組成原理講稿六章線系統(tǒng)

第六章系統(tǒng)總線6.1

總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)

什么是bus?（1）公共汽車：運(yùn)送人員。（2）一組導(dǎo)線：傳送信息。共同點(diǎn)：多個(gè)使用者共享通道。總線的基本概念

總線是計(jì)算機(jī)中連接各個(gè)功能部件的紐帶，是計(jì)算機(jī)各部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)墓簿€路。借助于總線連接，計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)功能部件之間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭(zhēng)用資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作。

（1）建立總線的原則（1）互斥性：掛接總線的各總線驅(qū)動(dòng)器(發(fā)送端)必須具有分時(shí)操作的可能性，即不允許在同一總線上同時(shí)有兩個(gè)發(fā)送源發(fā)送信息。（2）一致性：同一總線中所掛接總線的器件(OC門或三態(tài)門)類型要一致。BUS多路選擇器多路分配器（2）總線的分類（a）按數(shù)據(jù)傳送方式分串行總線，并行總線。（b）按連接部件的不同分片內(nèi)總線，系統(tǒng)總線，通信總線。（c）按系統(tǒng)傳輸信息的不同分

數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。（d）按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚍謫喂た偩€，半雙工總線，全雙工總線。（e）按總線的結(jié)構(gòu)分

單總線，雙總線，多總線。（f）按總線傳輸?shù)亩〞r(shí)方法分同步總線，異步總線。（3）總線特性及性能指標(biāo)（a）總線特性總線的特性可分為：物理特性、功能特性、電氣特性、時(shí)間特性。

物理特性：總線的物理連接方式（根數(shù)、插頭、插座形狀，引腳排列方式）功能特性：每根線的功能。電氣特性：每根線上信號(hào)的傳遞方向及有效電平范圍。時(shí)間特性：規(guī)定了每根總線在什么時(shí)間有效。（b）性能指標(biāo)寬度：指數(shù)據(jù)總線的根數(shù)，用bit表示。數(shù)據(jù)傳輸率：總線指單位時(shí)間內(nèi)總線傳輸數(shù)據(jù)的能力，用MB/s或Mb/s表示。例1：總線工作頻率f=33MHz，總線寬度W=32bits，則：數(shù)據(jù)傳輸率(并行傳輸帶寬）=33*4=132MB/s波特率：指每秒通過(guò)信道(串行)傳輸?shù)拇a元(二進(jìn)制位)數(shù)。比特率：指每秒通過(guò)信道(串行)傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)量。例2：在一個(gè)串行傳輸系統(tǒng)中，每秒可傳輸10個(gè)數(shù)據(jù)幀，每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和2個(gè)停止位，則：波特率=11*10=110b/s

比特率=8*10=80b/s（3）總線標(biāo)準(zhǔn)化相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家生產(chǎn)的各功能部件在實(shí)現(xiàn)方法上幾乎沒(méi)有相同的，但各廠家生產(chǎn)的相同功能部件卻可以互換使用，其原因在于它們都遵守了相同的系統(tǒng)總線的要求，這就是系統(tǒng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。

總線標(biāo)準(zhǔn)：可視為系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個(gè)互連的標(biāo)準(zhǔn)界面。這個(gè)界面對(duì)它兩端的模塊都是透明的，即界面的任何一方只需根據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)的要求完成自身一面接口的功能要求，而無(wú)需了解對(duì)方接口與總線的連接要求。按總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的接口是通用接口。

目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有：

ISA(IndustrialStandardArchitecture):16位標(biāo)準(zhǔn)總線。

EISA(ExtendedIndustrialStandardArchitecture):32總線。

PCI(PeripheralComponentInterconnect):32位標(biāo)準(zhǔn)總線。

采用標(biāo)準(zhǔn)總線的優(yōu)點(diǎn)：（a）簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（b）簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性。（c）便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新?？偩€結(jié)構(gòu)（1）單總線結(jié)構(gòu)

單總線BUS

所有模塊都連接到一條總線上，總線分時(shí)工作，多用于小型、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：控制方便，易于擴(kuò)充。缺點(diǎn)：吞吐量低，總線成為系統(tǒng)瓶頸。CPUM.MI/O接口外設(shè)1I/O接口外設(shè)2I/O接口外設(shè)n（2）雙總線結(jié)構(gòu)將速度較低的I/O設(shè)備從單總線上分離出來(lái)，形成存儲(chǔ)總線與I/O總線分開的結(jié)構(gòu)。多用于大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)總線存儲(chǔ)總線

存儲(chǔ)總線

I/O總線M.M外設(shè)1外設(shè)nCPUM.MI/O處理機(jī)(通道)外設(shè)nCPU外設(shè)1（3）三總線結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代PC基本采用的結(jié)構(gòu)。主板總線連接到處理器-主存總線，處理器-主存總線主要用于處理器和主存之間數(shù)據(jù)交換，I/O總線連接到主板總線。

優(yōu)點(diǎn)：大大減少處理器-主存總線負(fù)載。適配器（接口）：實(shí)現(xiàn)高速CPU與低速外設(shè)之間工作速度上的匹配和同步，并完成計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的所有數(shù)據(jù)傳送和控制。橋：通過(guò)橋，CPU總線、系統(tǒng)總線和高速總線彼此相連。橋?qū)嵸|(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路。多總線結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了高速、中速、低速設(shè)備連接到不同的總線上同時(shí)進(jìn)行工作，以提高總線的效率和吞吐量，而且處理器結(jié)構(gòu)的變化不影響高速總線。（4）多總線結(jié)構(gòu)多個(gè)CPU、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備通過(guò)交叉開關(guān)互連。

總線套數(shù)=n+m+k要求：n≥

m+k，使每個(gè)CPU和I/O設(shè)備在同一時(shí)間可分到一套總線與存儲(chǔ)模塊相連。M.M1M.M2M.MnCPU1CPUmI/O1I/Ok6.2總線接口信息傳送方式

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，傳輸信息采用三種方式：串行傳送、并行傳送和分時(shí)傳送。但是出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳送的信息必須采用并行傳送方式。（1）串行傳送：當(dāng)信息以串行方式傳送時(shí)，只有一條傳輸線，且采用脈沖傳送。在串行傳送時(shí)，被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件進(jìn)行并－－串變換，這稱為拆卸；而在接收部件又需要進(jìn)行串－－并變換，這稱為裝配。串行傳送的主要優(yōu)點(diǎn)是只需要一條傳輸線，這一點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)距離傳輸顯得特別重要，不管傳送的數(shù)據(jù)量有多少，只需要一條傳輸線，成本比較低廉。缺點(diǎn)就是速度慢。

（2）并行傳送：用并行方式傳送二進(jìn)制信息時(shí)，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)位都需要單獨(dú)一條傳輸線。信息有多少二進(jìn)制位組成，就需要多少條傳輸線，從而使得二進(jìn)制數(shù)“0”或“1”在不同的線上同時(shí)進(jìn)行傳送。并行傳送一般采用電位傳送。由于所有的位同時(shí)被傳送，所以并行數(shù)據(jù)傳送比串行數(shù)據(jù)傳送快得多。（3）分時(shí)傳送：分時(shí)傳送有兩種概念，一是采用總線復(fù)用方式，某個(gè)傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。為此必須劃分時(shí)間片，以便在不同的時(shí)間間隔中完成傳送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。分時(shí)傳送的另一種概念是共享總線的部件分時(shí)使用總線?？偩€接口的基本概念接口即I/O設(shè)備適配器，具體指CPU和主存、外圍設(shè)備之間通過(guò)總線進(jìn)行連接的邏輯部件。接口部件在它動(dòng)態(tài)連接的兩個(gè)部件之間起著“轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳送。為了使所有的外圍設(shè)備能夠兼容，并能在一起正確地工作，CPU規(guī)定了不同的信息傳送控制方法。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口可能連接一個(gè)設(shè)備，也可能連接多個(gè)設(shè)備。（1）接口的功能能實(shí)現(xiàn)通信雙方的數(shù)據(jù)緩沖、通信聯(lián)絡(luò)、速度匹配與協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)格式變換等。主要包括：（a）選址功能。（b）傳送命令功能。（c）傳送數(shù)據(jù)功能。（d）反映I/O設(shè)備工作狀態(tài)的功能。（2）接口類型（a）按數(shù)據(jù)傳送方式分：并行接口和串行接口。（b）按功能選擇的靈活性分：可編程接口和不可編程接口。（c）按通用性分：通用接口和專用接口。（d）按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分：程序型式接口和DMA式接口。（3）接口的組成一個(gè)適配器的兩個(gè)接口：一個(gè)同系統(tǒng)總線相連，采用并行方式，另外一個(gè)同設(shè)備相連，可能采用并行方式或是串行方式。

CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖寄存器(DBR)設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記控制邏輯電路設(shè)備選擇電路命令寄存器和譯碼器I/O接口狀態(tài)線命令線地址線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)命令6.3總線的仲裁

總線只是作為傳送信息的通道，當(dāng)總線上多個(gè)部件同時(shí)申請(qǐng)使用總線來(lái)傳送信息時(shí)，為了保證同一時(shí)刻只能有一個(gè)申請(qǐng)者使用總線避免它們同時(shí)發(fā)送造成信息丟失，必須有一個(gè)總線仲裁器分配總線使用權(quán)。通常，總線仲裁器把總線使用權(quán)賦給多個(gè)申請(qǐng)者中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)部件。

連接到總線上的功能模塊有主動(dòng)和被動(dòng)兩種形態(tài)，其中主方可以啟動(dòng)一個(gè)總線周期，而從方只能響應(yīng)主方請(qǐng)求。每次總線操作，只能有一個(gè)主方，但是可以有多個(gè)從方。

主設(shè)備與從設(shè)備

（1）主設(shè)備：占有總線控制權(quán)的設(shè)備，是總線事務(wù)的發(fā)起者。（2）從設(shè)備：與主設(shè)備組成通信的設(shè)備，是總線事務(wù)的響應(yīng)者。（3）總線事務(wù)：（a）發(fā)送命令（和地址）。（b）傳送數(shù)據(jù)。（c）申請(qǐng)與仲裁

總線主設(shè)備總線從設(shè)備控制信號(hào)：主設(shè)備發(fā)起總線事務(wù)數(shù)據(jù)可雙向傳輸

按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為集中式仲裁和分布式仲裁兩類。

集中式仲裁

總線控制邏輯集中于一個(gè)設(shè)備（總線控制器）。集中式仲裁中每個(gè)功能模塊有兩條線連到中央仲裁器：一條是送往仲裁器的總線請(qǐng)求信號(hào)線BR，一條是仲裁器送出的總線授權(quán)信號(hào)線BG。集中式仲裁有三種：（1）鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑弘x中央仲裁器最近的設(shè)備具有最高優(yōu)先權(quán)，離總線控制器越遠(yuǎn)，優(yōu)先權(quán)越低。優(yōu)點(diǎn)：只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線控制，并且這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)很容易擴(kuò)充設(shè)備。缺點(diǎn)：是對(duì)詢問(wèn)鏈的電路故障很敏感，優(yōu)先級(jí)固定。

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(qǐng)求BG-總線同意I/O接口1（2）計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式：總線上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí)，通過(guò)BR線發(fā)出總線請(qǐng)求。中央仲裁器接到請(qǐng)求信號(hào)以后，在BS線為“0”的情況下讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過(guò)一組地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè)設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求總線的設(shè)備地址相一致時(shí)，該設(shè)備置“1”BS線，獲得了總線使用權(quán)，此時(shí)中止計(jì)數(shù)查詢。每次計(jì)數(shù)可以從“0”開始，也可以從中止點(diǎn)開發(fā)始。如果從“0”開始，各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ嗤?，?yōu)先級(jí)的順序是固定的。如果從中止點(diǎn)開始，則每個(gè)設(shè)備使用總線的優(yōu)級(jí)相等。

計(jì)數(shù)器的初值也可用程序來(lái)設(shè)置，這可以方便地改變優(yōu)先次序，但這種靈活性是以增加線數(shù)為代價(jià)的。

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)備地址計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式I/O接口1

計(jì)數(shù)器設(shè)備地址1（3）獨(dú)立請(qǐng)求方式：每一個(gè)共享總線的設(shè)備均有一對(duì)總線請(qǐng)求線BRi和總線授權(quán)線BGi。當(dāng)設(shè)備要求使用總線時(shí)，便發(fā)出該設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào)。中央仲裁器中的排隊(duì)電路決定首先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求，給設(shè)備以授權(quán)信號(hào)BGi。獨(dú)立請(qǐng)求方式的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快，即確定優(yōu)先響應(yīng)的設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間少，用不著一個(gè)設(shè)備接一個(gè)設(shè)備地查詢。其次，對(duì)優(yōu)先次序的控制相當(dāng)靈活。它可以預(yù)先固定，例如BR0優(yōu)先級(jí)最高，BR1次之…BRn最低；也可以通過(guò)程序來(lái)改變優(yōu)先次序；還可以用屏蔽（禁止）某個(gè)請(qǐng)求的辦法，不響應(yīng)來(lái)自無(wú)效設(shè)備的請(qǐng)求。因此當(dāng)代總線標(biāo)準(zhǔn)普遍采用獨(dú)立請(qǐng)求方式。

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)求分布式仲裁

總線控制邏輯分散在與總線連接的各個(gè)部件中。不需要中央仲裁器，而是多個(gè)仲裁器競(jìng)爭(zhēng)使用總線。當(dāng)它們有總線請(qǐng)求時(shí)，把它們唯一的仲裁號(hào)發(fā)送到共享的仲裁總線上，每個(gè)仲裁器將仲裁總線上得到的號(hào)與自己的號(hào)進(jìn)行比較。如果仲裁總線上的號(hào)大，則它的總線請(qǐng)求不予響應(yīng)，并撤消它的仲裁號(hào)。最后，獲勝者的仲裁號(hào)保留在仲裁總線上。顯然，分布式仲裁是以優(yōu)先級(jí)仲裁策略為基礎(chǔ)。6.4總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式眾多部件共享總線，在爭(zhēng)奪總線使用權(quán)時(shí)，只能按各部件的優(yōu)先等級(jí)來(lái)解決。而在傳送通信時(shí)間上，只能按分時(shí)方式來(lái)解決。即哪一個(gè)部件獲得使用，此刻就由它傳送，下一個(gè)部件獲得使用，接著下一時(shí)刻傳送。這樣一個(gè)接一個(gè)輪流交替?zhèn)魉?。完成一次總線傳輸，可分為四個(gè)階段：（a）申請(qǐng)分配階段（b）尋址階段（c）傳數(shù)階段（d）結(jié)束階段。主要解決通信雙方如何獲知傳輸開始和傳輸結(jié)束，以及通信雙方如何協(xié)調(diào)配合等等?？偩€的定時(shí)

（1）同步定時(shí)在同步定時(shí)協(xié)議中，事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻由總線時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確定。由于采用了公共時(shí)鐘，每個(gè)功能模塊什么時(shí)候發(fā)送或接收信息都由統(tǒng)一時(shí)鐘規(guī)定，因此，同步定時(shí)具有較高的傳輸頻率。優(yōu)點(diǎn)：規(guī)定明確、統(tǒng)一，模塊間的配合簡(jiǎn)單一致。缺點(diǎn)：主、從模塊時(shí)間配合屬于強(qiáng)制性“同步”，必須在限定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的要求。并且對(duì)所有從模塊都用同一限時(shí)，這就勢(shì)必造成，對(duì)各不相同速度的部件而言，必須按最慢速度的部件來(lái)設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘，嚴(yán)重影響總線的工作效率，也給設(shè)計(jì)帶來(lái)了局限性，缺乏靈活性。同步定時(shí)一般用于總線長(zhǎng)度較短、各部件存取時(shí)間比較一致的場(chǎng)合。

通信雙方由統(tǒng)一時(shí)標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送。時(shí)鐘同步輸入時(shí)序地址t1：主機(jī)發(fā)地址讀命令t2：主機(jī)發(fā)讀命令數(shù)據(jù)t3：外設(shè)送數(shù)據(jù)

t1t2t3t4t4：傳輸結(jié)束

主機(jī)外設(shè)輸入輸出例3：

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?？偩€的數(shù)據(jù)傳輸率：4B/（0.04us）=100MBps（2）異步定時(shí)：通信雙方依靠“握手”信號(hào)控制數(shù)據(jù)傳送。在異步定時(shí)協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應(yīng)答式或互鎖機(jī)制基礎(chǔ)上。在這種系統(tǒng)中，不需要統(tǒng)一的共公時(shí)鐘信號(hào)。異步定時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是總線周期長(zhǎng)度可變，不把響應(yīng)時(shí)間強(qiáng)加到功能模塊上，因而允許快速和慢速的功能模塊都能連接到同一總線上。但這以增加總線的復(fù)雜性和成本為代價(jià)。

異步輸出時(shí)序（全互鎖）地址數(shù)據(jù)就緒應(yīng)答選通

t1t2t