第3章系統(tǒng)總線

1、2009年2月6日第3章 系統(tǒng)總線計算機計算機I/OI/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器CPUCPU為什么要用總線為什么要用總線?系統(tǒng)互聯n分散連接分散連接n內部連線十分復雜，布內部連線十分復雜，布線困難線困難n擴展性差擴展性差n效率高效率高n總線連接總線連接n簡潔、簡潔、成本低成本低n擴展性好、靈活擴展性好、靈活n共享競爭共享競爭n19701970年年DECDEC公司公司PDP-11PDP-11小型計算機首次采用總小型計算機首次采用總線技術線技術processormemoryI/O Interface（adapter）I/O Interface（adapter）I/O deviceI/O de

2、vice主機 存儲器 運算器運算器 控制器 輸入設備輸出設備3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念1 1、什么是總線、什么是總線2 2、總線上信息的傳送總線上信息的傳送總線是連接各個部件的信息傳輸線總線是連接各個部件的信息傳輸線是是 各個部件共享的傳輸介質各個部件共享的傳輸介質串行串行并行并行總線n定義：是連接多個部件的傳輸線定義：是連接多個部件的傳輸線n總線的關鍵特征是共享傳輸線?？偩€的關鍵特征是共享傳輸線。n總線的兩個特點：總線的兩個特點：n任意時刻只能有一個設備向總線發(fā)送信息任意時刻只能有一個設備向總線發(fā)送信息n系統(tǒng)瓶頸系統(tǒng)瓶頸n多個部件可以同時從總線接受相同的信息多個部件可以同時

3、從總線接受相同的信息n廣播式廣播式processormemoryI/O Interface（adapter）I/O Interface（adapter）I/O deviceI/O device主機3.2 3.2 總線的分類總線的分類1.1.片內總線片內總線2.2.系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線芯片內部芯片內部 的總線的總線數據總線數據總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關與機器字長、存儲字長有關單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 I/OI/O地址有關地址有關有出有出 有入有入計算機各部件之間計算機各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫總線允許

4、、中斷確認總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求中斷請求、總線請求總線分類按位置n片內總線片內總線n是指芯片內部的總線。是指芯片內部的總線。n如在如在CPUCPU芯片內部，寄存器和芯片內部，寄存器和寄存器之間、寄存器和算邏單寄存器之間、寄存器和算邏單元元ALUALU之間都有總線連接。之間都有總線連接。n系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線n是指是指CPUCPU、主存、主存、I/OI/O（通過（通過I/OI/O接口）各大部件之間的信接口）各大部件之間的信息傳輸線。息傳輸線。n又叫板級總線和板間總線又叫板級總線和板間總線n如如ISAISA、PCIPCI等。等。n通信總線（通信總線（I/OI/O總線）總線）n是指計算機系

5、統(tǒng)之間或計算機是指計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表等）之間的通信傳輸線。等）之間的通信傳輸線。nIDEIDE、SCSISCSI、USBUSB、RSRS232232processormemoryI/O Interface（adapter）I/O Interface（adapter）I/O deviceI/O device主機片內總線系統(tǒng)總線通信總線通信總線通信總線串行通信總線串行通信總線并行通信總線并行通信總線傳輸方式傳輸方式 用于用于 計算機系統(tǒng)之間計算機系統(tǒng)之間 或或 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）（如控制儀表、移

6、動通信等）之間的通信之間的通信總線分類按功能n數據總線（DB）n雙向，寬度差別n地址總線（AB）n單向，寬度與尋址空間有關n控制總線（CB）n命令和狀態(tài)總線也包括電源線和地線！總線也包括電源線和地線！數據總線n數據總線上傳送數據信息，數據總線是雙向的。數據總線上傳送數據信息，數據總線是雙向的。n數據總線的條數稱為數據總線的條數稱為數據總線寬度數據總線寬度。比如，。比如，1616位總線，指其位總線，指其數據總線為數據總線為1616根。根。n數據總線是數據總線是三態(tài)三態(tài)的，未被地址信號選中的部件，不驅動數據的，未被地址信號選中的部件，不驅動數據總線（其數據引腳為高阻）?？偩€（其數據引腳為高阻）。為

7、什么使用三態(tài)？所謂三態(tài)，是指為什么使用三態(tài)？所謂三態(tài)，是指0 0，1 1和高阻抗三個狀態(tài)。由于數和高阻抗三個狀態(tài)。由于數據總線是公共通道，在某一時刻，只允許接收某一設備的信號，其據總線是公共通道，在某一時刻，只允許接收某一設備的信號，其他一切設備都應和它斷開（呈高阻抗狀態(tài)）。他一切設備都應和它斷開（呈高阻抗狀態(tài)）。數據數據總線總線設備2設備n設備3設備1通信控制總線n控制總線上傳送一個部件對另一個部件的控控制總線上傳送一個部件對另一個部件的控制信號。制信號。n主設備與從設備：主設備與從設備：在總線上所連接的各類設在總線上所連接的各類設備，按其對總線有無控制功能可分為主設備備，按其對總線有無控制

8、功能可分為主設備和從設備。和從設備。主設備主設備對總線有控制權對總線有控制權，從設備，從設備只能響應主設備發(fā)來的總線命令。這樣，只能響應主設備發(fā)來的總線命令。這樣，總總線上所有的信息傳輸都是由主設備啟動的。線上所有的信息傳輸都是由主設備啟動的。n根據不同的使用意義，控制總線上有的信號根據不同的使用意義，控制總線上有的信號線為三態(tài)，有的非三態(tài)。線為三態(tài)，有的非三態(tài)。地址總線n地址總線上傳送地址信號，主要用來指定需要訪問地址總線上傳送地址信號，主要用來指定需要訪問的部件（如存儲器單元、外設）。的部件（如存儲器單元、外設）。n總線主設備發(fā)出地址信號后，總線上的所有部件均總線主設備發(fā)出地址信號后，總線

9、上的所有部件均感受到該地址信號，但只有感受到該地址信號，但只有經過譯碼電路選中的部經過譯碼電路選中的部件件才接收主設備的控制信號，并與之通信。才接收主設備的控制信號，并與之通信。n地址總線是地址總線是單向單向的，即地址信號只能由總線主設備的，即地址信號只能由總線主設備至從設備。地址總線也是三態(tài)的，非主設備部件不至從設備。地址總線也是三態(tài)的，非主設備部件不能驅動地址總線。能驅動地址總線。3.3 3.3 總線特性及性能指標總線特性及性能指標CPUCPU 插件板插件板M.MM.M 插件板插件板I/OI/O插件板插件板3.3.1 3.3.1 總線物理實現總線物理實現BUSBUS1. 1. 機械特性機械

10、特性2. 2. 電氣特性電氣特性3. 3. 功能特性功能特性4. 4. 時間特性時間特性3.3.2 3.3.2 總線特性總線特性尺寸尺寸 形狀形狀傳輸方向傳輸方向 和有效的和有效的 電平電平 范圍范圍每根傳輸線的每根傳輸線的 功能功能信號的信號的 時序時序 關系關系地址地址數據數據控制控制總線特性n機械特性：機械特性：是指總線在機械連接方式上的一些性是指總線在機械連接方式上的一些性能。能。n如插頭和插座使用的標準，它們的幾何尺寸、形狀、引如插頭和插座使用的標準，它們的幾何尺寸、形狀、引腳的個數以及排列的順序，接頭處的可靠接觸等等。腳的個數以及排列的順序，接頭處的可靠接觸等等。n電氣特性：電氣特

11、性：是指總線的每一根傳輸線上信號的傳是指總線的每一根傳輸線上信號的傳輸方向和有效的電平范圍。輸方向和有效的電平范圍。n如低電平表示邏輯如低電平表示邏輯“0”0”，并要求電平低于，并要求電平低于3V3V；高電；高電平表示邏輯平表示邏輯“1”1”，并要求高電平高于，并要求高電平高于3V3V。n功能特性：功能特性：是指總線中每根信號傳輸線的功能。是指總線中每根信號傳輸線的功能。n時間特性：時間特性：是指總線中的任一根信號傳輸線在什是指總線中的任一根信號傳輸線在什么時間內有效。么時間內有效。n為了正確傳輸數據信息，每條總線上的各種信號，互相為了正確傳輸數據信息，每條總線上的各種信號，互相存在著一種有效

12、時序的關系，因此，時間特性一般可用存在著一種有效時序的關系，因此，時間特性一般可用信號時序圖來描述。信號時序圖來描述。3.3.3 3.3.3 總線的性能指標總線的性能指標1 1. .總線寬度總線寬度2. 2. 標準傳輸率標準傳輸率3. 3. 時鐘同步時鐘同步/ /異步異步4. 4. 總線復用總線復用5. 5. 信號線數信號線數6. 6. 總線控制方式總線控制方式7. 7. 其他指標其他指標數據線數據線 的根數的根數每秒傳輸的最大字節(jié)數（每秒傳輸的最大字節(jié)數（MBMBs s）同步、不同步同步、不同步地址線地址線 與與 數據線數據線 復用復用地址線、數據線和控制線的地址線、數據線和控制線的 總和總

13、和負載能力負載能力并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數總線性能指標(1)n總線寬度：總線寬度：是指數據總線的根數，用是指數據總線的根數，用bitbit（位）表（位）表示，如示，如8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位（也即位（也即8 8根、根、1616根、根、3232根、根、6464根數據線）。根數據線）。n最大傳輸率最大傳輸率 ( (總線帶寬總線帶寬) )：總線本身所能達到的最總線本身所能達到的最高傳輸速率，用高傳輸速率，用MB/sMB/s（每秒多少兆字節(jié)）表示。（每秒多少兆字節(jié)）表示。n例：總線工作頻率例：總線工作頻率33.3MHz33.3MHz，總線

14、寬度，總線寬度3232位，則最大位，則最大傳輸率傳輸率 33.333.332/832/8132MB/s132MB/s。n時鐘同步時鐘同步/ /異步：異步：總線上的數據與時鐘同步工作的總線上的數據與時鐘同步工作的總線稱為同步總線，與時鐘不同步工作的總線稱總線稱為同步總線，與時鐘不同步工作的總線稱為異步總線。為異步總線。n總線復用：總線復用：為提高總線的利用率，將地址總線和為提高總線的利用率，將地址總線和數據總線共用一組物理線，在某一時刻該總線傳數據總線共用一組物理線，在某一時刻該總線傳輸地址信號，另一時刻傳輸數據信號或命令信號。輸地址信號，另一時刻傳輸數據信號或命令信號?？偩€性能指標(2)n信號

15、線數：信號線數：即地址總線、數據總線和控制總線三種即地址總線、數據總線和控制總線三種總線的根數總和?？偩€的根數總和。n總線控制方式：總線控制方式：包括并發(fā)工作、自動配置、仲裁方包括并發(fā)工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數方式等。式、邏輯方式、計數方式等。n負載能力：負載能力：通常用可連接擴增電路板數來反映總線通常用可連接擴增電路板數來反映總線的負載能力。的負載能力。n由于不同的電路對總線的負載是不同的，即使同一電路由于不同的電路對總線的負載是不同的，即使同一電路在不同的工作頻率下，總線的負載也是不同的。因此，在不同的工作頻率下，總線的負載也是不同的。因此，總線負載能力的指標是不太嚴格的?？?/p>

16、線負載能力的指標是不太嚴格的。n其他：如電源電壓是其他：如電源電壓是5V5V還是還是3.3V3.3V、總線能否擴展至、總線能否擴展至6464位寬度等。位寬度等。課堂練習與思考：課堂練習與思考：1.總線中地址線的用處是_。A.選擇主存單元地址 B. 選擇進行信息傳輸的設備C. 選擇外存地址 D. 指定主存單元和I/O設備接口電路的選擇地址 D2.系統(tǒng)總線中控制線的功能是_。A.提供主存、I/O接口設備的控制信號和響應信號B.提供數據信息 C.提供時序信號 D.提供主存、I/O接口設備的響應信號 3.在_的微型計算機系統(tǒng)中，外設可和主存貯器單元統(tǒng)一編址 ，因此可以不使用I / O指令。 A.單總線

17、 B.雙總線 C.三總線 D.多總線 AAISAISAEISAEISAVL-BUSVL-BUSPCIPCI模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)總總線線標標準準 3.3.4 3.3.4 總線標準總線標準系統(tǒng)系統(tǒng)模塊模塊標標 準準 界界 面面總線標準的產生n總線是在計算機系統(tǒng)模塊化的發(fā)展過程中產生的，隨總線是在計算機系統(tǒng)模塊化的發(fā)展過程中產生的，隨著計算及應用領域的不斷擴大，計算機系統(tǒng)中各類模著計算及應用領域的不斷擴大，計算機系統(tǒng)中各類模塊（特別是塊（特別是I/OI/O設備所帶來的各類接口模塊），其品種設備所帶來的各類接口模塊），其品種極其繁雜，往往出現一種模塊要配一種總線，極其繁雜，往往出現一種模塊要配一種總線，很

18、難在很難在總線上更換、組合各類模塊或設備?？偩€上更換、組合各類模塊或設備。n2020世紀世紀7070年代末，為了使系統(tǒng)設計簡化，模塊生產批年代末，為了使系統(tǒng)設計簡化，模塊生產批量化，確保其性能穩(wěn)定，質量可靠，便于維護，人們量化，確保其性能穩(wěn)定，質量可靠，便于維護，人們開始研究如何建立總線標準，完成系統(tǒng)設計和模塊制開始研究如何建立總線標準，完成系統(tǒng)設計和模塊制作。作。n概念：概念：所謂總線標準，可視為系統(tǒng)與各模塊、模塊與所謂總線標準，可視為系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個模塊之間的一個互連的標準界面互連的標準界面。n這個界面兩端的任一方只需根據總線標準的要求完成自身一這個界面兩端的任一方只需根

19、據總線標準的要求完成自身一面接口的功能要求，而無需了解對方接口與總線的連接要求。面接口的功能要求，而無需了解對方接口與總線的連接要求。n因此，按總線標準設計的接口可視為通用接口。因此，按總線標準設計的接口可視為通用接口。目前流行的總線標準nISAnEISAnVESAnPCInMCAnSTDnISA、EISAnISAISA：Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Architecture工業(yè)標工業(yè)標準體系結構，又稱準體系結構，又稱ATAT總線總線n24位地址線（可直接尋址的內存容量為16MB）n62+36引腳n8/16位數據線n最高時鐘頻率

20、8MHzn最大傳輸率16MB/snEISAEISA：Extended Industry Standard Extended Industry Standard Architecture Architecture 擴展工業(yè)標準體系結構擴展工業(yè)標準體系結構nEISA是一種在ISA基礎上擴充開放的總線標準n地址總線32位n數據總線32位n總線的時鐘頻率為8MHzn最大傳輸率33MB/sMCA、STDnMCAMCA：Micro Channel ArchitectureMicro Channel Architecture微通道體系微通道體系結構，結構，3232位標準總線，最大傳輸率位標準總線，最大傳輸率

21、40MB/s40MB/s。nMCAMCA是是IBMIBM公司在推出其第一臺公司在推出其第一臺8038680386系統(tǒng)時，突破傳統(tǒng)系統(tǒng)時，突破傳統(tǒng)ISAISA標準而創(chuàng)建的新型系統(tǒng)總線標準。標準而創(chuàng)建的新型系統(tǒng)總線標準。MCAMCA與與ISAISA完全不兼容，完全不兼容，所以限制了其推廣。所以限制了其推廣。nSTDSTD：STDSTD總線于總線于19871987年被國際電子電氣工程師年被國際電子電氣工程師協會（協會（IEEEIEEE）列為標準（）列為標準（IEEE961IEEE961標準），主標準），主要用于以微處理器為中心的工業(yè)控制領域。要用于以微處理器為中心的工業(yè)控制領域。n數據總線數據總線8

22、 8位，最大傳輸率位，最大傳輸率2MB/S2MB/S。VL-BUS、PCInVL-BUSVL-BUS：是由是由VESAVESA（Video Electronic Standard Video Electronic Standard AssociationAssociation，視頻電子標準協會）提出來的局部，視頻電子標準協會）提出來的局部總線標準，也稱為總線標準，也稱為 VESAVESA總線總線。n數據總線數據總線3232位位n總線時鐘頻率總線時鐘頻率33MHz33MHzn配有局部控制器，將高速設備直接掛在配有局部控制器，將高速設備直接掛在CPUCPU的總線上，實的總線上，實現現CPUCPU與

23、高速外設之間的高速數據交換與高速外設之間的高速數據交換nPCIPCI：Peripheral Component InterconnectPeripheral Component Interconnect外外部設備互連總線。部設備互連總線。n32/6432/64位數據總線，總線時鐘頻率位數據總線，總線時鐘頻率33MHz33MHzn最大數據傳輸率最大數據傳輸率132MB/s132MB/s264MB/s264MB/sn與與ISAISA、EISAEISA均可兼容均可兼容n支持即插即用、支持多層結構支持即插即用、支持多層結構AGP、SCSI、USBnAGPAGP：Accelerated Graphics

24、 PortAccelerated Graphics Port加速圖形接口，專加速圖形接口，專為提高視頻帶寬而設計的總線規(guī)范。它采用點對點連接，為提高視頻帶寬而設計的總線規(guī)范。它采用點對點連接，連接控制芯片組和連接控制芯片組和AGPAGP顯示卡，因此嚴格說顯示卡，因此嚴格說AGPAGP不能稱為總不能稱為總線，而是一種接口標準。線，而是一種接口標準。nSCSISCSI：Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface小型計算機小型計算機系統(tǒng)接口。系統(tǒng)接口。SCSISCSI總線主要用于光驅、音頻設備、掃描儀、總線主要用于光驅

25、、音頻設備、掃描儀、打印機以及像硬盤驅動器這樣的大容量存儲設備等的連接，打印機以及像硬盤驅動器這樣的大容量存儲設備等的連接，是一種直接連接外設的并行是一種直接連接外設的并行I/OI/O總線?？偩€。nUSBUSB：Universal Serial BusUniversal Serial Bus通用串行總線通用串行總線，是一種，是一種連接外圍設備的連接外圍設備的I/OI/O總線，總線，具有即插即用、熱拔插等優(yōu)良具有即插即用、熱拔插等優(yōu)良特點。特點。16位位ISA總線總線例1n某總線在一個總線周期中并行傳送某總線在一個總線周期中并行傳送4 4個字節(jié)的數據，個字節(jié)的數據，假設一個總線周期等于一個總線時

26、鐘周期假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線，總線時鐘頻率為時鐘頻率為33MHz33MHz，則總線帶寬是多少，則總線帶寬是多少? ? 如果一個如果一個總線周期中并行傳送總線周期中并行傳送6464位數據，總線時鐘頻率升位數據，總線時鐘頻率升為為66MHz66MHz，則總線帶寬是多少，則總線帶寬是多少? ?n解：解：設總線帶寬用設總線帶寬用DrDr表示，總線時鐘周期用表示，總線時鐘周期用T=1/fT=1/f表示，一個總線周期傳送的數據量用表示，一個總線周期傳送的數據量用D D表示，表示， （1 1）根據定義可得）根據定義可得 Dr = D/T = DDr = D/T = D1/T = D1/T

27、 = Df f =4B=4B33331000000/s=132MB/s1000000/s=132MB/s（2 2）6464位位=8B=8B， Dr= DDr= Df f =8B=8B66661000000/s=528MB/s1000000/s=528MB/s 提示：此題主要是考查對總線帶寬的理解。提示：此題主要是考查對總線帶寬的理解。 總線帶寬一次傳輸的字節(jié)數總線周期總線帶寬一次傳輸的字節(jié)數總線周期 總線寬度總線寬度/8/8* *總線時鐘頻率總線時鐘頻率3.4 3.4 總線結構總線結構3.4.1 3.4.1 單總線結構單總線結構單總線（系統(tǒng)總線）單總線（系統(tǒng)總線） CPU CPU M.M M.

28、M I/O I/O接接口口 外部外部 設備設備1 1 外部外部 設備設備2 2 I/O I/O接接口口 外部外部 設備設備n n I/O I/O接接口口1. 1. 雙總線結構雙總線結構具有特殊功能的處理器具有特殊功能的處理器由通道對由通道對I/OI/O統(tǒng)一管理統(tǒng)一管理通道通道 I/O I/O接口接口 設備設備n n I/O I/O接口接口 設備設備0 0 CPUCPU主存主存主存總線主存總線I/OI/O總線總線3.4.2 3.4.2 多總線結構多總線結構2. 2. 三總線結構三總線結構主存總線主存總線DMADMA總線總線I/OI/O總線總線 CPU CPU 主存主存設備設備1 1設備設備n n

29、高速外設高速外設I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口3. 3. 三總線結構的又一形式三總線結構的又一形式局域網局域網系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCPUCacheCache局部總線局部總線擴展總線接口擴展總線接口擴展總線擴展總線ModemModem串行接口串行接口SCSISCSI局部局部I/OI/O控制器控制器主存主存4. 4. 四總線結構四總線結構主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網局域網SCSISCSI多媒體多媒體CPUCPU調制解調器調制解調器串行接口串行接口FAXFAX系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線局部總線局部總線高速總線高速總線擴展總線擴展總線圖形圖形Cache/Cache/橋橋

30、1. 1. 傳統(tǒng)微型機總線結構傳統(tǒng)微型機總線結構3.4.3 3.4.3 總線結構舉例總線結構舉例存儲器存儲器SCSI IISCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISAISA EISA8 MHz18 MHz16 6位數據通路位數據通路標準總線控制器標準總線控制器33 MHz33 MHz3232位數據通路位數據通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線調制解調器調制解調器多媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形 CPU CPU2. VL-BUS2. VL-BUS局部總線結構局部總線結構33 MHz33 MHz的的3232位數據通路位數據通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線ISA EISAISA EISA多

31、媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形調制解調器調制解調器圖文傳真圖文傳真8 MHz8 MHz的的1616位數據通路位數據通路標準總線標準總線 控制器控制器CPUCPU主存控制器主存控制器存儲器存儲器局部總線局部總線 控制器控制器 SCSISCSI控制器控制器VL BUSVL BUS3. PCI 3. PCI 總線結構總線結構CPUCPU多媒體多媒體PCI PCI 橋橋高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形調制解調器調制解調器圖文傳真圖文傳真PCI PCI 總線總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線33 33 MHzMHz的的3232位數據通路位數據通路8 8 MHzMHz的的1616位數據通路位

32、數據通路ISA EISAISA EISA標準總線標準總線 控制器控制器 SCSI SCSI 控制器控制器存儲器存儲器4. 4. 多層多層 PCI PCI 總線結構總線結構PCIPCI總線總線2 2存儲器存儲器橋橋0 0橋橋4 4 PCI PCI設備設備橋橋5 5總線橋總線橋橋橋3 3橋橋1 1設備設備橋橋2 2第一級橋第一級橋第二級橋第二級橋第三級橋第三級橋PCIPCI總線總線4 4PCIPCI總線總線5 5PCIPCI總線總線3 3PCIPCI總線總線1 1PCIPCI總線總線0 0存儲器總線存儲器總線 標準總線標準總線CPUCPUPentium計算機主板總線結構圖CPUCPU、RAMRAM

33、、ROMROM、控、控制芯片組等芯片之制芯片組等芯片之間的信號連接線稱間的信號連接線稱為為CPUCPU總線?？偩€。CPUCPU總總線針對具體處理器線針對具體處理器設計，因此沒有統(tǒng)設計，因此沒有統(tǒng)一的規(guī)范。一的規(guī)范。這是一個三總線結這是一個三總線結構，即有構，即有CPUCPU總線、總線、PCIPCI總線和總線和ISAISA總線?？偩€。CPUCPU總線的時總線的時鐘頻率為鐘頻率為66.6MHz66.6MHz，CPUCPU內部時鐘是此內部時鐘是此時鐘頻率的倍時鐘頻率的倍頻。此總線可頻。此總線可連接連接4-128M4-128M內內存。存。主存控制器和主存控制器和CacheCache控制器控制器芯片用來

34、管理芯片用來管理CPUCPU對對主主存和存和CacheCache的存取的存取操作。操作。PCIPCI總線用來連接高總線用來連接高速的速的I/OI/O設備模塊，設備模塊，如顯卡等。如顯卡等。通過通過“橋橋”芯片，芯片，PCIPCI總線上連總線上連CPUCPU總總接，下連接，下連ISAISA總線。總線。ISAISA總線連總線連接低速接低速I IO O設備，支持設備，支持7 7個個DMADMA通道通道和和1515級可屏級可屏蔽硬件中斷。蔽硬件中斷。CPUCPU總線、總線、PCIPCI總線總線和和ISAISA總線通過兩個總線通過兩個“橋橋”芯片連成整芯片連成整體。橋芯片起到了體。橋芯片起到了信號速度緩

35、沖、電信號速度緩沖、電平轉換和控制協議平轉換和控制協議轉換的作用。轉換的作用。一、填空題一、填空題 1. 在單機系統(tǒng)中，三總線結構的計算機的總線系統(tǒng)由 、 和 等組成。 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線內存總線內存總線I/OI/O總線總線 2.總線是構成計算機系統(tǒng)的 ，是 多個 部件之間進行數據傳送的 通道，并在 的基礎上進行工作。 互連機構互連機構系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能公共公共爭用資源爭用資源 課堂練習與思考：課堂練習與思考：3.5 3.5 總線控制總線控制3.5.1 3.5.1 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式分布式集中式集中式 主設備主設備( (模塊模塊) )對總線有對總線有 控制權控

36、制權 從設備從設備( (模塊模塊) )響應響應 從主設備發(fā)來的總線命令從主設備發(fā)來的總線命令1. 1. 基本概念基本概念鏈式查詢鏈式查詢計數器定時查詢計數器定時查詢獨立請求方式獨立請求方式總線控制n兩個問題兩個問題n總線使用權分配，即總線判優(yōu)控制，也稱為仲裁邏輯n通信過程控制n總線判優(yōu)控制：總線判優(yōu)控制：多個主設備同時申請總線時，按一定的優(yōu)先等級順序確定哪個主設備能使用總線。n集中式：將控制邏輯集中在一處，即總線仲裁器，分為鏈式查詢、計數器定時查詢、獨立請求鏈式查詢、計數器定時查詢、獨立請求三種n分布式：將控制邏輯分散在與總線連接的各個部件或設備上，由各個節(jié)點競爭使用權n總線通信控制總線通信控

37、制n同步通信、異步通信、半同步通信、分離式通信同步通信、異步通信、半同步通信、分離式通信2. 2. 鏈式查詢方式鏈式查詢方式總總線線控控制制部部件件I/OI/O接口接口0 0BSBSBRBRI/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n nBGBG數據線數據線地址線地址線BSBS - -總線忙總線忙BR-BR-總線請求總線請求BG-BG-總線同意總線同意I/OI/O接口接口1 1 鏈式查詢方式鏈式查詢方式基本思想基本思想： 各設備通過共同單一的各設備通過共同單一的BRBR線，向中央仲裁器發(fā)出線，向中央仲裁器發(fā)出總線請求。仲裁器接到總線請求。仲裁器接到BRBR信號以后，在信號以后，在BSBS線

38、狀態(tài)為線狀態(tài)為“0”0”（總線不忙）的情況下，發(fā)出總線授權信號（總線不忙）的情況下，發(fā)出總線授權信號BGBG，該信，該信號串行地從一個號串行地從一個I/OI/O接口傳送到下一個接口傳送到下一個I/OI/O接口。假如接口。假如BGBG到達的接口無總線請求，則繼續(xù)往下查詢；假如到達的接口無總線請求，則繼續(xù)往下查詢；假如BGBG到達的接口有總線請求，到達的接口有總線請求，BGBG信號便不再往下查詢，該信號便不再往下查詢，該I/OI/O接口獲得了總線控制權（將接口獲得了總線控制權（將BSBS置為置為“1”1”）。顯然，）。顯然，離中央仲裁器最近的設備具有最高優(yōu)先級，可以通過離中央仲裁器最近的設備具有最

39、高優(yōu)先級，可以通過接口的優(yōu)先級排隊電路來實現。接口的優(yōu)先級排隊電路來實現。 鏈式查詢方式的優(yōu)點鏈式查詢方式的優(yōu)點: : 只用很少幾根線就能按一只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序實現多個設備的總線仲裁，并且很容易擴定優(yōu)先次序實現多個設備的總線仲裁，并且很容易擴充設備。充設備。 鏈式查詢方式的缺點鏈式查詢方式的缺點: 1. 1. 這種方式對詢問鏈的這種方式對詢問鏈的電路故障很敏感電路故障很敏感，即：，即：如如果第果第i i個設備的接口中有關鏈的電路出現故障，造成個設備的接口中有關鏈的電路出現故障，造成“斷鏈斷鏈”，那么第，那么第i i個以后的設備都不能進行工作。個以后的設備都不能進行工作。 2. 2

40、. 查詢鏈的查詢鏈的優(yōu)先級是固定的優(yōu)先級是固定的，如果優(yōu)先級高的，如果優(yōu)先級高的設設備出現頻繁的請求時，優(yōu)先級較低的設備可能長期不備出現頻繁的請求時，優(yōu)先級較低的設備可能長期不能使用總線能使用總線3.3.計數器定時查詢方式計數器定時查詢方式 基本思想基本思想： 總線上的任一設備要求使用總線時，仍然通過共總線上的任一設備要求使用總線時，仍然通過共同的同的BRBR線向中央仲裁器發(fā)出總線請求。仲裁器接到請線向中央仲裁器發(fā)出總線請求。仲裁器接到請求信號以后，在求信號以后，在BSBS線為線為“0”0”（總線不忙）的情況下，（總線不忙）的情況下，讓讓仲裁地址計數器開始計數，計數值通過仲裁地址計數器開始計數

41、，計數值通過一組地址線一組地址線發(fā)發(fā)向各設備。每個設備接口都有一個設備地址判別電向各設備。每個設備接口都有一個設備地址判別電路，當地址線上的計數值與請求總線的設備地址相一路，當地址線上的計數值與請求總線的設備地址相一致時，該設備置致時，該設備置BSBS線為線為“1”1”（總線占用），獲得了總（總線占用），獲得了總線線使用權，同時中止計數查詢。使用權，同時中止計數查詢。 計數器查詢方式的特點計數器查詢方式的特點： 1. 1. 每次計數可以從每次計數可以從“0”0”開始，也可以從上次的開始，也可以從上次的中中止點開始。如果從止點開始。如果從“0”0”開始，各設備的優(yōu)先次序與鏈開始，各設備的優(yōu)先次序

42、與鏈式式查詢法相同，優(yōu)先級的順序是固定的。如果從中止點查詢法相同，優(yōu)先級的順序是固定的。如果從中止點開始，則每個設備使用總線的優(yōu)先級相等。開始，則每個設備使用總線的優(yōu)先級相等。2. 2. 計數器的初值也可計數器的初值也可用程序來設置用程序來設置，因而可以方，因而可以方便地改變優(yōu)先次序。當然，這種靈活性是以增加線數便地改變優(yōu)先次序。當然，這種靈活性是以增加線數為代價的（如：增加為為代價的（如：增加為3 3根線，可管理根線，可管理2 23 3=8=8個設備；增個設備；增加為加為4 4根線，則可管理根線，則可管理2 24 4=16=16個設備等）。個設備等）。 0 0BSBS - -總線忙總線忙BR

43、-BR-總線請求總線請求總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線I/OI/O接口接口0 0BSBSBRBRI/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n n設備地址設備地址 計數器定時查詢方式計數器定時查詢方式I/OI/O接口接口1 1 計數器計數器設備地址設備地址 1 1排隊器排隊器排隊器排隊器4. 4. 獨立請求方式獨立請求方式總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線I/OI/O接口接口0 0I/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n nBRBR0 0BGBG0 0BRBR1 1BGBG1 1BRBRn nBGBGn nBG-BG-總線同意總線同意BR-BR-總線請

44、求總線請求 獨立請求方式獨立請求方式 基本思想基本思想：讓每一個共享總線的設備都有一對總線請求線讓每一個共享總線的設備都有一對總線請求線BRiBRi和總線授權線和總線授權線BGiBGi。當任何一個設備要求使用總線時，都可。當任何一個設備要求使用總線時，都可獨立地向仲裁器發(fā)出自己的請求信號獨立地向仲裁器發(fā)出自己的請求信號BRiBRi。由中央仲裁器中的排。由中央仲裁器中的排隊電路決定首先響應哪個設備的請求，并給該設備以授權信號隊電路決定首先響應哪個設備的請求，并給該設備以授權信號BGiBGi。獨立請求方式的特點獨立請求方式的特點： 1. 1. 響應時間快，確定優(yōu)先響應的設備所花費的時間少，響應時間

45、快，確定優(yōu)先響應的設備所花費的時間少，用用不著逐個設備地查詢。不著逐個設備地查詢。 2. 2. 既可以預先固定，也可以通過程序來方便地改變優(yōu)先既可以預先固定，也可以通過程序來方便地改變優(yōu)先次次序，因此對優(yōu)先次序的控制相當靈活；序，因此對優(yōu)先次序的控制相當靈活； 3. 3. 可以用屏蔽可以用屏蔽( (禁止禁止) )某個請求的辦法，封鎖來自無效設某個請求的辦法，封鎖來自無效設備備的請求。（的請求。（對設備的請求進行干預和管理對設備的請求進行干預和管理） 4. 4. 這種方式需增加的線數較多（這種方式需增加的線數較多（N N個設備，需要個設備，需要2N2N根根線），仲裁器的結構相應也要復雜一些。線）

46、，仲裁器的結構相應也要復雜一些?？偩€判優(yōu)控制集中式n獨立請求方式的工作原理：獨立請求方式的工作原理：n每個模塊有一組獨立的每個模塊有一組獨立的“總線請求總線請求”和和“總線允許總線允許”信號信號線，每對信號線有其相應的優(yōu)先級；線，每對信號線有其相應的優(yōu)先級；n控制器中有一個優(yōu)先級編碼器和優(yōu)先級譯碼器，用以選擇控制器中有一個優(yōu)先級編碼器和優(yōu)先級譯碼器，用以選擇優(yōu)先級最高的請求，并產生出相應的優(yōu)先級最高的請求，并產生出相應的“總線允許總線允許”信號；信號；n當當“總線忙總線忙”信號有效時，表示有的模塊正在使用總線，信號有效時，表示有的模塊正在使用總線，因此請求使用總線的模塊必須等待；直至因此請求使

47、用總線的模塊必須等待；直至“總線忙總線忙”信號信號變?yōu)闊o效時，所有需要使用總線的模塊都可以發(fā)出變?yōu)闊o效時，所有需要使用總線的模塊都可以發(fā)出“總線總線請求請求”信號，總線仲裁器僅向優(yōu)先級最高的模塊發(fā)出信號，總線仲裁器僅向優(yōu)先級最高的模塊發(fā)出“總總線允許線允許”信號。信號。n獨立請求方式的主要特點：獨立請求方式的主要特點：n判優(yōu)速度快，且與模塊數無關；判優(yōu)速度快，且與模塊數無關；n所需所需“請求線請求線”和和“允許線允許線”較多，較多，N N個模塊需要個模塊需要2N2N條。條?？偩€判優(yōu)控制分布式n分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三種常見分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三種常見的仲裁方式：的仲裁方式：n

48、自舉分布式仲裁自舉分布式仲裁n沖突檢測分布式仲裁沖突檢測分布式仲裁n并行競爭分布式仲裁并行競爭分布式仲裁 分布式仲裁分布式仲裁 分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個潛在的主方不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。共享的仲裁總共享的仲裁總線線上總是保留著當前占用總線模塊的仲裁號，當其它上總是保留著當前占用總線模塊的仲裁號，當其它模塊有總線請求時，各仲裁器將從仲裁總線上得到的模塊有總線請求時，各仲裁器將從仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。如果仲裁總線上的號大，則號與自己的號進行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應

49、，并撤消它的仲裁號。最后，它的總線請求不予響應，并撤消它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。顯然，分布式仲獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。顯然，分布式仲裁是以裁是以優(yōu)先級仲裁策略優(yōu)先級仲裁策略為基礎。為基礎?？偩€判優(yōu)控制分布式自舉分布式仲裁自舉分布式仲裁n自舉分布式仲裁方法使用多個請求線，不需要中心裁決器，自舉分布式仲裁方法使用多個請求線，不需要中心裁決器，每個設備獨立地決定自己是否是最高優(yōu)先級請求者。每個設備獨立地決定自己是否是最高優(yōu)先級請求者。n每個需要請求總線控制權的設備在各自對應的總線請求線每個需要請求總線控制權的設備在各自對應的總線請求線上送出請求信號，在總線裁決期間每個

50、設備將有關請求線上送出請求信號，在總線裁決期間每個設備將有關請求線上的信號合成后取回分析，根據這些請求信號確定自己能上的信號合成后取回分析，根據這些請求信號確定自己能否擁有總線控制權。否擁有總線控制權。n每個設備通過取回的合成信息能夠檢測出其他設備是否發(fā)每個設備通過取回的合成信息能夠檢測出其他設備是否發(fā)出了總線請求。如果一個設備在發(fā)出總線請求的同時，檢出了總線請求。如果一個設備在發(fā)出總線請求的同時，檢測到其他優(yōu)先級更高的設備也請求使用總線，則本設備不測到其他優(yōu)先級更高的設備也請求使用總線，則本設備不立即使用總線；否則，本設備就可立即使用總線。立即使用總線；否則，本設備就可立即使用總線。nNuB

51、usNuBus（MacintoshiIIMacintoshiII中的底板式總線）和中的底板式總線）和SCSISCSI總線采用此總線采用此方案。方案。總線判優(yōu)控制分布式自舉分布式仲裁自舉分布式仲裁BR3 BR2 I/O接口0I/O接口1I/O接口3BR0BR1I/O接口2假定：假定：I/OI/O接口接口0 0的優(yōu)先級最低，的優(yōu)先級最低，I/OI/O接口接口3 3的優(yōu)先級最高。的優(yōu)先級最高。BRBR0 0為總線忙信號線為總線忙信號線BRBRi i(i(i從從1 13)3)為為I/OI/O接口接口i i的總線請求信號線。的總線請求信號線。總線判優(yōu)控制分布式n基本思想：在沖突檢測分布式仲裁方法中，每個

52、基本思想：在沖突檢測分布式仲裁方法中，每個設備獨立地請求總線，多個同時使用總線的設備設備獨立地請求總線，多個同時使用總線的設備會發(fā)生沖突，這時沖突被檢測到，按照某種策略會發(fā)生沖突，這時沖突被檢測到，按照某種策略在沖突的各方選擇一個設備。在沖突的各方選擇一個設備。n例如，例如，EthernetEthernet總線仲裁方案如下：總線仲裁方案如下：n當某設備要使用總線時，它首先檢查一下是否有其他當某設備要使用總線時，它首先檢查一下是否有其他設備正在使用總線，如果沒有，那它就置總線忙，然設備正在使用總線，如果沒有，那它就置總線忙，然后使用總線；若兩個設備同時檢測到總線空閑，那它后使用總線；若兩個設備同

53、時檢測到總線空閑，那它們就可能會立即使用總線并發(fā)出沖突。一個設備在傳們就可能會立即使用總線并發(fā)出沖突。一個設備在傳輸過程中，它會偵聽總線以檢測是否發(fā)生了沖突，當輸過程中，它會偵聽總線以檢測是否發(fā)生了沖突，當沖突發(fā)生時，兩個設備都會停止傳輸，延遲一個隨機沖突發(fā)生時，兩個設備都會停止傳輸，延遲一個隨機時間后再重新使用總線。過了一個隨機時間段后，就時間后再重新使用總線。過了一個隨機時間段后，就可能有一設備先使用總線，這樣沖突就解決了?？赡苡幸辉O備先使用總線，這樣沖突就解決了。沖突檢測分布式仲裁沖突檢測分布式仲裁3.5.2 3.5.2 總線通信控制總線通信控制1. 1. 目的目的2. 2. 總線傳輸周

54、期總線傳輸周期主模塊申請主模塊申請，總線仲裁決定，總線仲裁決定主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數據交換數據主模塊主模塊 撤銷有關信息撤銷有關信息 申請分配階段申請分配階段尋址階段尋址階段傳數階段傳數階段結束階段結束階段解決通信雙方解決通信雙方 協調配合協調配合 問題問題由由 統(tǒng)一時標統(tǒng)一時標 控制數據傳送控制數據傳送充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每瞬間總線每瞬間 的的 潛力潛力同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 3. 總線通信的四種方式總線通信的四種方式采用采用 應答方式應答方

55、式，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準同步、異步結合同步、異步結合(1) (1) 同步式數據輸入同步式數據輸入T T1 1總線傳輸周期總線傳輸周期T T2 2T T3 3T T4 4 時鐘時鐘 地址地址 讀讀命令命令 數據數據(2) (2) 同步式數據輸出同步式數據輸出T T1 1總線傳輸周期總線傳輸周期T T2 2T T3 3T T4 4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令 數據數據不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖(3) (3) 異步通信異步通信主設備主設備從設備從設備請請求求回回答答(4) (4) 半同步通信半同步通信同步同步 發(fā)送方發(fā)送方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘前沿時鐘前沿 發(fā)信號發(fā)信號

56、接收方接收方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘后沿時鐘后沿 判斷、識別判斷、識別（同步同步、異步異步 結合）結合）異步異步 允許不同速度的模塊和諧工作允許不同速度的模塊和諧工作 增加一條增加一條 “等待等待”響應信號響應信號 WAITWAIT以輸入數據為例的半同步通信時序以輸入數據為例的半同步通信時序T T1 1 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址T T2 2 主模塊發(fā)命令主模塊發(fā)命令T T3 3 從模塊提供數據從模塊提供數據T T4 4 從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令Tw 當當 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 TWAITTw 當當 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 T

57、WAIT上述三種通信的共同點上述三種通信的共同點一個一個總線傳輸周期總線傳輸周期（以輸入數據為例）（以輸入數據為例） 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址 、命令、命令 從模塊準備數據從模塊準備數據 從模塊向主模塊發(fā)數據從模塊向主模塊發(fā)數據總線空閑總線空閑占用總線占用總線不占用總線不占用總線占用總線占用總線(5) (5) 分離式通信分離式通信主模塊主模塊 申請申請 占用總線占用總線，使用完后，使用完后即即 放棄總線放棄總線 的使用權的使用權從模塊從模塊 申請申請 占用總線占用總線，將各種信，將各種信息送至總線上息送至總線上一個總線傳輸周期一個總線傳輸周期子周期子周期1 1子周期子周期2 2主模塊主模塊n基

58、本思想：將一個傳輸周期（或總線周期）基本思想：將一個傳輸周期（或總線周期）分解分解為兩個子周期。為兩個子周期。n在第一個子周期中，主模塊在第一個子周期中，主模塊A A獲得總線使用權后獲得總線使用權后將命令、地址、將命令、地址、 A A模塊的編號模塊的編號等其他信息發(fā)到系等其他信息發(fā)到系統(tǒng)總線上，經總線傳輸后，由有關的從模塊統(tǒng)總線上，經總線傳輸后，由有關的從模塊B B接接收下來。收下來。n在第二個子周期中，當在第二個子周期中，當B B模塊接收到模塊接收到A A模塊發(fā)來的模塊發(fā)來的有關命令信號后，經過一系列內部操作，將有關命令信號后，經過一系列內部操作，將A A模模塊所需的數據準備好，然后由塊所需

59、的數據準備好，然后由B B模塊申請總線使模塊申請總線使用權，一旦獲準，用權，一旦獲準，B B模塊將模塊將A A模塊的編號、模塊的編號、B B模塊模塊的地址的地址、A A模塊所需數據等信息送到總線上，供模塊所需數據等信息送到總線上，供A A模塊接收。模塊接收。分離式通信n在同步通信、異步通信和半同步通信的整個傳輸過在同步通信、異步通信和半同步通信的整個傳輸過程中，系統(tǒng)總線的使用權完全由占有使用權的主設程中，系統(tǒng)總線的使用權完全由占有使用權的主設備以及由它選中的從設備占據。備以及由它選中的從設備占據。n讀命令過程分析：進一步分析讀命令傳輸周期，可讀命令過程分析：進一步分析讀命令傳輸周期，可以發(fā)現除

60、了申請總線這一階段外，其余時間主要被以發(fā)現除了申請總線這一階段外，其余時間主要被花在如下三個方面：花在如下三個方面：n（1 1）主模塊通過傳輸總線向從模塊發(fā)送地址和命令；）主模塊通過傳輸總線向從模塊發(fā)送地址和命令；n（2 2）從模塊按照命令進行讀數據的必要準備；）從模塊按照命令進行讀數據的必要準備；n（3 3）從模塊經數據總線向主模塊提供數據。）從模塊經數據總線向主模塊提供數據。分離式通信的特點各模塊欲占用總線使用權都必須提出申請。各模塊欲占用總線使用權都必須提出申請。在得到總線使用權后，主模塊在先規(guī)定的時間內在得到總線使用權后，主模塊在先規(guī)定的時間內向對方傳送信息，采用同步方式傳送，不再等待