吉林大學內(nèi)部絕密資料 chp2=20120323

第六章總線系統(tǒng)計算機組成原理本章內(nèi)容簡介總線技術(shù)是計算機系統(tǒng)的一個重要技術(shù)。有的學者稱PC就是由CPU、總線系統(tǒng)、操作系統(tǒng)三部分組成，足以看出總線技術(shù)在計算機領(lǐng)域中的地位。本章首先講述總線系統(tǒng)的一些基本概念和基本技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，介紹當前流行的PCI總線。總線仲裁總線定時流行總線標準總線的基本概念構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構(gòu)能被多個部件分時共享的公共信息傳送線路共享：總線上可同時掛接多個部件分時：同一時刻，總線上只能傳送一個部件的信息總線分類CPU內(nèi)部總線系統(tǒng)總線：CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件（存儲器、通道等）互相連接的總線。I/O總線：中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線?？偩€的特性物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性6.1總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)系統(tǒng)總線標準PC/XT總線：用于PC/XT機，8位。ISA總線用于PC/AT機，16位，較早期使用的低速總線，現(xiàn)已逐漸被淘汰。MCA總線：用于PS/2機，32位總線，與ISA不兼容EISA總線：32位，既與ISA兼容，又參考了MCA標準VESA總線（VL）：32位PCI總線目前流行的高速總線。與處理器無關(guān)，層間總線，集中式仲裁，并具有自動配置能力。Futurebus+總線正在發(fā)展、最復(fù)雜的總線標準。能支持64位地址空間，64位、128位、256位數(shù)據(jù)傳輸，可滿足各類高性能系統(tǒng)的需求，適合于高成本的大規(guī)模計算機系統(tǒng)。總線的標準化總線帶寬總線本身所能達到的最高傳輸速率，是衡量總線性能的重要指標，單位兆字節(jié)每秒(MB/s)。ISA總線：16位，8MB/sEISA總線：32位，33.3MB/sVESA總線：32位，132MB/sPCI總線：64位，264MB/s例1：某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設(shè)一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz，則總線帶寬是多少?總線時鐘周期T=1/f=1/33MHZ總線帶寬=D/T=4B/(1S/33MHZ)=132MB/S總線的連接方式單總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)CPU主存設(shè)備適配器設(shè)備適配器…系統(tǒng)總線CPU主存I/O適配器I/O適配器…系統(tǒng)總線存儲總線CPU主存I/O適配器I/O適配器…系統(tǒng)總線存儲總線IOP(通道)I/O總線總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)早期總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)當代總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)追求與結(jié)構(gòu)、CPU、技術(shù)無關(guān)總線系統(tǒng)總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PCI總線插槽AGP插槽ISA總線插槽

1.ISA和EISA總線

1)ISA(IndustryStandardArchitecture)總線這是為了1984年推出的80286型微機而設(shè)計的總線結(jié)構(gòu)。其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8Mb/s，后又升至16Mb/s，能連接12臺設(shè)備。

2)EISA(ExtendedISA)總線到80年代末期，ISA總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求，于是人們又開發(fā)出擴展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達32Mb/s，同樣可以連接12臺外部設(shè)備。

2.局部總線(LocalBus)

局部總線，將多媒體卡、網(wǎng)卡、圖形卡等從ISA總線分離出來，通過局部總線控制器直接接到CPU總線上，使之余高速CPU總線相匹配，而打印機等低速設(shè)備仍掛在ISA總線上。1）VESA(VideoElectronicStandardAssociation)總線

帶寬32位，最高傳輸速度132Mb/s，廣泛用于486，連接設(shè)備數(shù)少，僅2-4臺，無緩沖。2）PCI(PeripheralComponentInterface)總線 支持64位系統(tǒng)，在CPU與外設(shè)間插入復(fù)雜管理層，有數(shù)據(jù)緩沖，最多能支持10種外設(shè)，能與高時鐘頻率的CPU配合。3)PCI-E(PCIExpress)總線PCI-E(PCIExpress)總線2001年Intel正式公布了第三代I/O技術(shù)，稱之為第三代I/O總線技術(shù)(3rdGenerationI/O，3GIO)，即：PCIExpress總線規(guī)范。2002年4月17日，AWG正式宣布3GIO1.0規(guī)范草稿制定完畢；2003年Intel正式公布了PCIExpress的產(chǎn)品開發(fā)計劃，PCIExpress最終走向應(yīng)用。PCIExpress總線是一種完全不同于過去PCI總線的一種全新總線規(guī)范，與PCI總線共享并行架構(gòu)相比，PCIExpress總線是一種點對點串行連接的設(shè)備連接方式，點對點意味著每一個PCIExpress設(shè)備都擁有自己獨立的數(shù)據(jù)連接，各個設(shè)備之間并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸互不影響，而對于過去PCI那種共享總線方式，PCI總線上只能有一個設(shè)備進行通信，一旦PCI總線上掛接的設(shè)備增多，每個設(shè)備的實際傳輸速率就會下降，性能得不到保證?，F(xiàn)在，PCIExpress以點對點的方式處理通信，每個設(shè)備在要求傳輸數(shù)據(jù)的時候各自建立自己的傳輸通道，對于其他設(shè)備這個通道是封閉的，這樣的操作保證了通道的專有性，避免其他設(shè)備的干擾。北橋南橋Pentiumu主板總線結(jié)構(gòu)總線和總線橋CPU低速設(shè)備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲器高速設(shè)備鍵盤低速總線橋連接兩條總線，使彼此間相互通信。信號緩沖電平轉(zhuǎn)換協(xié)議轉(zhuǎn)換不同總線間地址空間映射具有很好的擴充性和兼容性允許多條總線并行工作與處理器無關(guān)ReturnPCI－力不從心南橋/北橋Intel440系列以后PCI地位大大降低6.2總線接口接口的概念I(lǐng)/O設(shè)備適配器，CPU和主存、外圍設(shè)備之間通過總線進行連接的邏輯部件。接口功能部件在它動態(tài)連接的兩個部件之間起著“轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實現(xiàn)彼此之間的信息傳送。控制緩沖狀態(tài)轉(zhuǎn)換整理程序中斷6.2總線接口串行接口1(COM1)串行接口2(COM2)集成聲卡SPK,OUT,INUSB(兩個)鼠標(PS/2)鍵盤并行接口集成聲卡游戲桿/MIDI110101105~8個數(shù)據(jù)位停止位起始位串行接口數(shù)據(jù)以串行(逐位)的方式傳送發(fā)送時：并行→串行接收時：串行→并行特點接口線數(shù)少傳送距離長、速度慢、電路復(fù)雜(必須有“串→并”和“并→串”變換和位同步控制電路)。串行信號由起始位、數(shù)據(jù)位、停止位構(gòu)成。串行接口1.串行接口標準簡介（續(xù)）

數(shù)據(jù)傳輸距離小于15米時，可在DTE（DataTerminalEquipment）之間直接通過RS-232-C連線而無須Modem，最簡單情況只要使用3條信號線就能進行全雙工通信，各種接線方式如右圖所示。并行接口數(shù)據(jù)以并行方式傳送，每次一個字節(jié)(8位)。速度比串行口快得多(約150KB/s)。一般用于接打印機，也可用于接外置硬盤、光驅(qū)等。并行接口

接PC機接打印機打印機電纜插座2.數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?/p>

數(shù)據(jù)傳輸必須同步，以解決接收方在接收到的源源不斷的數(shù)據(jù)流中如何正確區(qū)分發(fā)送方發(fā)送來的每一個代碼，正確完成傳輸任務(wù)。并行傳輸因其距離進，收發(fā)雙方可用同一頻率時鐘進行發(fā)送和接收，或增加一根或幾根狀態(tài)控制線（稱握手信號線）進行聯(lián)絡(luò)，協(xié)調(diào)收發(fā)雙方，保證數(shù)據(jù)代碼正確傳輸。在計算機和通信設(shè)備內(nèi)部，不少部件之間都設(shè)有專門的握手信號線。

在串行通信中，一般不設(shè)握手信號線，因此，必須在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼中解決同步問題。為了正確識別代碼和恢復(fù)報文，收發(fā)雙方必須區(qū)分出：◆每個比特，即每個二進位；◆每個代碼（如ASCII字符），即區(qū)分出每個代碼的

起始位和結(jié)束位；◆完整的報文數(shù)據(jù)塊，即數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。上述三個問題分別是位同步、字符同步和幀同步。

數(shù)據(jù)串行傳輸有異步傳輸和同步傳輸之分。

采用異步傳輸方式，發(fā)送和接收設(shè)備的時鐘是異步的；

采用同步傳輸方式，收發(fā)的時鐘是同步的。同步傳輸具有較高的傳輸效率和速率。

2.數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑ɡm(xù)）

異步傳輸異步傳輸每個字符前后分別加上起始位和停止位，表示一個字符的開始和結(jié)束，實現(xiàn)字符同步。起始位為“0”，長度為一個二進數(shù)據(jù)位(bit)的持續(xù)時間；停止位為“1”，長度為1、1.5或2個二進數(shù)據(jù)位的持續(xù)時間；字符的數(shù)據(jù)位可為5、6、7或8位；數(shù)據(jù)位后停止位前可以設(shè)置一位奇偶校驗位，也可沒有校驗位。異步傳輸如下圖所示。

傳輸時每一位寬度（占用的時間長度）由收發(fā)雙方編程約定，保持不變，從而實現(xiàn)字符內(nèi)的位同步。每位傳輸時間的倒數(shù)稱波特率。字符之間的間距（時間間隔）是任意的，所以傳輸一幀的時間是不定的，靠傳送特殊字符來表示一幀的開始和結(jié)束，實現(xiàn)幀同步。異步傳輸收發(fā)之間無須傳送定時信號，實現(xiàn)簡單。缺點是每個字符都要加上起始位和停止位，傳輸效率低；而且收發(fā)雙方時鐘未嚴格同步，故通信時鐘頻率不能過高（否則一個字符傳輸時間內(nèi)，收發(fā)時鐘差異積累若達半個數(shù)據(jù)位寬就將使傳輸?shù)淖址鲥e），因而速度低，常用于低速數(shù)據(jù)傳輸。

2.數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑ɡm(xù)）同步傳輸同步傳輸時收發(fā)雙方的時鐘完全相同，時鐘與傳輸?shù)拿恳晃粐栏駥?yīng)，保持位同步；字符間順序相連，沒有間隙也沒有插入位，在位同步的基礎(chǔ)上靠完全相同的收發(fā)時鐘和收發(fā)順序來達到字符同步；在一幀字符前后有幀同步字符（或外加同步脈沖）和幀終止字符，實現(xiàn)幀同步；幀與幀之間是空白字符。同步傳輸如下圖所示。要做到收發(fā)時鐘完全相同，近距離傳輸時可加一條時鐘信號線，用同一時鐘發(fā)生器驅(qū)動發(fā)送和接收設(shè)備；遠距離傳輸時可通過編碼技術(shù)（如曼徹斯特編碼等）將發(fā)送時鐘信息附加到數(shù)據(jù)流中，用一條信號線傳輸之，接收端用鎖相技術(shù)從數(shù)據(jù)流中提取時鐘信號，得到同發(fā)送端在頻率和相位上完全相同的接收時鐘。同步傳輸較為復(fù)雜，但節(jié)省傳輸時間，具有較高的傳輸速率和效率。

傳輸速率傳輸速率指單位時間內(nèi)傳送的信息量。一般用每秒鐘傳送的二進位數(shù)(比特數(shù))即比特率bps(bitspersecond)來衡量。數(shù)據(jù)傳輸速率反映了主機通信端口與終端設(shè)備之間、終端設(shè)備相互之間的信息傳輸能力，通常指發(fā)送端和接收端之間在一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄忍財?shù)，單位為bps(位/秒)、Kbps(千位/秒)、Mbps(兆位/秒)。USB接口（UniversalSerialBus）

USB——UniversalSerialBus通用串行總線由Compaq、Intel、Microsoft、NEC等公司共同研制是一種全新的，高速、靈活、通用、方便、可靠的接口USB（UniversalSerialBus）IBM、Compaq、Nortel、NEC、 Intel以及Microsoft聯(lián)合距離<5米，Hub<30米樹拓撲結(jié)構(gòu)，127個點，4線（2根電源線，2根數(shù)據(jù)線）低速USB1.1，1.5MbpsUSB2.0速率高達480Mbps支持熱插拔和即插即用USB物理特性

USB接口

USB使用一根屏蔽的4線電纜與網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進行互聯(lián)。數(shù)據(jù)傳輸通過一個差分雙絞線進行，這兩根線分別標為D+和D-，另外兩根線是Vcc和Ground，其中Vcc向USB設(shè)備供電。使用USB電源的設(shè)備稱為總線供電設(shè)備，而使用自己外部電源的設(shè)備叫做自供電設(shè)備。為了避免混淆，USB電纜中的線都用不同的顏色標記，如表16-1所示。引腳編號信號名稱纜線顏色1Vcc紅2Data-(D-)白3Data+(D+)綠4Ground黑表16-1USB纜線的信號與顏色

USB物理特性

檢測設(shè)備連接和速度低速USB設(shè)備電纜和電阻的連接

全速USB設(shè)備電纜和電阻的連接

USB主機USB低速設(shè)備USB數(shù)據(jù)線+5VD+D-15千歐1.5千歐VccD+D-地15千歐USB主機USB全速設(shè)備USB數(shù)據(jù)線+5VD+D-15千歐1.5千歐VccD+D-地15千歐當全速/低速設(shè)備連接以后，電流流過由集線器的下拉電阻和設(shè)備在D+/D-的上拉電阻構(gòu)成的分壓器。由于下拉電阻的阻值是15KΩ，上拉電阻的阻值是1.5KΩ，所以在D+/D-線上會出現(xiàn)大小為（Vcc*15/（15+1.5））的直流高電平電壓。當USB主機探測到D+/D-線的電壓已經(jīng)接近高電平，而其它的線保持接地時，它就知道全速/低速設(shè)備已經(jīng)連接了。6.3總線的控制和管理總線的判優(yōu)和仲裁按照一定的優(yōu)先次序來決定哪個部件首先使用總線集中式仲裁：總線控制邏輯集中在一處鏈式查詢方式計數(shù)器定時查詢方式獨立請求方式分布式仲裁：總線控制邏輯分散在連接于總線的各個部件或設(shè)備中。沒有中央仲裁器，每個主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。有總線請求時，各設(shè)備把自己的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁總線上，相互比較。仲裁號大的保留在仲裁總線上。鏈式查詢方式優(yōu)先次序由BG線上串接部件的先后位置來確定，離中央仲裁器最近的設(shè)備具有最高優(yōu)先級優(yōu)點：硬件簡單，控制線少，容易擴充缺點：對故障敏感，查詢優(yōu)先級固定，對離中央仲裁器遠的部件不公平。中央仲裁器部件/設(shè)備部件/設(shè)備部件/設(shè)備…DBABBSBRBG總線授權(quán)總線請求總線忙Return計數(shù)器查詢方式各部件通過公共的BR發(fā)出請求總線控制器收到請求，計數(shù)器開始計數(shù)計數(shù)值通過一組(log2n條)計數(shù)地址線發(fā)向各部件各部件與自身地址比較，相同，確定。計數(shù)從0開始：各部件優(yōu)先級與鏈式查詢方式相同計數(shù)從中止點開始：可設(shè)置循環(huán)優(yōu)先級計數(shù)初始值編程設(shè)定：可改變優(yōu)先次序BR中央仲裁器部件/設(shè)備部件/設(shè)備部件/設(shè)備…DBAB計數(shù)地址BSReturn獨立請求方式每一共享部件均有一對控制線：B