第六章 总线系统
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6总线系统
• 先读后写同一个地址单元，适用于共享数据保护 • 一个主设备对多个从设备的写入操作
33
写后读（Read-After-Write）
读修改写（Read-Modify-Write）
广播（Broadcast）
计算机组成原理
Pentium的总线周期
时序图
基本非流水线总线周期
• 由2个时钟周期T1和T2组成 • T1周期：发出地址信号、控制信号等 • T2周期：进行数据传送
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S
6
计算机组成原理
【例 1】(1) 某总线在一个总线周期中并行传送 4 个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2) 如果一个总线周期中并行传送 64 位数据，总线时 钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
BUSY（忙状态）信号
• 打印机忙于处理接收到的数据，不能接收新的数据
计算机组成原理
32
6.3.3 总线数据传送模式
读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送）
相邻地址读出或写入
• 给出起始地址，将固定块长的数据一个接一个地从 • 先写后读同一个地址单元，适用于校验
…
I/O接口n
…
集中仲裁：计数器定时查询方式
BS -总线忙 BR-总线请求
数据线 地址线
1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
33
写后读（Read-After-Write）
读修改写（Read-Modify-Write）
广播（Broadcast）
计算机组成原理
Pentium的总线周期
时序图
基本非流水线总线周期
• 由2个时钟周期T1和T2组成 • T1周期：发出地址信号、控制信号等 • T2周期：进行数据传送
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S
6
计算机组成原理
【例 1】(1) 某总线在一个总线周期中并行传送 4 个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2) 如果一个总线周期中并行传送 64 位数据，总线时 钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
BUSY（忙状态）信号
• 打印机忙于处理接收到的数据，不能接收新的数据
计算机组成原理
32
6.3.3 总线数据传送模式
读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送）
相邻地址读出或写入
• 给出起始地址，将固定块长的数据一个接一个地从 • 先写后读同一个地址单元，适用于校验
…
I/O接口n
…
集中仲裁：计数器定时查询方式
BS -总线忙 BR-总线请求
数据线 地址线
1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
第6章_总线系统
通道(Channel)是一台具有特殊功能的处理器 (IOP)，分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的 统一管理及外设与主存之间的数据传送，提高了CPU
的效率，但以花费更多的硬件为代价。
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6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
最大存储容量：单总线系统中，必须为外 围设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算 机字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存 储容量不受外围设备多少的影响。
由传输信息的电路和管理信息传输的协议组成。
总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结 构、技术和性能都直接影响着计算机系统的性能和 效率。
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2 总线分类
（1）内部总线：CPU内部连接各寄存器及运
算部件之间的总线。
（2）系统总线：CPU同计算机系统的其他高 速功能部中对存储总线和系 统总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统 中对内存和外设采用相同的指令，不同之处仅在 于使用不同的地址。
吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息 的速率。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
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6.1.4 总线的内部结构
缺点：1）CPU是总线的唯一主控者； 2）总线结构紧密与CPU相关，通用性差。
即规定总线上各信号有效的时序关系。
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6 总线的标准化
微型计算机系统总线的标准化： ISA（16位，8MB/S） EISA（32位，33.3MB/S） VESA（32位，132MB/S） PCI（64位，100MHz） 800MB/S
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7 衡量总线性能的指标：
①总线宽度； ②总线控制方式；③时钟模
由一次地址时间和一次数据时间
组成。
• (2) BURST总线周期：
的效率，但以花费更多的硬件为代价。
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6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
最大存储容量：单总线系统中，必须为外 围设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算 机字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存 储容量不受外围设备多少的影响。
由传输信息的电路和管理信息传输的协议组成。
总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结 构、技术和性能都直接影响着计算机系统的性能和 效率。
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2 总线分类
（1）内部总线：CPU内部连接各寄存器及运
算部件之间的总线。
（2）系统总线：CPU同计算机系统的其他高 速功能部中对存储总线和系 统总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统 中对内存和外设采用相同的指令，不同之处仅在 于使用不同的地址。
吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息 的速率。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
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6.1.4 总线的内部结构
缺点：1）CPU是总线的唯一主控者； 2）总线结构紧密与CPU相关，通用性差。
即规定总线上各信号有效的时序关系。
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6 总线的标准化
微型计算机系统总线的标准化： ISA（16位，8MB/S） EISA（32位，33.3MB/S） VESA（32位，132MB/S） PCI（64位，100MHz） 800MB/S
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7 衡量总线性能的指标：
①总线宽度； ②总线控制方式；③时钟模
由一次地址时间和一次数据时间
组成。
• (2) BURST总线周期：
第六章 总线系统
数据线 地址线
BG0 BR0
设备接口0 排队器
设备接口1
25
§ 6.4 总线的时序
◆ 总线的定时
同步定时： 总线操作的各个过程由共用的总线时钟信号控制 适合速度相当的器件互连总线，否则需要准备好信号让快 速器件等待慢速器件 微处理器控制的总线时序采用同步时序 异步定时： 总线操作需要握手联络（应答）信号控制 数据传输的开始伴随有启动（选通或读写）信号 数据传输的结束有一个确认信号，进行应答 不需要统一的公共时钟信号，总线周期的长度可变。允许 快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。
BS -总线忙 这种方式增加了设备地址线， BR-总线请求 数据线 但可以通过改变计数器的初值 来灵活地改变优先次序。 地址线
1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
设备地址
BS BR
设备接口0
计算机组成原理
设备接口1
叶晓霞
…
设备接口n
24
③独立请求方式
总 线 控 制 部 件
BG-总线同意 BR-总线请求 优点：响应时间快， 对优先次序的控制灵活 BGn 缺点：线数多。 BRn BG1 当代总线标准普遍 BR1 采用独立请求方式
总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能 部件之间进行数据传送的公共通路。 其中系统总线构成包括：数据总线、地址
总线和控制总线。数据总线用来传送数据， 是双向的；地址总线用来传送主存与外设 一、总线的分类 的地址信息，是单向的；控制总线用来指 明数据传送的方向（存储器读／写、外设 单处理器系统中可分为内部总线、系统总线和 I/0总线。 读／写）、中断控制和定时控制等，控制 总线中的每一根是单向的。
计算机组成原理
叶晓霞
计算机组成原理-总线系统
数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。其结构 与简单总线相似，但一般是32条地址线，32或64条数据 线。为了减少布线，64位数据的低32位数据线常常和地 址线采用多路复用方式。
仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中
断请求线和中断认可线。 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以
3.独立请求方式
在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权 线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一 个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授 权信号BGi。独立请求方式的优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费 的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵 活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1次之…BRn最低；也可以通过 程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效 设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。
及加电或断电的时序信号线等。
14
6.1.4 总线结构实例
奔
腾
计
算
机
主
板
的
总
线 结
南桥
构
图
北桥
15
大多数计算机采用了分层次的多总线结构。
CPU总线 Pentium计算机是一个三层次的多总线结构： PCI总线
ISA总线
CPU总线：也称CPU-存储器总线，是一个64位数据线和32位地址 线的同步总线。可连接4~128MB的主存。CPU总线还有L2级 cache。主存控制器和cache控制器芯片用来管理CPU对主存和 cache的存取操作。
计算机组成原理第六章总线系统
异步通信
数据传送以字符为单位，字符之间没 有固定的时间间隔，发送方和接收方 不需要使用相同的时钟信号。
总线的仲裁机制
集中仲裁
使用一个中央仲裁器来管理总线的访问，例如：计数器、链表或优先级队列。
分布仲裁
没有中央仲裁器，而是通过硬件电路或软件算法来实现总线的访问控制。
总线的数据传输方式
并行传输
数据在多个通道上同时传输，每个通道传输一部分数据。
确定总线的控制方式
根据总线上主设备和从设备的数量和通信需求，选择合适的总线控制 方式，如同步控制或异步控制。
确定总线的仲裁方式和优先级
根据总线上主设备的数量和通信需求，设计合适的仲裁方式和优先级 确定机制。
硬件实现
选择合适的芯片和元件
01
根据设计需求，选择合适的芯片和元件来实现总线系统的硬件
部分。
计算机组成原理第六章总线 系统
• 总线系统的概述 • 总线的基本工作原理 • 常见总线系统介绍 • 总线系统的应用与发展 • 实验与实践：设计一个简单的总线
系统
01
总线系统的概述
总线的定义与分类
定义
总线是连接多个部件的信息传输 线，是多个部件共享的传输介质 。
分类
根据传输方式，总线可分为单向 总线和双向总线；根据连接的部 件数目，总线可分为局部总线和 系统总线。
THANKS
感谢观看
总线系统的基本组成
总线控制器
负责协调各个部件的通信，管 理总线的使用。
数据总线
用于传输数据，通常由双向线 组成。
地址总线
用于传输地址信息，确定要访 问的内存单元或I/O端口。
控制总线
用于传输控制信号，如读写信 号、中断信号等。
数据传送以字符为单位，字符之间没 有固定的时间间隔，发送方和接收方 不需要使用相同的时钟信号。
总线的仲裁机制
集中仲裁
使用一个中央仲裁器来管理总线的访问，例如：计数器、链表或优先级队列。
分布仲裁
没有中央仲裁器，而是通过硬件电路或软件算法来实现总线的访问控制。
总线的数据传输方式
并行传输
数据在多个通道上同时传输，每个通道传输一部分数据。
确定总线的控制方式
根据总线上主设备和从设备的数量和通信需求，选择合适的总线控制 方式，如同步控制或异步控制。
确定总线的仲裁方式和优先级
根据总线上主设备的数量和通信需求，设计合适的仲裁方式和优先级 确定机制。
硬件实现
选择合适的芯片和元件
01
根据设计需求，选择合适的芯片和元件来实现总线系统的硬件
部分。
计算机组成原理第六章总线 系统
• 总线系统的概述 • 总线的基本工作原理 • 常见总线系统介绍 • 总线系统的应用与发展 • 实验与实践：设计一个简单的总线
系统
01
总线系统的概述
总线的定义与分类
定义
总线是连接多个部件的信息传输 线，是多个部件共享的传输介质 。
分类
根据传输方式，总线可分为单向 总线和双向总线；根据连接的部 件数目，总线可分为局部总线和 系统总线。
THANKS
感谢观看
总线系统的基本组成
总线控制器
负责协调各个部件的通信，管 理总线的使用。
数据总线
用于传输数据，通常由双向线 组成。
地址总线
用于传输地址信息，确定要访 问的内存单元或I/O端口。
控制总线
用于传输控制信号，如读写信 号、中断信号等。
第6章系统总线
6.1.1 总线的基本概念
式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线， 主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等 部件，因此也被称为处理器－主存总线，有的系 统把它称为局部总线或处理器总线。底板式总线 通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统 中的各个电路板的连接。典型的有PCI总线、 VME总线等。 I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计 算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多 方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等， 差异很大，所以I/O总线的种类很多。
6.1.1 总线的基本概念
6.1.1 总线的基本概念
3.系统总线的组成 一个系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一 组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，地 址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线和 地址线复用。 数据线用来承载在源部件和目的部件之问传输的 信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如 果数据线和地址线复用的话）。 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单 元或I/O端口的地址。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用。
教学过程
6.1
系统总线的结构 6.2 总线的控制、数据传输和接口 6.3 常用总线
6.1系统总线的结构
计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互 联，才能组成计算机系统。 部件之间的互联方式: 分散连接：各部件之间通过单独的连线互联 总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输 线上。总线结构的两个主要优点是 灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线 上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统 之间互换 低成本。 现代计算机普遍使用的是总线互联结构。
总线的信号线类型有专用和复用两种。
专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一
计算机组成原理第6版(白中英)第6章总线系统
6
2. 系统总线的标准化
PC中，系统总线布设在主板上。
为什么主板能支持很多厂家的显卡……？ 原因是，系统总线是按标准制作的。
总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性 和时间特性。
微机中的标准总线：ISA总线 (16位，8MB/s)、 EISA (32 位 ， 33.3MB/s) 总 线 、 VESA 总 线 (32 位 ， 132MB/s) 、 PCI总线(64位，100MB/s) PCI-Express 1.0总线(250MB/s) 。
15
6.1.5 总线结构实例
南北桥芯片将CPU总线、PCI总 线、ISA总线连成整体。桥芯片 起到了信号速度缓冲、电平转换、
控制协议的转换作用。
16
CPU总线
• 也称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和32
位地址线的同步总线。
PCI总线
• 用于连接高速的I/O设备模块，如图形显示卡适配
7
总线的主要参数
1.总线的带宽 （MB/s）
• 一定时间内总线上可传送的数据量
2.总线的位宽
• 总线能同时传送的数据位数。
即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。
3.总线的工作时钟频率 （MHz）
• 总线的时钟频率
f
1 T
1 时钟周期
8
总线带宽
总线传输数据的速度。单位：MB/s
[例6.1]：(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则 总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线 时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
4
1. 总线的特性(续) 电气特性
2. 系统总线的标准化
PC中，系统总线布设在主板上。
为什么主板能支持很多厂家的显卡……？ 原因是，系统总线是按标准制作的。
总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性 和时间特性。
微机中的标准总线：ISA总线 (16位，8MB/s)、 EISA (32 位 ， 33.3MB/s) 总 线 、 VESA 总 线 (32 位 ， 132MB/s) 、 PCI总线(64位，100MB/s) PCI-Express 1.0总线(250MB/s) 。
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6.1.5 总线结构实例
南北桥芯片将CPU总线、PCI总 线、ISA总线连成整体。桥芯片 起到了信号速度缓冲、电平转换、
控制协议的转换作用。
16
CPU总线
• 也称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和32
位地址线的同步总线。
PCI总线
• 用于连接高速的I/O设备模块，如图形显示卡适配
7
总线的主要参数
1.总线的带宽 （MB/s）
• 一定时间内总线上可传送的数据量
2.总线的位宽
• 总线能同时传送的数据位数。
即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。
3.总线的工作时钟频率 （MHz）
• 总线的时钟频率
f
1 T
1 时钟周期
8
总线带宽
总线传输数据的速度。单位：MB/s
[例6.1]：(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则 总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线 时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
4
1. 总线的特性(续) 电气特性
总线技术介绍
主
ACK
从
6.1.4 总线传输和传输控制
3．半同步方式 wait/ready信号是单 信号是单 向的，不是互锁的。 向的，不是互锁的。 4． 4．分离方式 clk 总线读周期 读周期分成两个子周期 总线读周期分成两个子周期 address • 寻址子周期 data • 数据传送子周期 在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。 在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。 clk
靠靠靠 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9..........A25 A26 A27 A28 A29 A30 A31 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9..........E25 E26 E27 E28 E29 E30 E31 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9.......... F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9.......... B25 B26 B27 B28 B29 B30 B31 靠靠靠 C1 C2 C3 C4 C5 C6......C17 C18 G1 G2 G3 G4 G5 G6......G17 G18 G19 H1 H2 H3 H4 H5 H6. ...H17 H18 H19 D1 D2 D3 D4 D5 D6. ...D17 D18
总线带宽又称总线的数据传输率， 总线带宽又称总线的数据传输率，是指在一定时间内总线上可 传送的数据总量，用每秒钟最大传送数据量来衡量。 传送的数据总量，用每秒钟最大传送数据量来衡量。
总线带宽或数据传输率=(总线宽度/8位 总线带宽或数据传输率=(总线宽度/8位)×总线频率 =(总线宽度/8
单位为MB/S（总线频率以MHz为单位） 单位为MB/S（总线频率以MHz为单位） MB/S MHz为单位
第六章 总线系统
总线结构——基本概念
CPU-CACHE 模块 存储器 模块 I/O 适配器 总线 控制器
数据传送总线（数据线、地址线、控制线）
仲裁总线
中断和同步总线 公用线
2016年11月14日1时24分 22
系统总线——总线接口
• 信息的传送方式 – 串行传送 在串行传送时，按顺序来传送表
示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号， 每次一位，被传送的数据需要在发送部件进行 并－－串变换，这称为拆卸，反之称为装配。 – 并行传送 对每个数据位都需要单独一条传 输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少 条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不 同的线上同时进行传送。
2016年11月14日1时24分
41
思考作业
• P235 • 1-20
2016年11月14日1时24分
42
I/O (Input-Output)总线与扩展槽
总线是计算机中的传输数据信号的通道，按并行方式传输信息。
微处理器 存储器 接口电路 外部设备
扩展槽的作用
I/O总线
输入/输出：
数据总线 控制总线 地址总线
主存 外设 256 64K
主存->存储总线-> AB=16->64K 外设->系统总线->AB=8 ->256字节
2016年11月14日1时24分 15
• 指令系统： • CPU访问主存、外设的指令由于总线的结 构不同而不同。 • 例：单总线：主存-外设统一编址 • 所以只有一条指令，如： • MOV A，0000H； A<-主存 • MOV A，FFE0H；A<-外设
2016年11月14日1时24分 31
系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式
第六章总线(含练习题)
6.2 总线结构
系统总线
IOP (通道)
CPU 存储 总线
主存
I/O总线
I/O接口
…
I/O接口
I/O设备 1
…
I/O设备 n
三总线结构框图
多用于大、中型计算机系统； 可发展为多总线结构。 系统吞吐能力强； 以硬件为代价。
第六章 总线
6.3 总线控制 • 解决总线结构必须面对的两个问题— 一是总线争用时的仲裁； 二是通信的双方如何在时间上协调。 • 具体完成这些任务的是总线控制器。 6.3.1 总线判优控制 一、主设备和从设备的概念 • 按总线上所连接的设备对总线有无控 制功能分— • 主设备(主方、主模块)：
6.3 总线控制
• 优先次序体现在距离集中仲裁器的远 近； • 具体的查询电路略(见第八章)。 ( 3 )链式查询的特点 • 需要很少的信号线可以完成按既定优 先次序的总线仲裁； • 易于扩充设备； • 故障敏感； • 优先级安排可能造成低级别设备总是 用不上总线。
思考：计数器定时查询6.3 2.计数器定时查询方式中控制线的条数--
6.1 总线概述
教材P.213/185【例1】( 1 )某总线在一个总 线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个时钟周期，总 线时钟频率是33MHz，总线带宽是多 少？ 解答：用Dr表示总线带宽；总线时钟周期 为T=1/f；一个总线周期传送的数据量表 示为D；依据定义有： Dr=D/T=D×f=4B×33×106/s =132MB/s (若一个总线周期由4个T构成，总线带宽 是多少？)
6.3 总线控制
6.3 总线控制
例2：在异步串行传输系统中，若字符格 式为：1个起始位、8个数据位、1个奇 校验位、1个终止位，假设波特率为 1200bps，求这时的比特率。 解答： • 比特率为— 1200×（8/11）=872.73比特
计算机组成原理系统总线
第六章系统总第一节总线的基本概念一、总线的分类1．总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线、地址总线和控制总线。
2．系统总线：连接计算机系统中各个功能模块或设备的总线，作为计算机硬件系统的主干。
3.内部总线：连接CPU内部各部件的总线。
4．总线的分类：①按传送格式分为：串行总线、并行总线；②按时序控制方式分为：同步总线、异步总线；③按功能分为：系统总线、CPU内部总线、各种局部总线。
④按数据传输方向分为：单工总线和双工总线，双工总线又分为半双工总线和全双工总线。
历年真题1.总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线、地址总线和控制总线。
（2001 年）2.下列说法中正确的是（）。
（2003年）A.半双工总线只能在一个方向上传输信息，全双工总线可以在两个方向上轮流传输信息B.半双工总线只能在一个方向上传输信息，全双工总线可以在两个方向上同时传输信息C.半双工总线可以在两个方向上轮流传输信息，全双工总线可以在两个方向上同时传输信息D.半双工总线可以在两个方向上同时传输信息，全双工总线可以在两个方向上轮流传输信息【分析】根据总线上信号的传递方向，总线可分为单向传输（单工）总线和双向传输（双工）总线，而双工总线又可分为半双工总线和全双工总线。
其中单工总线只能向一个方向传递信号，半双工总线可以在两个方向上轮流传递信号，全双工总线可以在两个方向上同时传递信号。
【答案】C二、总线的信息传输方式1.串行传输：是指数据的传输在一条线路上按位进行。
（只需一条数据传输线，线路的成本低，适合于长距离的数据传输）。
在串行传输时，被传输的数据在发送设备中进行并行到串行的变换，在接收设备中进行串行到并行的变换。
2.并行传输：每个数据位都需要单独一条传输线，所有的数据位同时进行传输。
3.复合传输：又称总线复用的传输方式，它使不同的信号在同一条信号线上传输，不同的信号在不同的时间片中轮流地身总线的同一条信号线上发出。
六章总线系统
8
•例Pentium机主 板总线结构：具 有三个层次
•CPU总线 •PCI总线 •ISA总线
9
➢ 总线结构对计算机系统性能的影响 最大存储容量 指令系统 吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息速率。
10
二、总线接口
➢信息传送方式
✓串行传送：只有一根数据线，串行地逐位传送 数据。
✓并行传送：有多根数据线，同时可以传送多个 二进制位的数据。
或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。
广播、广集操作：一个主方对多个从方进行写操 作称为广播。其相反的操作称为广集。
23
五、HOST总线和PCI总线
➢ 多总线结构实例 ➢ HOST总线：宿主总线，用于CPU与主存系统之间
信息传送。
24
五、HOST总线和PCI总线
➢PCI总线：是一个与处理器无关的高速外围 总线，又是至关重要的层间总线。采用同步 时序协议 和集中式仲裁策略，并具有自动配
15
➢计数器定时查询方式：中央仲裁器设一计数 器作为识别设备的地址，根据地址是否匹配 确定请求。 优点：可改变优先级； 缺点：线路复杂。
16
➢ 独立请求方式：每个设备独立设置请求线， 根据设备编码和优先权确定请求。 ✓优点：速度快、优先权设置灵活。 ✓缺点：线路复杂。
17
2、分布式仲裁：不设专门仲裁器，每个主设 备有自己的仲裁器和具有优先权的仲裁号， 根据仲裁号发请求，所有设备都能监听所有 的总线请求信号，并根据优先权自行决定是 否能得到总线控制权。
置能力 。其基本传送机制是猝发式传送。 ➢LAGACY总线：中、低速I/O总线。 ➢桥的作用：总线之间的通信部件，可以
将一条总线的地址空间映射到另一条总 线的地址空间。
25
•例Pentium机主 板总线结构：具 有三个层次
•CPU总线 •PCI总线 •ISA总线
9
➢ 总线结构对计算机系统性能的影响 最大存储容量 指令系统 吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息速率。
10
二、总线接口
➢信息传送方式
✓串行传送：只有一根数据线，串行地逐位传送 数据。
✓并行传送：有多根数据线，同时可以传送多个 二进制位的数据。
或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。
广播、广集操作：一个主方对多个从方进行写操 作称为广播。其相反的操作称为广集。
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五、HOST总线和PCI总线
➢ 多总线结构实例 ➢ HOST总线：宿主总线，用于CPU与主存系统之间
信息传送。
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五、HOST总线和PCI总线
➢PCI总线：是一个与处理器无关的高速外围 总线，又是至关重要的层间总线。采用同步 时序协议 和集中式仲裁策略，并具有自动配
15
➢计数器定时查询方式：中央仲裁器设一计数 器作为识别设备的地址，根据地址是否匹配 确定请求。 优点：可改变优先级； 缺点：线路复杂。
16
➢ 独立请求方式：每个设备独立设置请求线， 根据设备编码和优先权确定请求。 ✓优点：速度快、优先权设置灵活。 ✓缺点：线路复杂。
17
2、分布式仲裁：不设专门仲裁器，每个主设 备有自己的仲裁器和具有优先权的仲裁号， 根据仲裁号发请求，所有设备都能监听所有 的总线请求信号，并根据优先权自行决定是 否能得到总线控制权。
置能力 。其基本传送机制是猝发式传送。 ➢LAGACY总线：中、低速I/O总线。 ➢桥的作用：总线之间的通信部件，可以
将一条总线的地址空间映射到另一条总 线的地址空间。
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【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据 (1)某总线在一个总线周期中并行传送4 某总线在一个总线周期中并行传送 假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时 钟频率为33MHz 则总线带宽是多少? 33MHz， 钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟 (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据， 如果一个总线周期中并行传送64位数据 频率升为66MHz 则总线带宽是多少? 66MHz， 频率升为66MHz，则总线带宽是多少? [解] (1)根据定义可得 (1)根据定义可得 D× D× =4B×33× Dr = D/T = D×1/T = D×f =4B×33×1000000/s=132MB/s (2)64位=8B， (2)64位=8B， D× =8B×66× Dr= D×f =8B×66×1000000/s=528MB/s
第六基本概念和基本技 术，在此基础上，了解当前实用的PCI总线和正 在此基础上，了解当前实用的 总线和正 在流行的InfiniBand标准。 标准。 在流行的 标准
第六章 总线系统
主 要 内 容 总线的概念和 6.1 总线的概念和结构形态 概念 6.2 总线接口 6.3 总线的仲裁 总线的仲裁 6.4 定时和数据传送模式 HOST总线和PCI总线 总线和PCI 6.5 HOST总线和PCI总线 6.6 InfiniBand 标准
第六章 总线系统
接口通常具有如下功能： 接口通常具有如下功能：
1.控制 接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。 1.控制 :接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。 2.缓冲 2.缓冲 :接口在外围设备和计算机系统其他部件之间作为一个缓冲
器，以补偿各种设备在速度上的差异。 以补偿各种设备在速度上的差异。
第六章 总线系统
§6.1总线的概念和结构形态 6.1总线的概念和结构形态
§6.1.1 总线的基本概念
总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部 总线是构成计算机系统的互连机构， 件之间进行数据传送的公共通路。 件之间进行数据传送的公共通路。
一个单处理器系统中的总线，大致分为三类： 一个单处理器系统中的总线，大致分为三类： • 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间 的总线。 的总线。 • 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件， 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件 同计算机系统的其他高速功能部件， 互相连接的总线。 互相连接的总线。 • I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。 I/O总线 总线： 低速I/O设备之间互相连接的总线。 I/O设备之间互相连接的总线
2 指令系统：在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有 指令系统：在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有
不同的指令系统。在单总线系统中，主存和I/O统一编址， 不同的指令系统。在单总线系统中，主存和I/O统一编址， 因此可使 I/O统一编址 用相同的指令。 用相同的指令。
3 吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息 吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、
§6.1.4 总线结构实例
第六章 总线系统
大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中， 大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较 大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。 大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。
3.状态 接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息，以供CPU CPU询 3.状态 :接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息，以供CPU询
问外围设备时进行分析之用。 问外围设备时进行分析之用。
4.转换 接口可以完成任何要求的数据转换， 4.转换 :接口可以完成任何要求的数据转换，使数据能在外围设备
第六章 总线系统
§6.1.2 总线的连接方式
1.单总线结构 1.单总线结构 单总线结构 在许多单处理器的计算机中， 在许多单处理器的计算机中，使用一条单一 的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单 的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备， CPU I/O设备 总线结构。 如图所示） 总线结构。（如图所示）
中断请求信号到CPU。 中断请求信号到CPU。 CPU
第六章 总线系统
2.并行传送 2.并行传送 用并行方式传送二进制信 息时， 息时，每个数据位都需要单独一 条传输线。 条传输线。信息有多少二进制位 组成，就需要多少条传输线，从 组成，就需要多少条传输线， 而才使得二进制数“ 或 而才使得二进制数“0”或“1”在 在 不同的线上同时进行传送。 不同的线上同时进行传送。并行 电位传送。 传送一般采用电位传送 传送一般采用电位传送。由于所 有的位同时被传送， 有的位同时被传送，所以并行数 据传送比串行数据传送快得多。 据传送比串行数据传送快得多。
和CPU之间正确地进行传送。 CPU之间正确地进行传送。 之间正确地进行传送
5.整理 接口可以完成一些特别的功能， 5.整理 :接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计
数器或当前内存地址寄存器。 数器或当前内存地址寄存器。
6.程序中断 每当外围设备向CPU请求某种动作时， CPU请求某种动作时 6.程序中断 :每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个
第六章 总线系统
多总线结构特点： 多总线结构特点： 系统效率高，但控制复杂。 系统效率高，但控制复杂。
第六章 总线系统
§6.1.3 总线的结构及其对计算机系统性能 的影响
一、影响: 影响:
1. 最大存储容量：在单总线系统中，最大主存容量必须小于由计 最大存储容量：在单总线系统中，
算机字长所决定的可能的地址总数。在双总线系统中， 算机字长所决定的可能的地址总数。在双总线系统中，存储容量不会 受到外围设备多少的影响。 受到外围设备多少的影响。
第六章 总线系统
3.分时传送 3.分时传送 分时传送有两种概念： 分时传送有两种概念： 一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息， 一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息， 总线复用方式 又传送数据信息。为此必须划分时间片， 又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间 间隔中完成传送地址和传送数据的任务。 间隔中完成传送地址和传送数据的任务。 分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。 分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。
第六章 总线系统
双总线结构特点： 双总线结构特点： 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 系统效率较高。 系统效率较高。
第六章 总线系统
3.多总线结构 3.多总线结构
三条总线分别是：内存总线、系统总线和I/O总线。 三条总线分别是：内存总线、系统总线和I/O总线。 I/O总线 通道实际上是一台具有特殊功能的处理器， 通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称 IOP(I/O处理器),它分担了一部分CPU的功能 处理器),它分担了一部分CPU的功能， IOP(I/O处理器),它分担了一部分CPU的功能，以实现 对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。 对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。
的速率。它取决于内存的存取周期。 的速率。它取决于内存的存取周期。 由于上述原因，采用双端口存储器可以增加主存的有效速度。 由于上述原因，采用双端口存储器可以增加主存的有效速度。
第六章 总线系统
一、总线的内部结构: 总线的内部结构
早 期 总 线 的 内 部 结 构 线
的 线 线 总线结构的 总线 的 一 总线 的
第六章 总线系统
1.总线的特性 1.总线的特性
• 物理特性：指总线的物理连接方式. 物理特性：指总线的物理连接方式. • 功能特性：描述总线中每一根线的功能。 功能特性：描述总线中每一根线的功能。 • 电气特性：定义每一根线上信号的传递方向 电气特性： 及有效电平范围。 及有效电平范围。 • 时间特性:定义了每根线在什么时间有效,规定了 时间特性:定义了每根线在什么时间有效, 总线上各信号有效的时序关系. 总线上各信号有效的时序关系.
第六章 总线系统
单总线结构特点： 单总线结构特点： 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 系统效率低。 系统效率低。
第六章 总线系统
2.双总线结构 2.双总线结构
这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点， 这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点， 但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使 但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线， CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线 CPU可通过专用总线与存储器交换信息， CPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线 可通过专用总线与存储器交换信息 的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操 的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操 DMA 作，而不必经过CPU。当然这种双总线系统以增加硬件为代 而不必经过CPU。 CPU 价.如图所示
线
线、 线、
总线结构
第六章 总线系统
当代流行的总线内部结构如图
整个总线分成如下四部分： 整个总线分成如下四部分： 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、 。 仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权线。 数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线组成。 43公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复 。 2 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作， 1 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作， 仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权线 数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线组成 位线以及加电或断电的时序信号线等 包括中断请求线和中断认可线。 包括中断请求线和中断认可线。
第六基本概念和基本技 术，在此基础上，了解当前实用的PCI总线和正 在此基础上，了解当前实用的 总线和正 在流行的InfiniBand标准。 标准。 在流行的 标准
第六章 总线系统
主 要 内 容 总线的概念和 6.1 总线的概念和结构形态 概念 6.2 总线接口 6.3 总线的仲裁 总线的仲裁 6.4 定时和数据传送模式 HOST总线和PCI总线 总线和PCI 6.5 HOST总线和PCI总线 6.6 InfiniBand 标准
第六章 总线系统
接口通常具有如下功能： 接口通常具有如下功能：
1.控制 接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。 1.控制 :接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。 2.缓冲 2.缓冲 :接口在外围设备和计算机系统其他部件之间作为一个缓冲
器，以补偿各种设备在速度上的差异。 以补偿各种设备在速度上的差异。
第六章 总线系统
§6.1总线的概念和结构形态 6.1总线的概念和结构形态
§6.1.1 总线的基本概念
总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部 总线是构成计算机系统的互连机构， 件之间进行数据传送的公共通路。 件之间进行数据传送的公共通路。
一个单处理器系统中的总线，大致分为三类： 一个单处理器系统中的总线，大致分为三类： • 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间 的总线。 的总线。 • 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件， 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件 同计算机系统的其他高速功能部件， 互相连接的总线。 互相连接的总线。 • I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。 I/O总线 总线： 低速I/O设备之间互相连接的总线。 I/O设备之间互相连接的总线
2 指令系统：在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有 指令系统：在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有
不同的指令系统。在单总线系统中，主存和I/O统一编址， 不同的指令系统。在单总线系统中，主存和I/O统一编址， 因此可使 I/O统一编址 用相同的指令。 用相同的指令。
3 吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息 吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、
§6.1.4 总线结构实例
第六章 总线系统
大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中， 大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较 大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。 大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。
3.状态 接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息，以供CPU CPU询 3.状态 :接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息，以供CPU询
问外围设备时进行分析之用。 问外围设备时进行分析之用。
4.转换 接口可以完成任何要求的数据转换， 4.转换 :接口可以完成任何要求的数据转换，使数据能在外围设备
第六章 总线系统
§6.1.2 总线的连接方式
1.单总线结构 1.单总线结构 单总线结构 在许多单处理器的计算机中， 在许多单处理器的计算机中，使用一条单一 的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单 的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备， CPU I/O设备 总线结构。 如图所示） 总线结构。（如图所示）
中断请求信号到CPU。 中断请求信号到CPU。 CPU
第六章 总线系统
2.并行传送 2.并行传送 用并行方式传送二进制信 息时， 息时，每个数据位都需要单独一 条传输线。 条传输线。信息有多少二进制位 组成，就需要多少条传输线，从 组成，就需要多少条传输线， 而才使得二进制数“ 或 而才使得二进制数“0”或“1”在 在 不同的线上同时进行传送。 不同的线上同时进行传送。并行 电位传送。 传送一般采用电位传送 传送一般采用电位传送。由于所 有的位同时被传送， 有的位同时被传送，所以并行数 据传送比串行数据传送快得多。 据传送比串行数据传送快得多。
和CPU之间正确地进行传送。 CPU之间正确地进行传送。 之间正确地进行传送
5.整理 接口可以完成一些特别的功能， 5.整理 :接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计
数器或当前内存地址寄存器。 数器或当前内存地址寄存器。
6.程序中断 每当外围设备向CPU请求某种动作时， CPU请求某种动作时 6.程序中断 :每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个
第六章 总线系统
多总线结构特点： 多总线结构特点： 系统效率高，但控制复杂。 系统效率高，但控制复杂。
第六章 总线系统
§6.1.3 总线的结构及其对计算机系统性能 的影响
一、影响: 影响:
1. 最大存储容量：在单总线系统中，最大主存容量必须小于由计 最大存储容量：在单总线系统中，
算机字长所决定的可能的地址总数。在双总线系统中， 算机字长所决定的可能的地址总数。在双总线系统中，存储容量不会 受到外围设备多少的影响。 受到外围设备多少的影响。
第六章 总线系统
3.分时传送 3.分时传送 分时传送有两种概念： 分时传送有两种概念： 一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息， 一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息， 总线复用方式 又传送数据信息。为此必须划分时间片， 又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间 间隔中完成传送地址和传送数据的任务。 间隔中完成传送地址和传送数据的任务。 分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。 分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。
第六章 总线系统
双总线结构特点： 双总线结构特点： 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 系统效率较高。 系统效率较高。
第六章 总线系统
3.多总线结构 3.多总线结构
三条总线分别是：内存总线、系统总线和I/O总线。 三条总线分别是：内存总线、系统总线和I/O总线。 I/O总线 通道实际上是一台具有特殊功能的处理器， 通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称 IOP(I/O处理器),它分担了一部分CPU的功能 处理器),它分担了一部分CPU的功能， IOP(I/O处理器),它分担了一部分CPU的功能，以实现 对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。 对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。
的速率。它取决于内存的存取周期。 的速率。它取决于内存的存取周期。 由于上述原因，采用双端口存储器可以增加主存的有效速度。 由于上述原因，采用双端口存储器可以增加主存的有效速度。
第六章 总线系统
一、总线的内部结构: 总线的内部结构
早 期 总 线 的 内 部 结 构 线
的 线 线 总线结构的 总线 的 一 总线 的
第六章 总线系统
1.总线的特性 1.总线的特性
• 物理特性：指总线的物理连接方式. 物理特性：指总线的物理连接方式. • 功能特性：描述总线中每一根线的功能。 功能特性：描述总线中每一根线的功能。 • 电气特性：定义每一根线上信号的传递方向 电气特性： 及有效电平范围。 及有效电平范围。 • 时间特性:定义了每根线在什么时间有效,规定了 时间特性:定义了每根线在什么时间有效, 总线上各信号有效的时序关系. 总线上各信号有效的时序关系.
第六章 总线系统
单总线结构特点： 单总线结构特点： 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 结构简单、易于控制、设备扩充灵活； 系统效率低。 系统效率低。
第六章 总线系统
2.双总线结构 2.双总线结构
这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点， 这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点， 但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使 但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线， CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线 CPU可通过专用总线与存储器交换信息， CPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线 可通过专用总线与存储器交换信息 的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操 的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操 DMA 作，而不必经过CPU。当然这种双总线系统以增加硬件为代 而不必经过CPU。 CPU 价.如图所示
线
线、 线、
总线结构
第六章 总线系统
当代流行的总线内部结构如图
整个总线分成如下四部分： 整个总线分成如下四部分： 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、 。 仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权线。 数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线组成。 43公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复 。 2 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作， 1 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作， 仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权线 数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线组成 位线以及加电或断电的时序信号线等 包括中断请求线和中断认可线。 包括中断请求线和中断认可线。