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)。串行并行3.2總線的分類1.片內(nèi)總線2.系統(tǒng)總線芯片內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線雙向與機(jī)器字長、存儲(chǔ)字長有關(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存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫總線允許、中斷確認(rèn)中斷請求、總線請求3.通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式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總線特性及性能指標(biāo)CPU插板主存插板I/O插板一、總線物理實(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的功能信號的時(shí)序關(guān)系3.3地址數(shù)據(jù)控制三、總線的性能指標(biāo)1.總線寬度2.總線帶寬3.時(shí)鐘同步/異步4.總線復(fù)用5.信號線數(shù)6.總線控制方式7.其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps）同步、不同步地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和負(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)總線標(biāo)準(zhǔn)四、總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模塊3.3標(biāo)準(zhǔn)界面總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線總線時(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)普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)3.3四、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2I/O接口…

I/O設(shè)備nI/O接口…1.雙總線結(jié)構(gòu)具有特殊功能的處理器，由通道對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總線二、多總線結(jié)構(gòu)3.42.三總線結(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……3.43.三總線結(jié)構(gòu)的又一形式3.4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3.41.傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)三、總線結(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……Modem2.VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)3.433MHz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)高性能圖形圖文傳真8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器CPU主存控制器存儲(chǔ)器局部總線控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……Modem3.PCI總線結(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SCSIⅡ

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第一級橋第二級橋第三級橋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CPU3.43.5總線控制一、總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式集中式主設(shè)備(模塊)對總線有控制權(quán)從設(shè)備(模塊)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來的總線命令1.基本概念鏈?zhǔn)讲樵冇?jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請求方式總線判優(yōu)控制總線通信控制2.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－總線請求BG－總線同意3.5I/O接口10BS

－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3.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式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－總線請求3.5二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請，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.總線通信的四種方式采用應(yīng)答方式

，沒有公共時(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總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

寫命令（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)同步通信的使用場合必須按速度最慢的設(shè)備來設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘。不知道被訪問的設(shè)備是否已響應(yīng)，故可靠性低。時(shí)鐘上的干擾信號會(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€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：∵總線的時(shí)鐘頻率為100MHz∴1個(gè)時(shí)鐘周期=1/100MHz=0.01μs總線的傳輸周期=0.01μs*4=0.04μs

∵總線的寬度為32位，即4B∴總線的數(shù)據(jù)傳輸率=4B/(0.04μs)=100MBps若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可在不改變總線時(shí)鐘頻率前提下將總線寬度提高為64位，或者保持總線寬度不變將時(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)備請求回答異步通信的優(yōu)點(diǎn)不許時(shí)鐘信號，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)異步通信的使用場合控制方式復(fù)雜，成本高?？偩€較長、且各部件存取時(shí)間相差較大的系統(tǒng)。異步通信的分類異步并行通信、異步串行通信在串行異步通信中，采用了一種更為簡單的通信方式，即在串行異步通信總線中，既不用握手信號，也沒有時(shí)鐘線，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協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸。例如：RS232總線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畫圖說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

接收方用系統(tǒng)時(shí)鐘后沿判斷、識別（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

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協(xié)調(diào)通訊雙方的配合問題，稱半同步通信。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（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)總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例）主模