第8章系統(tǒng)總線

第8章系統(tǒng)總線8.1總線的基本概念8.2總線的分類(lèi)8.3總線特性及性能指標(biāo)8.4總線結(jié)構(gòu)8.5總線控制8.1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)串行并行四、總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)舉例1.面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)框圖

中央處理器CPUI/O總線M總線8.1主存

I/O接口

I/O設(shè)備1

I/O設(shè)備2……I/O接口I/O接口

I/O設(shè)備n單總線（系統(tǒng)總線）2.單總線結(jié)構(gòu)框圖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…8.18.以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總線主存CPUI/O接口

I/O設(shè)備1…

I/O設(shè)備nI/O接口…存儲(chǔ)總線8.18.2總線的分類(lèi)從不同角度，有不同的分類(lèi)方法。按照數(shù)據(jù)傳送方式：串行傳輸總線/并行傳輸總線并行總線按照傳輸數(shù)據(jù)寬度：8/16/32/64位傳輸總線按照總線使用范圍：計(jì)算機(jī)總線/測(cè)控總線/網(wǎng)絡(luò)通信總線按照連接部件不同：片內(nèi)總線/系統(tǒng)總線/通信總線8.2總線的分類(lèi)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(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，各種控制信號(hào)的傳輸線計(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(xiě)總線允許、中斷確認(rèn)中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求8.通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式8.2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8.3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8.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一根線何時(shí)有效，總線上信號(hào)之間存在時(shí)序關(guān)系8.3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8.時(shí)鐘同步/異步4.總線復(fù)用5.信號(hào)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)載能力等突發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)8.3ISAEISAVESA(VL-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8.3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）16MBpsEISA328MHz（獨(dú)立）33MBpsVESA(VL-BUS)3233MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（獨(dú)立）66MHz（獨(dú)立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（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(wú)屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)8.3四、總線標(biāo)準(zhǔn)8.4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(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I/O總線二、多總線結(jié)構(gòu)8.42.三總線結(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……8.48.三總線結(jié)構(gòu)的又一形式8.4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8.41.傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例8.4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)8.433MHz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……Modem8.PCI總線結(jié)構(gòu)8.4CPU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(jí)橋第二級(jí)橋第三級(jí)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CPU8.48.5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(duì)總線有控制權(quán)，啟動(dòng)信息傳送從設(shè)備(模塊)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來(lái)的總線命令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2.鏈?zhǔn)讲樵?xún)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－總線同意8.5I/O接口10BS

－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8.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式I/O接口18.5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(qǐng)求8.5二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期(總線周期)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8.5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

8.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8.5

讀命令(1)同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址數(shù)據(jù)8.5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8.5異步通信異步通信沒(méi)有公共的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，不要求所有部件嚴(yán)格的統(tǒng)一操作時(shí)間，因此允許各模塊速度不一致。采用應(yīng)答方式（握手方式）：主模塊發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，一直等待從模塊反饋回響應(yīng)信號(hào)，才開(kāi)始通信。異步通信的應(yīng)答方式：不互鎖、半互鎖、全互鎖。不互鎖半互鎖全互鎖異步通信主設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)求回答單機(jī)多機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信異步通信可用于串行或者并行傳送。異步串行通信的數(shù)據(jù)幀格式：1個(gè)起始位（低電平）、5-8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位、1或1.5或2個(gè)停止位（高電平）；傳送時(shí)先傳送字符的最低位；兩幀數(shù)據(jù)之間可以是0或任意個(gè)空閑位（高電平）；同步串行傳送，去掉上述附加位，把多個(gè)字符數(shù)據(jù)放在一起構(gòu)成數(shù)據(jù)塊，前面加上同步字符，連續(xù)傳送，速度更快。波特率：異步串行通信的數(shù)據(jù)傳送速率，單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位：bps(位/秒)；比特率：異步串行通信單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制有效數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位：bps(位/秒)(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8.5（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等待慢速設(shè)備時(shí)，采用插入時(shí)鐘周期的措施協(xié)調(diào)通信雙方的配合以輸入數(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)TWAIT8.5

讀

命令WAIT

地址

數(shù)據(jù)8.5

時(shí)鐘總線傳輸周期T1T2TWTWT3T4(4)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），總線使用權(quán)被通信雙方完全占用。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8.5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)總線每個(gè)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)總線傳輸周期分解為兩個(gè)子周期子周期1子周期28.5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)充分提高了總線的有效占用2.采用同步方式通信，不等對(duì)方回答8.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8.5例題：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，求總線的數(shù)據(jù)傳輸率（總線帶寬）解：據(jù)原題可知：1秒鐘有100M個(gè)時(shí)鐘周期，有25M個(gè)總線周期；每個(gè)總線周期