1、3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.2 總線的分類總線的分類3.3 總線特性及性能指標總線特性及性能指標3.4 總線結構總線結構3.5 總線控制總線控制l計算機系統中存儲器、計算機系統中存儲器、CPUCPU等功能部件之間必須互等功能部件之間必須互聯，才能組成計算機系統。聯，才能組成計算機系統。l部件之間的互聯方式部件之間的互聯方式: :分散連接：各部件之間通過單獨的連線互聯分散連接：各部件之間通過單獨的連線互聯總線連接：將各個部件連接到一組公共信息傳輸總線連接：將各個部件連接到一組公共信息傳輸線上。總線結構的兩個主要優點是線上。總線結構的兩個主要優點是l靈活：體現在新加部件可以很容易地加到

2、總線靈活：體現在新加部件可以很容易地加到總線上并且部件可以在使用相同總線的計算機系統上并且部件可以在使用相同總線的計算機系統之間互換之間互換l低成本。低成本。l現代計算機普遍使用的是總線互聯結構。現代計算機普遍使用的是總線互聯結構。一、什么是總線一、什么是總線二、總線上信息的傳送二、總線上信息的傳送總線是連接各個部件的信息傳輸線總線是連接各個部件的信息傳輸線是是 各個部件共享的傳輸介質各個部件共享的傳輸介質串行串行并行并行v總線通常由許多傳輸線或通路構成，在并行傳輸總線通常由許多傳輸線或通路構成，在并行傳輸條件下，每條線可傳輸一位二進制信息，若干條線條件下，每條線可傳輸一位二進制信息，若干條線

3、可同時傳輸多位二進制信息。可同時傳輸多位二進制信息。三、總線結構計算機舉例三、總線結構計算機舉例1. 面向面向 CPU 的雙總線結構框圖的雙總線結構框圖中央處理中央處理 器器 CPUI/O總線總線M總總線線主存儲器主存儲器 M.MI/O接口接口 外部外部 設備設備1 外部外部 設備設備2I/O接口接口I/O接口接口 外部外部 設備設備n單總線（系統總線）單總線（系統總線）2. 單總線結構框圖單總線結構框圖 CPU M.M I/O接口接口 外部外部 設備設備1 外部外部 設備設備2 I/O接口接口 外部外部 設備設備n I/O接口接口3. 以存儲器為中心的雙總線結構框圖以存儲器為中心的雙總線結構

4、框圖系統總線系統總線 M.M CPU I/O接口接口 外部外部 設備設備1 外部外部 設備設備n I/O接口接口存儲總線存儲總線3.2.1片內總線片內總線3.2.2系統總線系統總線芯片內部芯片內部 的總線的總線數據總線數據總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關與機器字長、存儲字長有關單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 I/O地址有關地址有關有出有出 有入有入計算機各大部件之間計算機各大部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求中斷請求、總線請求3. .2.32.3通信總線通信總線串

5、行通信總線串行通信總線并行通信總線并行通信總線傳輸方式傳輸方式 用于用于 計算機系統之間計算機系統之間 或或 計算機系統計算機系統與其他系統與其他系統（如控制儀表、移動通信等）（如控制儀表、移動通信等）之間的通信之間的通信適于遠距離傳送，可適于遠距離傳送，可從幾米到達數千米。從幾米到達數千米。適于近距離傳送，通適于近距離傳送，通常小于常小于30米。米。CPU 插件板插件板M.M 插件板插件板I/O插件板插件板總線物理實現總線物理實現BUS1. 機械特性機械特性2. 電氣特性電氣特性3. 功能特性功能特性4. 時間特性時間特性3.3.1總線特性總線特性尺寸尺寸 形狀形狀傳輸方向傳輸方向 和有效的

6、和有效的 電平電平 范圍范圍每根傳輸線的每根傳輸線的 功能功能信號的信號的 時序時序 關系關系地址地址數據數據控制控制是指總線在機械物理連接上的特性。包括連線類型、數量、接插件的是指總線在機械物理連接上的特性。包括連線類型、數量、接插件的幾何尺寸和形狀以及引腳線的排列等。幾何尺寸和形狀以及引腳線的排列等。指總線的每一條信號線的信號傳遞方向、信號的有效電平范圍。通常指總線的每一條信號線的信號傳遞方向、信號的有效電平范圍。通常規定由規定由CPU發出的信號為輸出信號，送入發出的信號為輸出信號，送入CPU的信號為輸入信號。的信號為輸入信號。不同的控制線功能不同，如地址線用來傳輸地址信息，數據線用來傳輸

7、不同的控制線功能不同，如地址線用來傳輸地址信息，數據線用來傳輸數據信息，控制線用來發出控制信息。數據信息，控制線用來發出控制信息。指總線中任一根傳輸線在什么時間內有效，以及每根線產生的信號之間指總線中任一根傳輸線在什么時間內有效，以及每根線產生的信號之間的時序關系。的時序關系。三、總線的性能指標三、總線的性能指標1. 總線寬度總線寬度2. 標準傳輸率標準傳輸率3. 時鐘同步時鐘同步/異步異步4. 總線復用總線復用5. 信號線數信號線數6. 總線控制方式總線控制方式7. 其他指標其他指標數據線數據線 的根數：的根數：每秒傳輸的最大字節數（每秒傳輸的最大字節數（MBs）指總線在單位指總線在單位時間

8、內所能達到的最高傳輸速率，單位是時間內所能達到的最高傳輸速率，單位是MB/S。它是衡量總線性能的重要技術指標。它是衡量總線性能的重要技術指標。同步、不同步同步、不同步地址線地址線 與與 數據線數據線 復用復用地址線、數據線和控制線的地址線、數據線和控制線的 總和總和負載能力即驅動能力、電源電壓、負載能力即驅動能力、電源電壓、總線寬度能否擴展等。總線寬度能否擴展等。突發工作、自動配置、仲裁方式、突發工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數方式等。邏輯方式、計數方式等。例例1 某網絡每秒發出某網絡每秒發出30次訪問請求，每次請求的數據量為次訪問請求，每次請求的數據量為64KB。問。問100M的網絡

9、能否承受該訪問？的網絡能否承受該訪問？解：解： 30*64K*8 = 15360Kb= 15Mb 100MbISAEISAVL-BUSPCI模塊模塊系統系統總總線線標標準準 四、總線標準四、總線標準系統系統模塊模塊標標 準準 界界 面面lISA總線是IBM公司為286計算機制定的工業標準總線。該總線的總線寬度是16位，總線頻率為8MHz。 lEISA（Extended Industry Standard Architecture即擴展工業標準結構總線）是為32位中央處理器（386、486、586等等）設計的總線擴展工業標準。EISA總線包括ISA總線的所有性能外，還把總線寬度從16位擴展到32

10、位、總線頻率從8.3MHz提高到16MHzISA總線1）VESA總線是 1992年由60家附件卡制造商聯合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESA local bus)總線 2）該總線系統考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。3)數據、地址總線寬度均為32位。尋址空間為4GB。總線最高傳輸率為132MB/S. 4)是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。 lPCI（Peripheral Component Interconnect

11、即連接外部設備的計算機內部總線 ）是美國SIG （即美國計算機協會專業集團）推出的新一代64位總線。該總線的最高總線頻率為33MHz，數據傳輸率為80Mbyte/s(峰值傳輸率為132Mbyte/s)。 l早期的486系列計算機主板采用ISA總線和EISA總線，而奔騰（Pentium）或586系列計算機主板采用了PCI總線和EISA總線。l支持總線主控技術，允許智能設備在適當的時候取得總線控制權以加速數據傳輸和對高度專門化任務的支持。l支持猝發傳輸模式.PCI能在極短時間內發送大量數據。l不受CPU速度和結構的限制。l與 ISAEISAMCA兼容。l預留擴展空間，支持64b數據和地址。l設有特

12、別的緩存，實現外設與CPU隔離，外設或CPU的單獨升級都不會帶來問題。l數據寬度32b，時鐘頻率33MHz時，最大數據傳輸速率為133MB/s。l同步時序、集中式仲裁l多PCI設備共享總線的帶寬。 l多PCI設備共享一組信號線， 因此受插板插入位置的影響， 會產生微妙的信號畸變。實際上在33MHz的PCI總線情況下，只能用到4個插 槽；在66MHz 下，只能用到2個插 槽。 l在PCI 總線中是采用內存映射I/O，這也影響了系統的整體性能。CPU讀寫動作頻率要與PCI總線的動作頻率同步，所以就延緩了CPU指令的執行速度。 AGP總線就是局部總線的一種。AGP（Accelerated Graph

13、ics Port）即高速圖形接口。專用于連接主板上的控制芯片和AGP顯示適配卡，為提高視頻帶寬而設計的總線規范。lAGP不但可以帶來更快的視頻性能，而且還允許AGP顯卡直接訪問系統內存大大緩解了對于顯存容量的需要，有效的控制了顯卡的制造成本。 一、單總線結構一、單總線結構單總線（系統總線）單總線（系統總線） CPU M.M I/O接口接口 外部外部 設備設備1 外部外部 設備設備2 I/O接口接口 外部外部 設備設備n I/O接口接口la.訪內和訪外指令相同訪內和訪外指令相同,由地址來處分由地址來處分,減減少了一類少了一類I/O指令指令lb.總線簡單，使用靈活，易于擴展總線簡單，使用靈活，易于

14、擴展lc. 所有設備分時工作，適用于慢速的小所有設備分時工作，適用于慢速的小型或微型計算機系統中型或微型計算機系統中ld.適用于高速外設的情況適用于高速外設的情況le.任意兩外設之間可以直接交換信息任意兩外設之間可以直接交換信息(其其中主設備需有總線控制能力中主設備需有總線控制能力)1. 雙總線結構雙總線結構具有特殊功能的處理器具有特殊功能的處理器由通道對由通道對I/O統一管理統一管理通道通道 I/O接口接口 設備設備n I/O接口接口 設備設備0 CPU主存主存主存總線主存總線I/O總線總線二、多總線結構二、多總線結構在單總線結構的基礎上增加主存總線組成在單總線結構的基礎上增加主存總線組成l

15、a.由于外設和內存分處與不同總線，分訪由于外設和內存分處與不同總線，分訪內和訪外指令。內和訪外指令。lb.主存總線的增加減輕了系統總線的負主存總線的增加減輕了系統總線的負擔，提高了并行性。擔，提高了并行性。lc.仍然保持了單總線結構的系統簡單、易仍然保持了單總線結構的系統簡單、易于擴充的優點。于擴充的優點。2. 三總線結構三總線結構主存總線主存總線DMADMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設備設備1設備設備n高速外設高速外設I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口在雙總線結構的基礎上增加在雙總線結構的基礎上增加I/O總線組成總線組成la.由于外設和內存分處與不同總線，分訪由于外設和

16、內存分處與不同總線，分訪內和訪外指令。內和訪外指令。lb. 并行性進一步提高，通道處理機分擔并行性進一步提高，通道處理機分擔了部分了部分CPU的的I/O功能。功能。3. 三總線結構的又一形式三總線結構的又一形式局域網局域網系統總線系統總線CPUCache局部總線局部總線擴展總線接口擴展總線接口擴展總線擴展總線Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存小型計算機接口小型計算機接口4. 四總線結構四總線結構主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網局域網SCSI多媒體多媒體CPU調制解調器調制解調器串行接口串行接口FAX系統總線系統總線局部總線局部總線高速總線高速總線擴展總線

17、擴展總線圖形圖形Cache/橋橋1. 傳統微型機總線結構傳統微型機總線結構三、總線結構舉例三、總線結構舉例存儲器存儲器SCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16 6位數據通路位數據通路標準總線控制器標準總線控制器33 MHz3232位數據通路位數據通路系統總線系統總線調制解調器調制解調器多媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形 CPU2. VL-BUS局部總線結構局部總線結構33 MHz的的3232位數據通路位數據通路系統總線系統總線ISA EISA多媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形調制解調器調制解調器圖文傳真圖文傳真8 MHz的

18、的1616位數據通路位數據通路標準總線標準總線 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存儲器存儲器局部總線局部總線 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS3. PCI 總線結構總線結構CPU多媒體多媒體PCI 橋橋高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形調制解調器調制解調器圖文傳真圖文傳真PCI 總線總線系統總線系統總線33 MHz的的32位數據通路位數據通路8 MHz的的16位數據通路位數據通路ISA EISA標準總線標準總線 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存儲器存儲器4. 多層多層 PCI 總線結構總線結構PCI總線總線2存儲器存儲器橋橋0橋橋4 PCI設備設備橋橋5總線橋總

19、線橋橋橋3橋橋1設備設備橋橋2第一級橋第一級橋第二級橋第二級橋第三級橋第三級橋PCI總線總線4PCI總線總線5PCI總線總線3PCI總線總線1PCI總線總線0存儲器總線存儲器總線 標準總線標準總線CPU當代流行的總線其內部結構如圖北橋南橋一、總線判優控制一、總線判優控制 總線判優控制總線判優控制分布式分布式集中式集中式 主設備主設備(模塊模塊)對總線有對總線有 控制權控制權 從設備從設備(模塊模塊)響應響應 從主設備發來的總線命令從主設備發來的總線命令1. 基本概念基本概念鏈式查詢鏈式查詢計數器定時查詢計數器定時查詢獨立請求方式獨立請求方式2. 鏈式查詢方式鏈式查詢方式總總線線控控制制部部件件

20、I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數據線數據線地址線地址線BS -總線忙總線忙BR-總線請求總線請求BG-總線同意總線同意I/O接口接口1工作過程分析工作過程分析:設備設備N向總線控制器發總線使用請求向總線控制器發總線使用請求 總線控制器檢查總線控制器檢查BS信信號號 若若BS=0 總線控制器發總線控制器發BG信號信號 BG按照設備的物理按照設備的物理連接次序查詢連接次序查詢,直到找到第一個發出直到找到第一個發出BR的設備的設備 置置BS=1. 如果有如果有2個設備都發出了總線使用請求個設備都發出了總線使用請求,此時響應哪一個設備此時響應哪一個設備?離總線控制器近的設

21、備離總線控制器近的設備.優點優點:a. 設備擴充容易。設備擴充容易。b.控制器簡單控制器簡單缺點缺點:a.優先級由設備的物理位置確定，設置不靈活，優先級低的設優先級由設備的物理位置確定，設置不靈活，優先級低的設備很難獲得請求。備很難獲得請求。b.單點故障明顯單點故障明顯c.響應速度慢響應速度慢 0BS -總線忙總線忙BR-總線請求總線請求總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設備地址設備地址3. 計數器定時查詢方式計數器定時查詢方式I/O接口接口1 計數器計數器設備地址設備地址 1工作過程分析工作過程分析:設備設備N向總線控制器

22、發總線使用請求向總線控制器發總線使用請求 總線控制器檢查總線控制器檢查BS信信號號 若若BS=0 計數器開始計數計數器開始計數 當計數值等于發出當計數值等于發出BR請請求的設備號時，設備得到總線使用權求的設備號時，設備得到總線使用權 置置BS=1 設備的優先級別能否改變，若能，則如何改變設備的優先級別能否改變，若能，則如何改變?改變計數器的計數初始值改變計數器的計數初始值.優點優點:a. 不存在單點故障不存在單點故障b.優先級改變靈活優先級改變靈活 ( 如何體現如何體現 ？)缺點缺點:a. 設備擴充較困難設備擴充較困難(增加計數線數量增加計數線數量) ，。b.響應速度較慢響應速度較慢排隊器排隊

23、器排隊器排隊器4. 獨立請求方式獨立請求方式總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意總線同意BR-總線請求總線請求工作過程分析工作過程分析:所有設備通過各自獨立的所有設備通過各自獨立的BR線向控制器發總線使用請求線向控制器發總線使用請求 總總線控制器經過裁決線控制器經過裁決 通過獨立的通過獨立的BG線響應請求線響應請求 設備的優先級如何確定設備的優先級如何確定 ?由控制器中的裁決器按照一定的策略確定由控制器中的裁決器按照一定的策略確定(可編程可編程)優點優點:a. 不存在單點故障不存在單點

24、故障b.優先級改變靈活優先級改變靈活c.響應速度快響應速度快缺點缺點:a. 線數與設備的數量有關，設備擴充較困難。線數與設備的數量有關，設備擴充較困難。b.控制器的設計復雜控制器的設計復雜二、總線通信控制二、總線通信控制1. 目的目的2. 總線傳輸周期總線傳輸周期主模塊申請主模塊申請，總線仲裁決定，總線仲裁決定主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數據交換數據主模塊主模塊 撤銷有關信息撤銷有關信息 申請分配階段申請分配階段尋址階段尋址階段傳數階段傳數階段結束階段結束階段解決通信雙方解決通信雙方 協調配合協調配合 問題問題由由 統一時標統

25、一時標 控制數據傳送控制數據傳送充分充分 挖掘挖掘 系統系統 總線每瞬間總線每瞬間 的的 潛力潛力同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 總線通信的四種方式總線通信的四種方式采用采用 應答方式應答方式，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準同步、異步結合同步、異步結合l實現方式 方式1:總線控制器中設置統一的時鐘系統， 并發給所有部件。 方式2:各部件自配時鐘發生器，但須與中央時鐘同步。(1) 同步式數據輸入同步式數據輸入T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 讀讀命令命令 數據數據(2) 同步式數據輸出同步式數據輸出T1總線傳輸

26、周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令 數據數據例例1 設一個設一個32位的處理器有位的處理器有16位外部數據總線位外部數據總線,時鐘頻率為時鐘頻率為50MHZ,若總線傳輸的最短周期為若總線傳輸的最短周期為4個時鐘周期個時鐘周期,問處理器的最大問處理器的最大數據傳輸率是多少數據傳輸率是多少?若想提高一倍數據傳輸率若想提高一倍數據傳輸率,可采用什么措施可采用什么措施?解解:數據傳輸率即單位時間內數據傳輸率即單位時間內(1秒秒)傳輸的數據量傳輸的數據量 數據傳輸率數據傳輸率= 2B * 50MHz/ 4 = 25MBps要把總線的數據傳輸率提高一倍要把總線的數據傳輸率提高一

27、倍,可采取的方法有三種可采取的方法有三種:1)數據總線的寬度提高到數據總線的寬度提高到32位位,此時此時: 數據傳輸率數據傳輸率= 4B * 50MHz/ 4 = 50MBps2)將總線的時鐘頻率提高到將總線的時鐘頻率提高到100MHZ,此時此時: 數據傳輸率數據傳輸率= 2B * 100MHz/ 4 = 50MBps3)將傳輸的最短時間縮短為將傳輸的最短時間縮短為2個時鐘周期個時鐘周期,此時此時: 數據傳輸率數據傳輸率= 2B * 50MHz/ 2 = 50MBps優點優點:1.1.時序關系簡單，實現簡單，模塊間的配合簡單一致。時序關系簡單，實現簡單，模塊間的配合簡單一致。2.2.規定明確、

28、統一。規定明確、統一。缺點：缺點：1.1.主、從模塊時間配合屬于強制性主、從模塊時間配合屬于強制性“同步同步”2.2.設備速度不一致時按最壞情況確定，傳輸線不能太長設備速度不一致時按最壞情況確定，傳輸線不能太長( (時鐘相移時鐘相移) )，嚴重影響總線工作效率。嚴重影響總線工作效率。3.3.設計有局限性，不靈活設計有局限性，不靈活不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖(3) 異步通信異步通信主設備主設備從設備從設備請請求求回回答答單機單機多機多機網絡通信網絡通信 起止式異步串行通信協議起止式異步串行通信協議面向字符串行、不互鎖方式面向字符串行、不互鎖方式0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1一個字符一個字符或空閑或空閑停止位