第3章系统总线

为了正确传输数据信息，每条总线上的各种信号，互相 存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用 信号时序图来描述。
3.3.3
总线的性能指标
数据线 的根数
1.总线宽度
2. 标准传输率 每秒传输的最大字节数（MB／s） 3. 时钟同步/异步 同步、不同步 4. 总线复用
地址线 与 数据线 复用
5. 信号线数
串行
并行
总线

定义：是连接多个部件的传输线

总线的关键特征是共享传输线。 任意时刻只能有一个设备向总线发送信息


总线的两个特点：

系统瓶颈 广播式

多个部件可以同时从总线接受相同的信息

主机
processor
memory
I/O Interface （adapter） I/O device
I/O Interface （adapter） I/O device
总线性能指标(2)



信号线数：即地址总线、数据总线和控制总线三种 总线的根数总和。 总线控制方式：包括并发工作、自动配置、仲裁方 式、逻辑方式、计数方式等。 负载能力：通常用可连接扩增电路板数来反映总线 的负载能力。

由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同一电路 在不同的工作频率下，总线的负载也是不同的。因此， 总线负载能力的指标是不太严格的。

24位地址线（可直接寻址的内存容量为16MB） 62+36引脚 8/16位数据线 最高时钟频率8MHz 最大传输率16MB/s

EISA：Extended Industry Standard Architecture —— 扩展工业标准体系结构


EISA是一种在ISA基础上扩充开放的总线标准 地址总线32位 数据总线32位 总线的时钟频率为8MHz 最大传输率33MB/s
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设备n
2. 三总线结构
CPU
I/O总线
主存总线
主存 I/O接口 I/O接口 … I/O接口
DMA总线
高速外设 设备1
…
设备n
3. 三总线结构的又一形式
协会（IEEE）列为标准（IEEE961标准），主 要用于以微处理器为中心的工业控制领域。

数据总线8位，最大传输率2MB/S。
VL-BUS、PCI

VL-BUS：是由VESA（Video Electronic Standard Association，视频电子标准协会）提出来的局部 总线标准，也称为 VESA总线。

如插头和插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引 脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等等。

电气特性：是指总线的每一根传输线上信号的传 输方向和有效的电平范围。

如低电平表示逻辑“0”，并要求电平低于－3V；高电平 表示逻辑“1”，并要求高电平高于＋3V。


功能特性：是指总线中每根信号传输线的功能。 时间特性：是指总线中的任一根信号传输线在什 么时间内有效。


16位ISA总线
例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? 如果一个 总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升 提示：此题主要是考查对总线带宽的理解。 总线带宽＝一次传输的字节数／总线周期 为66MHz ，则总线带宽是多少?

其他：如电源电压是5V还是3.3V、总线能否扩展至 64位宽度等。
课堂练习与思考：
D 。 1.总线中地址线的用处是______ A.选择主存单元地址 B. 选择进行信息传输的设备 C. 选择外存地址 D. 指定主存单元和I/O设备接口电路的选择地址 A 2.系统总线中控制线的功能是______ 。 A.提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号 B.提供数据信息 C.提供时序信号 D.提供主存、I/O接口设备的响应信号 A 的微型计算机系统中，外设可和主存贮器单元统一 3.在______ 编址 ，因此可以不使用I / O指令。 A.单总线 B.双总线 C.三总线 D.多总线
传输方式
并行通信总线
总线分类——按功能

数据总线（DB）

双向，宽度差别
单向，宽度与寻址空间有关 命令和状态

地址总线（AB）


控制总线（CB）

总线也包括电源线和地线！
数据总线

数据总线上传送数据信息，数据总线是双向的。 数据总线的条数称为数据总线宽度。比如，16位总线，指其 数据总线为16根。 数据总线是三态的，未被地址信号选中的部件，不驱动数据 总线（其数据引脚为高阻）。
地址线、数据线和控制线的 总和
6. 总线控制方式并发、自动、仲裁、逻辑、计数 7. 其他指标
负载能力
总线性能指标(1)


总线宽度：是指数据总线的根数，用bit（位）表 示，如8位、16位、32位、64位（也即8根、16根、 32根、64根数据线）。 最大传输率 (总线带宽)：总线本身所能达到的最 高传输速率，用MB/s（每秒多少兆字节）表示。
I/O Interface （adapter） I/O device
I/O Interface （adapter） I/O device

1970年DEC公司PDP-11 小型计算机首次采用总 线技术
3.1 总线的基本概念
1、什么是总线
总线是连接各个部件的信息传输线
是 各个部件共享的传输介质
2、总线上信息的传送
计算机组成原理
第3章 系统总线
2009年2月6日
为什么要用总线?
计算机
存储器
I/O
系统总线
CPU
系统互联

分散连接

存储器 输入设备 运算器 控制器 输出设备

内部连线十分复杂，布 线困难 扩展性差 效率高

总线连接

主机
processor
memory
简洁、成本低 扩展性好、灵活 共享竞争
AGP、SCSI、USB

AGP：Accelerated Graphics Port——加速图形接口，专 为提高视频带宽而设计的总线规范。它采用点对点连接， 连接控制芯片组和AGP显示卡，因此严格说AGP不能称为总 线，而是一种接口标准。 SCSI：Small Computer System Interface —小型计算机 系统接口。SCSI总线主要用于光驱、音频设备、扫描仪、 打印机以及像硬盘驱动器这样的大容量存储设备等的连接， 是一种直接连接外设的并行I/O总线。 USB：Universal Serial Bus——通用串行总线，是一种 连接外围设备的I/O总线，具有即插即用、热拔插等优良 特点。


为什么使用三态？所谓三态，是指0，1和高阻抗三个状态。由于数 据总线是公共通道，在某一时刻，只允许接收某一设备的信号，其 他一切设备都应和它断开（呈高阻抗状态）。
数据 总线
设备1
通信
设备2
设备3
设备n
控制总线

控制总线上传送一个部件对另一个部件的控 制信号。 主设备与从设备：在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。主设备对总线有控制权，从设备 只能响应主设备发来的总线命令。这样，总 线上所有的信息传输都是由主设备启动的。
MCA、STD

MCA：Micro Channel Architecture ——微通道体系 结构，32位标准总线，最大传输率40MB/s。

MCA是IBM公司在推出其第一台80386系统时，突破传统ISA 标准而创建的新型系统总线标准。MCA与ISA完全不兼容， 所以限制了其推广。

STD：STD总线于1987年被国际电子电气工程师

这个界面两端的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一 面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。 因此，按总线标准设计的接口可视为通用接口。
目前流行的总线标准

ISA EISA VESA PCI MCA STD ……
ISA、EISA

ISA：Industry Standard Architecture ——工业标 准体系结构，又称AT总线
3.2 总线的分类
1.片内总线
芯片内部 的总线
2.系统总线
数据总线 地址总线
计算机各部件之间 的信息传输线
双向 与机器字长、存储字长有关
单向
有出
与存储地址、 I/O地址有关
有入
存储器读、存储器写 总线允许、中断确认
控制总线
中断请求、总线请求
总线分类——按位置

片内总线


系统总线

是指芯片内部的总线。 片内总线 如在CPU芯片内部，寄存器和 寄存器之间、寄存器和算逻单 主机 元ALU之间都有总线连接。 processor 是指CPU、主存、I/O（通过 I/O接口）各大部件之间的信 息传输线。 又叫板级总线和板间总线 如ISA、PCI等。 是指计算机系统之间或计算机 系统与其他系统（如控制仪表 等）之间的通信传输线。 IDE、SCSI、USB、RS－232
3.4
总线结构
单总线（系统总线）
3.4.1 单总线结构
I/O接
口 口
I/O接
… 口
I/O接
CPU
M.M
外部 设备1 外部 … 设备2 外部 设备n
3.4.2 多总线结构
1. 双总线结构
主存总线
CPU 主存 通道
I/O总线
具有特殊功能的处理器 由通道对I/O统一管理
I/O接口 设备0
…
I/O接口
…
3.3 总线特性及性能指标
3.3.1 总线物理实现
CPU 插件板 M.M 插件板 I/O 插件板
BUS
3.3.2 总线特性
1. 机械特性 尺寸 形状
2. 电气特性 传输方向 和有效的 电平 范围 3. 功能特性 每根传输线的 功能 4. 时间特性 信号的 时序 关系
地址 数据 控制
总线特性

机械特性：是指总线在机械连接方式上的一些性 能。


根据不同的使用意义，控制总线上有的信号 线为三态，有的非三态。
地址总线

地址总线上传送地址信号，主要用来指定需要访问 的部件（如存储器单元、外设）。 总线主设备发出地址信号后，总线上的所有部件均 感受到该地址信号，但只有经过译码电路选中的部 件才接收主设备的控制信号，并与之通信。


地址总线是单向的，即地址信号只能由总线主设备 至从设备。地址总线也是三态的，非主设备部件不 能驱动地址总线。
3.3.4
总线标准
ISA
模块
系统
标 准 界 面
模块
系统
总 线 标 准
EISA VL-BUS PCI
总线标准的产生



总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，随 着计算及应用领域的不断扩大，计算机系统中各类模 块（特别是I/O设备所带来的各类接口模块），其品种 极其繁杂，往往出现一种模块要配一种总线，很难在 总线上更换、组合各类模块或设备。 20世纪70年代末，为了使系统设计简化，模块生产批 量化，确保其性能稳定，质量可靠，便于维护，人们 开始研究如何建立总线标准，完成系统设计和模块制 作。 概念：所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与 模块之间的一个互连的标准界面。

例：总线工作频率33.3MHz，总线宽度32位，则最大 传输率＝ 33.3×32/8＝132MB/s。


时钟同步/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。 总线复用：为提高总线的利用率，将地址总线和 数据总线共用一组物理线，在某一时刻该总线传 输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。
＝总线宽度/8*总线时钟频率

解：设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f 表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，
（1）根据定义可得 Dr = D/T = D×1/T = D×f =4B×33×1000000/s=132MB/s （2）64位=8B， Dr= D×f =8B×66×1000000/s=528MB/s


数据总线32位 总线时钟频率33MHz 配有局部控制器，将高速设备直接挂在CPU的总线上，实 现CPU与高速外设之间的高速数据交换

PCI：Peripheral Component Interconnect ——外 部设备互连总线。

32/64位数据总线，总线时钟频率33MHz 最大数据传输率132MB/s～264MB/s 与ISA、EISA均可兼容 支持即插即用、支持多层结构
系统总线
memory
I/O Interface （adapter） I/O device
I/O Interface （adapter） I/O device


通信总线（I/O总线）

通信总线

通信总线
用于 计算机系统之间 或 计算机系统 与其他系统（如控制仪表、移动通信等）
之间的通信
串行通信总线