第六章总线系统

2018年11月8日7时40分,,第六章 总线系统,基本概念 总线接口 总线的总裁、定时和数据传送模式 典型总线,总线结构——基本概念,总线的基本概念 总线：是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路 借助总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础进行工作总线结构——基本概念,总线的分类： 一个单处理器系统中的总线，分为三类 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件之间互相连接的总线 I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线总线结构——基本概念,总线的特性： 物理特性：指总线的物理连接方式 功能特性：总线中每一根线的功能 电气特性：每一根线上信号的传递方向及有效电平范围 时间特性：每根线在什么时间有效总线结构——基本概念,总线的标准化问题； 例如：ISA,EISA,VESA,PCI等等 总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率单位是兆字节/秒（MB/S）,总线结构——基本概念,总线的连接方式： 通过设备适配器将种类繁多、速度各异的外围设备连接到CPU上，使他们能够一起正常工作。

设备适配器也称为接口总线结构——基本概念,单机系统的总线连接方式： 单总线系统 双总线系统 三总线系统,总线结构——基本概念,总线结构——基本概念,单总线 特点：结构简单，容易扩充 由于若干逻辑部件共用一条总线，因此，总线为分时工作状态，否则，将会使整机工作速度降低特点：由于CPU与主存交换数据的机会多，故增 加了存储总线解决此问题，减轻了总线的负担通道的功能：对外设的统一管理；完成外设与主存，CPU之间的数据传送 特点：提高了CPU工作效率，同时也最大限度的提高外设的工作速度总线结构——基本概念,总线结构对计算机系统性能的影响： 最大存储容量（单总线和双总线的区别） 指令系统（单总线和双总线的区别） 吞吐量（取决于主存的存取周期） 在计算机运行时双端口存储器，每个端口对应不同总线，提高了存取速度；在三总线中，采用通道控制，增加了I/O总线，进一步扩展了系统的吞吐量单总线结构：主存、外设统一编址 例：AB为16位，则最大容量为64K,60K 4K,0000H F3FFH F400H FFFFH,,主存 外设,主存容量 216,双总线结构：主存、外存单独编址 例：AB为16位，则最大容量为64K,,主存,,外设,,64K,,256,主存-存储总线- AB=16-64K 外设-系统总线-AB=8 -256字节,指令系统： CPU访问主存、外设的指令由于总线的结构不同而不同。

例：单总线：主存-外设统一编址 所以只有一条指令，如： MOV A，0000H； A-主存 MOV A，FFE0H；A-外设,双总线：主存、外设单独编址 所以需要各种命令 例：MOV A，0020H；A-外存 主存传送 IN A，20H； A-外设 OUT (20)，A； 外设-A,,外设传送,总线结构——基本概念,早期总线的内部结构： 实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道 数据线 地址线 控制线,总线结构——基本概念,简单总线结构的不足之处在于： 第一 CPU是总线上的唯一主控者 第二 总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差总线结构——基本概念,当代总线结构： 数据传送总线：由地址线、数据线和控制线组成 仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线 中断和同步总线：包括中断请求线和中断认可线 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线和系统复位线等总线结构——基本概念,系统总线——总线接口,信息的传送方式 串行传送 在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号，每次一位，被传送的数据需要在发送部件进行并－－串变换，这称为拆卸，反之称为装配。

并行传送 对每个数据位都需要单独一条传输线信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送 分时传送 共享总线的部件分时使用总线,系统总线——总线接口,接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件 接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送 接口的功能： 控制 缓冲 状态 转换 整理 程序中断,系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,总线仲裁：连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态 为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方 对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类 集中式 链式查询方式 计数器定时查询方式 独立请求方式 分布式,系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,链式查询方式 优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁 缺点：对询问链的电路故障很敏感系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,特点：判优方法简单，扩充设备容易； 总线请求较低的设备容易被忽略； 总线授权信号串行传送，因设备的差错，容易造成堵塞。

系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,计数器定时查询方式： 优点：比较灵活 缺点：线数比较多系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,计数器定时查询过程： 各设备经BR发现请求；总线仲裁电路判断：当BS=0时，开始计数；计数值经地址线送各设备：计数值=某设备，该设备或总线授权；当计数从0开始时，谁的地址号越小越优先，当计数值从终止点开始，所有设备优先级相同系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,独立请求方式： 优点：相应的时间快优先次序的控制灵活 过程： 每个设备有独立的总线请求线BR至总线仲裁；总线总裁也对每个设备送总线授权线 当有总线请求时，有总线总裁内部进行判优裁次系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,独立请求方式： 特点：判有速度快；设备、电路复杂分布式仲裁  分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号 最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

中央 处理器,设备接口 0,设备接口 1,设备接口 N,,,,,3,1,2,系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,总线的定时 同步定时 异步定时,系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,同步总线,特点： 出现在总线上的地址或数据都由时钟信号定时控制； 挂在总线上的模块存取时间应比较接近； 总线较短,系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,异步总线,特点： 无公共时钟信号； 挂在总线上的模块的存取时间差别较大； 传送方式依靠应答信号，总线周期长度不固定系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式,总线数据传送模式 读、写操作 块传送操作 写后读、读修改写操作 广播、广集操作,总线的互连,多总线,总线信号的两个演示,奔腾微处理器总线信号的演示 Power PC微处理器总线信号的演示,,,思考作业,P235 1-20,I/O (Input-Output)总线与扩展槽,总线是计算机中的传输数据信号的通道，按并行方式传输信息接口电路,微处理器,外部设备,存储器,,扩展槽的作用,输入设备,输出设备,微机上不可少的两种输入输出接口是并行端口和串行端口 并行端口可以同时传送8路信号，传输距离相对较近。

串行端口在一个方向一次只能传送1路信号处理结果,数字、字符、图像、声音,,主板,典型总线,ISA总线 PCI总线 AGP总线,ISA(Industry Standard Architecture） 工业标准结构总线，又称为AT总线它的数据宽度16位，地址线为24位，工作频率8MHz，最大数据传输率16.67MB/S ISA总线是286时代所定义的8/16为总线，虽然传输速度不快，但是这个规格已经有十多年的历史，相关设计技术、零件十分充足，而且能支持计算机主板也是最多的在PIII时代的主板甚至还保留1、2个ISA扩充插槽 ISA主要是用来匹配速度较慢的接口卡，如串/并行口卡、大多数网络卡等等通常PC内ISA插槽用黑塑料制作MCA(Micro Channel Architecture) IBM公司推出的微通道结构总线基本上也是ISA的增强版，它的数据传输也是32位，速度可达10MHz，甚至16MHz，但它的外设比ISA外设造价高同时作为IBM的专利产品，除了用于IBM PS/2，很少有厂商采用这种结构总线IBM也已经退回ISA总线上并考虑其它的局部总线技术EISA总线(Extended ISA) (Enhanced Industry Standard Architecture) 增强型工业标准结构的总线，ISA总线的增强版，它的数据和地址总线都是32位，工作频率仍是8.33MHz，直接寻址范围为4GB，最大传输率为33MB/S。

EISA插槽通常用褐色塑料制作 ___ 随着32位微处理器的出现，原有的16位微机要向高性能的32位微机发展而IBM公司的32位微通道总线结构与PC／XT／AT又不兼容，为了发展ISA同时又继承ISA结构，1988年，以 Compaq为首的 9家 PC／XT／AT兼容机厂商联合起来，为 32位 PC机设计了～个新的工业标准，即“扩展工业标准结构”——EISA标准 它与ISA由良好的兼容性，同时充分发挥和利用了32位处理器的功能，使之在图形技术、网络和数据处理等需要高速处理能力的地方发挥作用VESA总线(Vidio Electronics Standards Association) PC总线发展到EISA时，系统性能得到了较大提高， 但仍然没有充分发挥高性能CPU的强大处理能力，跟不 上软件和CPU的发展速度在主机与外设交换信息的过 程中，CPU在大部分时间内仍处于等待状态 为了支持早期高性能WINDOWS图形显示卡和存储设 备而设计此总线 速度高达40MHz，但是超过33MHz后稳定性较差最 大传输率为133MB/S，数据线可扩展到64位 但没有流行多久就被PCI总线所代替PCI(Periperal Component Interconnect)总线 PCI总线由Intel公司1991年提出，很快为IBM，DEC，Compaq，Apple公司接受。

后成立PCI集团目前PC计算机都以PCI为主的系统总线 主要总线性能比较:,主要特点： （1）支持总线主控技术，允许智能设备在适当的时候取得总线控 制权以加速数据传输和对高度专门化任务的支持 （2）支持猝发传输模式采用这种线性寻址方式，当有一个地址 起读写大量数据时，每次只需将地址自动加1就可读写下一个单元 （3）低数量的引脚设计采用了多路复用体系，即地址总线和数 据总线体系共用一条物理线路降低了生产成本，并提高了总线性 能 （4）预留扩展空间，可扩展到64位和133MHzPCI总线的时钟频 率为33.3/66MHz，甚至可达133/MHZ以上，并与CPU的时钟频率无 关；总线宽度位32位，也可扩展到64位 （5）设有特别的缓存，实现外设与CPU隔离，外设或CPU的 单独升级都不会带来问题并且无需担心在不同时钟频率下会引起 性能上的波动PCI总线是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力 HOST总线 PCI总线 LAGACY总线,PCI。