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1、第一章第一章 计算机总线计算机总线11.1 1.1 计算机总线概述计算机总线概述 *部件之间的连接方式：部件之间的连接方式：有分散连接和总线连接两种形式。有分散连接和总线连接两种形式。分散连接的特点分散连接的特点通信性能好、可扩展性差；通信性能好、可扩展性差；总线连接的特点总线连接的特点可扩展性好可扩展性好、易产生、易产生通信瓶颈通信瓶颈。一、总线的基本概念一、总线的基本概念I/OI/O设备设备1 1I/OI/O设备设备n nCPUCPU主存主存输入设备输入设备输出设备输出设备(a)(a)分散连接方式分散连接方式(b)(b)总线连接方式总线连接方式CPUCPU主存主存 *总线定义：总线定义：模
2、块或设备间模块或设备间用于用于传输信息传输信息的的一组公共信号线一组公共信号线。22 2、按信号线功能分类、按信号线功能分类 *数据总线：数据总线：用于传输用于传输数据数据，双向总线双向总线，数据总线宽度数据总线宽度=每次传送的二进制位数；每次传送的二进制位数；*地址总线：地址总线：用于传输用于传输目标设备及数据地址目标设备及数据地址，单向总线单向总线，地址总线宽度地址总线宽度=log=log2 2设备及数据地址空间；设备及数据地址空间；二、总线的分类二、总线的分类 *控制总线：控制总线：用于用于传输过程控制传输过程控制，单向总线单向总线，有有控制信号线控制信号线和和状态信号线状态信号线两种形
3、式。两种形式。(主动方主动方发出发出)()(被动方被动方发出发出)1 1、按数据传送方式分类、按数据传送方式分类 *并行传输总线：并行传输总线：同时传送同时传送多位二进制数据多位二进制数据(多根数据线多根数据线)；*串行传输总线：串行传输总线：同时传送同时传送1 1位二进制数据位二进制数据(1(1根数据线根数据线)。33 3、按总线功能分类、按总线功能分类 *内部总线：内部总线：又称又称片内总线片内总线，用于，用于芯片内芯片内/模块内部件间模块内部件间的信的信息传输，如息传输，如CPUCPU内部的数据通路；内部的数据通路；*系统总线：系统总线：用于用于系统内各模块间系统内各模块间的信息传输，如
4、的信息传输，如CPUCPU与主存、与主存、I/OI/O模块之间的总线；模块之间的总线；*通信总线：通信总线：又称又称外部总线外部总线，用于，用于系统间系统间/系统与外部设备间系统与外部设备间的信息传输，如的信息传输，如RS-232/485RS-232/485、USBUSB等总线。等总线。总线标准化：总线标准化：为提高模块和设备的为提高模块和设备的通用性通用性，系统总线，系统总线/局部总线局部总线/通通信总线常采用信总线常采用总线标准总线标准形式形式(如如ISAISA、PCIPCI、USBUSB总线标准等总线标准等)。系统总线的发展：系统总线的发展：CPU CPU总线总线系统内部分模块间系统内部
5、分模块间(与与CPUCPU直接连接直接连接)的总线；的总线；局部总线局部总线系统内部分模块间系统内部分模块间(不与不与CPUCPU直接连接直接连接)的总线，的总线，如如I/OI/O模块与主存之间的总线。模块与主存之间的总线。4三、总线特性及性能指标三、总线特性及性能指标1 1、总线的特性、总线的特性 *物理特性：物理特性：指总线上模块或设备指总线上模块或设备约定的约定的物理连接方式物理连接方式，包，包括线宽、线间距离、插头括线宽、线间距离、插头/插座形状等插座形状等。(总线标准化所需总线标准化所需)*功能特性：功能特性：指按传输功能及方式需求，指按传输功能及方式需求，约定的约定的信号线数量、信
6、号线数量、各信号线功能、传输方向等；各信号线功能、传输方向等；功能功能表示表示(信号线数、作用信号线数、作用)信息信息表示表示(逻辑值与电压值逻辑值与电压值)主动方主动方被动方被动方 *电气特性：电气特性：指信号线上表示逻辑信息的电压值及功率等；指信号线上表示逻辑信息的电压值及功率等；*时间特性：时间特性：又称又称逻辑特性逻辑特性，指，指传输过程中各信号线上信号有效的时传输过程中各信号线上信号有效的时长及前后顺序关系长及前后顺序关系(时序特性时序特性)。地址地址数据数据命令与状态命令与状态CLKCLK地址线地址线数据线数据线控制线控制线52 2、总线性能指标、总线性能指标(1)(1)性能参数性
7、能参数 *总线宽度：总线宽度：又称又称总线位数总线位数，指，指数据总线数据总线每次可传输的二进每次可传输的二进制位数制位数(通常通常1 1根线对应根线对应1 1位数据位数据)，常用，常用bitbit表示；表示；*时钟同步时钟同步/异步：异步：同步总线同步总线总线上数据与时钟同步，总线上数据与时钟同步，异步总线异步总线总线上数据与时钟不同步；总线上数据与时钟不同步；*总线工作频率：总线工作频率：指同步总线的时钟频率，常用指同步总线的时钟频率，常用MHzMHz表示；表示；*总线复用：总线复用：指同一信号线上是否分时传送指同一信号线上是否分时传送2 2种信号，种信号，如地址线如地址线/数据线常采用复
8、用方式；数据线常采用复用方式；*总线工作模式：总线工作模式：指总线传输过程的传输模式指总线传输过程的传输模式(稍后讨论稍后讨论)。回下页6(2)(2)总线性能指标总线性能指标 *最大传输率：最大传输率：又称又称总线带宽总线带宽，指总线上每秒最大可传输的，指总线上每秒最大可传输的数据总量，常用数据总量，常用MB/s(MB/s(或或MBps)MBps)表示；表示；最大传输率最大传输率=(=(总线宽度总线宽度/8/8位位)最大传输次数最大传输次数/秒秒 例例11PCPC总线总线数据宽度数据宽度8 8位、总线工作频率位、总线工作频率4MHz4MHz，每次总线，每次总线传输需传输需4 4个总线时钟；其总
9、线带宽个总线时钟；其总线带宽=(8/8)(4/4)=1MB/s=(8/8)(4/4)=1MB/s。例例22PCIPCI总线总线数据宽度数据宽度3232位、总线工作频率位、总线工作频率33.3MHz33.3MHz，支支持突发传输模式持突发传输模式(连续传输时每次传输需连续传输时每次传输需1 1个总线时钟个总线时钟)，其总线带宽其总线带宽=(32/8)(33.3/1)=133MB/s=(32/8)(33.3/1)=133MB/s。*总线负载能力：总线负载能力：指总线上保持逻辑电平在正常范围内的所指总线上保持逻辑电平在正常范围内的所能连接的模块或设备数量，常用个数表示。能连接的模块或设备数量，常用个
10、数表示。注注通常不关注该指标通常不关注该指标(可用相关电路扩展驱动能力可用相关电路扩展驱动能力)转上页71.2 1.2 总线传输与控制总线传输与控制 *相关术语：相关术语：主设备主设备能够能够发起发起总线传输的模块总线传输的模块/设备；设备；从设备从设备只能只能响应响应总线传输的模块总线传输的模块/设备；设备；总线周期总线周期一次总线传输的时长。一次总线传输的时长。*主要讨论内容：主要讨论内容：总线周期的操作总线周期的操作包含包含哪些步骤？哪些步骤？有哪些有哪些方法方法确定总线归某主设备使用？确定总线归某主设备使用？如何如何表示表示传输各步骤的开始及结束？传输各步骤的开始及结束？如何如何提高提
11、高总线传输的功能或性能？总线传输的功能或性能？回下页主设主设备备1 1总线仲裁机构总线仲裁机构从设从设备备1 1从设从设备备2 2主设主设备备2 2t tR11R11从设备从设备2 2从设备从设备1 1主设备主设备2 2主设备主设备1 1W12W12总线周期总线周期 总线周期总线周期W12W12R11R11W22W22R11R11W22W228一、总线操作步骤一、总线操作步骤 总线操作步骤通常由总线操作步骤通常由4 4个阶段组成。个阶段组成。总线请求与仲裁阶段：总线请求与仲裁阶段：主设备信号线配置主设备信号线配置 各主设备均有各主设备均有“总线请求总线请求”及及“总线允许总线允许”信号线；信号
12、线；主设备主设备有操作需求时，有操作需求时，发出发出“总线请求总线请求”信号；信号；总线仲裁机构总线仲裁机构根据各根据各“总线请求总线请求”信号，信号，确定确定下个总下个总下个总下个总线周期线周期线周期线周期可使用总线的主设备，向该主设备可使用总线的主设备，向该主设备发出发出“总线允许总线允许”信号；信号；转上页主设备主设备1 1请求请求主设备主设备2 2请求请求总线仲裁机构总线仲裁机构主设备主设备1 1允许允许主设备主设备2 2允许允许总线使用者总线使用者t t空闲空闲总线周期总线周期仲裁仲裁主设备主设备1 1空闲空闲总线周期总线周期仲裁仲裁主设备主设备2 2空闲空闲9 寻址阶段：寻址阶段：
13、已获得总线使用权已获得总线使用权的主设备的主设备发出发出目标地址目标地址和和操作命令操作命令;注：注：a)a)已取得已取得指指总线周期开始前总线周期开始前就已知道就已知道 b)b)目标地址目标地址包括从设备地址及其数据空间的地址包括从设备地址及其数据空间的地址 从设备从设备根据目标地址和操作命令根据目标地址和操作命令判断判断是否为目标设备是否为目标设备,目标设备目标设备(一般只有一般只有1 1个个)进行操作进行操作响应响应；回下页t t总线周期总线周期主设备主设备1 1响应并启动响应并启动发地址发地址x x不响应不响应不能使用总线不能使用总线x(x(主设备主设备1 1所发所发)R/W(R/W(
14、主设备主设备1 1所发所发)总线总线空闲空闲总线使用者总线使用者主设备主设备1 1主设备主设备2 2从设备从设备x x从设备从设备y y地址总线地址总线控制总线控制总线数据总线数据总线空闲空闲10 数据传送阶段：数据传送阶段：主设备主设备根据操作类型根据操作类型(R(R或或W)W)，接收或发送接收或发送数据；数据；目标从设备目标从设备根据操作类型根据操作类型(R(R或或W)W)，发送或接收发送或接收数据；数据；结束阶段：结束阶段：主设备和从设备主设备和从设备将将所控制总线信号所控制总线信号恢复恢复为原始状态。为原始状态。转上页t t总线周期总线周期主设备主设备1 1响应响应/启动启动发地址发地
15、址x x不响应不响应数据传输数据传输数据传输数据传输不能使用总线不能使用总线x(x(主设备主设备1 1所发所发)R/W(R/W(主设备主设备1 1所发所发)DataData总线总线空闲空闲总线使用者总线使用者主设备主设备1 1主设备主设备2 2从设备从设备x x从设备从设备y y地址总线地址总线控制总线控制总线数据总线数据总线空闲空闲信号恢复信号恢复信号恢复信号恢复地址期地址期 数据期数据期空闲空闲总线总线空闲空闲响应响应/启动启动发地址发地址y y不响应不响应数据传输数据传输数据传输数据传输信号恢复信号恢复信号恢复信号恢复不能使用总线不能使用总线y(y(主设备主设备2 2所发所发)R/W(R
16、/W(主设备主设备2 2所发所发)DataData总线周期总线周期地址期地址期 数据期数据期主设备主设备2 211二、总线仲裁二、总线仲裁 *仲裁策略：仲裁策略：考虑优先级、保证公平性。考虑优先级、保证公平性。1 1、集中式仲裁、集中式仲裁 -通过集中的总线仲裁机构实现通过集中的总线仲裁机构实现(1)(1)菊花链查询方式菊花链查询方式 (又称串行链查询方式又称串行链查询方式)*仲裁信号线数量：仲裁信号线数量：3 3根根(BR(BR、BGBG、BS)BS)；*仲裁信号线连接：仲裁信号线连接：各主设备的各主设备的“总线请求总线请求”线线BRiBRi及及“总线总线忙忙”线线BSiBSi用用“线或线或”方式方式连接，连接，“总线允许总线允许”线线BGiBGi串行连接；串行连接；总线总线仲裁仲裁结构结构BGBG主设备主设备0 0主设备主设备1 1主设备主设备n nBSBSBRBRDBDBABABCBCB注：注：BRBR总线请求线，总线请求线，BR=BRiBR=BRi，有效时表示有总线使用请求；，有效时表示有总线使用请求；BGBG总线允许线，总线允许线，BG(i+1)BG(i+1)inin=BGi
