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1、总线的概念和结构形态总线接口总线仲裁、定时和数据传送模式PCI总线ISA总线和Futurebus+总线第六章总线系统(BusSystem)11概念概念是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件能部件（运算器、控制器、存储器、输入（运算器、控制器、存储器、输入输出设输出设备）备）之间进行数据传送的公共通路之间进行数据传送的公共通路。6.1.16.1.1总线（总线（BUSBUS）的基本概念）的基本概念6.1总线的概念和结构形态总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结构、技术和性能都直接影响着计算机系统的性能和构、技
2、术和性能都直接影响着计算机系统的性能和效率。效率。由传输信息的由传输信息的电路电路和管理信息传输的和管理信息传输的协议协议组成组成。22总线分类总线分类（11）内部总线内部总线：CPUCPU内部内部连接各寄存器及运连接各寄存器及运算部件之间的总线算部件之间的总线。（22）系统总线系统总线：CPUCPU同同计算机系统的其他计算机系统的其他高高速功能部件速功能部件(存储器、通道等存储器、通道等)间互相连接的总间互相连接的总线线。（33）IOIO总线总线：中、低速中、低速I0I0设备间设备间互相连接互相连接的总线的总线。注注：在任何时刻，只可以有在任何时刻，只可以有一个部件一个部件向总线上向总线上发
3、送信息发送信息，但却可以，但却可以有一个或多个部件有一个或多个部件同时同时接接收信息收信息。33总线结构总线结构组成组成：连接设备的信号线，即：连接设备的信号线，即总线通道总线通道；总线上总线上的设备的设备；管理总线的部件，即；管理总线的部件，即总线控制器总线控制器。(1)(1)总线通道总线通道按照信号类型可分为按照信号类型可分为数据总线数据总线、控制总线控制总线和和地地址总线址总线。只是逻辑上的划分只是逻辑上的划分。数据总线宽度是决定连接到总线上的设备可能数据总线宽度是决定连接到总线上的设备可能获得的最大性能的决定因素之一，也是影响系统性获得的最大性能的决定因素之一，也是影响系统性能的关键因
4、素之一。能的关键因素之一。地址总线是标明发送或接收数据的设备编号信号地址总线是标明发送或接收数据的设备编号信号线。其宽度决定了总线上连接设备的能力。线。其宽度决定了总线上连接设备的能力。控制总线用于控制总线设备对数据线和地址线的使控制总线用于控制总线设备对数据线和地址线的使用。用。(2)(2)总线上的设备总线上的设备主设备主设备(Master)(Master)和和从设备从设备(Slave)(Slave)。主设备能够申请总线使用权，而从设备不具有总线主设备能够申请总线使用权，而从设备不具有总线使用权。使用权。(3)(3)总线接口总线接口是连接功能部件和总线的桥梁，它完成功能部件的是连接功能部件和
5、总线的桥梁，它完成功能部件的信号和总线信号之间的协调和转换，因此具有对总线信号和总线信号之间的协调和转换，因此具有对总线和设备两个方面的工作。和设备两个方面的工作。控制信号主要完成设备之间进行信息交换时的控制信号主要完成设备之间进行信息交换时的定时和命令定时和命令。其中。其中定时信号标明有效地址和数据出定时信号标明有效地址和数据出现在总线上的时间现在总线上的时间。命令信号定义总线上所要完成命令信号定义总线上所要完成的操作的操作。44总线连接的主要优点总线连接的主要优点(1)(1)多个部件之间采用总线连接方式，可大大多个部件之间采用总线连接方式，可大大降低降低部件间互连的部件间互连的复杂性复杂性
6、，大幅度，大幅度减少连线减少连线数数量。量。(2)(2)由于多个部件之间连接的多个控制接口变由于多个部件之间连接的多个控制接口变成了每个部件与总线间的一个连接接口，连接成了每个部件与总线间的一个连接接口，连接接口的接口的器材量器材量大幅度大幅度减少减少。(3)(3)如果设备之间没有或者很少有多个部件同如果设备之间没有或者很少有多个部件同时进行信息交换，采用总线方式连接这些部时进行信息交换，采用总线方式连接这些部件可件可有效发挥总线连接的优点有效发挥总线连接的优点。55总线特性总线特性物理特性物理特性：总线的物理连接方式总线的物理连接方式，包括总，包括总线的线的根数根数、总线的、总线的插头插头、
7、插座形状插座形状、引脚线引脚线排列方式排列方式等等。电气特性电气特性：定义每一根线上信号的定义每一根线上信号的传递方传递方向向及及有效电平范围有效电平范围。一般规定送入。一般规定送入CPUCPU的的信号叫信号叫输入输入信号、从信号、从CPUCPU发出的信号叫发出的信号叫输输出出信号信号。时间特性时间特性：定义每根线在什么时间有效，定义每根线在什么时间有效，即即规定总线上各信号有效的时序关系规定总线上各信号有效的时序关系。功能特性功能特性：描述总线中每一根线的描述总线中每一根线的功能功能。微型计算机系统总线的标准化微型计算机系统总线的标准化：ISAISA（1616位，位，8MBS8MBS）EIS
8、AEISA（3232位，位，33.3MBS33.3MBS）VESAVESA（3232位，位，132MBS132MBS）PCIPCI（6464位，位，100MHz100MHz）66总线的标准化总线的标准化标准化组织标准化组织IEEEIEEE美国电器与电子工业协会美国电器与电子工业协会IECIEC国际电工委员会国际电工委员会ITUITU国际电信联盟国际电信联盟ANSIANSI美国国家标准协会美国国家标准协会800MBS800MBS总线宽度；总线控制方式；时钟模式；总线复用；信号线数；总线带宽；其它标准：如总线负载能力，电源电压等。77衡量总线性能的指标：衡量总线性能的指标：总线带宽总线带宽：总线本
9、身所能达到的最高传输速率总线本身所能达到的最高传输速率，单位：单位：MBSMBS。影响总线带宽的因素影响总线带宽的因素：()总线布线长度总线布线长度；()总线驱动器总线驱动器接受器性能接受器性能；()连接在总线上的模块数连接在总线上的模块数；例：例：11某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送44个字节的数据，个字节的数据，假如一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为假如一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz33MHz，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？22如果一个总线周期中并行传如果一个总线周期中并行传送送6464位数据，总线时钟频率升为位数据
10、，总线时钟频率升为66MHz66MHz，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？解解：11设总线带宽用设总线带宽用DDrr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1fT=1f表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用DD来表示来表示，则：，则：DDrr=DT=Df=4B3310=DT=Df=4B331066=132MBs=132MBs264位=8BDr=DT=Df=8B66106=528MBs特点特点：使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、主、主存和存和IOIO设备设备。要求要求：连到总线上的逻辑部件必须高速运行。连到总线上的逻辑部件必须高速
11、运行。单总线系统中，对输入单总线系统中，对输入输出设备的操作，完全输出设备的操作，完全和主存的操作方法一样来处理。和主存的操作方法一样来处理。某些外围设备也可以指定地址。此时外围设备通某些外围设备也可以指定地址。此时外围设备通过与过与CPUCPU中的控制部件交换信息的方式占有总线。中的控制部件交换信息的方式占有总线。6.1.26.1.2总线的连接方式总线的连接方式1.1.单总线结构单总线结构在在CPUCPU和主存之间专门设置了一组高速的存储和主存之间专门设置了一组高速的存储总线总线，使，使CPUCPU通过专用总线与内存交换信息，减通过专用总线与内存交换信息，减轻了系统总线负担；同时内存与外设之
12、间仍使用轻了系统总线负担；同时内存与外设之间仍使用系统总线实现系统总线实现DMADMA操作，而不必经过操作，而不必经过CPUCPU。注注：以增加硬件为代价。：以增加硬件为代价。2.2.双总线结构双总线结构3.3.三总线结构三总线结构通道通道(Channel)(Channel)是一台具有特殊功能的处理器是一台具有特殊功能的处理器(IOP)(IOP)，分担了一部分，分担了一部分CPUCPU的功能，以的功能，以实现对外设的实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送统一管理及外设与主存之间的数据传送，提高了，提高了CPUCPU的效率，但以花费更多的硬件为代价。的效率，但以花费更多的硬件为代价。在双
13、总线的基础上增加了在双总线的基础上增加了IOIO总线形成的总线形成的。其中。其中系统总线是系统总线是CPUCPU、主存和通道、主存和通道(IOP)(IOP)之间进行数据传之间进行数据传送的公共通路；而送的公共通路；而IOIO总线是多个外部设备与通道进总线是多个外部设备与通道进行数据传送的公共通路行数据传送的公共通路。最大存储容量最大存储容量：单总线系统中，必须为外围单总线系统中，必须为外围设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算机设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算机字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存储字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存储容量不受外围设备多少的影响容量不受外围设
14、备多少的影响。指令系统指令系统：双总线系统中对存储总线和系统双总线系统中对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统中总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统中对内存和外设采用相同的指令，不同之处仅在于对内存和外设采用相同的指令，不同之处仅在于使用不同的地址使用不同的地址。吞吐量吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息的指流入、处理和流出系统的信息的速率速率。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。6.1.36.1.3总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响6.1.46.1.4总线的内部结构总线的内部结构缺点缺点：11）CPUCPU是
15、总线的唯一主控者；是总线的唯一主控者；22）总线结构紧密与）总线结构紧密与CPUCPU相关，通用性差。相关，通用性差。数据传送总线数据传送总线：由由地址线地址线、数据线数据线、控制线控制线组成；为减少布线，数据线和地址线常采用多路组成；为减少布线，数据线和地址线常采用多路复用方式。复用方式。仲裁总线仲裁总线：总线总线请求线请求线和总线和总线授权线授权线。中断和同步总线中断和同步总线：用于处理带优先级的中断用于处理带优先级的中断操作，包括操作，包括中断请求线中断请求线和和中断认可线中断认可线。公用线公用线：包括包括时钟信号线时钟信号线、电源线电源线、地线地线、系统复位线系统复位线以及加电或断电的
16、以及加电或断电的时序信号线时序信号线等等。当代总线划分当代总线划分：分层次多总线结构分层次多总线结构优点优点：不仅解决总线负载过重，而且使总线设计简不仅解决总线负载过重，而且使总线设计简单，并能充分发挥每类总线的效能单，并能充分发挥每类总线的效能。PentiumPentium的总线的总线：三层次的多总线结构三层次的多总线结构。6.1.56.1.5总线结构实例总线结构实例CPUPCIISA北桥南桥CPUCPU总线总线CPU-CPU-存储器总线存储器总线，6464位数据线位数据线+32+32位地位地址线的同步总线，总线时钟频率址线的同步总线，总线时钟频率66.6MHz(60MHz)66.6MHz(60MHz)，总线上还有一个，总线上还有一个L2L2级级cachecache，由主存控制器和，由主存控制器和cach
