第11周大課 總線技術(shù)

回顧文字的表示定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算教學(xué)內(nèi)容總線概述總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總線的控制總線的性能指標(biāo)教學(xué)要求掌握總線的基本概念；了解總線的分類(lèi)原則；熟練掌握總線的性能指標(biāo)（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(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(mén)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1.功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能對(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(chēng)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1.功能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。2.物理特性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1.功能特性通常規(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。2.物理特性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1.功能特性將總線中高電平定義為“邏輯1”，稱(chēng)為正邏輯；將低電平定義為“邏輯1”，稱(chēng)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。2.物理特性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)5.1總線概述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)。

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(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)5.1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

5.3.1總線仲裁電子計(jì)算機(jī)的總線具有兩個(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(chēng)為總線的主部件。被主部件訪問(wèn)的部件稱(chēng)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。如果總線仲裁邏輯基本上集中在一處，就稱(chēng)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(gè)部件中，則稱(chēng)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?zhǔn)讲樵兌〞r(shí)查詢/計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請(qǐng)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(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5.3.1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(chēng)為源部件，接收數(shù)據(jù)的部件稱(chēng)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。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(lèi)：無(wú)須感知和需要感知。無(wú)須感知表示通信雙方是相互信任的、是心有靈犀的，每一個(gè)通信步驟都會(huì)在規(guī)定的時(shí)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?；凇盁o(wú)須感知”觀點(diǎn)進(jìn)行總線通信控制的通信稱(chēng)為同步通信，基于“需要感知”觀點(diǎn)進(jìn)行總線通信控制的通信稱(chēng)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(gè)部件之間的信息傳送是由定寬、定距的時(shí)標(biāo)來(lái)控制的。每隔一個(gè)時(shí)標(biāo)，源部件就向總線發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，而不去對(duì)目的部件是否收到數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)；同樣地，目的部件每隔一個(gè)時(shí)標(biāo)就對(duì)總線進(jìn)行采樣來(lái)獲取數(shù)據(jù)，而不去確認(rèn)數(shù)據(jù)是否已發(fā)出，也不向源部件確認(rèn)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(gè)部件需要“感知”對(duì)方的操作，這個(gè)“感知”是通過(guò)“握手”信號(hào)實(shí)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(chǎng)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(guò)程是由源部件或目的部件控制雙邊控制是指通信過(guò)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(hào)

宏觀上按同步通信組織通信過(guò)程，局部上用異步應(yīng)答方式實(shí)現(xiàn)通信雙方速度的配合。每個(gè)操作只能在固定時(shí)鐘確定的一定時(shí)刻發(fā)生（這是同步通信的特征），控制信號(hào)的時(shí)間間隔卻是可變長(zhǎng)的（這是異步通信的特征）。當(dāng)然時(shí)間間隔的長(zhǎng)度必須是時(shí)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(diǎn)

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主模塊檢測(cè)“READY”信號(hào)T4從模塊撤銷(xiāo)數(shù)據(jù)，主模塊撤銷(xiāo)命令Tw

若“READY”為低電平，插入一個(gè)等待周期TWTw

若“READY”為低電平，插入一個(gè)等待周期TW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

單個(gè)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(gè)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(guò)程稱(chēng)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(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總線的負(fù)載能力是3。總線在一秒鐘內(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(chēng)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?？偨Y(jié)

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。根據(jù)傳輸?shù)男畔?，可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。