唐朔飞-计算机组成原理-于建志-第3章PPT课件.pptx

1、第章 系统总线3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 总线的分类总线的分类3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制一、分散连接与总线连接一、分散连接与总线连接计算机五大部件之间的互连方式有两种： 分散式连接：分散式连接：各部件之间通过单独的连线连接。 总线式连接：总线式连接：各部件均连接到一组公共信息传输上。 冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运

2、算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算概念概念 总线是一种数据通道，由系统中各部件所共享。或者说，是在部件与部件之间、设备与设备之间传送信息的一组公用信号线。在主控设备（部件或设备）的控制之下，将发送设备（部件或设备）发出的信息准确地传送给某个接收设备的信号通路。 总线的特点在于其公用性，即它可同时挂接多个部件或设备。如果是某两个部件或设备之间专用的信号连线，就不能称之为总线。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路。总线概念中两个常用的技术术语。主控设备（主控设备（MasterMaster） 也就是通常所说的总线主控设备，它是一个部件或设备，是控制总线操作的一个部件或设备。总线主控设备

3、一旦被确认就可以对总线进行控制，并能够着手进行数据传送。也就是说，如果一个部件或设备欲向另一个部件或设备发送数据，它就要获得对总线的使用权，成为总线主控设备, 才可以通过总线将数据传送给另一个设备。 从属设备（从属设备（SlaveSlave） 从属设备能够响应在总线上对数据进行传送的请求，但总线从属设备自己不能启动这种在总线上进行数据传送的请求。也就是说，如果一个部件或设备欲接收从总线主控设备发过来的数据，首先必须获得对总线的使用权，答应总线主控设备，并发出可以收数据的响应信号。然后等待总线主控设备发出的数据，并且在控制总线的控制之下接收从数据总线上传送过来的数据。 总线标准的四个特性总线标准

4、的四个特性 物理特性： 物理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的条数、总线的插头、插座是什么形状的、引脚是如何排列的等。 功能特性：功能特性描写的是这一组总线中每一根线的功能是什么。从功能上看，总线分成三组：地址总线，数据总线和控制总线。 电器特性：电器特性定义每一根线上信号的传递方向、有效电平范围。 时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效。总线标准的特性总线标准的特性1 1、物理特性：、物理特性： 总线的物理特性是指总线在机械物理连接总线的物理特性是指总线在机械物理连接上的特性。上的特性。 包括：包括：连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列等。三、总线的特性三、总线

5、的特性2 2、电气特性：、电气特性： 总线的电气特性是指总线的每一条信号线总线的电气特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。的信号传递方向、信号的有效电平范围。 通常规定由CPU发出的信号为输出信号输出信号，送入CPU的信号为输入信号输入信号。 地址线一般为输出信号，数据线为双向信号，控制线的每一根都是单向的，有的为输出信号，有的为输入信号。三、总线的特性三、总线的特性 总线的电平表示方式有两种：单端方式单端方式和差分差分方式方式。 在单端电平方式中，用一条信号线和一条公共接地线来传递信号。信号线中一般用高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。 差分电平方式采用一对信

6、号线来传输信号。 RS-232通讯接口采用单端方式传输，低电平要低于-3V，表示逻辑“1”；高电平要高于+3V，表示逻辑“0”。 RS-485、RS-422通讯接口采用差分电平方式传输。三、总线的特性三、总线的特性3 3、功能特性、功能特性 ： 总线功能特性是指总线中每根传输线的功总线功能特性是指总线中每根传输线的功能。能。 如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输数据信息，控制线用来发出控制信息，不同的控制线其功能不同。 4 4：时间特性：时间特性： 总线时间特性是指总线中任一根传输线在总线时间特性是指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间什么时间内有效，以及每根线产生

7、的信号之间的时序关系。的时序关系。 时间特性一般可用信号时序图来说明。 四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1. 面向面向 CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图 中央处理器中央处理器 CPUI/O总线总线M总总线线主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 设备设备n单总线（系统总线）单总线（系统总线）2. 单总线结构框图单总线结构框图 CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口3. 以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构

8、框图系统总线系统总线 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线3.2 3.2 总线的分类1. .片内总线片内总线2. .系统总线系统总线芯片内部芯片内部 的总线的总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、 I/O地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线控制信号应有以下几种类型控制信号应有以下几种类型 写存储器命令： 读存储器命令： 输入/输出写命令： 输入/输出读命令： 传送响应

9、： 总线请求： 总线允许： 中断请求： 中断响应： 时钟和复位：3. .通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式 用于用于 计算机系统之间计算机系统之间 或或 计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）（如控制仪表、移动通信等）之间的通信之间的通信3.3 3.3 总线特性及性能指标CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、总线物理实现一、总线物理实现BUS主板主板三、总线的性能指标三、总线的性能指标 1 1、总线宽度：、总线宽度： 指数据总线的条数，用bit（位）表示。2 2、标准传输率：、标准传输率： 指在总线上每秒

10、能传输的最大字节量，用MB/s表示。例如总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位，则其最大传输速率为132MB/s。3 3、时钟同步、时钟同步/ /异步：异步： 总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线，四、总线的性能指标四、总线的性能指标 4 4、总线复用：、总线复用： 一个（或一组）物理线路，分时传输不同的信号，称为总线的多路复用。5 5、信号线数：、信号线数： 即地址总线、数据总线和控制总线的信号线之和。6 6、总线控制方式：、总线控制方式： 如仲裁方式等。7 7、其他指标：、其他指标： 如负载能力等ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIA

11、GPRS-232USB模块模块系统系统总总线线标标准准 四、总线标准四、总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽ISA168 MHz（独立）（独立）33 MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3232 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）64 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备

12、（计算机）和数据通信设备数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0)5G bps (USB3.0) 四、总线标准四、总线标准一、ISA总线的主要特点 ISAISA总线是总线是1616位的总线位的总线，可以只用低，可以只用低8 8位数据线：位数据线：当作当作8 8位数据线使用时，只用其前位数据线使用时，只用其前6262个引脚，此时，个引脚，此时，它有

13、它有8 8位数据线，位数据线，2020位地址线；当作位地址线；当作1616位数据线使位数据线使用时，用到全部用时，用到全部9898个引脚，此时，它有个引脚，此时，它有1616位数据位数据线，线，2424位地址线位地址线 ISAISA总线的最高工作总线的最高工作频率为频率为8MHz8MHz，数据宽度为，数据宽度为1616位，计算可得位，计算可得 数据传输速率为数据传输速率为16MB/s16MB/s。地址线。地址线2424条，可寻址条，可寻址16MB16MB的内存空间的内存空间 EISA EISA 局部总线局部总线 ISA总线最初是8位的标准总线，随着计算机技术的发展，经过多年的演变，也从8位的标

14、准总线变成了被广泛应用的16位的标准总线。以后又发展成了经扩展的32位的标准总线EISAEISAEISA总线：总线： EISA总线，即扩展的工业标准结构总线。是工业标准总线ISA的超集。它是在工业标准结构ISA总线的基础上发展而来的一种高性能32位结构的总线。它不仅拥有ISA总线的全部特征，而且还随着对ISA总线功能的扩充而增强了自身性能和能力。数据线32位，地址线32位，最大传输速率33MBps。VESAVESA局部总线 从结构看，所谓局部总线是指在系统外为两个以上模块提供的高速信息通道。ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线。VESA VESA 局部总线局部总线 VESA总线是视频电子协

15、会同60余家公司联合推出的一个全开放的局部总线标准VL总线。VL总线与CPU同步，数据宽度为32位，最高传输率达132MB/s，它极大地增强了系统的性能。 VL总线主要是针对80386/80486的，因此与80486匹配最佳，它与CPU同步工作，但当CPU工作频率提高后，VL总线就不适应了。 PCI总线总线 PCI总线总线(Peripheral Component Interconnct Special Interest Group)，即外围，即外围部件互联专业组，部件互联专业组， 简称简称PCISIG。是由是由Intel、IBM、Compaq、AST、HP、Apple、DEC等等100多家公

16、司于多家公司于1991年共同推出的一种局部总年共同推出的一种局部总线，广泛应用于当前高档微机、工作站及笔记线，广泛应用于当前高档微机、工作站及笔记本电脑中本电脑中 PCIPCI局部总线的结构示意图局部总线的结构示意图PCI总线引线示意图总线引线示意图地址和地址和 数据数据 AD31AD0C/BE#3BE#0 接口控制接口控制 FRAME# TRDY# IRTY# STOP# DEVSEL# IDSEL REQ# GNT# PERR# SERR# CLK RST#64位扩充位扩充PAR64REQ64#ACK64#INTA#INTB#INTC#INTD#TD1TD0TCKTMSTRST#出错出错仲

17、裁仲裁系统系统AD63AD32C/BE#7BE#4LOCK#接口控制接口控制中断中断JTAG PARPCI卡卡一、一、PCIPCI总线的特点总线的特点 与与ISA等总线相比，等总线相比，PCI总线具有如下的特点总线具有如下的特点 高性能高性能 独立的时钟（独立的时钟（33M 或者或者66MHz） 32位到位到64位位 传输速率传输速率 从从132MBps 提升到提升到529MBps 支持即插即用（支持即插即用（plug and play）。）。 良好的兼容性，良好的兼容性，PCI总线不依赖于某一具体的微处理器，它总线不依赖于某一具体的微处理器，它支持多种支持多种 微处理器和将来发展的微处理器，

18、可兼容微处理器和将来发展的微处理器，可兼容ISA,EISA等总线等总线 支持多主设备，允许主从设备间实现点到点对等存取。支持多主设备，允许主从设备间实现点到点对等存取。 支持数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整和准确。支持数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整和准确。 具有与处理器和存储器完全并行操作的能力。具有与处理器和存储器完全并行操作的能力。PCIPCI桥有多级缓冲，可把一批数据快速写入缓冲器桥有多级缓冲，可把一批数据快速写入缓冲器中，固可实现与其他子系统的并发工作。中，固可实现与其他子系统的并发工作。 5V5V和和3.3V3.3V两种电源供电两种电源供电 8. 8.可扩充性好，可

19、采用多层结构可扩充性好，可采用多层结构 9. 9.软件兼容性好软件兼容性好10.10.采用多路复用技术，减少了总线引脚个数采用多路复用技术，减少了总线引脚个数AGP总线总线 AGP加速图形端口于加速图形端口于1996年年8月提出的一种月提出的一种新型视频接口标准，它是专门为新型视频接口标准，它是专门为3D加速而设置加速而设置的加速图形端口，允许的加速图形端口，允许3D图形数据越过图形数据越过PCI总总线，把主存和显存直接连接起来，从而解决了线，把主存和显存直接连接起来，从而解决了PCI总线设计中对于超高速系统的瓶颈问题总线设计中对于超高速系统的瓶颈问题 AGP应该是一种接口标准，因为它是一种应

20、该是一种接口标准，因为它是一种点对点的连接端口，除图形控制器专用外，没点对点的连接端口，除图形控制器专用外，没有别的设备能够使用有别的设备能够使用AGP，但是，我们习惯上，但是，我们习惯上也称其为也称其为AGP总线总线 一、一、AGPAGP总线的结构总线的结构 采用采用AGP总线的系统结构图总线的系统结构图二、二、AGPAGP总线的特点总线的特点 设计设计AGP的目的是为了实现高性能的的目的是为了实现高性能的3D图像，提高图像，提高显示的速度，因此采用了一些先进技术显示的速度，因此采用了一些先进技术 双时钟技术双时钟技术 流水线技术进行读写内存流水线技术进行读写内存 DIME(Direct M

21、emory Excute)技术（显卡可直接操技术（显卡可直接操作内存）直接内存执行作内存）直接内存执行DIME AGPDIME AGP允许允许3D3D数据不存入拥数据不存入拥挤的帧缓冲区挤的帧缓冲区( (即图形控制器内存即图形控制器内存) )，而将其存入系统，而将其存入系统内存，从而让出帧缓冲区和带宽供其它功能使用内存，从而让出帧缓冲区和带宽供其它功能使用 当当CPU访问系统访问系统RAMRAM时，时，AGP显示卡同时可以访问显示卡同时可以访问AGP RAM，两种总线同时传输数据，两种总线同时传输数据 5. 5. 显示系统不占用显示系统不占用PCI总线总线 三、三、AGP的工作模式的工作模式

22、AGP支持支持3种工作模式：种工作模式：1，2和和4 4模式。模式。3种工作模式的图形性能是依次提高的。目前微种工作模式的图形性能是依次提高的。目前微机的机的BIOS中基本上都是采用中基本上都是采用4模式模式模式模式 工作频率工作频率（MHz） 数据传输率数据传输率（MB/s） 传输触发方式传输触发方式 1 66 266 上升沿上升沿 2 133 532 上升沿和下降沿上升沿和下降沿 4 266 1064 上升沿和下降沿上升沿和下降沿 四、四、AGP与与PCI的比较的比较 性能指标性能指标 PCIAGP 方式带宽方式带宽（MB/S） 133533总线时钟总线时钟（MHZ） 3366数据线宽度（

23、位）数据线宽度（位） 3232数据传输数据传输 同步同步 同步同步 插槽插槽 最多最多5个个 1个个 内存优先存取内存优先存取 不支持不支持 支持支持 信号线数量信号线数量 4965RS-232C串行通信接口标准串行通信接口标准 RS - 232C是数据终端设备（是数据终端设备（DTE）和数）和数据通信设备（据通信设备（DCE）之间的接口标准，是在）之间的接口标准，是在微机接口应用中常用的一种串行通信总线标微机接口应用中常用的一种串行通信总线标准，全称为准，全称为EIARS232C标准标准（Electoronic Industrial Associate Recommended Standar

24、d 232C） 11.3.1 RS-232C串行通信接口标准的信号线串行通信接口标准的信号线 RS232C标准的信号线共标准的信号线共25根，其中只定义根，其中只定义了了22根。这根。这22根信号线又分为主、辅两个信道，根信号线又分为主、辅两个信道，大多数微机串行通信系统中都只使用主信道的信大多数微机串行通信系统中都只使用主信道的信号线。在通信中，即便是只使用主信道，也并非号线。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信号都要连接，一般情况下只需使主信道的所有信号都要连接，一般情况下只需使用其中的用其中的9根信号线。这就是为什么我们在微机根信号线。这就是为什么我们在微机的机箱上看到的串

25、行通信接口（如的机箱上看到的串行通信接口（如COM1、COM2）只有）只有9根的原因根的原因脚脚号号 信号名信号名缩写名缩写名方向与功能说明方向与功能说明 3发送数据发送数据 TxD DTEDCE终端发送串行数据终端发送串行数据 2接收数据接收数据 RxD DTEDCE终端接收串行数据终端接收串行数据 7请求发送请求发送 RTS DTEDCE终端请求通信设备切换到发送方向终端请求通信设备切换到发送方向 8清除发送清除发送 CTS DTEDCE设备已切换到发送方向设备已切换到发送方向 6数传机就绪数传机就绪 DSR DTEDCE通信设备就绪，设备可用通信设备就绪，设备可用 5信号地信号地 SG

26、无方向信号地，所有信号公共地无方向信号地，所有信号公共地 1数据载体检出数据载体检出 DCD DTEDCE通信设备正在接收通信链路的信号通信设备正在接收通信链路的信号 4数据终端就绪数据终端就绪 DTR DTEDCE终端设备就绪，设备可用终端设备就绪，设备可用 9振铃指示器振铃指示器 RI DTEDCE通信设备通知终端，通信链路有振铃通信设备通知终端，通信链路有振铃 串行通信接口标准的信号线串行通信接口标准的信号线 RS-232C串行通信接口标准的电气特性串行通信接口标准的电气特性 RS-232C串行通信串行通信接口标准接口标准中，中，对于发对于发送端，规定送端，规定5V15V表示逻辑表示逻辑

27、“1 1”（MARK信号），用信号），用5V15V表示逻表示逻辑辑“0 0”（SPACE信号），内阻为几百欧姆，信号），内阻为几百欧姆，可以带可以带2500pF的电容负载。负载开路时电的电容负载。负载开路时电压不得超过压不得超过25V。对于接收端，电压低于。对于接收端，电压低于3表示逻辑表示逻辑“1 1”，高于，高于3表示逻辑表示逻辑“0 0” n232C接口采用接口采用EIA电平电平n高电平为高电平为3V15V逻辑逻辑“0”n低电平为低电平为3V15V逻辑逻辑“1”n实际常用实际常用12V或或15Vn标准标准TTL电平电平n高电平：高电平：2V5Vn低电平：低电平：0V0.8V相互转换相互转

28、换RS-232C电平与电平与TTL电平的转换电平的转换 RS-232C的的机械特性机械特性 RS-232C的的机械特性机械特性规定：微机的规定：微机的RS-232C接接口通向外部的连接器是一种标准的口通向外部的连接器是一种标准的“D”型插针型插针 通用串行总线通用串行总线USB USB（Universal Serial Bus）通用串行总通用串行总线是由线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司联合开发的一种流行的外设接口家公司联合开发的一种流行的外设接口标准标准 1996年年2月公布了

29、月公布了USB 1.0版本，传输速率有低版本，传输速率有低速速1.5Mbps和高速和高速12Mbps两种模式。两种模式。USB 2.0已已于于2000年年4月月27日由日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，正式对外发布，作为新一代作为新一代USB标准，标准，USB 2.0兼容所有兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。USB 2.0不仅使不仅使USB大大提速，而且使更多的设大大提速，而且使更多的设备可以经备可以经USB连接到连接到PCUSB的性能特点的性能特点 传输速度快

30、传输速度快连接简单快捷连接简单快捷通用连接器通用连接器无须外接电源无须外接电源 扩充外设能力强扩充外设能力强 生命力强，无专利保护生命力强，无专利保护 一、传输速度快一、传输速度快USB 1.0 USB 1.0 提供了两种速度：提供了两种速度：USBUSB低速低速1.5Mbps1.5Mbps，低速的，低速的USBUSB支持低速设备，例如，支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USBUSB全全速速12Mbps12Mbps， USBUSB全速的数据传输速度比全速的数据传输速度比RS

31、-RS-232C232C串口的串口的9600bps9600bps快快10001000多倍，它用于大多倍，它用于大范围的多媒体设备。而范围的多媒体设备。而USB 2.0USB 2.0的数据传输的数据传输速度可以高达速度可以高达480Mbps,USB 3.0480Mbps,USB 3.0大于大于5Gbps5Gbps二、连接简单快捷二、连接简单快捷USBUSB连接简单快捷，可以进行连接简单快捷，可以进行热插拔热插拔。即设备连到即设备连到USBUSB时，不必打开机箱，也不时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源必关闭主机电源 三、通用连接器三、通用连接器USBUSB用一种通用的连接器可以连接多种用一种通用

32、的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为类型的外设，其外型为4 4针插头针插头 四、无须外接电源四、无须外接电源由由USBUSB总线提供电源到外部设备总线提供电源到外部设备，USBUSB能提供能提供+5V/500mA+5V/500mA的电源，供低功耗的电源，供低功耗USBUSB设备如设备如USBUSB键盘、键盘、USBUSB鼠标、优盘等作电鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的源使用；但需高功耗的USBUSB设备设备, ,如扫描如扫描仪等仍需自带电源；仪等仍需自带电源； USBUSB还采用还采用APMAPM（Advanced Power ManagementAdvanced Power Mana

33、gement）技术，）技术，可以有效地节省电源功耗可以有效地节省电源功耗五、扩充外设能力强五、扩充外设能力强USBUSB采用星形层式结构和采用星形层式结构和HubHub技术，允技术，允许一个许一个USBUSB主控机可以主控机可以连接多达连接多达127127个外个外设设，用户不用担心要连接的设备数目会，用户不用担心要连接的设备数目会受到限制。两个外设间的受到限制。两个外设间的距离可达距离可达5 5米米，扩充方便扩充方便 六 生命力强，无专利保护 USB 是一种开放性的不具有专利版权的工业标准，它由标准化组织“USB实施者论坛”制定。单总线结构单总线结构将单总线结构将CPUCPU、主存、主存、I/

34、OI/O设备（通过设备（通过I/OI/O接口）接口）都挂到一组总线上，允许都挂到一组总线上，允许I/OI/O之间、之间、I/OI/O与主存之间与主存之间直接交换信息。直接交换信息。这种结构简单，便于扩充。这种结构简单，便于扩充。但是，由于所有的传送都但是，由于所有的传送都通过这组总线，容易形成通过这组总线，容易形成计算机系统的瓶颈。计算机系统的瓶颈。l为了从根本上解决为了从根本上解决CPUCPU、主存与、主存与I/OI/O设备之间传输速设备之间传输速率的不匹配问题，实现率的不匹配问题，实现CPUCPU与其他设备的相对同步，与其他设备的相对同步，不得不采用多总线结构。不得不采用多总线结构。CPU

35、内存I/O 接口设备0I/O 接口设备n系统总线系统总线双总线结构特点：特点：将速度较低的将速度较低的I/OI/O设备从单总线上分设备从单总线上分离出来，形成主存总线离出来，形成主存总线和和I/OI/O总线分开的结构。总线分开的结构。概念：概念：通道是一个具有通道是一个具有特殊功能的处理器特殊功能的处理器,CPU,CPU将一部分功能下放给通将一部分功能下放给通道，使其对道，使其对I/OI/O设备具设备具有统一管理功能，以完有统一管理功能，以完成外部设备与主存之间成外部设备与主存之间的数据传送，其系统的的数据传送，其系统的吞吐能力可以相当大。吞吐能力可以相当大。I/O 接口设备0I/O 接口设备

36、n通道I/O总线总线CPU内存主存总线主存总线如果将速率不同的如果将速率不同的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同设备进行分类，然后将它们连接在不同的通道上，那么计算机系统的利用率会更高，如此发展成多的通道上，那么计算机系统的利用率会更高，如此发展成多总线结构。总线结构。三总线结构主存总线主存总线I/OI/O总线总线DMADMA总线总线主存总线与主存总线与DMADMA总线不能同时对主存进行存取。总线不能同时对主存进行存取。I/OI/O总线只有总线只有在在CPUCPU执行执行I/OI/O指令时才使用。指令时才使用。内存I/O 接口设备1I/O 接口设备nI/O总线总线CPU主存总线主存总线D

37、MA总线总线I/O 接口高速外设三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线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四总线结构为了进一步提高为了进一步提高I/OI/O的性能，又出现了四总线结构。的性能，又出现了四总线结构。局部总线、系统总线、高速总线、扩展总线局部总线、系统总线、高速总线、扩展总线多媒体调制解调器局域网串行接口扩展总线扩展总线FAX扩展总线接口主存局部总线局部总线CPU系统总线系统总线Cache/桥高速总线高速总线SCSI图形1. 传传统微型机总线结构统微

38、型机总线结构三、总线结构举例三、总线结构举例存储器存储器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的的16位数据通路位数据通路标准总线控制器标准总线控制器33 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU Modem2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA、EISA多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形图文传真图文传真8 MHz的的16位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存储器存储器局

39、部总线局部总线 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS Modem3. PCI 总线结构总线结构CPU多媒体多媒体PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形图文传真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz的的32位数据通路位数据通路8 MHz的的16位数据通路位数据通路ISA、EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存储器存储器 Modem4. 多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器桥桥0桥桥4 PCI设备设备桥桥5总线桥总线桥桥桥3桥桥1设备设备桥桥2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCI总线总线4P

40、CI总线总线5PCI总线总线3PCI总线总线1PCI总线总线0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPU总线仲裁总线仲裁 主设备：主设备：指对总线拥有控制权的设备，显然主设备具备总线控制能力。 从设备：从设备：指对总线不具备控制能力的设备，它只能响应主设备发来的命令，不能主动向总线发出命令或数据。 一、总线判优控制一、总线判优控制一、总线仲裁一、总线仲裁 总线仲裁总线仲裁: :指总线控制器根据一定的优先顺序，确定能够使用总线的主设备。 总线仲裁可分为总线仲裁可分为集中式集中式和和分布式分布式两种。两种。 集中式仲裁：集中式仲裁：将控制逻辑做在一个专门的总线控制器总线控制器或总线裁决器总线裁决

41、器中，通过将所有的总线请求集中起来利用一个特定的裁决算法进行裁决。 分布式仲裁：分布式仲裁：没有专门的总线控制器，其控制逻辑分散在各个部件或设备中。 一、总线仲裁一、总线仲裁集中式仲裁有三种仲裁方式：集中式仲裁有三种仲裁方式： 链式查询、计数器定时查询、独立请求方式 集中式仲裁-链式查询方式工作原理(过程)某IO接口有总线请求，检查BS线若为“闲”IO接口通过BR总请求到总线控制部件总线控制部件检查BS线，若总线空闲发总线授权BG到IO0接口若IO0接口无总线请求，将BG往下一接口传依次进行，若某IOi接口有总线请求，则BG不再往下传，同时将BS线设置为“忙”，IOi撤销自己的总线请求，其它I

42、O接口收到BS线上的忙信号后撤销自己的总线请求信号IOi开始使用总线使用完后将BS线置为“闲”特点离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。缺点：是对询问链的电路故障很敏感，优先级固定。2. 链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求BG总线同意总线同意I/O接口接口1集中式仲裁-计数器定时查询方式工作原理(过程)IO接口有总线请求，检查BS线若为“闲” IO

43、接口通过BR送请求到总线控制部件总线控制部件检查BS线，若总线空闲总线控制部件中的计数器开始计数，同时将计数值发到设备地址线上各IO接口将设备地址线上的地址与自己的设备地址进行比较与设备地址线上地址相一致的IO接口将BS线置为“忙”，IO撤销自己的总线请求，其它IO接口收到BS线上的忙信号后撤销自己的总线请求信号该IO接口开始使用总线使用完后将BS线置为“闲”特点：计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序增加了设备地址线 0BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址

44、3. 计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1集中式仲裁-独立请求方式原理：每个IO接口都独立的总线请求和总线授权线与总线控制器相连。某IO接口有总线请求，通过自己的总线请求线向总线控制器发总线请求信号如果有多个IO接口有总线请求，总线控制器中的优先权排队电路会依据一定的优先次序决定先响应哪个IO接口，并给通过相应的BG线给出授权信号收到授权的IO接口开始使用总线使用完总线，将自己BR线上的总线请求信号撤销，总线控制器将相应BG线上的授权撤销。优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少。对优先次序的控制也是相当灵活的排队器排队器排队器排队

45、器4. 独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意BR总线请求总线请求分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三种常见的仲裁方式：自举分布式仲裁冲突检测分布式仲裁并行竞争分布式仲裁分布式仲裁-自举式自举分布式仲裁方法使用多个请求线, 不需要中心裁决器，每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。每个需要请求总线控制权的设备在各自的总线请求线上送出请求信号在总线裁决期间，每个设备将有关请求线上的信号合成后取回分析，根据这些请求信号确定自己能否拥有总线控制权。每

46、个设备通过取回的合成信息能够检测出其他设备是否发出了总线请求。如果一个设备在发出总线请求的同时，检测到其他优先级更高的设备也请求使用总线，则本设备不立即使用总线；否则，本设备就可立即使用总线。分布式仲裁-自举式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的优先级最低，的优先级最低，I/OI/O接口接口3 3的优先级最高。的优先级最高。BRBR0 0为为总线忙总线忙信号线信号线BRBRi i(i(i从从1 13)3)为为I/OI/O接口接口i i的总线请求信号线。的总线请求信号线。冲突检测分布式仲裁方式主要用于网络通信总线。每

47、个设备都可以独立地请求总线，当某个设备要使用总线时，它首先检测是否有其他设备正在使用总线，如果没有，则置总线忙，然后使用总线；如果多个设备同时检测到总线不忙而造成同时使用总线时会产生冲突，这时检测到冲突，并按照某种策略在冲突的各方选择一个设备获得总线控制权。不同的系统可以有不同的冲突解决策略，例如，以太网中，在同时访问总线的情景发生时，设备便检测到“冲突”，采用的策略是冲突的几个设备都停止传送，经过一段随机延迟时间，再重新向抢占总线，直到抢占总线发送数据成功为止。这样冲突就解决了，这也就是以太网的不确定性特征，是一种不可预测的仲裁方案。 并行竞争仲裁方式每个主设备都有自己的仲裁号和控制器，当某

48、个设备有总线请求时，把它的仲裁号发送到共享的仲裁线上，每个设备的控制器将仲裁线上接收到的号与自己的仲裁号进行比较，如果比自己的仲裁号大，则在仲裁线上撤销自己的仲裁号。最后，竞争获胜者的仲裁号被保留在仲裁线上。显然，这种方案中仲裁号越大，优先级越高。并行竞争分布式仲裁比自举分布式仲裁所需的的连接线要少，因为，并行竞争分布式仲裁中，对于n根仲裁线可以表示个优先级。例如，在并行竞争分布式仲裁中，具有8根仲裁线共可以表示256个优先级，仲裁号为255的设备优先级最高，仲裁号为0的设备优先级最低。而在自举分布式仲裁中，请求线是8根，只能表示8个优先级，也即只有对8个设备进行仲裁。二、总线通信控制二、总线

49、通信控制1. 目的目的2. 总线传输周期总线传输周期主模块申请主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤消有关信息撤消有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题一、总线操作一、总线操作 总线请求与仲裁阶段：总线请求与仲裁阶段： 各各主设备主设备分别分别连接到连接到BRBR及及BGBG信号线，信号线， 总线仲裁机构总线仲裁机构有操作需求时，有操作需求时，发出发出总线请求信号；总线请求信号

50、； 根据各根据各BRBR信号线状态，信号线状态，确定确定下个传输周下个传输周期期的总线使用权归属，向该主设备的总线使用权归属，向该主设备发出发出总线允许信号总线允许信号仲裁仲裁总线传输周期总线传输周期主设备主设备1 1无无总线周期总线周期仲裁仲裁总线传输周期总线传输周期主设备主设备2 2无无总线周期总线周期1 1、总线操作的步骤、总线操作的步骤主设备主设备1 1 请求请求BR1BR1主设备主设备2 2 请求请求BR2BR2总线仲总线仲 允许允许BG1BG1裁机构裁机构 允许允许BG2BG2总线使用权拥有者总线使用权拥有者t t无无 寻址阶段：寻址阶段： 拥有总线使用权的拥有总线使用权的主设备主