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1、第9章 系统总线,本章导读,本章首先介绍总线的基本概念与总线的分类情况，然后讲述总线的基本组成与基本连接方式，内容包括三态门的知识与计算机系统中的单总线、多总线等连接结构及其特点。然后结合总线的结构与作用介绍总线特性与总线的性能指标、总线的仲裁方式与时序操作方式，最后介绍总线标准的概念并简单介绍在计算机系统中广泛使用过的一些总线标准情况。,本章要点,总线的基本概念 总线的分类 总线的组成及性能指标 总线的集中仲裁与分布仲裁方式 总线操作和定时 同步定时方式与异步定时方式 总线标准,9.1 总线概述,9.1.1 总线的基本概念 9.1.2 总线的分类,9.1.1 总线的基本概念,计算机是由一组相
2、互之间通信的3种基本类型（CPU、存储器和I/O）的部件或模块组成的系统。因此，必须要有使模块连接在一起的通路。连接各种模块的通路的集合称为互连结构，这一结构的设计取决于模块之间所必须交换的信息。人们在计算机中尝试过很多种互连结构，迄今使用最普遍的是总线和各种多总线结构。,计算机通过系统总线将CPU、主存储器及外围设备连接起来，总线不但影响计算机系统的结构与连接方式，而且影响计算机系统的性能和效率。 总线（Bus）是连接两个或多个设备的公共通信线路。总线的关键特征是它为共享的传输介质。,多种设备连接到总线上，一个设备发出的信号可以被其他所有连接到总线上的设备所接收。但如果两个设备同时传送，它们
3、的信号将会重叠，这样会引起混淆。因此，每次只能有一个设备成功地利用总线发送数据，而多个部件可以同时从总线上接收数据信息。,多数情况下，总线由多条通信路径或线路组成，每条线能传送一位二进制代码。多条线路放在一起，总线就能同时并行地传送多位二进制数字。如32条传输线组成的总线，可同时传输32位二进制代码。也有单条线路组成的总线，此时能在该线路上，用一段时间一位接一位地传送一串二进制数字。,在没有总线的情况下，计算机需要交换信息的各部件间需要设置专门的连接线路，这称为分散连接方式，此时的连线复杂而效率又低。采用总线结构后具有以下的优点： （1）模块式总线设计可以简化系统结构，降低成本。面向总线的结构
4、节省连接线，使系统更加清晰明了。,（2）模块式总线设计可以简化硬件和软件的设计，缩短产品的设计周期，使产品更具竞争力。模块设计的设计人员仅需针对规范的总线标准，而不必面对功能复杂且日新月异的CPU等内部接口，能以最快的速度推出新产品。 （3）便于系统的扩充和更新。按规范的总线标准设计的总线产品面向整个行业，具有很好的通用性，便于系统的扩充更新。,9.1.2 总线的分类,按二进制数据的传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线。按数据传送的方向可分为单向总线和双向总线。按时序控制方式可分为同步总线和异步总线。若按总线的使用范围划分，则又有计算机总线、测控总线、网络通信总线等。下面按总线在计算机中所
5、处位置的不同，来分类介绍总线。,1、片内总线 片内总线是指芯片内部的总线，如在CPU芯片内部各个部件之间传送信息的数据通路。由于所制造芯片的面积和芯片引脚的限制，内部总线有的采用单总线结构，有利于集成度的提高和成品率的提高。有的芯片内采用双总线或三总线结构，有利于内部数据传送速度的加快。,2、系统总线 系统总线是指CPU、主存、I/O各大部件之间的信息传输线，它把这些部件连接起来构成了计算机系统。由于这些部件通常都制作在各个插件板上，故又叫做板级总线（即在一块电路板上各芯片间的连线）和板间总线。 按系统总线传输信息的不同，它又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。,、数据总线（DB，Dat
6、a Bus） 在任意两个涉及数据（此处的含义包括要运算的数据信息或要处理的指令信息）的存储、处理乃至交换、传输的设备之间，都应有数据总线。因为数据正是通过这条总线而实现传输的。显然，数据总线应该能实现双向传输，即可以进行从A设备向B设备的传送，也可以进行从B设备向A设备的传送。,对于数据总线来说，它的两个性能指标是传输的速率和总线的宽度。前者是指每个单位时间它传送多少个数据，显然这个指标将对计算机的运算速度有重大影响，而它与传输的距离也有关系。后者是每条总线可以同时传送多少位，也就是这个总线一共有多少条实际的物理线路，我们把它称为总线的宽度。,、地址总线（AB，Address Bus） 地址总
7、线用于传送地址信号，以确定所访问的存储单元或某个输入/输出端口。微机中地址总线一般有16位、20位、24位、32位、36位等几种宽度标准，与存储器所用的地址的位数以及端口的地址位数相对应。这也同时确定了可以访问的存储空间的大小。,应当指出，地址总线要和数据总线一起使用才有效。比如，如果要从某个设备向存储设备存入数据，则这个数据应该放到从某个设备连接到存储设备的数据总线上，同时应在连接这两个设备的地址总线上给出存储设备的地址，这样才能实现正确的存入（写入）操作。,从这里也不难理解，地址总线是单向总线，而不像数据总线那样需要有双向传送的功能。只有掌握总线控制权的主控部件，如中央处理器、输入/输出处
8、理机IOP（Input Output Processor）等，才能向地址总线上发送地址信息。而像存储器这样不掌握总线控制权的部件，只能从地址总线上接收地址信息，并配合控制信号进行地址译码就可以了。,、控制总线（CB,Control Bus） 控制总线是用来传送各类控制/状态信号的。如同前面所说，要实现对存储器的读/写操作，需要同时有数据总线、地址总线以及控制总线的参与，操作才能实现。而且，实际上它们是在控制总线上的信号的控制之下进行的。,以实现把数据总线上的数据存入地址总线给出其地址的存储器的某个存储单元为例，控制总线在其工作的周期中首先使地址总线工作，发送地址信息到存储器的地址选择器中，从而
9、使相应单元做好接收数据的准备，然后使数据总线工作，把它上面的数据写到该存储单元中。地址总线与数据总线上的信息一直维持到控制总线工作周期的结束。,3、外部总线 外部总线也称为通信总线，它用于计算机系统之间或计算机系统与其它电子仪器或设备之间的通信。由于这类联系涉及到许多方面，如外部连接方式、距离远近、速度快慢、工作方式等等，差别极大，因此通信总线的类别很多。但基本上可按传输方式分为两种：串行通信总线和并行通信总线。,、串行总线 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。在具体传输时，按顺序传送一个数据的所有二进制位的脉冲信号，每次一位，被传
10、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，这个过程称为装配。,串行总线是一种信息传输信道，每秒钟通过信道传输的码元数称为波特率，它反映了串行总线每秒钟传输的全部二进制位数。而每秒钟通过信道传输的信息量称为比特率，它反映了串行总线每秒钟传输的有效数据位数。,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
11、尾处用一个或若干个同步字符作为标志。这种方式称为同步串行传输方式。,、并行总线 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，因此一共需要多根数据线。在同样的传输频率下，并行传输要比串行传输速度快得多。但是，并行总线的进一步发展却遇到了障碍。,首先，由于并行传输方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传输的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序传达。此外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，因此，并行方式难以实现高速化。另外，增加位宽无疑会使布线数目增加，成本随之攀升。,9.2 总线的组成与连接方式,9.
12、2.1 总线的基本组成 9.2.2 总线的基本连接方式,9.2.1 总线的基本组成,总线是从两个或两个以上的源部件传送信息到一个或多个目的部件的一组传输线，而导线则是仅仅连接一个源部件到一个或多个目的部件的传输线。组成总线，除了要有传输导线外，重要的是总线控制线路。,由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件，多个接收信息的目的部件，对于发送的信息就必须经过选择判优，分开发送，避免多个部件同时发送信息的矛盾。同时还应对传送的信息进行定时，防止信息丢失。这样，总线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑等。,1、总线驱动 总线上可连接多个部件，具有扩充的灵
13、活性。总线上能连接多少部件，是受总线的驱动能力限制的。这是在总线上扩充设备或部件时应该注意的。,在总线的传输线上至少连接两个源部件，而对集成电路来说，不是任意两个集成电路的输出端都可以短接在一起的，使用不当，会损坏器件。在计算机系统中，通常采用三态输出电路（三态门）或集电极开路输出电路来驱动总线。,2、三态门 三态门是具有三种输出状态的电路，在计算机中用处很大，常用作总线驱动器。它包括MOS型的三态门和双极型的三态门两种。图9-1表示了常用三态门的逻辑符号和真值表。,图9-1 三态门的逻辑符号和真值表,三态缓冲门是靠“允许/禁止”控制端上接入逻辑“1”或逻辑“0”来控制其操作的。三态门被禁止时
14、，输出呈现高阻抗状态；三态门被允许时，能进行信息传送。用三态门可以设计单向总线或双向总线。如图9-2即是用三态门实现的单向总线和双向总线的基本结构。,图9-2 用三态门构成的总线,9.2.2 总线的基本连接方式,在现代计算机系统中，各大部件均以系统总线为基础进行互连。系统总线的连接方式有多种，一般可分为单总线结构与多总线结构两大类。,1、单总线结构 在单总线系统中，CPU、主存储器以及所有I/O设备均通过一组总线连接，如图9-3所示。这种总线结构简单，也便于扩充设备，但所有的传送都通过这组共享总线，因此极易形成计算机系统的瓶颈。,图9-3 单总线结构,它不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输
15、信息，当总线被某一部件占用时，其他部件就必须等待，等待当前传输完成之后再按照优先级上岗，这样就影响了系统工作效率的提高。,单总线的困境可以归结为以下两方面： 、当总线上连接的设备增多时，传输延迟也会增大，而这个传输延迟又决定了设备支配总线使用所花费的时间。当控制频繁地由一个设备传递到另一个设备时，传输延迟明显地影响计算机性能。,、当总线内的传输请求接近总线的传输量限制时，总线就成为了系统性能瓶颈。虽然尽量增加总线的带宽和提高总线的传输速度可以在一定程度上缓解这种矛盾，但随着计算机部件的性能提升，对总线的要求更高，如图形加速卡、网络传输接口等，其数据量大且传输速度要求相当高，单总线结构就满足不了
16、系统工作的需要了。,2、多总线结构 为了解决单总线面临的困境，现代大多数计算机的体系结构中采用的是多总线结构。多总线结构的形式多种多样，以下给出几种有代表性的总线结构。,由于CPU工作期间要不断地取指令、取操作数、传送结果，CPU与主存MM（Main Memory）之间的信息流通量特别大，一种多总线结构是在这两个最繁忙的部件之间增设一组总线。这组总线通常被称为存储总线，如图9-4是带存储总线的双总线结构。,图9-4 带存储总线的双总线结构,在具有众多I/O设备的计算机系统中，为了进一步提高主CPU与I/O系统的并行性，往往由输入输出处理机（IOP）来组织管理I/O设备。IOP一方面通过I/O总线与众多外部设备相连，另一方面又与连接CPU和MM的系统总线相连，如图9-5是带IOP的双总线结构。,图9-5 带IOP的双总线结构,由于磁盘的信息传输速率很高，在采用虚拟存储的存储系统中，磁盘与主存之间存在着频繁的信息交换，因此多总线的另一种考虑是在主存与辅存之间增设一组总线。由于磁盘等高速外设采用直接存储器存取（Direct Memory Access 简称DMA）方式，因此这种
