第3章 總線系統(tǒng)

1、3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.2 總線的分類總線的分類3.3 總線特性及性能指標(biāo)總線特性及性能指標(biāo)3.4 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)3.5 總線控制總線控制一、為什么要用總線一、為什么要用總線二、什么是總線二、什么是總線三、總線上信息的傳送三、總線上信息的傳送總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是是 各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)。各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)。串行串行并行并行1. .片內(nèi)總線片內(nèi)總線2. .系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線芯片內(nèi)部芯片內(nèi)部 的總線的總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)單向單向 與存儲(chǔ)地址、

2、與存儲(chǔ)地址、 I/O地址有關(guān)地址有關(guān)有出有出 有入有入計(jì)算機(jī)各部件之間計(jì)算機(jī)各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫總線允許、中斷確認(rèn)總線允許、中斷確認(rèn)中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求3. .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(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間 或或 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動(dòng)通信等）（如控制儀表、移動(dòng)通信等）之間的通信。之間的通信。CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、總線物理實(shí)現(xiàn)一、總線物理實(shí)現(xiàn)BUS主板主板1. 機(jī)械特性機(jī)械特性2. 電氣

3、特性電氣特性3. 功能特性功能特性4. 時(shí)間特性時(shí)間特性二、總線特性二、總線特性尺寸尺寸、形狀、形狀、管腳數(shù)管腳數(shù)及及排列順序排列順序傳輸方向傳輸方向 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(hào)的信號(hào)的 時(shí)序時(shí)序 關(guān)系關(guān)系地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制三、總線的性能指標(biāo)三、總線的性能指標(biāo)1. 總線寬度總線寬度2. 總線帶寬總線帶寬3. 時(shí)鐘同步時(shí)鐘同步/異步異步4. 總線復(fù)用總線復(fù)用5. 信號(hào)線數(shù)信號(hào)線數(shù)6. 總線控制方式總線控制方式7. 其他指標(biāo)其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 的根數(shù)的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps）同步同步、不同步不同步地址線地址線

4、 與與 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 復(fù)用復(fù)用地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的 總和總和負(fù)載能力負(fù)載能力并發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)并發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)總總線線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn) 四、總線標(biāo)準(zhǔn)四、總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)系統(tǒng)模塊模塊標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn) 界界 面面總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線總線時(shí)鐘總線時(shí)鐘帶寬帶寬ISA168 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）15 MBpsEISA328.33 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3266 MHz（CPU）266 MBpsPCI326433 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）64 M

5、Hz（獨(dú)立）（獨(dú)立）133 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）133 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口USB串行接口串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)普通無(wú)屏蔽雙絞線普通無(wú)屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0) 四、總線標(biāo)準(zhǔn)四、總線標(biāo)準(zhǔn)一、單總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線

6、）單總線（系統(tǒng)總線） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備1 I/O 設(shè)備設(shè)備2 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口1. 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)具有特殊功能的處理器，具有特殊功能的處理器，由通道對(duì)由通道對(duì)I/O統(tǒng)一管理統(tǒng)一管理通道通道 I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備0 CPU主存主存主存總線主存總線I/O總線總線二、多總線結(jié)構(gòu)二、多總線結(jié)構(gòu)2. 三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)主存總線主存總線DMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備n高速外設(shè)高速外設(shè)I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口3. 三總線結(jié)構(gòu)的又一形式三總線結(jié)構(gòu)的又一

7、形式局域網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCache局部總線局部總線擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線擴(kuò)展總線Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存4. 四總線結(jié)構(gòu)四總線結(jié)構(gòu)多媒體多媒體 Modem主存主存擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線接口局域網(wǎng)局域網(wǎng)SCSICPU串行接口串行接口FAX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(kuò)展總線擴(kuò)展總線圖形圖形Cache/橋橋1. 傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例三、總線結(jié)構(gòu)舉例存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的的16位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器標(biāo)準(zhǔn)總線控制

8、器33 MHz的的32位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線多媒體多媒體高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形 CPU Modem2. VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)局部總線結(jié)構(gòu)33 MHz的的32位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線ISA、EISA多媒體多媒體高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形圖文傳真圖文傳真8 MHz的的16位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器局部總線局部總線 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS Modem3. PCI 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)CPU多媒體多媒體PCI 橋橋高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形圖文傳

9、真圖文傳真PCI 總線總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線33 MHz的的32位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路8 MHz的的16位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路ISA、EISA標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 Modem4. 多層多層 PCI 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)PCI總線總線2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器橋橋0橋橋4 PCI設(shè)備設(shè)備橋橋5總線橋總線橋橋橋3橋橋1設(shè)備設(shè)備橋橋2第一級(jí)橋第一級(jí)橋第二級(jí)橋第二級(jí)橋第三級(jí)橋第三級(jí)橋PCI總線總線4PCI總線總線5PCI總線總線3PCI總線總線1PCI總線總線0存儲(chǔ)器總線存儲(chǔ)器總線 標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線CPU一、總線判優(yōu)控制一、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

10、式集中式 主設(shè)備主設(shè)備(模塊模塊)對(duì)總線有對(duì)總線有 控制權(quán)控制權(quán) 從設(shè)備從設(shè)備(模塊模塊)響應(yīng)響應(yīng) 從主設(shè)備發(fā)來(lái)的總線命令從主設(shè)備發(fā)來(lái)的總線命令1. 基本概念基本概念鏈?zhǔn)讲樵冩準(zhǔn)讲樵冇?jì)數(shù)器定時(shí)查詢計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制總線通信控制總線通信控制2. 鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞娇偪偩€線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS 總線忙總線忙BR總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求BG總線同意總線同意I/O接口接口1 0BS 總線忙總線忙BR總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0

11、BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設(shè)備地址設(shè)備地址3. 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式I/O接口接口1 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 1排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器4. 獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG總線同意總線同意BR總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求二、總線通信控制二、總線通信控制1. 目的目的2. 總線傳輸周期總線傳輸周期主模塊申請(qǐng)主模塊申請(qǐng)，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(shù)據(jù)

12、交換數(shù)據(jù)主模塊主模塊 撤消有關(guān)信息撤消有關(guān)信息 申請(qǐng)分配階段申請(qǐng)分配階段尋址階段尋址階段傳數(shù)階段傳數(shù)階段結(jié)束階段結(jié)束階段解決通信雙方解決通信雙方 協(xié)調(diào)配合協(xié)調(diào)配合 問(wèn)題問(wèn)題由由 統(tǒng)一時(shí)標(biāo)統(tǒng)一時(shí)標(biāo) 控制數(shù)據(jù)傳送控制數(shù)據(jù)傳送充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每個(gè)瞬間總線每個(gè)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. 總線通信的四種方式總線通信的四種方式采用采用 應(yīng)答方式應(yīng)答方式 ，沒(méi)有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)同步同步、異步結(jié)合異步結(jié)合 讀讀命令命令T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時(shí)鐘時(shí)鐘 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)（1）同步通信

13、：數(shù)據(jù)輸入）同步通信：數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時(shí)鐘時(shí)鐘 地址地址 寫寫命令命令（1）同步通信：數(shù)據(jù)輸出）同步通信：數(shù)據(jù)輸出 同步通信的優(yōu)點(diǎn)同步通信的優(yōu)點(diǎn)控制方式簡(jiǎn)單、傳送速度快，數(shù)據(jù)傳輸率高?？刂品绞胶?jiǎn)單、傳送速度快，數(shù)據(jù)傳輸率高。 同步通信的缺點(diǎn)同步通信的缺點(diǎn) 同步通信的使用場(chǎng)合同步通信的使用場(chǎng)合 必須按速度最慢的設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘。必須按速度最慢的設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘。 不知道被訪問(wèn)的設(shè)備是否已響應(yīng)，故可靠性低。不知道被訪問(wèn)的設(shè)備是否已響應(yīng)，故可靠性低。 時(shí)鐘上的干擾信號(hào)會(huì)引起錯(cuò)誤的同步，且滯后的時(shí)時(shí)鐘上的干擾信號(hào)會(huì)引起錯(cuò)誤的同步，且滯后的時(shí)鐘也會(huì)造成同步

14、誤差。鐘也會(huì)造成同步誤差?？偩€較短、且各部件存取時(shí)間相近的系統(tǒng)?？偩€較短、且各部件存取時(shí)間相近的系統(tǒng)。例例3.1假設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為假設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為100MHz，總線的傳輸，總線的傳輸周期為周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，總線的寬度為個(gè)時(shí)鐘周期，總線的寬度為32位，試求總線的位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？施？解：解： 總線的時(shí)鐘頻率為總線的時(shí)鐘頻率為100MHz 1個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期=1/100MHz=0.01s 總線的傳輸周期總線的傳輸周期=0.01s*4= 0.04s 總線的寬度為總線的寬度為32位，即位，即4B

15、 總線的數(shù)據(jù)傳輸率總線的數(shù)據(jù)傳輸率=4B/(0.04s)=100MBps若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可在不改變總線時(shí)若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可在不改變總線時(shí)鐘頻率前提下將總線寬度提高為鐘頻率前提下將總線寬度提高為64位，或者保持總位，或者保持總線寬度不變將時(shí)鐘頻率提高為線寬度不變將時(shí)鐘頻率提高為200MHz。不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖（2）異步通信（不互鎖、半互鎖、全互鎖）異步通信（不互鎖、半互鎖、全互鎖）主設(shè)備主設(shè)備從設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)請(qǐng)求求回回答答 異步通信的優(yōu)點(diǎn)異步通信的優(yōu)點(diǎn)不許時(shí)鐘信號(hào)，能保證速度差異很大的設(shè)備之間不許時(shí)鐘信號(hào)，能保證速度差異很大的設(shè)備之間進(jìn)行可靠通信。進(jìn)行可靠通信。

16、異步通信的缺點(diǎn)異步通信的缺點(diǎn) 異步通信的使用場(chǎng)合異步通信的使用場(chǎng)合控制方式復(fù)雜，成本高?？刂品绞綇?fù)雜，成本高?？偩€較長(zhǎng)、且各部件存取時(shí)間相差較大的系統(tǒng)?？偩€較長(zhǎng)、且各部件存取時(shí)間相差較大的系統(tǒng)。 異步通信的分類異步通信的分類異步異步并行并行通信、異步通信、異步串行串行通信通信l在在異步通信異步通信中，采用了一種更為簡(jiǎn)單的通中，采用了一種更為簡(jiǎn)單的通信方式，即在串行異步通信總線中，既不用握信方式，即在串行異步通信總線中，既不用握手信號(hào)，也沒(méi)有時(shí)鐘線，它利用收、發(fā)雙方事手信號(hào)，也沒(méi)有時(shí)鐘線，它利用收、發(fā)雙方事先約定的數(shù)據(jù)傳輸格式和傳輸速率來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)先約定的數(shù)據(jù)傳輸格式和傳輸速率來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸。例

17、如：的傳輸。例如：RS232RS232總線總線l串行異步傳輸字符格式（幀格式）：串行異步傳輸字符格式（幀格式）： 停止停止（1/1.5/2位）位）校驗(yàn)位校驗(yàn)位起始位起始位D1D0數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)（5/6/7/8位）位）數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線空閑位空閑位例例3.2 在異步串行通信系統(tǒng)中，假設(shè)每秒傳輸在異步串行通信系統(tǒng)中，假設(shè)每秒傳輸120個(gè)數(shù)據(jù)幀，其字符格式規(guī)定包含個(gè)數(shù)據(jù)幀，其字符格式規(guī)定包含1個(gè)起始位、個(gè)起始位、7個(gè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)據(jù)位、位、1個(gè)校驗(yàn)位、個(gè)校驗(yàn)位、1個(gè)終止位，試計(jì)算波特率。個(gè)終止位，試計(jì)算波特率。解：解：一幀包括：一幀包括：1+7+1+1=10位位 波特率波特率=10*120位位/秒秒=1200bps

18、=1200波特波特例例3.3 畫圖說(shuō)明用異步串行傳輸方式發(fā)送畫圖說(shuō)明用異步串行傳輸方式發(fā)送8位十六位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)制數(shù)據(jù)95H。要求字符格式為：。要求字符格式為：1個(gè)起始位、個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)位、據(jù)位、1個(gè)偶校驗(yàn)位、個(gè)偶校驗(yàn)位、1個(gè)終止位。個(gè)終止位。l串串步通信步通信：去掉串行異步中的附加位，用同步：去掉串行異步中的附加位，用同步字符進(jìn)行同步。字符進(jìn)行同步。l串行同步傳輸字符格式（幀格式）：串行同步傳輸字符格式（幀格式）：l一般串行異步通信速率最高一般串行異步通信速率最高5019200bps5019200bps，串行同，串行同步通信速率最高步通信速率最高500Kbps500Kbpsl比特率

19、、波特率比特率、波特率 例例3.4 在串行異步通信系統(tǒng)中，其字符格式規(guī)定在串行異步通信系統(tǒng)中，其字符格式規(guī)定為：為：1個(gè)起始位、個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇校驗(yàn)位、個(gè)奇校驗(yàn)位、1個(gè)終止個(gè)終止位。假設(shè)波特率為位。假設(shè)波特率為1200bps，試計(jì)算比特率。，試計(jì)算比特率。（3）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(shí)鐘前沿時(shí)鐘前沿 發(fā)信號(hào)發(fā)信號(hào) 接收方接收方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時(shí)鐘后沿時(shí)鐘后沿 判斷、識(shí)別判斷、識(shí)別（同步同步、異步異步 結(jié)合）結(jié)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(yīng)信號(hào)響應(yīng)信號(hào) WAIT 既有公共時(shí)鐘，又允許不同速度的部件和諧工既有公共時(shí)鐘，又允許不同速度的部件和諧工作，采用插入等待周期的措施來(lái)協(xié)調(diào)通訊雙方的配作，采用插入等待周期的措施來(lái)協(xié)調(diào)通訊雙方的配合問(wèn)題，稱半同步通信。合問(wèn)題，稱半同步通信。以輸入數(shù)據(jù)為例的半同步通信時(shí)序以輸入數(shù)據(jù)為例的半同步通信時(shí)序T1 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址T2 主模塊發(fā)命令主模塊發(fā)命令T3 從模塊提供數(shù)據(jù)從模