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1、第四章 总线技术,4.1 总线概述,4.5 常用的总线标准,4.3 总线结构,4.2 总线控制,4.4 总线的性能指标,4.1 总线概述,一、为什么要用总线,机内部件间互连方式：分散连接与总线连接,早期：分散连接,以运算器为核心，内部连线复杂，尤其是当I/O与存储器交换信息时，都需要经过运算器，严重影响CPU的工作效率。,采用存储器为核心的分散连接结构，虽采用中断、DMA等技术，仍无法解决I/0设备与主机之间连接的灵活性。,目前：总线连接,二.总线及其技术特点,1、总线：是计算机系统中各部件之间的公共的信息传递通道。,2、技术特点1）使系统中的连线大大减少，可靠性高 2）便于硬件和软件的标准化
2、，便于接口设计3）易于系统模块化，可替换性好4）便于维修，即可维护性好5）任意时刻只有一个源发送（主设备），可由多个部件接收（从设备）6）有仲裁机制7）缺点：传输率受带宽限制，且总线一旦故障，整个系统将瘫痪,注意：总线一般由传输线、接口和总线控制器组成，因此不能把总线理解为单纯的连接线。传输线包括信息线、电源线、地线等。由于总线与其上所挂的部件是物理相连的，但是从逻辑上有输入、输出、断开三种状态，所以总线上的部件需要通过由一些三态门和缓冲寄存器组成的接口与总线连接 。,三.总线的分类从不同角度有不同的分法,1、从信息传输的方向性上分,2、从传输信息的类型上分（从功能上分）,3、从信息传送形式上
3、分,1）片内总线：指处理器芯片内部的总线，CPU内寄存器之间和寄存器与运算器之间的数据传输。 2）系统总线：计算机系统主板上的总线。指CPU、主存、I/O设备各功能部件之间，或各插件板之间互连的总线。（内总线、底板总线、板级总线）,4.从层次位置上分,3)通信（或设备）总线：,指计算机系统之间或计算机与其他系统（设备）之间的总线。（外总线）,4）局部总线：,在系统总线之外，为两个以上模块提供的高速传输信息的通道。局部总线的产生有两种情况：一是在多主系统中为减轻系统总线的负载；二是在单主设备系统中为满足高速外设与CPU之间的数据传输率。,4.2 总线控制,一、总线控制的功能和特点 1、总线控制就
4、是管理总线的使用，包括总线上设备的管理和设备使用总线的过程管理。具体功能如下：2、特点：总线控制的功能由总线控制器来完成。而总线控制器在实现技术上并不一定存在一个独立的控制器模块。它的功能可能分布在总线的各个部件或设备上。,总线资源的管理,资源：存储空间、I/O空间、中断、通道,管理：资源分配、冲突判定、设备选择、启动、复位,总线仲裁 总线定时（通信控制） 总线连接，实现不同总线协议之间的转换,二、总线仲裁（总线判优）1、总线设备分类,控制能力,总线主设备：对总线具有控制能力，信息传送的发起者,总线从设备：没有总线控制权，只能响应总线命令,信息传送,总线源设备总线目标设备,访问控制,存储器设备
5、I/O设备,2、总线仲裁方式的分类 从不同角度有不同的分类方法,从仲裁电路结构,串行仲裁并行仲裁,优先排队策略,固定优先级动态优先级,仲裁电路分布,集中仲裁分布仲裁,设备状态,设备请求方式 主动控制器查询方式 被动 “请求查询应答”,3、集中仲裁的方式和特点,1）链式查询：通过一条判优链路（优先链）对所有主设备逐个串行进行查询。,查询方法：从离总线控制部件最近的设备开始查起。首先查到的一定是所有提出请求的设备中优先权最高的一个。查到最高优请求设备后，该设备通过总线忙信号BS卡断判优链路，从而占用总线。当操作结束后，该设备要及时释放总线，此时总线控制部件可以继续对其他请求设备进行判优。,链式查询
6、特点： 结构简单，易于扩充设备 对电路故障很敏感 优先级固定,2）计数器定时查询：,查询方法：查询开始，计数器计数。每计一次数，就将 计数值作为设备地址发往各个设备。每个申请总线的设备对地址进行识别，地址符合的设备获得总线控制权，停止计数。优先级设定：由计数初值决定最高优先级，3种方法。a.查询时计数器从0开始计数，即0号设备的优先级最高；b.查询时计数器从上一次查询的终止点开始计数，则终止点优先级最高。此时优先级是循环的；c.计数初值由程序设定，此时优先级可编程改变。 计数器定时查询特点： 软件查询、优先级控制方式灵活。（固定、动态改变） 对电路故障不敏感 控制较复杂。（增加设备地址线）,3
7、)独立请求方式：,判优方法：每一个设备专门有一根BR线和BG线，各自通过独立的请求线向总线控制部件发请求，总线控制器里设置并行排队线路，同时接收各设备发来的请求信号并同时进行排队判优，然后通过各自独立的回答线发出总线同意信号。,独立请求方式特点： 响应速度快 优先级控制灵活 控制更复杂,三、总线通信控制,1. 目的,2. 总线传输周期,主模块申请，总线仲裁决定,主模块向从模块 给出地址 和 命令,主模块和从模块 交换数据,主模块 撤销有关信息,解决通信双方 协调配合 问题,由 统一时钟信号 控制数据传送,充分 挖掘 系统 总线每瞬间 的 潜力,3. 总线通信的四种方式,采用 应答方式，没有公共
8、时钟标准,同步、异步结合,1）同步通信：,总线周期的概念：一次完整的总线传送操作所需时间称为总线周期。总线周期的基本类型:内存读 内存写 外设读 外设写总线周期：由一次地址传送时间和一次数据传送时 间组成 。 总线上数据的读/写方向是相对于主模块而言的，即： 读：由从模块发送，主模块接收。即从主模块的角度看是 读入（接收）；写：由主模块发送，从模块接收。即从主模块的角度看是 向对方写（发送）。,同步式数据输入,同步式数据输出,同步通信的时间分配：一个总线周期中分配的时钟个数是固定的，每个时钟的用途对于任一模块都是一样的，不管模块的操作速度是否一致，所有总线周期的时间是一致的（设计时必须按最慢的
9、模块、最长的距离来安排公共时钟周期时间）。 特点：控制简单；灵活性差；当系统中各部件速度差异较大时，严重影响总线 工作效率；适合于短距离、各部件速度较接近的场合。,2)异步通信：异步通信是和同步通信完全对立的通信方式，通信双方无统一的时钟标准来控制数据的传送过程，各部件可按各自所需的实际时间使用总线。时间配合：主/从部件间采用应答（握手）方式建立联系，因此，主/从模块间要增加两条应答信号线。特点：总线周期的长短可随主/从模块的实际工作时间变化，因而当系统中各部件速度差异较大时，总线工作效率比同步通信高得多，但控制比较复杂，比同步通信难以实现。,异步通信根据应答信号配合的完善程度，常分为三种类型
10、：,不互锁,半互锁,全互锁,异步通信即可以用于并行传送也可以用于串行传送。,特点：按字或字节各位同时传送；按应答方式进行联系。,异步串行方式：,特点：按位串行传送；按应答方式进行联系。这种方式要求数据格式中设置同步信息。异步串行数据格式如下：,CPU,I/O 接口,I/O 设备,数据总线,地址总线,控制总线,二进制位,Ready,Strobe,异步串行通信的数据传输率可以用波特率和比特率来衡量,波特率单位时间内传送二进制数据的位数，单位：bps 比特率单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位：bps,例4.1.在异步串行传输系统中，若字符格式为：1个起始位、7个数据位、1个奇校验位、1个终止位
11、。假设每秒传输120个数据帧，试计算波特率及比特率。,解：由题意知，一帧包括 1+7+1+110位所以波特率为（1+7+1+1）1201200bps一帧中的有效数据位为7位所以比特率为 1200 （7/10）=840bps,例4.2. 在异步串行传输系统中，若字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个奇校验位、1个终止位。假设波特率为1200bps，求比特率。,解：由题意知，一帧包括 1+8+1+111位一帧中的有效数据位为8位所以比特率为 1200 （8/11）=872.72bps,例4.3. 画图说明用异步串行传输方式发送8位二进制数（16进制为65H），要求字符格式为：1位起始位（0）、8
12、位数据位、1位偶校验位、1位终止位（1）。,解：数据65H传送波形如下：,3) 半同步通信,（同步、异步 结合）,以输入数据为例的半同步通信时序,T1 主模块发地址,T2 主模块发命令,T3 从模块提供数据,T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令,上述三种通信的共同点,一个总线传输周期（以输入数据为例）,主模块发地址 、命令,从模块准备数据,从模块向主模块发数据,总线空闲,占用总线,不占用总线,占用总线,5) 分离式通信,充分挖掘系统总线每瞬间的潜力,一个总线传输周期,子周期1,子周期2,1. 各模块有权申请占用总线,分离式通信特点,充分发挥了总线的有效占用,2. 采用同步方式通信，不等对方回答
13、,3. 各模块准备数据时，不占用总线,4. 总线被占用时，无空闲,一、单总线结构系统中使用唯一的一组总线（包括数据总线，地址总线，控制总线）连接所有的部件和设备。早期的小型机、微型机常采用这种结构，如 美国 DEC 公司的PDP-11 机。,4.3 总线结构,特点：1、控制简单、便于扩充、造价低2、易形成系统的瓶颈由于各部件只能分时使用总线，系统工作效率低。总线设备之间传输速率不匹配。,二、多总线结构,采用多种速率不同的总线，将工作速度相差较大的设备挂在不同的总线上，低速总线作为高速总线的一个设备工作。,1、双总线结构,具有特殊功能的处理 器 由通道对I/O统一管理,下图是传统微机总线的结构示
14、意图。无论高速局域网、高性能图形设备还是低速的FAX、Modem都挂在ISA或EISA总线上，并通过ISA或EISA总线控制器与系统总线相连，这样势必出现总线数据传输的瓶颈。为了消除瓶颈问题，提高数据传送速率，出现了三总线结构。,2、三总线结构处理器与Cache之间有一条局部总线。Cache还直接连到系统总线，这样Cache就可以直接通过系统总线与主存传输信息。而且I/O与主存之间的传输也不通过CPU。还有一条扩展总线，它将局域网、小型计算机接口（SCSI）、调制解调器（Modem）以及串行接口都连接起来，并且通过这些接口又可与各类I/O设备相连，因此它可以支持相当多的I/O设备。,PCI总线
15、就是一种三总线结构。由下图可知PCI总线通过PCI桥路与CPU总线相连。这种结构使CPU总线与PCI总线互相隔离，具有更高的灵活性，可以支持更多的高速运行设备，而且具有即插即用的特性。,3、四总线结构,增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。,高速总线上挂接一些高性能的外设，如高速局域网、图形工作站、多媒体、SCSI等。通过cache控制机构 中的高速总线桥或高速缓冲器与系统总线和局部总线 相连，使得这些高速设备与处理器更密切。而一些低速设备如传真机、调制解调器及串行接口仍然挂在扩展总线上，并由扩展总线接口与高速总线相连。高速设备自身很少依赖处理器，而且比扩展总线的设备更贴近处理器，对高性能
16、的设备与处理器来说，效率有很大提高。,4.4 总线的性能指标,一、总线特性,1.功能特性：指总线中的每一根传输线具有特定的功能,2.物理特性：指总线的物理连接标准，包括插头和插座的几何形状与尺寸、引脚的数量与排列方式、固定方式等。,3.电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电平范围。,4.时间特性：规定了每一根传输线上的信号在什么时间内才是有效的，即总线上各种信号的时序关系。,二、总线的性能指标 评价总线性能的优劣 1、总线宽度：主要是指数据总线的数目。如4/8/16/32/64直接影响总线的传输率（吞吐量） 2、工作时钟频率：控制总线中的时钟信号线所提供的时钟频率。 如ISA和EISA总线为8MHz，PCI总线为33.3 MHz。 3、标准传输率（总线带宽）单位时间内总线上传输数据的位数。以MB/S表示。例如：某总线工作频率为8.33MHZ，总线宽度为16位，则标准传输率为 8.33M2B/s=16.66MB/s,
