计算机系统总线

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1、第22讲 系统总线,1 系统总线的结构 2 总线的控制和数据传输 3 微机系统总线标准,1系统总线的结构,计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互联，才能组成计算机系统。 现代计算机普遍使用的是总线互联结构。所有的设备都认为是挂在总线上的一个部件。这种结构具有以下特点： 使各部件之间的关系转化为面向总线的单一关系：设计和使用某一部件，无须考虑该部件和其他相应部件间的复杂关系，只要满足它和总线之间的关系即可。 标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件。 模块结构方式便于系统的扩充和升级。 便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。,一、总线的基本概念,总线是连接两个

2、或多个功能部件的一组共享的信息传输线，它的主要特征就是多个部件共享传输介质。一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收。总线通常由许多传输线或通路构成，在并行传输条件下，每条线可传输一位二进制信息，若干条线可同时传输多位二进制信息。,总线的分类计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件之间连接和信息交换的通路。根据所连接部件的不同，总线通常被分成三种类型： 系统总线：指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线。由于这些部件通常制作在插件板卡上，所以连接这些部件的总线一般是主板式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线，主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等部件，

3、因此也被称为处理器主存总线，有的系统把它称为局部总线或处理器总线。底板式总线通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统中的各个电路板的连接。典型的有PCI总线、VME总线等。,内部总线：指芯片内部连接各元件的总线。例如CPU芯片内部，在各个寄存器、ALU、指令部件等各元件之间也有总线相连。I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等，差异很大，所以I/O总线的种类很多。,2.总线的性能指标,总线宽度 ：它是指数据总线的位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位、64位等。 工作频率 ：它是指控制总线工

4、作的时钟的快慢，单位为MHz。 总线带宽：即在总线上每秒能传输数据的最大字节量，用MB/s来表示。 总线带宽取决于总线宽度和工作频率，总线宽度越宽、工作频率越高则总线带宽越大。,3.系统总线的组成一个系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，地址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线和地址线复用。 数据线用来承载在源部件和目的部件之间传输的信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如果数据线和地址线复用的话）。 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问与使用。,二、 总线的连接方式,1. 连接

5、方式 （1）单总线结构在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。（2）双总线结构在双总线结构中，存在两种总线： 存储总线-用于CPU与主存储器的信息交换。 I/O总线-用于外设与主机的信息交换。,（3）多总线结构在双总线结构的基础之上，为了使高速外设（如磁盘机）能高速度地与主存储器进行数据交换，在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）方式的高速I/O总线（DMA总线），从而形成多总线结构。,2. 总线结构对计算机系统性能的影响 最大存储容量：例如在单总线系统中，对主存和外设进行存取的

6、差别，仅仅在于出现总线上的地址不同，为此必须为外围设备保留某些地址。由于某些地址必须用于外围设备，所以在单总线系统中，最大主存容量必须小于计算机字长所决定的可能的地址总数。 指令系统：在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统，这是因为操作码规定了要使用哪一条总线，所以在双总线系统中，访存操作和输入输出操作各有不同的指令。,吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出的信息的速率。它取决于信息输入内存的速度、CPU取指、存取数据的速度，以及所得结果从内存送给一台外围设备的速度。这些步骤中每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。,2 总线的控制和数据传

7、输,总线的信号线类型有专用和复用两种。 专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一种信息。例如，使用分立的数据线和地址线。 复用信号线就是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。例如，采用数据、地址线分时复用的方式，用一组数据线在地址阶段传送地址信息，在数据阶段传送数据信息。这样就使得地址和数据通过同一组数据线进行传输，从而实现了复用。,信号线的分时复用的优点：可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。 信号线的分时复用的缺点： 挂接的每个部件的电路变得更复杂了。 因为共享同一线路的事件不能同时发生，所以它还潜在地降低了性能。 例如，存储器写事务中，如果采用数据和地址专用线的话，主

8、存单元地址和数据可以同时送到总线上，而数据和地址线分时复用的情况下就不能这样。,一、 总线的控制,最简单的系统可以只有一个总线主控设备：处理器。在一个单主控设备系统中，所有总线操作都必须由处理器控制，所以无需总线裁决。 另一种选择是采用多个总线主控设备，每个主控设备都能启动数据传送。 决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权的过程被称为总线裁决。进行总线裁决有多种方案。从大的方面来讲，有两类总线裁决方式：集中式和分布式。前者将控制逻辑做在一个专门的总线控制器或总线裁决器中，通过将所有的总线请求集中起来利用一个特定的裁决算法进行裁决。而在分布式的裁决方式中，没有专门的总线控制器，其控制逻辑分散

9、在各个部件或设备中。,在选择哪个设备获得总线使用权时，一般的裁决方案通常试图平衡两个因素。（1）“等级性”即每个主控设备有一个总线优先级，具有最高优先级的设备应该先被服务：（2）“公平性”即任何设备，即使是具有最低优先权的设备也不能永远得不到总线使用权。这种“公平性”保证了想使用总线的每个设备最终总能得到总线。除了上述因素外，更复杂的方案考虑怎样缩短总线裁决时间。,1. 集中裁决方式 （1）菊花链查询方式 BR总线请求，有效，表示至少有一个主设备请求占用总线 BG总线允许，有效，表示仲裁器响应总线请求 BS总线忙，有效，表示总线正被占用 公用一条申请信号线，离CPU越进，优先级越高实现简单扩展

10、容易；,（2）菊花链查询方式根据计数器的值确定发出请求的部件。总线上的每个部件通过“总线请求“信号线发出请求后，若总线忙信号未建立，则控制器收到请求后让计数器开始计数（也就是按一定的顺序查询各个部件），若查询线上的计数值与发现请求的部件号一致时，该部件就建立总线忙的信号，计数器停止计数，中止查询。直到该部件总线操作完毕。,（3）独立请求方式 BRi第i个设备的总线请求 BGi第i个设备的总线允许各模块都有各自的一对总线请求和总线可用信号线,总线忙的信号是公共的.各模块独立地向控制器发出总线请求,总线控制器可根据某种算法对同进送来的请求进行裁决.,2. 分布式裁决方式 分布式裁决将控制功能分布在

11、连接在总线上的各设备中，一般是固定优先级的。每个设备分配一个优先号，发出总线请求的设备将自己的优先号送往请求线上，与其他设备的请求信号构成一个合成信号，并将这个合成裁决信号读入以判断是否有优先级更高的设备申请总线。这样可使得优先级最高的设备获得总线使用权。,二、 总线的数据传输方式,1. 串行传输 串行总线的数据在数据线上按位进行传输，因此只需要一根数据线，线路的成本低，适合于远距离的数据传输。 在进行串行传输时，按顺序传送一个数据的所有二进位的脉冲信号，每次一位，被传送的数据在发送部件中必须进行并行数据到串行数据的转换，这个过程称为拆卸；而在接收部件中则需要将串行数据转换成并行数据，这个过程

12、称为装配。,串行总线是一种信息传输信道。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。 串行传输方式可分为同步方式和异步方式两种。在异步传输方式中，每个字符要用一位起始位和若干停止位作为字符传输的开始和结束标志，需占用一定的时间。所以在进行数据块传送时，为了提高速度，一般把每个字符前后的附加位去掉，而将若干个字符作为一个数据块一起传送，在数据块的开始和结尾处用一个或若干个同步字符作标志。这种方式称为同步串行传输方式。,2. 并行传输 并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线，因此有多根数据线。并行传输比串行传输速

13、度要快得多，但需要更多的传输线。 衡量并行总线速度的指标是最大数据传输率，即单位时间内在总线上传输的最大信息量。 为了减少线路的数量，可以将并行方式和串行方式结合起来。当数据线不是很宽时，采用分多次传输的方法来实现，例如在主存和Cache之间传输数据块时常采用连续串行传输多个字的方法进行。这种总线传输方式称为突发式数据传送模式。,一般来说，总线上完成一次数据传输要经历4个阶段： 1.申请占用总线阶段 需要使用总线的主设备(如CPU或DMA)，向总线仲裁机构提出占有总线控制权的申请。总线仲裁机构判别确定后，把下一个总线传输周期的总线控制权授给申请者。 2. 寻址阶段 获得总线控制权的主设备，通过

14、地址总线发出本次打算访问的从设备（如存储器或I/O接口）的地址。通过译码使被访问的从设备被选中，而开始启动工作。 3. 传数阶段 主设备与从设备进行数据交换。数据由源设备发出经数据总线流入目的设备。对于读传送，源设备是存储器或I/O接口等从设备，而目的设备是主设备如CPU等；对于写传送，则源设备是主设备（如CPU），而目的设备是存储器或I/O接口等从设备。 4. 结束阶段 主、从设备的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它设备能继续使用总线。,3 微机系统总线标准 1 系统总线标准 为了获得广泛的支持，要求总线具有以下特性： 支持众多性能不同的模块。 支持批量生产，并要质量稳定，价格低廉。

15、 可替换、可组合各类模块。 2 常见的系统总线标准 1. PC/XT、ISA总线 （1）PC/XT 8位ISA总线，主要用在早期的IBM PC/XT计算机的系统板上，共有8个插槽。它具有62条引脚，引脚间隔为2.54mm。 （2）ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，将原来8位扩展为16位，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。,2MCA、EISA总线（1）为了解决低性能总线与高性能CPU之间的矛盾，IBM公司率先在他们设计的一台386微机上，设计了一种完

16、全不同于ISA总线的微通道体系结构，即MCA总线体系结构。 MCA微通道结构总线，也称为PS/2总线，它分为16位和32位两种。16位的MCA总线与ISA总线处理能力基本相同，只是在总线上增加了一些辅助扩展功能。而32位MCA则是一种全新的系统总线结构，它支持186针插接器的适配器板，系统总线上的数据宽度为32位。地址线为32位，提供4GB的内存寻址能力。 （2）EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中，EISA总线

17、完全兼容ISA总线信号。,3VESA、PCI总线 （1）VESA总线是1992年8月由VESA(视频电子标准协会)公布的基于80486CPU的32位局部总线。VESA总线支持16MHz到66MHz的时钟频率，数据宽度为32位，可扩展到64位。实际是VESA总线并不是新标准，所有VESA卡都占用一个ISA总线槽和一个VESA扩展槽。 （2）PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而开发的总线。 PCI总线结构框图如下图所示。HOST总线连接主存、多个CPU。PCI总线连接各种高速PCI设备，亦可使用HOST桥与HOST总线相连或使用PCIPCI桥与已和HOST总线相连的PCI总线相连，从而得以扩充整个系统的PCI总线负载能力。,