一、總線概述總線的基本概念總線的分類總線的組成及性能指標二、總線仲裁集中仲裁方式分布仲裁方式三、總線操作和定時同步定時方式異步定時方式四、總線標準總線2*部件之間的連接方式：

有分散連接和總線連接兩種形式。

分散連接的特點—通信性能好、可擴展性差；總線連接的特點—可擴展性好、易產生通信瓶頸。一、總線的基本概念I/O設備1I/O設備n…CPU主存輸入設備輸出設備(a)分散連接方式(b)總線連接方式…CPU主存*總線定義：

模塊或設備間用于傳輸信息的一組公共信號線?？偩€概述32、按信號線功能分類*數據總線：用于傳輸數據，雙向總線，

數據總線寬度=每次傳送的二進制位數；*地址總線：用于傳輸目標設備及數據地址，單向總線，

地址總線寬度=log2設備及數據地址空間；二、總線的分類*控制總線：用于傳輸過程控制，單向總線，有控制信號線和狀態信號線兩種形式?！?/p>

(主動方發出)(被動方發出)1、按數據傳送方式分類*并行傳輸總線：同時傳送多位二進制數據(多根數據線)；*串行傳輸總線：同時傳送1位二進制數據(1根數據線)?？偩€概述43、按總線功能分類*內部總線：又稱片內總線，用于芯片內/模塊內部件間的信息傳輸，如CPU內部的數據通路；*系統總線：用于系統內各模塊間的信息傳輸，如CPU與主存、I/O模塊之間的總線；*通信總線：又稱外部總線，用于系統間/系統與外部設備間的信息傳輸，如RS-232/485、USB等總線。

總線標準化：

為提高模塊和設備的通用性，系統總線/局部總線/通信總線常采用總線標準形式(如ISA、PCI、USB總線標準等)。

系統總線的發展：

CPU總線—系統內部分模塊間(與CPU直接連接)的總線；局部總線—系統內部分模塊間(不與CPU直接連接)的總線，如I/O模塊與主存之間的總線?？偩€概述5三、總線特性及性能指標1、總線的特性*物理特性：指總線上模塊或設備約定的物理連接方式，包括線寬、線間距離、插頭/插座形狀等。(←總線標準化所需)*功能特性：指按傳輸功能及方式需求，約定的信號線數量、各信號線功能、傳輸方向等；①功能表示(信號線數、作用)②信息表示(邏輯值與電壓值)主動方…被動方…*電氣特性：指信號線上表示邏輯信息的電壓值及功率等；*時間特性：又稱邏輯特性，指傳輸過程中各信號線上信號有效的時長及前后順序關系(時序特性)。地址數據命令與狀態CLK地址線數據線控制線總線概述62、總線性能指標(1)性能參數

*總線寬度：又稱總線位數，指數據總線每次可傳輸的二進制位數(通常1根線對應1位數據)，常用bit表示；

*時鐘同步/異步：同步總線—總線上數據與時鐘同步，

異步總線—總線上數據與時鐘不同步；*總線工作頻率：指同步總線的時鐘頻率，常用MHz表示；

*總線復用：指同一信號線上是否分時傳送2種信號，如地址線/數據線常采用復用方式；*總線工作模式：指總線傳輸過程的傳輸模式(稍后討論)。回下頁總線概述7(2)總線性能指標*最大傳輸率：又稱總線帶寬，指總線上每秒最大可傳輸的數據總量，常用MB/s(或MBps)表示；

最大傳輸率=(總線寬度/8位)×最大傳輸次數/秒

例1—PC總線數據寬度8位、總線工作頻率4MHz，每次總線傳輸需4個總線時鐘；其總線帶寬=(8/8)×(4/4)=1MB/s。

例2—PCI總線數據寬度32位、總線工作頻率33.3MHz，支持突發傳輸模式(連續傳輸時每次傳輸需1個總線時鐘)，其總線帶寬=(32/8)×(33.3/1)=133MB/s。*總線負載能力：指總線上保持邏輯電平在正常范圍內的所能連接的模塊或設備數量，常用個數表示。注—通常不關注該指標(可用相關電路擴展驅動能力)轉上頁總線概述8總線傳輸與控制*相關術語：主設備—能夠發起總線傳輸的模塊/設備；從設備—只能響應總線傳輸的模塊/設備；總線周期—一次總線傳輸的時長。*主要討論內容：①總線周期的操作包含哪些步驟？②有哪些方法確定總線歸某主設備使用？③如何表示傳輸各步驟的開始及結束？④如何提高總線傳輸的功能或性能？回下頁主設備1總線仲裁機構從設備1從設備2主設備2tR11從設備2從設備1主設備2主設備1W12總線周期總線周期W12R11W22R11W229一、總線操作步驟

總線操作步驟通常由4個階段組成。①總線請求與仲裁階段：主設備信號線配置—

各主設備均有“總線請求”及“總線允許”信號線；主設備—有操作需求時，發出“總線請求”信號；總線仲裁機構—根據各“總線請求”信號，確定下個總線周期可使用總線的主設備，向該主設備發出“總線允許”信號；轉上頁主設備1請求主設備2請求總線仲裁機構主設備1允許主設備2允許總線使用者t空閑總線周期仲裁主設備1空閑總線周期仲裁主設備2空閑總線傳輸與控制10②尋址階段：

已獲得總線使用權的主設備—發出目標地址和操作命令;

注：a)已取得—指總線周期開始前就已知道

b)目標地址—包括從設備地址及其數據空間的地址從設備—根據目標地址和操作命令判斷是否為目標設備,

目標設備(一般只有1個)進行操作響應；回下頁t總線周期主設備1響應并啟動發地址x不響應不能使用總線x(主設備1所發)R/W(主設備1所發)總線空閑總線使用者主設備1主設備2從設備x從設備y地址總線控制總線數據總線空閑11③數據傳送階段：主設備—根據操作類型(R或W)，接收或發送數據；目標從設備—根據操作類型(R或W)，發送或接收數據；④結束階段：主設備和從設備—將所控制總線信號恢復為原始狀態。轉上頁t總線周期主設備1響應/啟動發地址x不響應數據傳輸數據傳輸不能使用總線x(主設備1所發)R/W(主設備1所發)Data總線空閑總線使用者主設備1主設備2從設備x從設備y地址總線控制總線數據總線空閑信號恢復信號恢復地址期數據期空閑總線空閑響應/啟動發地址y不響應數據傳輸數據傳輸信號恢復信號恢復不能使用總線y(主設備2所發)R/W(主設備2所發)Data總線周期地址期數據期主設備212二、總線仲裁*仲裁策略：考慮優先級、保證公平性。1、集中式仲裁--通過集中的總線仲裁機構實現(1)菊花鏈查詢方式(又稱串行鏈查詢方式)

*仲裁信號線數量：3根(BR、BG、BS)；*仲裁信號線連接：各主設備的“總線請求”線BRi及“總線忙”線BSi用“線或”方式連接，“總線允許”線BGi串行連接；總線仲裁結構BG主設備0主設備1主設備nBSBRDBABCB注：①BR—總線請求線，BR=∑BRi，有效時表示有總線使用請求；

②BG—總線允許線，BG(i+1)in=BGiout；

③BS—總線忙線，BS=∑BSi，無效時表示總線空閑…回下頁13*仲裁原理：采用輪詢方式進行仲裁總線仲裁機構—

BR=1且BS=0時開始仲裁(使BG=1)，

BS=1時仲裁完成(BSi=1的主設備獲勝)；主設備—被詢問且有請求時獲得下個周期總線使用權，即BSi=BGiin&BRi、BGiout=BGiin&～BRi；*特點：靜態優先級仲裁，某主設備異常將導致BG鏈斷開。轉上頁回下頁∑BRi→

BRBR0BR1BR&BS#→

BGBG→BG0inBG0in&BR0#=BG0out→BG1in∑BSi→

BSBG0in&BR0→BS0BG1in&BR1→BS1總線空閑總線周期總線周期14(2)計數器定時查詢方式(又稱計數器查詢方式)

*仲裁信號線數量：2根(BR、BS)+log2n根(BG)；*仲裁信號線連接：各主設備“設備號”信號線并行連接；*特點：靜態+循環優先級仲裁，某主設備異常不影響仲裁。總線仲裁結構設備號主設備0主設備1主設備nBSBRDBABCB…轉上頁回下頁*仲裁原理：采用定時查詢方式進行仲裁總線仲裁機構—BR=1且BS=0時，開始仲裁(使“設備號”定時、循環變化)，BS=1時仲裁結束(BSi=1的主設備獲勝)；└→響應延遲主設備—有請求且設備ID=“設備號”時獲得總線使用權，即BSi=BRi&(設備ID=“設備號”信號?)；15(3)獨立請求方式

*仲裁信號線數量：2n根(BR、BG)；*仲裁信號線連接：各主設備的BRi及BGi線獨立連接；轉上頁總線仲裁結構主設備0主設備1主設備nBRnBGnDBABCBBR1BG1BR0BG0……*仲裁原理：

總線仲裁機構—

仲裁時機：∑BRi=1、總線空閑/總線周期結束前，仲裁算法：可為考慮優先級、公平性的算法，

仲裁延遲：固定延遲(不需要主設備參加)；主設備—不參與仲裁；回下頁16*特點：動態優先級仲裁，算法靈活性大；

仲裁不需要設備參與，仲裁速度快。└→現在均采用獨立請求仲裁方式！主設備1請求主設備2請求總線仲裁機構主設備1允許主設備2允許總線使用者t空閑總線周期主設備2仲裁主設備1仲裁總線周期仲裁總線周期主設備1仲裁注：①總線仲裁可與總線周期重疊(因總線周期、仲裁延遲時長固定)；②總線仲裁機構需偵測總線狀態(與各設備間無BS線)。轉上頁17回下頁回22頁三、總線定時

指主從設備間傳輸過程的時間及控制方法，又稱傳輸協議。*協議種類：同步、異步、半同步、分離式1、同步方式協議*信號線需求：“時鐘”信號線CLK(用于操作控制及定時)*協議原理：

①主從設備傳輸過程的步驟約定以CLK為單位(控制)；②主從設備必須在1個CLK內完成約定的動作(定時)。*協議特點：要求各設備速度相近、距離短(否則有漂移)。CLK地址線數據線讀操作線地址T1T2T3T4CLK地址線數據線寫操作線地址T1T2T3T4數據數據182、異步方式協議(又稱應答協議或握手協議)*信號線需求：“請求”信號線REQ、“應答”信號線ACK；*協議原理：傳輸過程的下一步驟在雙方同意時進行。

協議步驟—請求、響應、撤消請求、撤消響應4個階段；轉上頁回下頁讀操作例—地址數據地址線Addr命令線Read請求線REQ數據線Data應答線ACK下一個總線周期(主設備)請求線REQ

(從設備)應答線ACK請求響應撤消請求撤消響應

注：①請求條件—從設備準備好(空閑)、主設備有傳輸需求時；②響應階段—指從設備接收到命令及地址后，內部數據操作延遲；③撤消請求—指主設備接收ACK延遲及(讀操作)接收數據延遲；④傳輸結束標志—指主從設備自身控制信號已撤消為標志。19*協議子類型：全互鎖、半互鎖、不互鎖方式；*協議特點：對設備速度、距離無要求，但傳輸周期長；如何減少握手次數？←┘轉上頁(主設備)請求

(從設備)應答*(a)全互鎖方式請求

應答*①(b)半互鎖方式注：①--從設備估計的主設備接收延遲(傳輸及主設備接收數據延遲)；請求

應答②①*(c)不互鎖方式

②--主設備估計的從設備響應延遲(傳輸及從設備處理數據延遲)；*--主設備撤消請求信號后可進行其它工作(如CPU進行REG間操作)，主設備觀察到響應信號無效時方可進行下次傳輸。20五、總線標準

指設備與總線連接及傳輸時，應遵守的協議與規范。不同時期流行的總線標準不同，總線標準與器件技術有關。1、ISA總線標準

--IndusryStandardArchitecture

兼容并擴展了PC總線(20位A及8位D)的一種總線標準。*特性：24根地址線、16根與地址分時復用的數據線；支持半同步方式傳輸，CLK≤8MHz；支持常規讀寫、塊傳輸及特殊操作模式。CLKA23～A16AD15～AD0MEM/IO讀地址T1T2T3T4數據地址CLKA23～A16AD15～AD0MEM/IO寫地址T1T2T3T4數據地址回下頁212、PCI總線標準--PeripheralComponentInterconnect*特性：32根分時復用的地址/數據線(可擴展至64根)；采用半同步方式傳輸，CLK≤66MHz；支持多主設備的常規、特殊及塊傳輸模式。地址2數據2CLK幀周期線地址線讀操作線主設備就緒數據線從設備就緒數據3數據4數據5注：①塊傳輸周期長度由“幀周期”信號決定；②設備內部不停地將首地址遞增/遞減。轉上頁△總線標準的發展趨勢：交換機式的點-點互連總線標準，如USB、PCI-Express、InfiniBand等。22總線互連結構一、總線互連結構1、單總線結構*單總線結構：系統中只有一種總線的互連結構。└→指總線標準*系統總線定義：系統中各模塊間相互連接的總線。*特征：控制簡單、可擴展性強；但傳輸性能較差(最慢部件的傳輸性能)?；叵马揅PUMEM顯卡SystemBus早期(如PC/XT)的單總線結構注—擴展總線與系統總線為同一總線標準，僅所在位置不同I/OI/OCPUMEM顯卡…SystemBusI/OI/O擴展總線接口I/O插槽I/O插槽擴展總線……232、多總線結構*提高傳輸性能的方法：MEMCPU顯卡集成外圍控制器擴展總線接口…IO插槽IO插槽SystemBus②采用多總線結構，不同速度模塊連接到不同總線上；③改變I/O方式，使MEM可與IO模塊直接通信。注：①系統以MEM為核心，多數模塊均需要與MEM通信；②中斷控制器為從設備，是中斷傳送方式的中斷請求管理機構；

③DMA控制器是主設備，直接控制MEM與I/O模塊間的數據傳送。MEMCPU顯卡中斷控制器磁盤控制器音頻部件DMA控制器…擴展總線接口……SystemBus轉上頁①采用集成電路技術，關聯模塊盡量集成在同一芯片中

└→模塊間傳輸不受總線標準限制24*多總線結構：系統中有兩種(及以上)總線的互連結構；└→總線標準、總線性能不同不同總線間通過“橋”進行連接。(1)雙總線結構增加MEM總線(→CPU訪存性能有較大提高)；*系統內總線命名：常稱為CPU總線及局部總線。└→常用總線標準命名MEMCPU顯卡集成外圍控制器擴展總線接口…IO插槽IO插槽SystemBusMEMBus雙總線模型圖MEMCPU顯卡集成外圍控制器擴展總線接口…IO插槽IO插槽局部BusCPUBus雙總線結構圖(如80386微機)Bridge*“橋”的作用：①所連上級總線的操作傳遞機構；②所連下級總線的操作控制結構(總線控制器).回下頁25(2)三總線結構再增加I/O總線(→進一步提高訪問IO設備的速度)；*系統內總線命名：有CPU總線、局部總線及IO總線3種。ME