总线系统课件

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1、 总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态 总线接口总线接口 总线仲裁、定时和数据传送模总线仲裁、定时和数据传送模式式 PCIPCI总线总线 ISAISA总线和总线和FuturebusFuturebus+ +总线总线第第6章章 总线系统总线系统(Bus System) 总线系统1 1 概念概念概念概念 是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件能部件能部件能部件（运算器、控制器、存储器、输入（运算器、控制器、存储器、输入（运算器、控制器、存储器、输入（运算器、控制器、存储

2、器、输入/ /输出设输出设输出设输出设备）备）备）备）之间进行数据传送的公共通路之间进行数据传送的公共通路之间进行数据传送的公共通路之间进行数据传送的公共通路。 6.1.1 总线（总线（BUS）的基本概念）的基本概念6.1 6.1 总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态由传输信息的由传输信息的由传输信息的由传输信息的电路电路电路电路和管理信息传输的和管理信息传输的和管理信息传输的和管理信息传输的协议协议协议协议组成组成组成组成。 总线系统2 总线分类总线分类（1）内部总线内部总线：CPUCPU内部内部连接各寄存器及运连接各寄存器及运算部件之间的总线算部件之间的总线。（2）系统总线系统总线：C

3、PU同同计算机系统的其他计算机系统的其他高高速功能部件速功能部件(存储器、通道等存储器、通道等)间互相连接的间互相连接的总线总线。 （3） I/O总线总线：中、低速中、低速I/0设备间设备间互相连接互相连接的总线的总线。注注：在任何时刻，只可以有在任何时刻，只可以有一个部件一个部件向总线上向总线上发送信息发送信息，但却可以，但却可以有一个或多个部件有一个或多个部件同时同时接接收信息收信息。 总线系统 控制向总线发送信息通常用控制向总线发送信息通常用带有高带有高阻态输出的选通门阻态输出的选通门实现。实现。6.1.1 总线（总线（BUS）的基本概念）的基本概念 总线系统总线宽度；总线宽度；总线宽度

4、；总线宽度； 总线控制方式；总线控制方式；总线控制方式；总线控制方式；时钟模式；时钟模式；时钟模式；时钟模式； 总线复用；总线复用；总线复用；总线复用； 信号线数；信号线数；信号线数；信号线数；总线带宽；总线带宽；总线带宽；总线带宽；其它标准其它标准其它标准其它标准：如总线负载能力，电源电压等如总线负载能力，电源电压等如总线负载能力，电源电压等如总线负载能力，电源电压等。3 衡量总线性能的指标：衡量总线性能的指标：总线带宽总线带宽总线带宽总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率总线本身所能达到的最高传输速率总线本身所能达到的最高传输速率总线本身所能达到的最高传输速率， 单位：单位：单位：单位：

5、MB/SMB/S。 4 总线周期总线周期(1) (1) (1) (1) 正常总线周期：正常总线周期：正常总线周期：正常总线周期： 由一次地址时间和一次数据时间组成。由一次地址时间和一次数据时间组成。由一次地址时间和一次数据时间组成。由一次地址时间和一次数据时间组成。 (2) BURST(2) BURST(2) BURST(2) BURST总线周期：总线周期：总线周期：总线周期： 由一次地址时间和多次数据时间组成。由一次地址时间和多次数据时间组成。由一次地址时间和多次数据时间组成。由一次地址时间和多次数据时间组成。 总线系统例：例：例：例：1 1某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期

6、中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4 4个字节的数据，个字节的数据，个字节的数据，个字节的数据，假如一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为假如一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为假如一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为假如一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz33MHz，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？2 2如果一个总线周期中并行传如果一个总线周期中并行传如果一个总线周期中并行传如果一个总线周期中并行传送送送送6464位数据，总线时钟频率升为位数据，总线时钟频率升为位

7、数据，总线时钟频率升为位数据，总线时钟频率升为66MHz66MHz，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？解解解解：1 1设总线带宽用设总线带宽用设总线带宽用设总线带宽用D Dr r表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1/fT=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用D D来表示，来表示，来表示，来表示，则：则：则：则： D Dr r =D/T=D*f=4B*33*10=D/T=D*f=4B*33*106 6=132MB/

8、s=132MB/s 264位位=8BDr =D/T=D*f=8B*66*106=528MB/s思考思考思考思考：如果一个总线周期等于两个总线时钟周期，其如果一个总线周期等于两个总线时钟周期，其如果一个总线周期等于两个总线时钟周期，其如果一个总线周期等于两个总线时钟周期，其它条件不变，结果又该怎样它条件不变，结果又该怎样它条件不变，结果又该怎样它条件不变，结果又该怎样？ 6.1.1 总线（总线（BUS）的基本概念）的基本概念 总线系统1. 单总线结构单总线结构6.1.2 总线的连接方式总线的连接方式 总线系统 特点特点特点特点：使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一

9、的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、主存和主存和主存和主存和I/OI/O设备设备设备设备。 要求要求要求要求：连到总线上的逻辑部件必须高速运行。连到总线上的逻辑部件必须高速运行。连到总线上的逻辑部件必须高速运行。连到总线上的逻辑部件必须高速运行。 取指令、执行指令的过程。取指令、执行指令的过程。取指令、执行指令的过程。取指令、执行指令的过程。 单总线系统中，对输入单总线系统中，对输入单总线系统中，对输入单总线系统中，对输入/ /输出设备的操作，完全输出设备的操作，完全输出设备的操作，完全输出设备的操作，完全和主存的操作方法一样来处理。和主存的操作方法一样来处理。和主存的操

10、作方法一样来处理。和主存的操作方法一样来处理。 某些外围设备也可以指定地址。此时外围设备某些外围设备也可以指定地址。此时外围设备某些外围设备也可以指定地址。此时外围设备某些外围设备也可以指定地址。此时外围设备通过与通过与通过与通过与CPUCPU中的控制部件交换信息的方式占有总中的控制部件交换信息的方式占有总中的控制部件交换信息的方式占有总中的控制部件交换信息的方式占有总线。线。线。线。 6.1.2 总线的连接方式总线的连接方式1. 单总线结构单总线结构 总线系统 在在在在CPUCPU和主存之间专门设置了一组高速的存储和主存之间专门设置了一组高速的存储和主存之间专门设置了一组高速的存储和主存之间

11、专门设置了一组高速的存储总线总线总线总线，使，使，使，使CPUCPU通过专用总线与内存交换信息，减通过专用总线与内存交换信息，减通过专用总线与内存交换信息，减通过专用总线与内存交换信息，减轻了系统总线负担；同时内存与外设之间仍使用轻了系统总线负担；同时内存与外设之间仍使用轻了系统总线负担；同时内存与外设之间仍使用轻了系统总线负担；同时内存与外设之间仍使用系统总线实现系统总线实现系统总线实现系统总线实现DMADMA操作，而不必经过操作，而不必经过操作，而不必经过操作，而不必经过CPUCPU。 注注注注：以增加硬件为代价。：以增加硬件为代价。：以增加硬件为代价。：以增加硬件为代价。2. 双总线结构

12、双总线结构 总线系统DMADMA（D Direct irect MMemory emory A Accessccess）直接内存访问直接内存访问直接内存访问直接内存访问： DMADMA控制器从控制器从控制器从控制器从CPUCPU完全接管对总线的控制，内存完全接管对总线的控制，内存完全接管对总线的控制，内存完全接管对总线的控制，内存和外围设备之间的数据交换直接进行，不经过和外围设备之间的数据交换直接进行，不经过和外围设备之间的数据交换直接进行，不经过和外围设备之间的数据交换直接进行，不经过CPUCPU，以便高速传送数据以便高速传送数据以便高速传送数据以便高速传送数据。 总线系统3. 三总线结构三

13、总线结构 总线系统3. 三总线结构三总线结构 通道通道通道通道(Channel)(Channel)是一台具有特殊功能的处理器是一台具有特殊功能的处理器是一台具有特殊功能的处理器是一台具有特殊功能的处理器(IOP)(IOP)，分担了一部分，分担了一部分，分担了一部分，分担了一部分CPUCPU的功能，以的功能，以的功能，以的功能，以实现对外设的实现对外设的实现对外设的实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送统一管理及外设与主存之间的数据传送统一管理及外设与主存之间的数据传送统一管理及外设与主存之间的数据传送，提高了，提高了，提高了，提高了CPUCPU的效率，但以花费更多的硬件为代价。的效率，

14、但以花费更多的硬件为代价。的效率，但以花费更多的硬件为代价。的效率，但以花费更多的硬件为代价。 三总线是三总线是三总线是三总线是在双总线的基础上增加了在双总线的基础上增加了在双总线的基础上增加了在双总线的基础上增加了I/OI/O总线形成总线形成总线形成总线形成的的的的。其中系统总线是。其中系统总线是。其中系统总线是。其中系统总线是CPUCPU、主存和通道、主存和通道、主存和通道、主存和通道(IOP)(IOP)之间进之间进之间进之间进行数据传送的公共通路；而行数据传送的公共通路；而行数据传送的公共通路；而行数据传送的公共通路；而I/OI/O总线是多个外部设备总线是多个外部设备总线是多个外部设备总

15、线是多个外部设备与通道进行数据传送的公共通路与通道进行数据传送的公共通路与通道进行数据传送的公共通路与通道进行数据传送的公共通路。 总线系统6.1.3 总线结构对计算机性能的影响总线结构对计算机性能的影响1. 最大存储容量最大存储容量-单总线单总线3. 吞吐量吞吐量-利用双端口存储器，三总线利用双端口存储器，三总线2. 指令系统指令系统-双总线双总线 总线系统6.1.4 总线的内部结构总线的内部结构 -1）早期的）早期的缺点缺点缺点缺点：1 1）CPUCPU是总线的唯一主控者；是总线的唯一主控者；是总线的唯一主控者；是总线的唯一主控者； 2 2）总线结构与）总线结构与）总线结构与）总线结构与C

16、PUCPU紧密相关，通用性差。紧密相关，通用性差。紧密相关，通用性差。紧密相关，通用性差。 总线系统6.1.4 总线的内部结构总线的内部结构 -2 2）当代的）当代的 总线系统 数据传送总线数据传送总线数据传送总线数据传送总线：由由由由地址线地址线地址线地址线、数据线数据线数据线数据线、控制线控制线控制线控制线组成；组成；组成；组成；为减少布线，数据线和地址线常采用多路复用方式。为减少布线，数据线和地址线常采用多路复用方式。为减少布线，数据线和地址线常采用多路复用方式。为减少布线，数据线和地址线常采用多路复用方式。 仲裁总线仲裁总线仲裁总线仲裁总线：总线总线总线总线请求线请求线请求线请求线和总

17、线和总线和总线和总线授权线授权线授权线授权线。 中断和同步总线中断和同步总线中断和同步总线中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，用于处理带优先级的中断操作，用于处理带优先级的中断操作，用于处理带优先级的中断操作，包括包括包括包括中断请求线中断请求线中断请求线中断请求线和和和和中断认可线中断认可线中断认可线中断认可线。 公用线公用线公用线公用线：包括包括包括包括时钟信号线时钟信号线时钟信号线时钟信号线、电源线电源线电源线电源线、地线地线地线地线、系统复系统复系统复系统复位线位线位线位线以及加电或断电的以及加电或断电的以及加电或断电的以及加电或断电的时序信号线时序信号线时序信号线时序信号线等

18、等等等。当代总线划分当代总线划分：6.1.4 总线的内部结构总线的内部结构 -2 2）当代的）当代的 总线系统 分层次多总线结构分层次多总线结构分层次多总线结构分层次多总线结构 优点优点优点优点：不仅解决总线负载过重，而且使总线设计简不仅解决总线负载过重，而且使总线设计简不仅解决总线负载过重，而且使总线设计简不仅解决总线负载过重，而且使总线设计简单，并能充分发挥每类总线的效能单，并能充分发挥每类总线的效能单，并能充分发挥每类总线的效能单，并能充分发挥每类总线的效能。 PentiumPentium的总线的总线的总线的总线：三层次的多总线结构三层次的多总线结构三层次的多总线结构三层次的多总线结构。

19、 1 1） CPUCPU总线总线总线总线 即即即即CPU-CPU-存储器总线存储器总线存储器总线存储器总线，6464位数据线位数据线位数据线位数据线+32+32位地址线的同位地址线的同位地址线的同位地址线的同步总线，总线时钟频率步总线，总线时钟频率步总线，总线时钟频率步总线，总线时钟频率66.6MHz (60MHz)66.6MHz (60MHz)，总线上还，总线上还，总线上还，总线上还有一个有一个有一个有一个L2L2级级级级cachecache，由主存控制器和，由主存控制器和，由主存控制器和，由主存控制器和cachecache控制器芯控制器芯控制器芯控制器芯片来管理片来管理片来管理片来管理CP

20、UCPU对主存和对主存和对主存和对主存和cachecache的存取，主控是的存取，主控是的存取，主控是的存取，主控是CPUCPU，在必要时可以放弃总线控制权，在必要时可以放弃总线控制权，在必要时可以放弃总线控制权，在必要时可以放弃总线控制权，是是是是CPUCPU引脚信号的延引脚信号的延引脚信号的延引脚信号的延伸伸伸伸。 6.1.5 总线结构实例总线结构实例 总线系统 总线系统2）PCI总线总线 用于连接高速的用于连接高速的I/O设备模块设备模块，通过，通过“桥桥”芯芯片，上面与更高速的片，上面与更高速的CPU总线相连，下面与低速总线相连，下面与低速的的ISA总线相接。总线相接。 32位或位或6

21、4位同步总线，地址位同步总线，地址/数据分时复用，数据分时复用，时钟频率时钟频率33.3MHz，带宽为，带宽为132MB/s，采用集中，采用集中式仲裁，有专用的式仲裁，有专用的PCI总线仲裁器，主板上一般总线仲裁器，主板上一般有有3个个PCI总线扩充槽总线扩充槽。6.1.5 总线结构实例总线结构实例 总线系统 使用该总线与低速的使用该总线与低速的使用该总线与低速的使用该总线与低速的I/OI/O设备连接设备连接设备连接设备连接。一般有扩充槽一般有扩充槽一般有扩充槽一般有扩充槽3-43-4个，以便支持各种个，以便支持各种个，以便支持各种个，以便支持各种1616位位位位/8/8位适配器卡。位适配器卡

22、。位适配器卡。位适配器卡。ISAISA总线控制逻辑总线控制逻辑总线控制逻辑总线控制逻辑还通过主板上片级总线与实时钟还通过主板上片级总线与实时钟还通过主板上片级总线与实时钟还通过主板上片级总线与实时钟/ /日历、日历、日历、日历、ROMROM、键盘和鼠、键盘和鼠、键盘和鼠、键盘和鼠标控制器等芯片相连。标控制器等芯片相连。标控制器等芯片相连。标控制器等芯片相连。 CPU CPU总线、总线、总线、总线、PCIPCI总线、总线、总线、总线、ISAISA总线通过总线通过总线通过总线通过“ “桥桥桥桥” ”芯片连成整芯片连成整芯片连成整芯片连成整体，桥芯片起到体，桥芯片起到体，桥芯片起到体，桥芯片起到信号

23、速度缓冲信号速度缓冲信号速度缓冲信号速度缓冲、电平转换电平转换电平转换电平转换和和和和控制协议的转控制协议的转控制协议的转控制协议的转换作用换作用换作用换作用，通过，通过，通过，通过“ “桥桥桥桥” ”的不同总线粘合的连接技术，特别适的不同总线粘合的连接技术，特别适的不同总线粘合的连接技术，特别适的不同总线粘合的连接技术，特别适合系统的升级换代。合系统的升级换代。合系统的升级换代。合系统的升级换代。 Pentium Pentium总线系统中有个核心逻辑芯片组，简称总线系统中有个核心逻辑芯片组，简称总线系统中有个核心逻辑芯片组，简称总线系统中有个核心逻辑芯片组，简称PCIPCI芯片组芯片组芯片组

24、芯片组，在系统起着至关重要的作用，它包括：在系统起着至关重要的作用，它包括：在系统起着至关重要的作用，它包括：在系统起着至关重要的作用，它包括：主存控制主存控制主存控制主存控制器芯片、器芯片、器芯片、器芯片、cachecache控制器芯片控制器芯片控制器芯片控制器芯片、南桥和北桥芯片南桥和北桥芯片南桥和北桥芯片南桥和北桥芯片，称为，称为，称为，称为Intel430Intel430、440440系列系列系列系列。 3）ISA总线总线 6.1.5 总线结构实例总线结构实例 总线系统6.2.1 信息的传送方式信息的传送方式1. 1. 1. 1. 码元码元码元码元 信息传输通道中，携带数据信息的信号单

25、元信息传输通道中，携带数据信息的信号单元信息传输通道中，携带数据信息的信号单元信息传输通道中，携带数据信息的信号单元。2. 2. 2. 2. 波特率（码元传输率）波特率（码元传输率）波特率（码元传输率）波特率（码元传输率） 每秒钟通过信道传输的码元数每秒钟通过信道传输的码元数每秒钟通过信道传输的码元数每秒钟通过信道传输的码元数。是传输信道频。是传输信道频。是传输信道频。是传输信道频宽的指标。宽的指标。宽的指标。宽的指标。3. 3. 3. 3. 码元时间码元时间码元时间码元时间 波特率的倒数，即传输一位码元的时间波特率的倒数，即传输一位码元的时间波特率的倒数，即传输一位码元的时间波特率的倒数，即

26、传输一位码元的时间。6.2 总线接口总线接口6.2 总线接口总线接口 总线系统 只用一条传输线，且采用脉冲传送只用一条传输线，且采用脉冲传送只用一条传输线，且采用脉冲传送只用一条传输线，且采用脉冲传送。 在串行传送时，按照顺序来传送表示一个数码的所在串行传送时，按照顺序来传送表示一个数码的所在串行传送时，按照顺序来传送表示一个数码的所在串行传送时，按照顺序来传送表示一个数码的所有二进制位的脉冲信号，每次一位有二进制位的脉冲信号，每次一位有二进制位的脉冲信号，每次一位有二进制位的脉冲信号，每次一位。 当使用脉冲信号传递连续的当使用脉冲信号传递连续的当使用脉冲信号传递连续的当使用脉冲信号传递连续的

27、“1”“1”或或或或“0”“0”数码时，数码时，数码时，数码时，必须采用某种时序格式，以便使接受设备能加以识别，必须采用某种时序格式，以便使接受设备能加以识别，必须采用某种时序格式，以便使接受设备能加以识别，必须采用某种时序格式，以便使接受设备能加以识别，通常采用通常采用通常采用通常采用“ “位时间位时间位时间位时间” ”（即（即（即（即一个二进制位在传输线上占一个二进制位在传输线上占一个二进制位在传输线上占一个二进制位在传输线上占用的时间长度用的时间长度用的时间长度用的时间长度），一般），一般），一般），一般低位在前，高位在后低位在前，高位在后低位在前，高位在后低位在前，高位在后。 1. 串

28、行传送串行传送 优点优点优点优点：只需一条传输线，成本低廉只需一条传输线，成本低廉只需一条传输线，成本低廉只需一条传输线，成本低廉。 缺点缺点缺点缺点：速度慢、效率低速度慢、效率低速度慢、效率低速度慢、效率低。应用应用应用应用：鼠标、：鼠标、：鼠标、：鼠标、modemmodemmodemmodem、远程通信、远程通信、远程通信、远程通信6.2.1 信息的传送方式信息的传送方式 总线系统1. 串行传送串行传送 总线系统2. 并行传送并行传送 每个数据位都需要单独占用一条传输线每个数据位都需要单独占用一条传输线每个数据位都需要单独占用一条传输线每个数据位都需要单独占用一条传输线。每一。每一。每一。

29、每一条线分别代表了二进制数的不同位值。条线分别代表了二进制数的不同位值。条线分别代表了二进制数的不同位值。条线分别代表了二进制数的不同位值。 一般采用电位传送，一般采用电位传送，一般采用电位传送，一般采用电位传送，系统总线都采用系统总线都采用系统总线都采用系统总线都采用“ “并行传并行传并行传并行传送送送送” ”方式方式方式方式3. 分时传送分时传送 一是一是总线复用方式总线复用方式，如在某个传输线上，如在某个传输线上既传输数据又传送地址，为此必须划分时间既传输数据又传送地址，为此必须划分时间片；片； 二是二是共享总线的部件，分时使用总线共享总线的部件，分时使用总线。 总线系统6.2.2 接口

30、的基本概念接口的基本概念 I/O I/O设备适配器设备适配器，广义上讲，接口广义上讲，接口指指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件接的逻辑部件。接口在它动态连接的部件间。接口在它动态连接的部件间起起“转换器转换器”的作用的作用，以实现彼此间的信息以实现彼此间的信息传送。传送。 总线系统控制控制控制控制：靠程序的指令信息来控制外围设备的动作靠程序的指令信息来控制外围设备的动作靠程序的指令信息来控制外围设备的动作靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。缓冲缓冲缓冲缓冲：作为缓冲器，用以补偿各种设备在速度上的差作为缓冲器，用以补偿各种设备在速度上的差作

31、为缓冲器，用以补偿各种设备在速度上的差作为缓冲器，用以补偿各种设备在速度上的差异异异异。状态状态状态状态：监视外围设备的工作状态并保存状态信息，供监视外围设备的工作状态并保存状态信息，供监视外围设备的工作状态并保存状态信息，供监视外围设备的工作状态并保存状态信息，供CPUCPU询问外围设备时进行分析之用询问外围设备时进行分析之用询问外围设备时进行分析之用询问外围设备时进行分析之用。转换转换转换转换：完成任何要求的数据转换完成任何要求的数据转换完成任何要求的数据转换完成任何要求的数据转换。整理整理整理整理：完成一些特别的功能，如修改字计数器或当前完成一些特别的功能，如修改字计数器或当前完成一些特

32、别的功能，如修改字计数器或当前完成一些特别的功能，如修改字计数器或当前ARAR。程序中断程序中断程序中断程序中断：外围设备向外围设备向外围设备向外围设备向CPUCPU请求某种动作时，接口即请求某种动作时，接口即请求某种动作时，接口即请求某种动作时，接口即发生一个中断信号到发生一个中断信号到发生一个中断信号到发生一个中断信号到CPUCPU。 接口通常具有的功能：接口通常具有的功能：6.2.2 接口的基本概念接口的基本概念 总线系统适配器必须有的两个接口（侧面）适配器必须有的两个接口（侧面）: : (1) 和系统总线的接口和系统总线的接口，其数据交换一定是并，其数据交换一定是并行方式；行方式； (

33、2) 和外设的接口和外设的接口，可能是并行或串行；，可能是并行或串行；分类：分类： 串行数据接口串行数据接口串行数据接口串行数据接口 并行数据接口并行数据接口并行数据接口并行数据接口 接口接口外外设设系系统统总总线线并并串串6.2.2 接口的基本概念接口的基本概念 总线系统6.3 6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式总线的仲裁、定时和数据传送模式总线控制器总线控制器 它是总线系统的核心，任务是它是总线系统的核心，任务是它是总线系统的核心，任务是它是总线系统的核心，任务是管理总线的使用管理总线的使用管理总线的使用管理总线的使用，包括包括包括包括总线上设备的管理和设备使用总线过程的管理总线上设备

34、的管理和设备使用总线过程的管理总线上设备的管理和设备使用总线过程的管理总线上设备的管理和设备使用总线过程的管理。其其其其物理上不一定是一个独立的控制器物理上不一定是一个独立的控制器物理上不一定是一个独立的控制器物理上不一定是一个独立的控制器，其功能可分，其功能可分，其功能可分，其功能可分布到总线的各个部件或者设备上。布到总线的各个部件或者设备上。布到总线的各个部件或者设备上。布到总线的各个部件或者设备上。功能：功能：功能：功能：(1) (1) (1) (1) 总线系统资源的管理总线系统资源的管理总线系统资源的管理总线系统资源的管理：总线系统资源有存储空：总线系统资源有存储空：总线系统资源有存储

35、空：总线系统资源有存储空间，设备端口，通道、中断等。间，设备端口，通道、中断等。间，设备端口，通道、中断等。间，设备端口，通道、中断等。总线控制器具有资总线控制器具有资总线控制器具有资总线控制器具有资源分配、冲突判定、设备选择、启动、复位等功能。源分配、冲突判定、设备选择、启动、复位等功能。源分配、冲突判定、设备选择、启动、复位等功能。源分配、冲突判定、设备选择、启动、复位等功能。 总线系统(2) (2) (2) (2) 总线系统的定时总线系统的定时总线系统的定时总线系统的定时 产生主要各种总线命令和标识信号，协调设备的产生主要各种总线命令和标识信号，协调设备的产生主要各种总线命令和标识信号，

36、协调设备的产生主要各种总线命令和标识信号，协调设备的工作，辅助总线仲裁器工作，控制设备总线的时间，工作，辅助总线仲裁器工作，控制设备总线的时间，工作，辅助总线仲裁器工作，控制设备总线的时间，工作，辅助总线仲裁器工作，控制设备总线的时间，产生各种定时信号等。产生各种定时信号等。产生各种定时信号等。产生各种定时信号等。(3) (3) (3) (3) 总线的仲裁总线的仲裁总线的仲裁总线的仲裁 当总线中若干个设备同时产生总线请求时，需要当总线中若干个设备同时产生总线请求时，需要当总线中若干个设备同时产生总线请求时，需要当总线中若干个设备同时产生总线请求时，需要对这些请求进行仲裁，确定哪一个设备可以获得

37、总线对这些请求进行仲裁，确定哪一个设备可以获得总线对这些请求进行仲裁，确定哪一个设备可以获得总线对这些请求进行仲裁，确定哪一个设备可以获得总线使用权。使用权。使用权。使用权。(4) (4) (4) (4) 总线的连接总线的连接总线的连接总线的连接 对于系统中存在多种总线，需要由总线控制器完对于系统中存在多种总线，需要由总线控制器完对于系统中存在多种总线，需要由总线控制器完对于系统中存在多种总线，需要由总线控制器完成不同总线协议之间的转换；完成这些总线之间的连成不同总线协议之间的转换；完成这些总线之间的连成不同总线协议之间的转换；完成这些总线之间的连成不同总线协议之间的转换；完成这些总线之间的连

38、接。接。接。接。总线控制器总线控制器 总线系统 提出提出：为解决多个主设备同时竞争总线为解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题控制权的问题，必须具有，必须具有总线仲裁部件总线仲裁部件，以以某种方式选择其中一个主设备作为总线下一某种方式选择其中一个主设备作为总线下一次的主方次的主方。 对多个主设备提出的占用总线请求，一对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用般采用优先级优先级或或公平策略公平策略进行仲裁。被授权进行仲裁。被授权的主方在当前总线周期一结束，即接管总线的主方在当前总线周期一结束，即接管总线开始新的信息传送。开始新的信息传送。 6.3.1 总线的仲裁总线的仲裁总线占用期：总线占用期：主

39、方持续控制总线的时间主方持续控制总线的时间。功能模块状态功能模块状态：主动和被动。：主动和被动。 总线系统 按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁集中式仲裁集中式仲裁集中式仲裁和和和和分布式仲裁分布式仲裁分布式仲裁分布式仲裁。 仲裁电路集中在一起，通常由一个模块实现仲裁电路集中在一起，通常由一个模块实现仲裁电路集中在一起，通常由一个模块实现仲裁电路集中在一起，通常由一个模块实现。每每每每功能模块有两条线连到中央仲裁器：功能模块有两条线连到中央仲裁器：功能模块有两条

40、线连到中央仲裁器：功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条为送往仲一条为送往仲一条为送往仲一条为送往仲裁器的总线请求信号线裁器的总线请求信号线裁器的总线请求信号线裁器的总线请求信号线BRBR，一条是仲裁器送出的总一条是仲裁器送出的总一条是仲裁器送出的总一条是仲裁器送出的总线授权信号线线授权信号线线授权信号线线授权信号线BGBG。1. 集中式仲裁集中式仲裁 1 1）链式查询方式链式查询方式链式查询方式链式查询方式 特点特点特点特点： 共用一条总线授权线共用一条总线授权线共用一条总线授权线共用一条总线授权线，总线授权信号，总线授权信号，总线授权信号，总线授权信号BGBG串行地从一个串行地从一个串行地从

41、一个串行地从一个I/OI/O接口传送到下一个接口传送到下一个接口传送到下一个接口传送到下一个I/OI/O接口，假如接口，假如接口，假如接口，假如BGBG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；如果到达的接口无总线请求，则继续往下查询；如果到达的接口无总线请求，则继续往下查询；如果到达的接口无总线请求，则继续往下查询；如果有总线请求，则有总线请求，则有总线请求，则有总线请求，则BGBG信息不再向下查询，该接口获得信息不再向下查询，该接口获得信息不再向下查询，该接口获得信息不再向下查询，该接口获得总线控制权。总线控制权。总线控制权。总线控制权。 总线系统 总线系统 共用一个共用一个BS线表示当前总线

42、是否被使用着。线表示当前总线是否被使用着。各设备的优先级是按照各设备的优先级是按照BG线上离中央仲裁器线上离中央仲裁器的远近来确定的远近来确定。 优点优点：只用很少几根线就能按一定优先次只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，且可方便地扩充设备序实现总线仲裁，且可方便地扩充设备。 缺点缺点：对询问链电路故障敏感，优先级固对询问链电路故障敏感，优先级固定而不能调整、速度慢定而不能调整、速度慢。1. 集中式仲裁集中式仲裁 1 1 1 1）链式查询方式链式查询方式链式查询方式链式查询方式 总线系统2 2）计数器定时查询方式计数器定时查询方式计数器定时查询方式计数器定时查询方式 总线上任一设备要

43、求使用总线时，通过总线上任一设备要求使用总线时，通过总线上任一设备要求使用总线时，通过总线上任一设备要求使用总线时，通过BRBR线发出线发出线发出线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BSBS线为线为线为线为“0”“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向设备，每个设备接口都有一个设备地址判别址线发向设备，每个设备接口都有一个设备

44、地址判别址线发向设备，每个设备接口都有一个设备地址判别址线发向设备，每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备置致时，该设备置致时，该设备置致时，该设备置“1”BS“1”BS线，获得总线使用权线，获得总线使用权线，获得总线使用权线，获得总线使用权，此时此时此时此时中中中中止（止（止（止（pause not stoppause not stop）计数查询计数查询计数查询计数查询。 比较比较：少了一条少了一条少了一

45、条少了一条BGBG线，可改变优先次序，线，可改变优先次序，线，可改变优先次序，线，可改变优先次序，仲裁策仲裁策仲裁策仲裁策略灵活性高；略灵活性高；略灵活性高；略灵活性高；对电路的故障不如链式敏感，但增加了对电路的故障不如链式敏感，但增加了对电路的故障不如链式敏感，但增加了对电路的故障不如链式敏感，但增加了主控线数，控制较复杂主控线数，控制较复杂主控线数，控制较复杂主控线数，控制较复杂。1. 集中式仲裁集中式仲裁 总线系统3）独立请求方式独立请求方式 每一共享总线的设备均有一对每一共享总线的设备均有一对每一共享总线的设备均有一对每一共享总线的设备均有一对BRBRi i和和和和BGBGi i，当设

46、备，当设备，当设备，当设备要求使用总线时，便发出总线请求信号，中央仲裁器要求使用总线时，便发出总线请求信号，中央仲裁器要求使用总线时，便发出总线请求信号，中央仲裁器要求使用总线时，便发出总线请求信号，中央仲裁器有一个有一个有一个有一个排队电路排队电路排队电路排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应根据一定的优先次序决定首先响应根据一定的优先次序决定首先响应根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号哪个设备的请求，给设备以授权信号哪个设备的请求，给设备以授权信号哪个设备的请求，给设备以授权信号 。 对于单对于单对于单对于单CPUCPU系统总线系统总线系统总线系统总线，中央仲裁

47、器中央仲裁器中央仲裁器中央仲裁器又称又称又称又称总线控制总线控制总线控制总线控制器器器器，是是是是CPUCPU的一部分，而按照目前的总线标准中央的一部分，而按照目前的总线标准中央的一部分，而按照目前的总线标准中央的一部分，而按照目前的总线标准中央仲裁器仲裁器仲裁器仲裁器一般是一个单独功能模块一般是一个单独功能模块一般是一个单独功能模块一般是一个单独功能模块。 优点优点：响应时间快，效率高；对优先次序的控制相响应时间快，效率高；对优先次序的控制相响应时间快，效率高；对优先次序的控制相响应时间快，效率高；对优先次序的控制相当灵活（可以预先固定、也可以通过程序来改变，还当灵活（可以预先固定、也可以通

48、过程序来改变，还当灵活（可以预先固定、也可以通过程序来改变，还当灵活（可以预先固定、也可以通过程序来改变，还可屏蔽某个设备的总线请求）。可屏蔽某个设备的总线请求）。可屏蔽某个设备的总线请求）。可屏蔽某个设备的总线请求）。 缺点缺点：增加了控制线的数量，内部需另设排队器。增加了控制线的数量，内部需另设排队器。增加了控制线的数量，内部需另设排队器。增加了控制线的数量，内部需另设排队器。1. 集中式仲裁集中式仲裁 总线系统1. 集中式仲裁集中式仲裁3 3 3 3）独立请求方式独立请求方式独立请求方式独立请求方式 总线系统6.3.2 总线的定时总线的定时 总线的一次信息传送过程：总线的一次信息传送过程

49、：总线的一次信息传送过程：总线的一次信息传送过程：请求总线请求总线请求总线请求总线、总线仲裁总线仲裁总线仲裁总线仲裁、寻址寻址寻址寻址、信息传送信息传送信息传送信息传送、状态返回状态返回状态返回状态返回（或错误报告）。（或错误报告）。（或错误报告）。（或错误报告）。 为了同步主为了同步主为了同步主为了同步主/ /从方的操作，必须制定定时协议。从方的操作，必须制定定时协议。从方的操作，必须制定定时协议。从方的操作，必须制定定时协议。定定定定时时时时就是指就是指就是指就是指事件出现在总线上的时序关系事件出现在总线上的时序关系事件出现在总线上的时序关系事件出现在总线上的时序关系 。2. 分布式仲裁分

50、布式仲裁 不需要中央仲裁器，每个潜在的主方都有自己的仲不需要中央仲裁器，每个潜在的主方都有自己的仲不需要中央仲裁器，每个潜在的主方都有自己的仲不需要中央仲裁器，每个潜在的主方都有自己的仲裁号和仲裁器；当总线申请时，把各自唯一的仲裁号裁号和仲裁器；当总线申请时，把各自唯一的仲裁号裁号和仲裁器；当总线申请时，把各自唯一的仲裁号裁号和仲裁器；当总线申请时，把各自唯一的仲裁号发到共享的仲裁总线上，每个仲裁器把仲裁线上的号发到共享的仲裁总线上，每个仲裁器把仲裁线上的号发到共享的仲裁总线上，每个仲裁器把仲裁线上的号发到共享的仲裁总线上，每个仲裁器把仲裁线上的号和自己的号比较，如果总线上的号大，则它的总线请

51、和自己的号比较，如果总线上的号大，则它的总线请和自己的号比较，如果总线上的号大，则它的总线请和自己的号比较，如果总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜的仲裁求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜的仲裁求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜的仲裁求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜的仲裁号留在仲裁总线上。号留在仲裁总线上。号留在仲裁总线上。号留在仲裁总线上。 总线系统1. 同步定时同步定时 事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。

52、优点优点优点优点：规定明确、统一、模块间配合简单一致，规定明确、统一、模块间配合简单一致，规定明确、统一、模块间配合简单一致，规定明确、统一、模块间配合简单一致，一般具有较高的数据传送速率一般具有较高的数据传送速率一般具有较高的数据传送速率一般具有较高的数据传送速率。 缺点缺点缺点缺点：主从模块时间配合属强制性同步，必须在主从模块时间配合属强制性同步，必须在主从模块时间配合属强制性同步，必须在主从模块时间配合属强制性同步，必须在限定时间内完成规定的要求，并且对所有模块都用限定时间内完成规定的要求，并且对所有模块都用限定时间内完成规定的要求，并且对所有模块都用限定时间内完成规定的要求，并且对所有

53、模块都用同一限时，势必造成对不相同速度的部件而言，必同一限时，势必造成对不相同速度的部件而言，必同一限时，势必造成对不相同速度的部件而言，必同一限时，势必造成对不相同速度的部件而言，必须按最慢的速度部件来设计公共时钟，严重影响总须按最慢的速度部件来设计公共时钟，严重影响总须按最慢的速度部件来设计公共时钟，严重影响总须按最慢的速度部件来设计公共时钟，严重影响总线工作效率。线工作效率。线工作效率。线工作效率。 适用范围适用范围适用范围适用范围：适合总线长度较短、各个功能模块存适合总线长度较短、各个功能模块存适合总线长度较短、各个功能模块存适合总线长度较短、各个功能模块存取时间比较接近的情况。取时间

54、比较接近的情况。取时间比较接近的情况。取时间比较接近的情况。 总线系统例例. .打入地址打入地址打入数据打入数据时钟时钟T1T3T2T4地址地址读出数据读出数据由由统一时序统一时序控制总线传送操作。控制总线传送操作。时钟周期、同步脉冲时钟周期、同步脉冲在固定时钟周期内完成数据传送，由同步脉冲定时打入。在固定时钟周期内完成数据传送，由同步脉冲定时打入。1. 1. 1. 1. 同步定时同步定时同步定时同步定时 总线系统2. 异步定时异步定时 建立在应答式或互锁机制基础之上，后一建立在应答式或互锁机制基础之上，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现出现。

55、 优点优点：不需要统一的公共时钟，总线周期不需要统一的公共时钟，总线周期的长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，的长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上，给设计者以充分的灵活和选择余地线上，给设计者以充分的灵活和选择余地。 缺点缺点：增加了总线的复杂性和成本增加了总线的复杂性和成本。6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 总线的定时总线的定时总线的定时总线的定时 总线系统 总线请求总线请求无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需要决定；以异步应答方式控

56、制总线传送操作。要决定；以异步应答方式控制总线传送操作。例例. . ( (设备设备 CPU) CPU) 总线批准总线批准 (CPU (CPU 设备设备) ) 主同步主同步 ( (主主 从从) ) 从同步从同步 ( (从从 主主) ) 总线周期总线周期 总线传送总线传送 （时间可变）（时间可变） （时间可变）（时间可变） 总线权切换总线权切换6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 总线的定时总线的定时总线的定时总线的定时2. 2. 2. 2. 异步定时异步定时异步定时异步定时 总线系统6.3.3 总线数据传送模式总线数据传送模式1 1、读、写操作读、写操作读、写操作读、写操作：主从方之间

57、数据传送，在命令和地主从方之间数据传送，在命令和地主从方之间数据传送，在命令和地主从方之间数据传送，在命令和地址作用下完成。也可以使用流水线的方式来提高总线址作用下完成。也可以使用流水线的方式来提高总线址作用下完成。也可以使用流水线的方式来提高总线址作用下完成。也可以使用流水线的方式来提高总线利用率利用率利用率利用率。2 2、块传送操作块传送操作块传送操作块传送操作：块的起始地址和块长度块的起始地址和块长度块的起始地址和块长度块的起始地址和块长度。3 3、写后读、读修改写操作写后读、读修改写操作写后读、读修改写操作写后读、读修改写操作：校验；多道程序中共享校验；多道程序中共享校验；多道程序中共

58、享校验；多道程序中共享存储资源的保护。存储资源的保护。存储资源的保护。存储资源的保护。4 4、广播、广集操作广播、广集操作广播、广集操作广播、广集操作：一个主方对多个从方进行写的一个主方对多个从方进行写的一个主方对多个从方进行写的一个主方对多个从方进行写的操作称为广播；相反的操作称为广集，选定多个从方操作称为广播；相反的操作称为广集，选定多个从方操作称为广播；相反的操作称为广集，选定多个从方操作称为广播；相反的操作称为广集，选定多个从方数据在总线上完成数据在总线上完成数据在总线上完成数据在总线上完成ANDANDANDAND或或或或OROROROR操作，用以检测多个中断操作，用以检测多个中断操作，用以检测多个中断操作，用以检测多个中断源源源源。 总线系统本章重点：本章重点：1. 1. 总线的基本概念总线的基本概念( (定义，分类，特性，定义，分类，特性，指标，连接方式，早期与当代总线结构指标，连接方式，早期与当代总线结构) )；2. 2. 信息的传送方式；信息的传送方式；2. 2. 接口的概念与功能；接口的概念与功能；3. 3. 总线的仲裁；总线的仲裁；4. 4. 总线的定时与数据传送模式。总线的定时与数据传送模式。 总线系统