第十二講系統(tǒng)總線

1、系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線總線的基本概念總線的基本概念總線的分類(lèi)總線的分類(lèi)總線特性及性能指標(biāo)總線特性及性能指標(biāo)總線控制總線控制1、為什么要用總線、為什么要用總線?存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備程序程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計(jì)算計(jì)算 數(shù)字計(jì)算機(jī)是由若干系統(tǒng)功能部件構(gòu)成的，這些數(shù)字計(jì)算機(jī)是由若干系統(tǒng)功能部件構(gòu)成的，這些系統(tǒng)功能部件在一起工作才能形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能部件在一起工作才能形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的若干功能部件之間不可能采用全互聯(lián)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的若干功能部件之間不可能采用全互聯(lián)形式，因此

2、就需要有公共的信息通道，即形式，因此就需要有公共的信息通道，即總線總線。 2、什么是總線、什么是總線?3、總線上信息的傳送、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4、總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)舉例、總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)舉例（1）. 面向面向 CPU 的雙總線結(jié)構(gòu)框圖的雙總線結(jié)構(gòu)框圖 中央處理器中央處理器 CPUI/O總線總線M總總線線主存主存 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備1 I/O 設(shè)備設(shè)備2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備n單總線（系統(tǒng)總線）單總線（系統(tǒng)總線）（2）. 單總線結(jié)構(gòu)框

3、圖單總線結(jié)構(gòu)框圖 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（3）. 以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備1 I/O 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口存儲(chǔ)總線存儲(chǔ)總線（一）、邏輯結(jié)構(gòu)分類(lèi)一）、邏輯結(jié)構(gòu)分類(lèi) 單向傳送總線 ：信息只能向一個(gè)方向傳送雙向傳送總線：信息可以向兩個(gè)方向傳送，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)。1. .片內(nèi)總線片內(nèi)總線芯片內(nèi)部芯片內(nèi)部 的總線的總線（二）、按所處位置分類(lèi)（二）、按所處位置分類(lèi)內(nèi)部總線（內(nèi)部總線（

4、CPUCPU內(nèi)）內(nèi)） 外部總線（系統(tǒng)總線）外部總線（系統(tǒng)總線）通信總線通信總線2. .系統(tǒng)總線系統(tǒng)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、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(xiě)存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)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

5、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（一)、總線物理實(shí)現(xiàn)、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(二二)、總線特性、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(三三)、總線的性能指標(biāo)、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

6、. 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 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)化（四）、總線標(biāo)準(zhǔn)化系統(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)

7、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）33 MBpsEISA328 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3232 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）64 MHz（獨(dú)立）（獨(dú)立）132 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

8、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)適配器適配器：實(shí)現(xiàn)高速：實(shí)現(xiàn)高速CPUCPU與低速外設(shè)之間工作速度上與低速外設(shè)之間工作速度上的匹配和同步，并完成計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的所有的匹配和同步，并完成計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的所有數(shù)據(jù)傳送和控制。適配器通常稱為數(shù)據(jù)傳送和控制。適配器通常稱為接口接口。 如何讓種類(lèi)繁多、速度各異的外圍設(shè)備連接到如何讓種類(lèi)繁多、速度各異的外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)上呢？計(jì)算機(jī)上呢？總線連接需要考慮一下兩點(diǎn)：總線連接需要

9、考慮一下兩點(diǎn)：各模塊的工作速度各模塊的工作速度各模塊的工作電平，電流，電壓（額定功率）各模塊的工作電平，電流，電壓（額定功率）一、單總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線）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

10、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

11、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

12、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

13、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CPUPentiumPentium機(jī)的總線結(jié)構(gòu)分為三層：機(jī)的總線結(jié)構(gòu)分為三層：CPUCPU總線總線、PCIPCI總線總線和和ISAISA總線總線。 （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2. 鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞?/p>

14、總總線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0BSBRI/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 BG0

15、BR1BG1BRnBGnBG總線同意總線同意BR總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求5. 分布式仲裁方式分布式仲裁方式(二二)、總線通信控制、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)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

16、 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 讀讀命令命令同步式數(shù)據(jù)輸入同步式數(shù)據(jù)輸入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) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)同步式數(shù)據(jù)輸出同步式數(shù)據(jù)輸出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(xiě)寫(xiě)命令命令不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖(2) 異步通信異步通信主設(shè)備主設(shè)備從設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)請(qǐng)求求回回答答(3) 半同步通信半同步通信同步同步 發(fā)送方發(fā)送

17、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)從模塊提供數(shù)據(jù)T4 從模塊撤銷(xiāo)數(shù)據(jù)，主模塊撤銷(xiāo)命令從模塊撤銷(xiāo)數(shù)據(jù)，主模塊撤銷(xiāo)命令Tw 當(dāng)當(dāng) 為低電平時(shí)，等待一個(gè)為低電平時(shí)，等待一個(gè) TWAITTw 當(dāng)當(dāng) 為低電平時(shí)，等待一個(gè)為低電平時(shí)，等待一個(gè) TWAIT 讀讀 命令命令WAIT 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 時(shí)鐘時(shí)鐘總線傳輸周期總線傳輸周期T1T2TWTWT3T4(3) 半同步通信半同步通信 （同步同步、異步異步 結(jié)合）結(jié)合）上述三種通信的共同點(diǎn)上述三種通信的共同點(diǎn)一個(gè)總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例）一個(gè)總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例） 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址 、命令、命令 從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù) 從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)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(4) 分離式通信分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每個(gè)瞬間的潛力充分挖掘系統(tǒng)總線每個(gè)瞬