计算机组成原理4

4.1.1 总线的分类
在微型计算机系统中，按照总线的规模、用途及应用场 合，可将总线分为以下三类。
1.
芯片总线又称元件级总线。这是在构成一块CPU插件或 用微处理机芯片组成一个很小系统时常用的总线，用于各芯 片(如CPU芯片、 储器芯片、I/O接口芯片等)之间的信息传送。 按所传送的信息类别不同，可将芯片总线分为传送地址、传 送数据和传送控制信息等三组总线，简称为地址总线、数据 总线和控制总线。
2. 内总线又称为系统总线。它是微型计算机系统内连接各插 件板的总线，用于插件与插件之间的信息传送。
3. 外总线又称通信总线。用于微型计算机系统与系统之间或 微型计算机系统与外部设备之间的通信。 内总线与外总线除地址总线、数据总线和控制总线外， 还 包括电源总线、地线和备用线(为用户扩展功能用)。 三类总线在微型计算机系统中的位置及相互关系如图 所示。
3、PCI总线信号
必需 的
地址 /数 据线
AD0～ AD31 C/BE0～ C/B3E
P AR
FR A M E
TR D Y
接口 控制 信号
IR D Y STO P
DE VSEL
ID S EL
错误 报告 P ERR 信 号 SE RR
仲裁 信号 REQ GNT
系统 信号 CLK RST
P CI 总线 设备
为了实现即插即用（PnP）功能，PCI部件内都置有配置 寄存器，配置读和配置写命令就是用于在系统初始化时，对这 些寄存器进行读写操作。 PAR信号为校验信号，用于对AD0～ AD31和C／＃BE0～C／＃BE3的偶校验。
C RT显 示 器 外 总线
存 储器
I/O
C PU 片 总线
总 线控 制 及缓 冲
4通 道 串 行 /并 行 输 入/输出 部 件
内 总线
图 用三类总线构成的微机系统
4.1.2 总线的特性和性能指标
1、总线特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
总线就是一组导线，连接各个模块。
为了保证物理上连接可靠和可用，必需对其机械特性进
行规定；为使电气上的电平匹配，必需规定其电气特性；
面向总线的体系结构： （1）使各部件之间的关系转化为面向总线的单一关系：设计和
使用某一部件，无须考虑该部件和其他相应部件间的复杂关系， 只要满足它和总线之间的关系即可。 （2）标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼 容的硬件板卡和软件。
（3）模块结构方式便于系统的扩充和升级。 （4）便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。
(3) 功能特性 功能特性指总线上每一条传输功能，如：地址总线、数据
总线、控制总线 (4) 时间特性
时间特性是指任何一条传输线在什么时间内有效。总线上的 各种信号互相存在一种有效的时序关系。
2、总线的性能指标
常用的量化指标如下： 1）总线的时钟频率：总线的工作频率 2）总线宽度：数据总线的位数 3）标准传输率：在总线上每秒传输的最大字节数。 4）时钟同步/异步：总线上数据与时钟同步工作的总线成为同步 总线，与时钟不同步工作的成为异步总线。 5）总线复用：一组线即当数据线使用也当地址线使用 6）信号线数：总线需要的信号线的多少，是地址总线、数据总 线、控制总线之和。 7）总线的控制方式： 8）总线的负载能力：就是驱动能力
地址线
A0—A15
片选信号2地址 为8000H
数据口时，该选通信号 同时使状态口置位为1， 状态信号 它向CPU表示数据就绪。 1:数据准备好
0:数据没准备好
状态端口读选通
R D M / IO
图 6-3 查询式输入接口电路
2.）另一方面，当CPU访问接口时，它先查询状态口：若D0=1，说明 输入数据已就绪，这时，再读取数据口，并通过读信号将状态口复位 为0（表示数据已取走）；若D0=0，说明数据尚未准备就绪，程序应 继续查询。
PCI标准允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置， 提 供了即插即用的能力。
PCI总线独立于处理器， 它的工作频率与CPU时钟无关， 可 支持多机系统及未来的处理器。
PCI有良好的兼容性， 可支持ISA、 EISA、 MCA、 SCSI、 IDE等多种总线， 同时还预留了发展空间。
2、PCI的典型应用
4.2.1 同步通信方式
总线上的部件通过总线进行信息交换时用一个公共的时钟 信号进行同步，这种方式称为同步通讯。
在同步方式中，由于采用了公共时钟，每个部件何时发送 或接收信息都由统一的时钟规定，在通讯时不要附加时间标志 或来回应答信号。所以，同步通讯具有较高的传输频率。
由于同步方式对任何两个设备之间的通讯都给予同样的时 间安排。同步通讯适用于总线上各部件之间的距离以及各部件 的数据出入速度比较接近的情况。就总线长度而言，必须按距 离最长的两个传输设备的传输延迟来设计公共时钟， 以满足 最长距离的要求；就部件速度来说，必须按速度最慢的部件来 设计公共时钟，以适应最慢部件的需要。
适当地选择总线、 不断地更新总线是十分必要的。 下面
是一些较流行的总线类型：
ISA (Industry Standard Architecture工业标准体系结构)， 是 现存最老的通用微机总线类型， 是与286-AT总线一起引入的。
EISA (Extended Industry Standard Architecture, 扩展的工业
不能判别数据是否正确传送到对方，故大多采用双向方式，
即应答式异步通讯。
图4-5
数据口读选通
M / IO
工作流程：
1）当输入设备通过选 通信号STB将数据打入
数据
输入 设备
锁存 器
选通信号 +5v
STB
DQR
数据 缓冲器
三态 缓冲器
R D 系统数据线
D0—D7
D0 片选信号1 地址为8001H
地址 译码器
地址／数据总线AD0～AD31是时分复用的信号线。C／＃ BE0～C／＃BE3称为“命令／字节使能”信号，也为复用线。 在传输数据阶段，它们指明所传输数据的各个字节的通路；在 传送地址阶段，这四条线决定了总线操作的类型，这些类型包 括I／O读、I／O写、存储器读、存储器写、存储器多重写、 中断响应、配置读、配置写和双地址周期等等。
如果总线控制逻辑基本上集中放在一起，不论是放在连接 到总线的一个部件中，还是放在单独的硬件中，都称为集中式 控制。 而当总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中时，就 称为分布式总线控制。
4.3.1 集中式仲裁方式 1、链式查询：
2、计数器定时查询
3、独立请求方式
由总线控制器的排队电路可根据优先级次序确定响应哪个 设备的请求
（3）全互锁方式
全互锁异步通讯方式可靠性高，能够适用于 速度不同的部件之间的通讯，对总线的长度也 没有严格的要求，因而得到了广泛的应用。
4.3 总线仲裁
总线是由多个部件共享的, 为了正确地实现各部件之间的信 息传送，必须对总线的使用进行合理的分配和管理。当总线上 的某个部件要与另一个部件进行通信时，首先应该发出请求信 号。有时发生争用总线现象，就是在同一时刻总线上有多个部 件发出总线请求信号的原因，这就要求根据一定的总线裁决原 则来确定占用总线的先后次序。只有获得总线使用权的部件， 才能在总线上传送信息，这就是所谓总线裁决的问题。
标准体系结构)， 是反垄断的产物。
PCI (Peripheral Component Interconnect, 外部组件互连)，
是目前最为高级的系统总线， 也是当前惟一发挥了Pentium或
Pentium以上系统优势的总线(有些486类型的微机也使用PCI)
PCI Express总线
4.5.1 PCI
可选 的 AD32 ～ AD63 C/BE4～ C/B7E P AR6 4 REQ6 4 ACK64 L OCK IN TA IN TB IN TC IN TD SBO SDON E TD I TD O TCK TM S TRST
64位 总 线 扩展 信号
接口 控制
中断 信号
支 持Cache 的信 号
总线还要完成一定的功能，进行模块之间正常的通信，还 要规定它的功能特性和时间特性。
(1) 机械特性
机械特性指总线在机械连接方式的性能，如：总线的
条数、接插件的标准（形状、尺寸、引脚个数、排列顺序
等）、接头出的接触特性。
(2) 电气特性 电气特性指总线上每一根上的传递方向和电平有效范围。 CPU 发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号。
计算机组成原理
第四章 系统总线
机械工业出版社 计算机组成原理 黄颖等主编 huangying@cqupt.edu.cn
本章学习目标
总线的基本概念、总线的分类、总线控制 原理
主板的基本组成和结构、作用和功能 微机主板和总线标准的发展历程、主流技
术和最新发展动态
4.1 系统总线概述
什么是总线
总线是连接多个模块的信息传输线，是各个模块共 享的传输介质。在某一时刻，只允许一个模块向总线发 送信息，而多个模块可以同时从总线接收信息。
4.2.2 异步通信方式
如果总线上各部件之间的距离和设备的速度相差很大，
势必降低总线的效率，在这种情况下往往采用异步通讯。
异步通讯允许总线上的各个部件有各自的时钟。部件
之间进行通讯时没有公共的时间标准，而是在发送信息的
同时发出该部件的时间标志信号，用应答方式来协调通信
过程。
异步通讯又分为单向方式和双向方式两种。单向方式
边界 扫描 信号
PCI总线信号分为地址线、数据线、接口控制线、仲裁线、 系统线、中断请求线、 高速缓存支持、出错报告等信号线， 共188根。
系统信号线有时钟信号线CLK和复位信号线＃RST。 CLK信号是PCI总线上所有设备的一个输入信号，为所有PCI 总线上设备的VO操作提供同步定时。＃RST使各信号线的初 始状态处于系统规定的初始状态或高阻态。
4.2 总线的通信方式
总线操作周期可以分成4个传输阶段: 申请分配阶段
当主模块要求在总线上通信时，它首先要向总线仲裁 器提出使用总线的申请。总线仲裁器经过判断认为可以 批准主模块使用总线，它就把下一个传输周期的使用权 交给主模块。 寻址阶段
获得使用总线的主模块要在总线上提出它要进行通信 的从模块的地址以及进行何种通信的控制信息。当这些 信息被从模块接受后，从模块就要启动，做好相应的通 信准备。
4.3.2 分布式仲裁方式
4.4 总线结构
4.4.1 单总线结构
4.4.2 多总线结构
4.5 常用高速总线标准
总线是微机中各模块之间传送信息的通道，各模块分时 共享总线。为了方便微机系统的扩展及各厂家产品的互换或 互连，国际上根据微机的发展制定了许多总线标准, 如PC总 线标准、ISA总线标准、EISA总线标准、PCI总线标准、 PCI Express总线标准等。
PCI
PCI采用数据线和地址线复用结构， 减少了总线引脚数， 从而可节省线路空间， 降低设计成本。 目标设备可用47引脚， 总线主控设备可用49引脚。
PCI提供两种信号环境： 5 V和3.3 V， 并可进行两种环境的 转换， 扩大了它的适应范围。
PCI对32位与64位总线的使用是透明的， 它允许32位与64位 器件相互协作。
异步通信方式按照请求和回答之间的关 系可以分为不互锁、半互锁、全互锁：
（1）不互锁：主模块发出请求信号后不 等待从模块的回答信号，而是经过一段 时间，就认定从模块已经收到了请求信 号，就撤销了其请求信号。
从模块接收到请求信号，经过一段时 间，就认定主模块接收到回答信号，自 动撤销回答信号。
（2）半互锁方式
数据交换阶段
这时，主模块与相应的从模块彼此已建立了通信的机 制，各种信息则由发送模块传输到接收模块，进行实际的 数据交换。
撤消阶段
一组信息传输完毕，主模块应通知总线仲裁器，并把 总线使用权交给总线仲裁器，以便让其它模块能使用总线 进行通信。即使刚使用完总线的模块需要继续使用总线进 行通信，也需要重新向总线仲裁器提出申请。当然对于只 有一个主控设备的单处理器系统，实际上不存在总线请求、 分配和撤消问题，总线始终归它所有。
优点是规定明确、统一，模块间的配合简单一致。缺点主 要有两个：一是由于时钟通过长距离传输后相位会漂移， 因而同步总线距离很短，对于高速同步总线这个问题尤其 突出；第二是总线可能连接不同速度的设备，同步总线的 工作频率必须以最慢的设备为基准，这样会严重影响总线 的工作效率，不利于系统整体性能的提高。同步通信一般 应用于总线长度较短，各部件存取时间比较一致的场合。