第３章系統總線3.1總線的基本概念3.2總線的分類3.3總線特性及性能指標3.4總線結構3.5總線控制教學內容重點：有關總線的基本概念如何克服總線的瓶頸如何對總線進行管理，包括判優控制和通信控制難點：

總線的通信控制，既要解決通信雙方如何獲知傳輸的開始和結束，又要使通信雙方按規定的協議互相協調來完成通信任務。

3.1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部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質。串行并行隨著計算機的發展，應用領域的不斷擴大，I/O設備的種類和數量也越來越多。人們希望隨時增添或減撤設備，用分散連接簡直是一籌莫展，由此出現了總線連接。注意：某一個時刻，只允許一個部件向總線發送信息，而多個部件可以同時從總線上接收相同的信息。四、總線結構的計算機舉例（P42）1.面向CPU的雙總線結構框圖

中央處理器CPUI/O總線M總線主存

I/O接口

I/O設備1

I/O設備2……I/O接口I/O接口

I/O設備n特點：便于增減外設，但I/O設備與主存交換信息時仍要占用CPU，影響CPU工作效率。單總線（系統總線）2.單總線結構框圖CPU

主存

I/O接口

I/O設備1

I/O

設備2

I/O接口…

I/O

設備nI/O接口…特點：I/O設備與主存交換信息時，原則上不影響CPU的工作，CPU仍可繼續處理不訪問主存或I/O設備的操作，CPU效率有所提高，但某一時刻各部件都要占用總線時，就會沖突。要設總線判優邏輯，影響整機的速度。3.以存儲器為中心的雙總線結構框圖系統總線

主存CPUI/O接口

I/O

設備1…

I/O

設備nI/O接口…存儲總線現代計算機大多數采用此總線結構特點：保留了I/O設備與存儲器交換信息時不經過CPU特點，因為增加了快速的存儲總線，提高了傳輸效率，減輕了系統總線的負擔。一.按數據傳送方式并行傳輸總線、串行傳輸總線二.按總線使用范圍劃分計算機（包括外設）總線、測控總線、網絡通信總線等三.按連接部件不同劃分

3.2總線的分類1.片內總線2.系統總線芯片內部

的總線數據總線地址總線控制總線雙向與機器字長、存儲字長有關單向與存儲地址、I/O地址有關有出有入計算機各部件之間

的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求CPU芯片內部、Register－Register、R－ALUCPU、主存、I/O設備之間（板級總線或板間總線）3.通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式

用于計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如控制儀表、移動通信等）之間的通信。注意：由低位向高位逐位傳送。特點：串行－遠距離，代價低（或借助電話網），并行－近距離（<30m）,代價高。3.3總線特性及性能指標CPU

插板主存

插板I/O

插板一、總線物理實現BUS主板由許多導線直接印刷在電路板上，延伸到各個部件1.機械特性2.電氣特性3.功能特性4.時間特性二、總線特性尺寸、形狀、管腳數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信號的時序

關系地址數據控制確保電氣上正確連接保證機械上可靠連接保證正確連接不同部件三、總線的性能指標（P46）1.總線寬度2.標準傳輸率3.時鐘同步/異步4.總線復用5.信號線數6.總線控制方式7.其他指標數據線的根數每秒傳輸的最大字節數（MBps）總線上的數據與時鐘是同步、還是不同步。一條信息線上分時傳送兩種信息。如：地址線

與數據線

復用地址線、數據線和控制線三種總線數的總和負載能力并發、自動、仲裁、邏輯、計數P47表3.1幾種流行的微型計算機總線性能總線帶寬（又稱總線的數據傳輸速率）

單位時間內總線上傳輸數據的位數，通常以每秒傳輸信息的字節數來衡量，單位：MBps(兆字節每秒)。例：總線工作頻率為33MHz,總線寬度32位則總線帶寬為33(328）=132MBps(1/33M:32/8B=1s:xx=132MBps)ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊系統總線標準

四、總線標準系統模塊標準界面為了使系統設計簡化，模塊生產批量化，確保其性能穩定，質量可靠，實現可移化，便于維護等，人們開始研究如何使總線建立標準，在總線的統一標準下，完成系統設計，模塊制作。這樣，系統、模塊、設備與總線之間不適應、不通用及不匹配的問題就迎刃而解了。通用接口：按總線標準設計的接口。總線標準：國標上公布或推薦的互聯的各個模塊的標準，各種不同模塊組成的計算機系統時必須遵守的規范。

總線標準可視為系統與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標準界面。總線標準數據線總線時鐘帶寬ISA168MHz（獨立）33MBpsEISA328MHz（獨立）33MBpsVESA(VL-BUS)3232MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（獨立）64MHz（獨立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（獨立）133MHz（獨立）266MBps533MBpsRS-232串行通信總線標準數據終端設備（計算機）和數據通信設備（調制解調器）之間的標準接口USB串行接口總線標準普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)

幾種流行的總線標準支持即插即用注意：總線標準英文單詞全稱拼寫！！！***PCIExpress***

PCIExpress是新一代的總線接口。早在2001年的春季，英特爾公司就提出了要用新一代的技術取代PCI總線和多種芯片的內部連接，并稱之為第三代I/O總線技術。在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在內的20多家業界主導公司開始起草新技術的規范，并在2002年完成，對其正式命名為PCIExpress。它采用了目前業內流行的點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。（PCIExpress插槽（黃和綠色）

）3.4總線結構(P52)一、單總線結構單總線（系統總線）CPU

主存I/O接口

I/O

設備1

I/O

設備2I/O接口…

I/O

設備nI/O接口…1.雙總線結構具有特殊功能的處理器，由通道對I/O統一管理通道I/O接口

設備n

……I/O接口

設備0

CPU主存主存總線I/O總線二、多總線結構特點：CPU把一部分功能下放給通道，另外，將速度較低的I/O設備從單總線上分離出來。2.三總線結構主存總線DMA總線I/O總線CPU

主存設備1設備n高速外設I/O接口I/O接口I/O接口……注意：任何時刻只能使用一種總線，主存總線與DMA總線不能同時對主存進行存取，I/O總線只有在CPU執行I/O指令時才能用到。3.三總線結構的另一種形式局域網系統總線CPUCache局部總線擴展總線接口擴展總線Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存4.四總線結構多媒體Modem主存擴展總線接口局域網SCSICPU串行接口FAX系統總線局部總線高速總線擴展總線圖形Cache/橋1.傳統微型機總線結構三、總線結構舉例存儲器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA

8MHz的16位數據通路標準總線控制器33MHz的32位數據通路系統總線多媒體高速局域網高性能圖形CPU……Modem2.VL-BUS局部總線結構33MHz的32位數據通路系統總線ISA、EISA多媒體高速局域網高性能圖形圖文傳真8MHz的16位數據通路標準總線

控制器CPU主存控制器存儲器局部總線

控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……Modem3.PCI總線結構CPU多媒體PCI橋高速局域網高性能圖形圖文傳真PCI總線系統總線33MHz的32位數據通路8MHz的16位數據通路ISA、EISA標準總線

控制器SCSIⅡ

控制器存儲器Modem4.多層PCI總線結構PCI總線2存儲器橋0橋4PCI設備橋5總線橋橋3橋1設備橋2第一級橋第二級橋第三級橋PCI總線4PCI總線5PCI總線3PCI總線1PCI總線0存儲器總線

標準總線CPU3.5總線控制(P57)一、總線判優控制

總線判優控制分布式集中式主設備(模塊)對總線有

控制權

從設備(模塊)響應

從主設備發來的總線命令1.基本概念鏈式查詢計數器定時查詢獨立請求方式

由于總線上連接著多個部件，什么時候由哪個部件發送信息，如何給信息傳送定時，如何防止信息丟失，如何避免多個部件同時發送、如何規定接收信息的部件等一系列問題都需要由總線控制器統一管理。它主要包括判優控制和通信控制。2.鏈式查詢方式總線控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數據線地址線BS

－總線忙BR－總線請求BG－總線同意I/O接口1特點：離總線控制部件最近的設備具有最高的優先級。只需很少幾根線（3根）就按一定優先次序實現總線控制，且易擴充設備，但對電路敏感，且優先級低的設備可能很難獲得請求。0BS

－總線忙BR－總線請求總線控制部件數據線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設備地址3.計數器定時查詢方式I/O接口1

計數器設備地址1特點：當某個請求占用總線的設備地址與計數值一致時，便獲得總線使用權，此時終止計數查詢。特點：優先次序可以改變（可由程序設置初始的計數值），電路故障不如鏈式查詢方式敏感，但增加的控制線（設備地址線），控制較復雜（log2n根）。排隊器排隊器4.獨立請求方式總線控制部件數據線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG－總線同意BR－總線請求特點：響應速度快，優先次序控制靈活（通過程序改變），但控制線數量多（2n根），總線控制復雜。二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期（總線周期：完成一次總線操作的時間）主模塊申請，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據主模塊撤消有關信息申請分配階段尋址階段傳數階段結束階段解決通信雙方如何獲知傳輸開始和結束，如何協調配合問題由統一時標

控制數據傳送充分挖掘系統總線每個瞬間的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線通信的四種方式采用應答方式

，沒有公共時鐘標準同步、異步結合

讀命令(1)同步式數據輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址數據外設->CPU傳輸數據數據同步式數據輸出T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址

寫命令CPU傳輸數據->外設同步通信的優、缺點優點：規定明確、統一，模塊間的配合簡單一致。缺點：主、從模塊時間配合屬于強制性“同步”，必須按最慢的部件來設置公共時鐘，嚴重影響了總線的工作效率，設計帶來局限性，缺乏靈活性。(P61)例3.1假設總線的時鐘頻率為100MHz，總線的傳輸周期為4個時鐘周期，總線的寬度為32位，試求總線的數據傳輸率。若想提高一倍數據傳輸率，可采取什么措施？

解：(1)根據總線時鐘頻率為100MHz，得1個時鐘周期為1/100MHz=0.01μs總線傳輸周期為0.01μs×4=0.04μs由于總線的寬度為32位=4B（字節）故總線的數據傳輸率為4B/（0.04μs）=100MBps

(1/100M*4:32/8Ｂ＝１s:xx=100MBps)(2)若想提高一倍數據傳輸率，可以在不改變總線時鐘頻率的前提下，使數據線寬度改為64位，也可以仍保持數據寬度為32位，但使總線的時鐘頻率增加到200MHz。不互鎖半互鎖全互鎖(2)異步通信主設備從設備請求回答異步通信中的相關概念異步通信：可用于并行或串行傳送。異步并行：使用“Ready”和“Strobe”聯絡信號。異步串行：沒有同步時鐘，也不需要在數據傳送過程中傳送同步信號。為了確認被傳送的字符，約定字符格式為：

1個起始位（低電平），5－8個數據位，1個奇偶校驗位、1或1.5或2個終止位（高電平）傳送時起始位后面緊跟要傳送字符的最低位，每個字符結束是一個高電平的終止位。起始位至終止位構成1幀。兩幀之間的間隔可以是任意長度的。異步串行通信的數據傳輸速率用波特率來衡量。波特率：單位時間內傳送二進制數據的位數，用bps(位/秒)表示，記作波特。P62例3.2在異步串行傳輸系統中，假設每秒傳輸120個數據幀，其字符格式規定包含1個起始位，7個數據位，1個奇校驗位，1個終止位，試計算波特率。

解：根據題目給出的字符格式，一幀包含1+7+1+1=10位故波特率為（1+7+1+1）×120=1200bps=1200波特例3.3畫圖說明用異步串行傳輸方式發送8位二進制數據（十六進制表示為95H）。要求字符格式為：1位起始位，8位數據位，1位偶校驗位，1位終止位。解：異步串行傳送在起始位之后傳輸的是數據位的最低位（95H的最低位D0=1），而且數據位的最高位（95H的最高位D7=1）傳輸之后傳輸校驗位，最后是終止位。數據95H的偶校驗位為0，其波形圖如P63圖3.20所示。例3.4在異步串行傳輸系統中，若字符格式為：1位起始位，8位數據位，1位奇校驗位，1位終止位，假設波特率為1200bps，求這時的比特率。

解：根據題目給出的字符格式，有效數據位為8位，而傳送一個字符需:1+8+1+1=11