第9章计算机组成原理要点课件.ppt

1、本章导读本章导读 本章首先介绍总线的基本概念与总线的分类本章首先介绍总线的基本概念与总线的分类情况，然后讲述总线的基本组成与基本连接情况，然后讲述总线的基本组成与基本连接方式，内容包括三态门的知识与计算机系统方式，内容包括三态门的知识与计算机系统中的单总线、多总线等连接结构及其特点。中的单总线、多总线等连接结构及其特点。然后结合总线的结构与作用介绍总线特性与然后结合总线的结构与作用介绍总线特性与总线的性能指标、总线的仲裁方式与时序操总线的性能指标、总线的仲裁方式与时序操作方式，最后介绍总线标准的概念并简单介作方式，最后介绍总线标准的概念并简单介绍在计算机系统中广泛使用过的一些总线标绍在计算机系

2、统中广泛使用过的一些总线标准情况。准情况。本章要点本章要点 总线的基本概念总线的基本概念 总线的分类总线的分类 总线的组成及性能指标总线的组成及性能指标 总线的集中仲裁与分布仲裁方式总线的集中仲裁与分布仲裁方式 总线操作和定时总线操作和定时 同步定时方式与异步定时方式同步定时方式与异步定时方式 总线标准总线标准9.1 总线概述总线概述9.1.1 总线的基本概念总线的基本概念9.1.2 总线的分类总线的分类9.1.1 总线的基本概念总线的基本概念 计算机是由一组相互之间通信的计算机是由一组相互之间通信的3种基本种基本类型（类型（CPU、存储器和、存储器和I/O）的部件或模）的部件或模块组成的系统

3、。因此，必须要有使模块连块组成的系统。因此，必须要有使模块连接在一起的通路。连接各种模块的通路的接在一起的通路。连接各种模块的通路的集合称为互连结构，这一结构的设计取决集合称为互连结构，这一结构的设计取决于模块之间所必须交换的信息。人们在计于模块之间所必须交换的信息。人们在计算机中尝试过很多种互连结构，迄今使用算机中尝试过很多种互连结构，迄今使用最普遍的是总线和各种多总线结构。最普遍的是总线和各种多总线结构。 计算机通过系统总线将计算机通过系统总线将CPU、主存储器、主存储器及外围设备连接起来，总线不但影响计及外围设备连接起来，总线不但影响计算机系统的结构与连接方式，而且影响算机系统的结构与连

4、接方式，而且影响计算机系统的性能和效率。计算机系统的性能和效率。 总线（总线（Bus）是连接两个或多个设备的公）是连接两个或多个设备的公共通信线路。总线的关键特征是它为共共通信线路。总线的关键特征是它为共享的传输介质。享的传输介质。 多种设备连接到总线上，一个设备发出多种设备连接到总线上，一个设备发出的信号可以被其他所有连接到总线上的的信号可以被其他所有连接到总线上的设备所接收。但如果两个设备同时传送，设备所接收。但如果两个设备同时传送，它们的信号将会重叠，这样会引起混淆。它们的信号将会重叠，这样会引起混淆。因此，每次只能有一个设备成功地利用因此，每次只能有一个设备成功地利用总线发送数据，而多

5、个部件可以同时从总线发送数据，而多个部件可以同时从总线上接收数据信息。总线上接收数据信息。 多数情况下，总线由多条通信路径或线多数情况下，总线由多条通信路径或线路组成，每条线能传送一位二进制代码。路组成，每条线能传送一位二进制代码。多条线路放在一起，总线就能同时并行多条线路放在一起，总线就能同时并行地传送多位二进制数字。如地传送多位二进制数字。如32条传输线条传输线组成的总线，可同时传输组成的总线，可同时传输32位二进制代位二进制代码。也有单条线路组成的总线，此时能码。也有单条线路组成的总线，此时能在该线路上，用一段时间一位接一位地在该线路上，用一段时间一位接一位地传送一串二进制数字。传送一串

6、二进制数字。 在没有总线的情况下，计算机需要交换在没有总线的情况下，计算机需要交换信息的各部件间需要设置专门的连接线信息的各部件间需要设置专门的连接线路，这称为分散连接方式，此时的连线路，这称为分散连接方式，此时的连线复杂而效率又低。采用总线结构后具有复杂而效率又低。采用总线结构后具有以下的优点：以下的优点：（1）模块式总线设计可以简化系统结构，）模块式总线设计可以简化系统结构，降低成本。面向总线的结构节省连接线，降低成本。面向总线的结构节省连接线，使系统更加清晰明了。使系统更加清晰明了。（2）模块式总线设计可以简化硬件和软件）模块式总线设计可以简化硬件和软件的设计，缩短产品的设计周期，使产品

7、更的设计，缩短产品的设计周期，使产品更具竞争力。模块设计的设计人员仅需针对具竞争力。模块设计的设计人员仅需针对规范的总线标准，而不必面对功能复杂且规范的总线标准，而不必面对功能复杂且日新月异的日新月异的CPU等内部接口，能以最快的等内部接口，能以最快的速度推出新产品。速度推出新产品。（3）便于系统的扩充和更新。按规范的总）便于系统的扩充和更新。按规范的总线标准设计的总线产品面向整个行业，具线标准设计的总线产品面向整个行业，具有很好的通用性，便于系统的扩充更新。有很好的通用性，便于系统的扩充更新。 9.1.2 总线的分类总线的分类 按二进制数据的传送方式可分为并行传输按二进制数据的传送方式可分为

8、并行传输总线和串行传输总线。按数据传送的方向总线和串行传输总线。按数据传送的方向可分为单向总线和双向总线。按时序控制可分为单向总线和双向总线。按时序控制方式可分为同步总线和异步总线。若按总方式可分为同步总线和异步总线。若按总线的使用范围划分，则又有计算机总线、线的使用范围划分，则又有计算机总线、测控总线、网络通信总线等。下面按总线测控总线、网络通信总线等。下面按总线在计算机中所处位置的不同，来分类介绍在计算机中所处位置的不同，来分类介绍总线。总线。 1、片内总线、片内总线 片内总线是指芯片内部的总线，如在片内总线是指芯片内部的总线，如在CPU芯片内部各个部件之间传送信息的数据芯片内部各个部件之

9、间传送信息的数据通路。由于所制造芯片的面积和芯片引通路。由于所制造芯片的面积和芯片引脚的限制，内部总线有的采用单总线结脚的限制，内部总线有的采用单总线结构，有利于集成度的提高和成品率的提构，有利于集成度的提高和成品率的提高。有的芯片内采用双总线或三总线结高。有的芯片内采用双总线或三总线结构，有利于内部数据传送速度的加快。构，有利于内部数据传送速度的加快。 2、系统总线、系统总线 系统总线是指系统总线是指CPU、主存、主存、I/O各大部件各大部件之间的信息传输线，它把这些部件连接起之间的信息传输线，它把这些部件连接起来构成了计算机系统。由于这些部件通常来构成了计算机系统。由于这些部件通常都制作在

10、各个插件板上，故又叫做板级总都制作在各个插件板上，故又叫做板级总线（即在一块电路板上各芯片间的连线）线（即在一块电路板上各芯片间的连线）和板间总线。和板间总线。 按系统总线传输信息的不同，它又可分为按系统总线传输信息的不同，它又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。三类：数据总线、地址总线和控制总线。、数据总线（、数据总线（DB，Data Bus） 在任意两个涉及数据（此处的含义包括在任意两个涉及数据（此处的含义包括要运算的数据信息或要处理的指令信息）要运算的数据信息或要处理的指令信息）的存储、处理乃至交换、传输的设备之的存储、处理乃至交换、传输的设备之间，都应有数据总线。因为数据正是通间

11、，都应有数据总线。因为数据正是通过这条总线而实现传输的。显然，数据过这条总线而实现传输的。显然，数据总线应该能实现双向传输，即可以进行总线应该能实现双向传输，即可以进行从从A设备向设备向B设备的传送，也可以进行从设备的传送，也可以进行从B设备向设备向A设备的传送。设备的传送。 对于数据总线来说，它的两个性能指标对于数据总线来说，它的两个性能指标是传输的速率和总线的宽度。前者是指是传输的速率和总线的宽度。前者是指每个单位时间它能传送多少个数据，显每个单位时间它能传送多少个数据，显然这个指标将对计算机的运算速度有重然这个指标将对计算机的运算速度有重大影响，而它与传输的距离也有关系。大影响，而它与传

12、输的距离也有关系。后者是每条总线可以同时传送多少位，后者是每条总线可以同时传送多少位，也就是这个总线一共有多少条实际的物也就是这个总线一共有多少条实际的物理线路，我们把它称为总线的宽度。理线路，我们把它称为总线的宽度。、地址总线（、地址总线（AB，Address Bus） 地址总线用于传送地址信号，以确定所地址总线用于传送地址信号，以确定所访问的存储单元或某个输入访问的存储单元或某个输入/输出端口。输出端口。微机中地址总线一般有微机中地址总线一般有16位、位、20位、位、24位、位、32位、位、36位等几种宽度标准，位等几种宽度标准，与存储器所用的地址的位数以及端口的与存储器所用的地址的位数以

13、及端口的地址位数相对应。这也同时确定了可以地址位数相对应。这也同时确定了可以访问的存储空间的大小。访问的存储空间的大小。 应当指出，地址总线要和数据总线一起应当指出，地址总线要和数据总线一起使用才有效。比如，如果要从某个设备使用才有效。比如，如果要从某个设备向存储设备存入数据，则这个数据应该向存储设备存入数据，则这个数据应该放到从某个设备连接到存储设备的数据放到从某个设备连接到存储设备的数据总线上，同时应在连接这两个设备的地总线上，同时应在连接这两个设备的地址总线上给出存储设备的地址，这样才址总线上给出存储设备的地址，这样才能实现正确的存入（写入）操作。能实现正确的存入（写入）操作。 从这里也

14、不难理解，地址总线是单向总从这里也不难理解，地址总线是单向总线，而不像数据总线那样需要有双向传线，而不像数据总线那样需要有双向传送的功能。只有掌握总线控制权的主控送的功能。只有掌握总线控制权的主控部件，如中央处理器、输入部件，如中央处理器、输入/输出处理机输出处理机IOP（Input Output Processor）等，）等，才能向地址总线上发送地址信息。而像才能向地址总线上发送地址信息。而像存储器这样不掌握总线控制权的部件，存储器这样不掌握总线控制权的部件，只能从地址总线上接收地址信息，并配只能从地址总线上接收地址信息，并配合控制信号进行地址译码就可以了。合控制信号进行地址译码就可以了。

15、、控制总线（、控制总线（CB,Control Bus） 控制总线是用来传送各类控制控制总线是用来传送各类控制/状态信号状态信号的。如同前面所说，要实现对存储器的的。如同前面所说，要实现对存储器的读读/写操作，需要同时有数据总线、地址写操作，需要同时有数据总线、地址总线以及控制总线的参与，操作才能实总线以及控制总线的参与，操作才能实现。而且，实际上它们是在控制总线上现。而且，实际上它们是在控制总线上的信号的控制之下进行的。的信号的控制之下进行的。 以实现把数据总线上的数据存入地址总以实现把数据总线上的数据存入地址总线给出其地址的存储器的某个存储单元线给出其地址的存储器的某个存储单元为例，控制总线

16、在其工作的周期中首先为例，控制总线在其工作的周期中首先使地址总线工作，发送地址信息到存储使地址总线工作，发送地址信息到存储器的地址选择器中，从而使相应单元做器的地址选择器中，从而使相应单元做好接收数据的准备，然后使数据总线工好接收数据的准备，然后使数据总线工作，把它上面的数据写到该存储单元中。作，把它上面的数据写到该存储单元中。地址总线与数据总线上的信息一直维持地址总线与数据总线上的信息一直维持到控制总线工作周期的结束。到控制总线工作周期的结束。3、外部总线、外部总线 外部总线也称为通信总线，它用于计算外部总线也称为通信总线，它用于计算机系统之间或计算机系统与其它电子仪机系统之间或计算机系统与

17、其它电子仪器或设备之间的通信。由于这类联系涉器或设备之间的通信。由于这类联系涉及到许多方面，如外部连接方式、距离及到许多方面，如外部连接方式、距离远近、速度快慢、工作方式等等，差别远近、速度快慢、工作方式等等，差别极大，因此通信总线的类别很多。但基极大，因此通信总线的类别很多。但基本上可按传输方式分为两种：串行通信本上可按传输方式分为两种：串行通信总线和并行通信总线。总线和并行通信总线。 、串行总线、串行总线 串行总线的数据在数据线上按位进行传输，串行总线的数据在数据线上按位进行传输，因此只需要一根数据线，线路的成本低，因此只需要一根数据线，线路的成本低，适合于远距离的数据传输。在具体传输时，

18、适合于远距离的数据传输。在具体传输时，按顺序传送一个数据的所有二进制位的脉按顺序传送一个数据的所有二进制位的脉冲信号，每次一位，被传送的数据在发送冲信号，每次一位，被传送的数据在发送部件中必须进行并行数据到串行数据的转部件中必须进行并行数据到串行数据的转换，这个过程称为拆卸；而在接收部件中换，这个过程称为拆卸；而在接收部件中则需要将串行数据转换成并行数据，这个则需要将串行数据转换成并行数据，这个过程称为装配。过程称为装配。 串行总线是一种信息传输信道，每秒钟串行总线是一种信息传输信道，每秒钟通过信道传输的码元数称为波特率，它通过信道传输的码元数称为波特率，它反映了串行总线每秒钟传输的全部二进反

19、映了串行总线每秒钟传输的全部二进制位数。而每秒钟通过信道传输的信息制位数。而每秒钟通过信道传输的信息量称为比特率，它反映了串行总线每秒量称为比特率，它反映了串行总线每秒钟传输的有效数据位数。钟传输的有效数据位数。 串行传输方式可分为同步方式和异步方串行传输方式可分为同步方式和异步方式两种。在异步传输方式中，每个字符式两种。在异步传输方式中，每个字符要用一位起始位和若干停止位作为字符要用一位起始位和若干停止位作为字符传输的开始和结束标志，需占用一定的传输的开始和结束标志，需占用一定的时间。所以在进行数据块传送时，为了时间。所以在进行数据块传送时，为了提高速度，一般把每个字符前后的附加提高速度，一

20、般把每个字符前后的附加位去掉，而将若干个字符作为一个数据位去掉，而将若干个字符作为一个数据块一起传送，在数据块的开始和结尾处块一起传送，在数据块的开始和结尾处用一个或若干个同步字符作为标志。这用一个或若干个同步字符作为标志。这种方式称为同步串行传输方式。种方式称为同步串行传输方式。 、并行总线、并行总线 并行总线的数据在数据线上同时有多位并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线，因一起传送，每一位要有一根数据线，因此一共需要多根数据线。在同样的传输此一共需要多根数据线。在同样的传输频率下，并行传输要比串行传输速度快频率下，并行传输要比串行传输速度快得多。但是，并行总线的

21、进一步发展却得多。但是，并行总线的进一步发展却遇到了障碍。遇到了障碍。 首先，由于并行传输方式的前提是用同首先，由于并行传输方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传输而过分提升时钟频率将难以让数据传输的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序传达。此数据就会以与时钟不同的时序传达。此外，提升时钟频率还容易引起信号线间外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，因此，并行方式难以实现的相互干扰，因此，并行方式难以实现高速化。另外，增加位宽无疑会使布线高速化。另

22、外，增加位宽无疑会使布线数目增加，成本随之攀升。数目增加，成本随之攀升。9.2 总线的组成与连接方式总线的组成与连接方式9.2.1 总线的基本组成总线的基本组成9.2.2 总线的基本连接方式总线的基本连接方式9.2.1 总线的基本组成总线的基本组成 总线是能从两个或两个以上的源部件传总线是能从两个或两个以上的源部件传送信息到一个或多个目的部件的一组传送信息到一个或多个目的部件的一组传输线，而导线则是仅仅连接一个源部件输线，而导线则是仅仅连接一个源部件到一个或多个目的部件的传输线。组成到一个或多个目的部件的传输线。组成总线，除了要有传输导线外，重要的是总线，除了要有传输导线外，重要的是总线控制线

23、路。总线控制线路。 由于总线有两个或两个以上的输出信息的由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件，多个接收信息的目的部件，对于源部件，多个接收信息的目的部件，对于发送的信息就必须经过选择判优，分开发发送的信息就必须经过选择判优，分开发送，避免多个部件同时发送信息的矛盾。送，避免多个部件同时发送信息的矛盾。同时还应对传送的信息进行定时，防止信同时还应对传送的信息进行定时，防止信息丢失。这样，总线中应该设置总线控制息丢失。这样，总线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑等。控制逻辑、驱动器和中断逻辑等。1、总线驱动、总

24、线驱动 总线上可连接多个部件，具有扩充的灵总线上可连接多个部件，具有扩充的灵活性。总线上能连接多少部件，是受总活性。总线上能连接多少部件，是受总线的驱动能力限制的。这是在总线上扩线的驱动能力限制的。这是在总线上扩充设备或部件时应该注意的。充设备或部件时应该注意的。 在总线的传输线上至少连接两个源部件，在总线的传输线上至少连接两个源部件，而对集成电路来说，不是任意两个集成而对集成电路来说，不是任意两个集成电路的输出端都可以短接在一起的，使电路的输出端都可以短接在一起的，使用不当，会损坏器件。在计算机系统中，用不当，会损坏器件。在计算机系统中，通常采用三态输出电路（三态门）或集通常采用三态输出电路

25、（三态门）或集电极开路输出电路来驱动总线。电极开路输出电路来驱动总线。2、三态门、三态门 三态门是具有三种输出状态的电路，在三态门是具有三种输出状态的电路，在计算机中用处很大，常用作总线驱动器。计算机中用处很大，常用作总线驱动器。它包括它包括MOS型的三态门和双极型的三态型的三态门和双极型的三态门两种。图门两种。图9-1表示了常用三态门的逻表示了常用三态门的逻辑符号和真值表。辑符号和真值表。图图9-1 三态门的逻辑符号和真值表三态门的逻辑符号和真值表 三态缓冲门是靠三态缓冲门是靠“允许允许/禁止禁止”控制端上控制端上接入逻辑接入逻辑“1”或逻辑或逻辑“0”来控制其操作来控制其操作的。三态门被禁

26、止时，输出呈现高阻抗的。三态门被禁止时，输出呈现高阻抗状态；三态门被允许时，能进行信息传状态；三态门被允许时，能进行信息传送。用三态门可以设计单向总线或双向送。用三态门可以设计单向总线或双向总线。如图总线。如图9-2即是用三态门实现的单即是用三态门实现的单向总线和双向总线的基本结构。向总线和双向总线的基本结构。图图9-2 用三态门构成的总线用三态门构成的总线9.2.2 总线的基本连接方式总线的基本连接方式 在现代计算机系统中，各大部件均以系在现代计算机系统中，各大部件均以系统总线为基础进行互连。系统总线的连统总线为基础进行互连。系统总线的连接方式有多种，一般可分为单总线结构接方式有多种，一般可

27、分为单总线结构与多总线结构两大类。与多总线结构两大类。1、单总线结构单总线结构 在单总线系统中，在单总线系统中，CPU、主存储器以及、主存储器以及所有所有I/O设备均通过一组总线连接，如设备均通过一组总线连接，如图图9-3所示。这种总线结构简单，也便所示。这种总线结构简单，也便于扩充设备，但所有的传送都通过这组于扩充设备，但所有的传送都通过这组共享总线，因此极易形成计算机系统的共享总线，因此极易形成计算机系统的瓶颈。瓶颈。图图9-3 单总线结构单总线结构 它不允许两个以上的部件在同一时刻向它不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息，当总线被某一部件占用总线传输信息，当总线被某一部件占用时，

28、其他部件就必须等待，等待当前传时，其他部件就必须等待，等待当前传输完成之后再按照优先级上岗，这样就输完成之后再按照优先级上岗，这样就影响了系统工作效率的提高。影响了系统工作效率的提高。 单总线的困境可以归结为以下两方面：单总线的困境可以归结为以下两方面：、当总线上连接的设备增多时，传输延、当总线上连接的设备增多时，传输延迟也会增大，而这个传输延迟又决定了迟也会增大，而这个传输延迟又决定了设备支配总线使用所花费的时间。当控设备支配总线使用所花费的时间。当控制频繁地由一个设备传递到另一个设备制频繁地由一个设备传递到另一个设备时，传输延迟明显地影响计算机性能。时，传输延迟明显地影响计算机性能。、当总

29、线内的传输请求接近总线的传输、当总线内的传输请求接近总线的传输量限制时，总线就成为了系统性能瓶颈。量限制时，总线就成为了系统性能瓶颈。虽然尽量增加总线的带宽和提高总线的虽然尽量增加总线的带宽和提高总线的传输速度可以在一定程度上缓解这种矛传输速度可以在一定程度上缓解这种矛盾，但随着计算机部件的性能提升，对盾，但随着计算机部件的性能提升，对总线的要求更高，如图形加速卡、网络总线的要求更高，如图形加速卡、网络传输接口等，其数据量大且传输速度要传输接口等，其数据量大且传输速度要求相当高，单总线结构就满足不了系统求相当高，单总线结构就满足不了系统工作的需要了。工作的需要了。2、多总线结构多总线结构 为了

30、解决单总线面临的困境，现代大多为了解决单总线面临的困境，现代大多数计算机的体系结构中采用的是多总线数计算机的体系结构中采用的是多总线结构。多总线结构的形式多种多样，以结构。多总线结构的形式多种多样，以下给出几种有代表性的总线结构。下给出几种有代表性的总线结构。 由于由于CPU工作期间要不断地取指令、取工作期间要不断地取指令、取操作数、传送结果，操作数、传送结果，CPU与主存与主存MM（Main Memory）之间的信息流通量特）之间的信息流通量特别大，一种多总线结构是在这两个最繁别大，一种多总线结构是在这两个最繁忙的部件之间增设一组总线。这组总线忙的部件之间增设一组总线。这组总线通常被称为存储

31、总线，如图通常被称为存储总线，如图9-4是带存是带存储总线的双总线结构。储总线的双总线结构。图图9-4 带存储总线的双总线结构带存储总线的双总线结构 在具有众多在具有众多I/O设备的计算机系统中，为设备的计算机系统中，为了进一步提高主了进一步提高主CPU与与I/O系统的并行性，系统的并行性，往往由输入输出处理机（往往由输入输出处理机（IOP）来组织管）来组织管理理I/O设备。设备。IOP一方面通过一方面通过I/O总线与总线与众多外部设备相连，另一方面又与连接众多外部设备相连，另一方面又与连接CPU和和MM的系统总线相连，如图的系统总线相连，如图9-5是是带带IOP的双总线结构。的双总线结构。图

32、图9-5 带带IOP的双总线结构的双总线结构 由于磁盘的信息传输速率很高，在采用虚由于磁盘的信息传输速率很高，在采用虚拟存储的存储系统中，磁盘与主存之间存拟存储的存储系统中，磁盘与主存之间存在着频繁的信息交换，因此多总线的另一在着频繁的信息交换，因此多总线的另一种考虑是在主存与辅存之间增设一组总线。种考虑是在主存与辅存之间增设一组总线。由于磁盘等高速外设采用直接存储器存取由于磁盘等高速外设采用直接存储器存取（Direct Memory Access 简称简称DMA）方）方式，因此这种总线被称为式，因此这种总线被称为DMA总线，而连总线，而连接接CPU与其他外设接口的总线被称为与其他外设接口的总

33、线被称为I/O总总线。如图线。如图9-6所示。所示。图图9-6 带带DMA总线的三总线结构总线的三总线结构 在多总线结构里有一个局部总线的概念。在多总线结构里有一个局部总线的概念。局部总线是解决系统总线拥挤问题的一局部总线是解决系统总线拥挤问题的一个有效办法，就是在处理模块中配置专个有效办法，就是在处理模块中配置专供其供其CPU使用的局部总线，在局部总线使用的局部总线，在局部总线上挂有局部存储器和局部上挂有局部存储器和局部I/O接口，而接口，而系统总线上挂有公共存储器（共享存储系统总线上挂有公共存储器（共享存储器）和公共器）和公共I/O接口。共享存储器主要接口。共享存储器主要目的是用于模块间的

34、通信，而大部分数目的是用于模块间的通信，而大部分数据传输都可以通过局部总线来完成。据传输都可以通过局部总线来完成。 如在具有如在具有Cache的系统中，可以在处理的系统中，可以在处理器与高速缓存器与高速缓存Cache之间设一组局部总之间设一组局部总线，从而形成三总线结构的又一形式，线，从而形成三总线结构的又一形式，如图如图9-7所示。所示。 Cache的控制机构不仅将的控制机构不仅将Cache连到局连到局部总线上，而且还直接连到系统总线上，部总线上，而且还直接连到系统总线上，这样这样Cache就可以通过系统总线与主存就可以通过系统总线与主存传输信息。而且传输信息。而且I/O与主存之间的传输与主

35、存之间的传输也不必通过也不必通过CPU。图图9-7 三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式 还有一条扩展总线，它将局域网、小型还有一条扩展总线，它将局域网、小型计算机接口（计算机接口（SCSI）、调制解调器）、调制解调器（Modem）以及串行接口等都连接起来，）以及串行接口等都连接起来，并且通过这些接口又可与各类并且通过这些接口又可与各类I/O设备设备相连，因此它可以支持相当多的相连，因此它可以支持相当多的I/O设设备。与此同时，扩展总线又通过扩展总备。与此同时，扩展总线又通过扩展总线接口与系统总线相连，实现这两种总线接口与系统总线相连，实现这两种总线之间的信息传递，系统的工作效率可线之间的

36、信息传递，系统的工作效率可明显提高。明显提高。9.3 总线特性与性能指标总线特性与性能指标9.3.1 总线特性总线特性9.3.2 总线性能指标总线性能指标9.3.1 总线特性总线特性 从物理角度看，总线就是一组电导线。为从物理角度看，总线就是一组电导线。为了保证总线所连接的各个部件间能正确的了保证总线所连接的各个部件间能正确的连接及通信，总线需具有以下四个特性：连接及通信，总线需具有以下四个特性：、物理特性：物理特性指的是总线的物理、物理特性：物理特性指的是总线的物理连接方式。包括总线的条数、总线的插头、连接方式。包括总线的条数、总线的插头、插座是什么形状、引脚是如何排列等。插座是什么形状、引

37、脚是如何排列等。、功能特性：功能特性描写的是这一组、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。从功能总线中每一根线的功能是什么。从功能上看，总线分成地址总线、数据总线和上看，总线分成地址总线、数据总线和控制总线控制总线3组。地址总线用来指出地址组。地址总线用来指出地址编码；数据总线传递数据信息；控制总编码；数据总线传递数据信息；控制总线传送控制信号。它们既有线传送控制信号。它们既有CPU发出的，发出的，如存储器读如存储器读/写、写、IO读读/写信号；也有写信号；也有IO向向CPU发来的，如中断请求、发来的，如中断请求、DMA请请求信号等，可见各条线功能不一。求信号等，可见各条

38、线功能不一。、电器特性：电器特性定义每一根线上、电器特性：电器特性定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。一般规信号的传递方向及有效电平范围。一般规定送入定送入CPU的信号叫的信号叫IN（输入信号），（输入信号），从从CPU送出的信号叫送出的信号叫OUT（输出信号）。（输出信号）。控制总线的每一根都是单向的，但从整体控制总线的每一根都是单向的，但从整体看，控制总线中即有输入，也有输出。同看，控制总线中即有输入，也有输出。同时对于信号的电平，有的定义为高电平有时对于信号的电平，有的定义为高电平有效，有的定义为低电平有效。效，有的定义为低电平有效。、时间特性：时间特性定义了每根线上、时间特性：

39、时间特性定义了每根线上的信号在什么时间有效。每条总线上的的信号在什么时间有效。每条总线上的各种信号，互相存在着一种有效时序的各种信号，互相存在着一种有效时序的关系，一般可用信号时序图来描述。关系，一般可用信号时序图来描述。9.3.2 总线性能指标总线性能指标、总线宽度：总线进行一次操作所能传、总线宽度：总线进行一次操作所能传输的数据位数称为总线宽度，即数据传输的数据位数称为总线宽度，即数据传输线的条数，用输线的条数，用bit表示。通常微机系统表示。通常微机系统的总线宽度不会超过其的总线宽度不会超过其CPU的外部数据的外部数据总线宽度。例如总线宽度。例如ISA总线为总线为16位，位，PCI总线为

40、总线为32位等。位等。、总线工作频率：总线通常都有一个基、总线工作频率：总线通常都有一个基本时钟，这个时钟是总线工作的最高频本时钟，这个时钟是总线工作的最高频率时钟。通常，时钟的频率越高，单位率时钟。通常，时钟的频率越高，单位时间内通过总线传送的数据量也越大。时间内通过总线传送的数据量也越大。、单个数据传输周期数：由于传输方式、单个数据传输周期数：由于传输方式的不同，使得每个数据传输所用的时钟的不同，使得每个数据传输所用的时钟周期数也不同。慢的需要几个周期才能周期数也不同。慢的需要几个周期才能传送一个数据，快的每个周期可传送传送一个数据，快的每个周期可传送1个、个、2个或个或4个数据。如个数据

41、。如ISA最快为最快为2个时钟周个时钟周期传送一个数据，期传送一个数据，PCI为为1个时钟周期传个时钟周期传送一个数据。送一个数据。、标准传输率（总线带宽）：即在总线、标准传输率（总线带宽）：即在总线上每秒能传输的最大字节量，用上每秒能传输的最大字节量，用MB/s（每秒多少兆字节）表示。如（每秒多少兆字节）表示。如PCI总线宽总线宽度为度为4字节，总线工作频率为字节，总线工作频率为33.3MHz，单个数据传输所需的时钟周期数为单个数据传输所需的时钟周期数为1，则，则PCI总线的传输率为总线的传输率为133.2MB/s。、时钟同步、时钟同步/异步：总线上的数据传送异步：总线上的数据传送与时钟同步

42、工作的称为同步总线；总线与时钟同步工作的称为同步总线；总线上的数据传送与时钟不同步工作的称为上的数据传送与时钟不同步工作的称为异步总线。异步总线。、总线复用：通常地址总线与数据总线、总线复用：通常地址总线与数据总线在物理上是分开的两种总线。但早期为在物理上是分开的两种总线。但早期为提高总线的利用率，优化设计，也将地提高总线的利用率，优化设计，也将地址线和数据线共用一组物理线路，这叫址线和数据线共用一组物理线路，这叫总线的多路复用。此时总线上某一时刻总线的多路复用。此时总线上某一时刻传输的是地址信号，而另一时刻传输的传输的是地址信号，而另一时刻传输的是数据信号或总线命令，即总线是分时是数据信号或

43、总线命令，即总线是分时复用的。复用的。、信号线数：表明总线所需信号线数的、信号线数：表明总线所需信号线数的多少，是地址总线数、数据总线数、控多少，是地址总线数、数据总线数、控制总线数及电源线数和接地信号线数的制总线数及电源线数和接地信号线数的总和。信号线数的多少与总线性能的好总和。信号线数的多少与总线性能的好坏不成正比，但与总线的复杂程度成正坏不成正比，但与总线的复杂程度成正比。比。、其他指标：如总线的控制方式，负载、其他指标：如总线的控制方式，负载能力等。能力等。表表9-1 几种流行的微机总线性能参数几种流行的微机总线性能参数名称名称ISA（PC-AT）EISAVESA（VL-BUS）MCA

44、PCI适用机型适用机型80286、386、486系列系列机机386、486、586、IBM系列系列机机i486、PC-AT兼容机兼容机IBM个人机与个人机与工作站工作站P5个人机、个人机、Power PC、Alpha工工作站作站最大传输率最大传输率16MB/S33MB/S266MB/S40MB/S133MB/S总线宽度总线宽度16位位32位位32位位32位位32位位总线工作频率总线工作频率8MHZ8.33MHZ66MHZ10MHZ33MHZ同步方式同步方式同步同步异步异步同步同步仲裁方式仲裁方式集中集中集中集中集中集中集中集中地址宽度地址宽度2432323232/64负载能力负载能力866无限

45、制无限制3信号线数信号线数98143901094964位扩展位扩展不可不可无规定无规定可可可可可可引脚使用引脚使用非多路复用非多路复用非多路复用非多路复用非多路复用非多路复用多路复用多路复用9.4 总线仲裁与总线操作总线仲裁与总线操作9.4.1 总线仲裁总线仲裁9.4.2 总线操作总线操作 由于总线上连接着许多部件，什么时候由于总线上连接着许多部件，什么时候由哪个部件发送信息；如何给信息传送由哪个部件发送信息；如何给信息传送定时；如何防止信息丢失；如何避免多定时；如何防止信息丢失；如何避免多个部件同时发送；如何规定接受信息的个部件同时发送；如何规定接受信息的部件等等一系列问题，都需要由总线控部

46、件等等一系列问题，都需要由总线控制器进行管理。它主要包括总线仲裁制器进行管理。它主要包括总线仲裁（或称为总线判优控制）和通信控制两（或称为总线判优控制）和通信控制两个方面。个方面。9.4.1 总线仲裁总线仲裁 总线上所连接的各类设备，按其对总线总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备和从设备两有无控制功能可分为主设备和从设备两种。主设备对总线有控制权，从设备只种。主设备对总线有控制权，从设备只能响应从主设备发来的总线命令。总线能响应从主设备发来的总线命令。总线上信息的传送是由主设备启动的。上信息的传送是由主设备启动的。 如某个设备欲与另一个设备进行通信时，如某个设备欲与另一个

47、设备进行通信时，首先由设备发出总线请求信号，若多个首先由设备发出总线请求信号，若多个设备同时要使用总线时，就由总线控制设备同时要使用总线时，就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序，确定哪个设备能先使用总线。只顺序，确定哪个设备能先使用总线。只有获得总线使用权的设备成为主设备，有获得总线使用权的设备成为主设备，才能开始控制总线传送数据。才能开始控制总线传送数据。 总线仲裁方式可分集中式和分布式两种，总线仲裁方式可分集中式和分布式两种，前者有一个称为总线控制器或仲裁器的前者有一个称为总线控制器或仲裁器的硬件设备负责分配总线使用权，这个设硬件设备负责分配

48、总线使用权，这个设备可以是独立的模块，也可以是备可以是独立的模块，也可以是CPU的的一部分。后者没有明确的总线控制器，一部分。后者没有明确的总线控制器，而是将控制逻辑功能分散在与总线连接而是将控制逻辑功能分散在与总线连接的各个部件或设备中。的各个部件或设备中。 1、集中仲裁方式集中仲裁方式 常见的集中仲裁有三种优先权管理方式。常见的集中仲裁有三种优先权管理方式。、链式查询方式、链式查询方式 为减少总线授权线数量，采用图为减少总线授权线数量，采用图9-8所所示的菊花链查询方式（示的菊花链查询方式（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）。 图图9-8 菊花链查询方式

49、菊花链查询方式 链式查询方式的主要特点是：总线授权链式查询方式的主要特点是：总线授权信号信号BG串行地从一个串行地从一个I/O接口传送到下接口传送到下一个一个I/O接口，假如接口，假如BG到达的接口无总到达的接口无总线请求，则继续往下查询，假如线请求，则继续往下查询，假如BG到达到达的接口有总线请求，的接口有总线请求，BG信号便不再往下信号便不再往下查询。这意味着该查询。这意味着该I/O接口就获得了总接口就获得了总线控制权。线控制权。 可见，在查询链中离中央仲裁器最近的可见，在查询链中离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，离中央仲裁器越设备具有最高优先级，离中央仲裁器越远，优先级越低。因此，链

50、式查询是通远，优先级越低。因此，链式查询是通过接口的优先级排队电路来实现的。过接口的优先级排队电路来实现的。 链式查询方式的优点是，只用很少几根链式查询方式的优点是，只用很少几根线就能按一定优先级实现总线仲裁，并线就能按一定优先级实现总线仲裁，并且这种链式结构很容易扩充设备。且这种链式结构很容易扩充设备。 链式查询方式的缺点是，对询问链的电链式查询方式的缺点是，对询问链的电路故障很敏感，如果第路故障很敏感，如果第i个设备的接口中个设备的接口中有关的电路有故障，那么第有关的电路有故障，那么第i个以后的设个以后的设备都不能进行工作。另外查询链的优先备都不能进行工作。另外查询链的优先级是固定的，如果