第六章 总线系统
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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
计算机组成原理习题 第六章总线系统
第六章总线系统一、填空题：1.PCI总线采用A.______仲裁方式，每一个PCI设备都有独立的总线请求和总线授权两条信号线与B.______相连。
2.SCSI是处于A.______和B.______之间的并行I/O接口，可允许连接C.______台不同类型的高速外围设备。
3.总线有A 特性、B 特性、C 特性、D 特性，因此必须E 。
4.微型计算机的标准总线从16位的A 总线发展到32位的B 总线和C 总线，又进一步发展到64位的D 总线。
二、选择题：1.计算机使用总线结构的主要优点是便于实现技术化，同时______。
A. 减少信息传输量B. 提高信息传输速度C. 减少了信息传输线的条数D. 减少了存储器占用时间2.描述PCI总线基本概念中正确的句子是______。
A.PCI总线的基本传输机制是猝发式传送B.PCI总线是一个与处理器有关的高速外围总线C.PCI设备一定是主设备D.系统中允许只有一条PCI总线3.描述PCI总线中基本概念表述不正确的是______。
A.PCI设备不一定是主设备B.PCI总线是一个与处理器有关的高速外围总线C.PCI总线的基本传输机制是猝发式传送D.系统中允许有多条PCI总线4.并行I/O标准接口SCSI中，一块适配器可以连接______台具有SCSI接口的设备。
A. 6B. 7C. 8D. 95.下面对计算机总线的描述中，确切完备的概念是______。
A.地址信息、数据信息不能同时出现B.地址信息与控制信息不能同时出现C.数据信息与控制信息不能同时出现D.两种信息源的代码不能在总线中同时传送6.SCSI接口以菊花链形式最多可连接______台设备。
A．7台 B．8台 C．6台 D．10台7.微型机系统中外设通过适配器与主板的系统总线相连接，其功能是___。
A. 数据缓冲和数据格式转换B.监测外设的状态C.控制外设的操作D. 前三种功能的综合作用8.计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化,同时___。
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?
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1. 总线的特性(续) 电气特性
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
第六章总线系统 ppt课件
Moderm 接口
Fax接口
支持大容量
I/O设备
18
6.1.2总线的连接方式
高速的CPU总线：CPU和cache之间采用 系统总线：主存连在其上。 高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、
视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱 动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设 备）。高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连， 扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。 通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥 实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。 多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同 的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量， 而且处理器结构的变化不影响高速总线。
一、信息的传送方式
计算机系统中，传输信息 基本有三种方式：
串行传送 并行传送 分时传送
出于速度和效率上的考虑， 系统总线上传送的信息必 须采用并行传送方式。分 时传送即总线的分时复用。
27
6.2 总线接口
串行传送
使用一条传输线，采用脉冲传送。 主要优点是只需要一条传输线，这一点对长
32
4. 典型的接口通常具有如下功能： (4).转换--接口可以完成任何要求的数据转换，例如并－－ 串转换或串－－并转换，因此数据能在外围设备和CPU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，例如在需要时可 以修改字计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，接口 即发生一个中断请求信号到CPU。
总 线 BS
控 BR
制
部
I/O接口0
件
BG
BS -总线忙 BR-总线请求 BG-总线同意
操作系统第六章+系统总线
Dr D / T D 1 D f 4 B 33 10 6 / s 132 MB / s T
22
主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第六章 系统总线
2．接口的基本概念 广义地讲，“接口”是指中央处理器（CPU）和内存、外 围设备、或两种外围设备、或两种机器设备之间通过总线进 行连接的逻辑部件。接口部件在它所连接的两部件之间起着 “转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。
18
主编 薛胜军教授
计算机组成原理
发送部件 并- 串 变换 位时间 传送 脉冲
传送数据 0000101
接收部件 串- 并 变换
第六章 系统总线
T1 低位 1
T2 0
T3 1
T4 0
T5 0
T6 0
T7 0
T8 高位 0
(a)
高位 1 0 1 0 1 1 0 0
发送 邮件
接收 邮件
低位
(b)
发送部件 高8位 低8位 接收部件 高8位 低8位
系统总线
内存总线 CPU 内存
IOP (通道) I/O 总线
I/O 接口
„
I/O 接口
图6.4
三总线结构
13
主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第六章 系统总线
由上述可知，在DMA方式中，外设与存储器间直接 交换数据而不经过CPU，从而减轻CPU对数据输入/输出 的控制，而“通道”方式进一步提高了CPU的效率。通道 实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为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 一管理及外设与内存之间的数据传送。显然，由于增加了 IOP，整个系统的效率将大大提高，然而这是以增加更多 的硬件代价换来的。三总线系统通常用于中、大型计算机 中。
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主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第六章 系统总线
2．接口的基本概念 广义地讲，“接口”是指中央处理器（CPU）和内存、外 围设备、或两种外围设备、或两种机器设备之间通过总线进 行连接的逻辑部件。接口部件在它所连接的两部件之间起着 “转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。
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发送部件 并- 串 变换 位时间 传送 脉冲
传送数据 0000101
接收部件 串- 并 变换
第六章 系统总线
T1 低位 1
T2 0
T3 1
T4 0
T5 0
T6 0
T7 0
T8 高位 0
(a)
高位 1 0 1 0 1 1 0 0
发送 邮件
接收 邮件
低位
(b)
发送部件 高8位 低8位 接收部件 高8位 低8位
系统总线
内存总线 CPU 内存
IOP (通道) I/O 总线
I/O 接口
„
I/O 接口
图6.4
三总线结构
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计算机组成原理
第六章 系统总线
由上述可知，在DMA方式中，外设与存储器间直接 交换数据而不经过CPU，从而减轻CPU对数据输入/输出 的控制，而“通道”方式进一步提高了CPU的效率。通道 实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为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 一管理及外设与内存之间的数据传送。显然，由于增加了 IOP，整个系统的效率将大大提高，然而这是以增加更多 的硬件代价换来的。三总线系统通常用于中、大型计算机 中。
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。
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。
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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。
25
计算机组成原理（第六章系统总线教学教材
计算机组成原理（第六章系统总线教学教材第六章系统总线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。
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。
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第六章 系统总线
6.1 总线的概念和结构形态
什么是 bus? （1）公共汽车：运送人员。 （2）一组导线：传送信息。 共同点： 多个使用者共享通道。
总线的基本概念
总线是计算机中连接各个功能部件的纽带，是 计算机各部件之间进行信息传输的公共线路。借助 于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地 址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础 上进行工作。
• 主设备与从设备
（1）主设备：占有总线控制权的设备，是总线事务 的发起者。 （2）从设备：与主设备组成通信的设备，是总线事 务的响应者。 （3）总线事务： （a）发送命令（和地址）。 （b）传送数据。 （c）申请与仲裁
控制信号：主设备发起总线事务
总线主设备
数据可双向传输
总线从设备
按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为 集中式仲裁和分布式仲裁两类。 • 集中式仲裁 总线控制逻辑集中于一个设备（总线控制器）。 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁 器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条 是仲裁器送出的总线授权信号线BG。集中式仲裁有 三种： （1）链式查询方式：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。
• 总线的定时
（1）同步定时 在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻 由总线时钟信号来确定。由于采用了公共时钟，每 个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟 规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。 优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。 缺点：主、从模块时间配合属于强制性“同步”，必 须在限定时间内完成规定的要求。并且对所有从模 块都用同一限时，这就势必造成，对各不相同速度 的部件而言，必须按最慢速度的部件来设计公共时 钟，严重影响总线的工作效率，也给设计带来了局 限性，缺乏灵活性。 同步定时一般用于总线长度较短、各部件存取 时间比较一致的场合。
（4）多总线结构 多个CPU、存储器、I/O设备通过交叉开关互连。 总线套数 = n + m + k 要求：n m + k ，使每个CPU和I/O设备在同一 时间可分到一套总线与存储模块相连。
M.M1
CPU1 I/O1 CPUm
M.M2
M.Mn
I/Ok
6.2 总线接口 • 信息传送方式
计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行 传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上 的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方 式。 （1）串行传送：当信息以串行方式传送时，只有一条 传输线，且采用脉冲传送。 在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进 行并－－串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要 进行串－－并变换，这称为装配。串行传送的主要优 点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特 别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输 线，成本比较低廉。缺点就是速度慢。
计数器定时查询方式
BS -总线忙 Bຫໍສະໝຸດ -总线请求数据线 地址线1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
设备地址
BS BR
I/O接口0
I/O接口1
…
I/O接口n
（3）独立请求方式：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。中央仲裁器中 的排队电路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
（3）总线特性及性能指标 （a）总线特性
总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电 气特性、时间特性。 物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座 形状，引脚排列方式） 功能特性：每根线的功能。 电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。 时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。
（b）性能指标 宽度：指数据总线的根数，用 bit 表示。 数据传输率：总线指单位时间内总线传输数据的能力， 用 MB/s 或 Mb/s 表示。 例1：总线工作频率f = 33MHz，总线宽度W = 32bits， 则：数据传输率(并行传输带宽）= 33 * 4 = 132MB/s 波 特率：指每秒通过信道(串行)传输的码元(二进制位) 数。 比特率：指每秒通过信道(串行)传输的有效数据量。 例2：在一个串行传输系统中，每秒可传输10个数据帧， 每个数据帧包含1个起始位，8个数据位和2个停止位， 则： 波特率 = 11 * 10 = 110 b/s 比特率 = 8 * 10 = 80 b/s
• 总线接口的基本概念
接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外 围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。 接口部件在它动态连接的两个部件之间起着 “转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。 为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确 地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。 一 个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设 备。 （1）接口的功能 能实现通信双方的数据缓冲、通信联络、速度 匹配与协调、数据格式变换等。
（2）双总线结构
将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来， 形成存储总线与I/O总线分开的结构。多用于大、 中型计算机系统。 系统总线
存储总线
CPU
M.M
外设1
外设n
存储总线
CPU
M.M
I/O处理机(通道)
I/O总线
外设1
外设n
（3）三总线结构 现代PC基本采用的结构。主板总线连接到 处理器-主存总线，处理器-主存总线主要用于 处理器和主存之间数据交换，I/O总线连接到 主板总线。
采用标准总线的优点： （a）简化系统设计。 （b）简化系统结构，提高系统可靠性。 （c）便于系统的扩充和更新。
• 总线结构
（1）单总线结构 单总线 BUS I/O接口 I/O接口 外设2 I/O接口 外设n
CPU
M.M
外设1
所有模块都连接到一条总线上，总线分时工作，多 用于小型、微型计算机系统。 优点：控制方便，易于扩充。 缺点：吞吐量低，总线成为系统瓶颈。
链式查询方式
BS -总线忙 BR-总线请求 BG-总线同意 数据线 地址线 BS BR
总 线 控 制 部 件
I/O接口0 BG
I/O接口1
…
I/O接口n
…
（2）计数器定时查询方式：总线上的任一设备要求使 用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接 到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器 开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每 个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线 上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设 备 置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数 查询。 每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点 开发始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链 式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中 止点开始，则每个设备使用总线的优级相等。 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，但这种灵活性是以增加线数为代 价的。
（1）建立总线的原则 （1）互斥性：挂接总线的各总线驱动器(发送 端)必须具有分时操作的可能性，即不允许在 同一总线上同 时有两个发送源发送信息。 （2）一致性：同一总线中所挂接总线的器件 (OC门或三态门)类型要一致。
多 路 选 择 器 多 路 分 配 器
BUS
（2）总线的分类 （a）按数据传送方式分 串行总线，并行总线。 （b）按连接部件的不同分 片内总线，系统总线，通信总线。 （c）按系统传输信息的不同分 数据总线，地址总线，控制总线。 （d）按数据传输的方向分 单工总线，半双工总线，全双工总线。 （e）按总线的结构分 单总线，双总线，多总线。 （f）按总线传输的定时方法分 同步总线，异步总线。
优点：大大减少处理器-主存总线负载。
适配器（接口）：实现高速CPU与低速外设之 间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机 和外设之间的所有数据传送和控制。 桥：通过桥，CPU总线、系统总线和高速总线 彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、 控制功能的逻辑电路。 多总线结构体现了高速、中速、低速设 备连接到不同的总线上同时进行工作，以提 高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的 变化不影响高速总线。
（3）接口的组成
一个适配器的两个接口：一个同系统总线相连， 采用并行方式，另外一个同设备相连，可能采用并 行方式或是串行方式。
数据线 地址线
CPU 命令线
状态线
I/O接口 设备选择 数据缓冲寄 控 存器(DBR) 制 电路 逻 辑 设备状态 电 命令寄存器 和译码器 标记 路
数据线 命令 状态
外 部 设 备
（3）总线标准化
相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各 功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产 的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵 守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化 问题。 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。这个界面对它两端的模块都是透明的， 即界面的任何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。按总线标准设计的接口是通用接口。 目前流行的总线标准有： ISA (Industrial Standard Architecture): 16位标准总线。 EISA (Extended Industrial Standard Architecture): 32总线。 PCI (Peripheral Component Interconnect): 32位标准总线。
6.1 总线的概念和结构形态
什么是 bus? （1）公共汽车：运送人员。 （2）一组导线：传送信息。 共同点： 多个使用者共享通道。
总线的基本概念
总线是计算机中连接各个功能部件的纽带，是 计算机各部件之间进行信息传输的公共线路。借助 于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地 址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础 上进行工作。
• 主设备与从设备
（1）主设备：占有总线控制权的设备，是总线事务 的发起者。 （2）从设备：与主设备组成通信的设备，是总线事 务的响应者。 （3）总线事务： （a）发送命令（和地址）。 （b）传送数据。 （c）申请与仲裁
控制信号：主设备发起总线事务
总线主设备
数据可双向传输
总线从设备
按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为 集中式仲裁和分布式仲裁两类。 • 集中式仲裁 总线控制逻辑集中于一个设备（总线控制器）。 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁 器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条 是仲裁器送出的总线授权信号线BG。集中式仲裁有 三种： （1）链式查询方式：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。
• 总线的定时
（1）同步定时 在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻 由总线时钟信号来确定。由于采用了公共时钟，每 个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟 规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。 优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。 缺点：主、从模块时间配合属于强制性“同步”，必 须在限定时间内完成规定的要求。并且对所有从模 块都用同一限时，这就势必造成，对各不相同速度 的部件而言，必须按最慢速度的部件来设计公共时 钟，严重影响总线的工作效率，也给设计带来了局 限性，缺乏灵活性。 同步定时一般用于总线长度较短、各部件存取 时间比较一致的场合。
（4）多总线结构 多个CPU、存储器、I/O设备通过交叉开关互连。 总线套数 = n + m + k 要求：n m + k ，使每个CPU和I/O设备在同一 时间可分到一套总线与存储模块相连。
M.M1
CPU1 I/O1 CPUm
M.M2
M.Mn
I/Ok
6.2 总线接口 • 信息传送方式
计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行 传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上 的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方 式。 （1）串行传送：当信息以串行方式传送时，只有一条 传输线，且采用脉冲传送。 在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进 行并－－串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要 进行串－－并变换，这称为装配。串行传送的主要优 点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特 别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输 线，成本比较低廉。缺点就是速度慢。
计数器定时查询方式
BS -总线忙 Bຫໍສະໝຸດ -总线请求数据线 地址线1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
设备地址
BS BR
I/O接口0
I/O接口1
…
I/O接口n
（3）独立请求方式：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。中央仲裁器中 的排队电路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
（3）总线特性及性能指标 （a）总线特性
总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电 气特性、时间特性。 物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座 形状，引脚排列方式） 功能特性：每根线的功能。 电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。 时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。
（b）性能指标 宽度：指数据总线的根数，用 bit 表示。 数据传输率：总线指单位时间内总线传输数据的能力， 用 MB/s 或 Mb/s 表示。 例1：总线工作频率f = 33MHz，总线宽度W = 32bits， 则：数据传输率(并行传输带宽）= 33 * 4 = 132MB/s 波 特率：指每秒通过信道(串行)传输的码元(二进制位) 数。 比特率：指每秒通过信道(串行)传输的有效数据量。 例2：在一个串行传输系统中，每秒可传输10个数据帧， 每个数据帧包含1个起始位，8个数据位和2个停止位， 则： 波特率 = 11 * 10 = 110 b/s 比特率 = 8 * 10 = 80 b/s
• 总线接口的基本概念
接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外 围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。 接口部件在它动态连接的两个部件之间起着 “转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。 为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确 地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。 一 个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设 备。 （1）接口的功能 能实现通信双方的数据缓冲、通信联络、速度 匹配与协调、数据格式变换等。
（2）双总线结构
将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来， 形成存储总线与I/O总线分开的结构。多用于大、 中型计算机系统。 系统总线
存储总线
CPU
M.M
外设1
外设n
存储总线
CPU
M.M
I/O处理机(通道)
I/O总线
外设1
外设n
（3）三总线结构 现代PC基本采用的结构。主板总线连接到 处理器-主存总线，处理器-主存总线主要用于 处理器和主存之间数据交换，I/O总线连接到 主板总线。
采用标准总线的优点： （a）简化系统设计。 （b）简化系统结构，提高系统可靠性。 （c）便于系统的扩充和更新。
• 总线结构
（1）单总线结构 单总线 BUS I/O接口 I/O接口 外设2 I/O接口 外设n
CPU
M.M
外设1
所有模块都连接到一条总线上，总线分时工作，多 用于小型、微型计算机系统。 优点：控制方便，易于扩充。 缺点：吞吐量低，总线成为系统瓶颈。
链式查询方式
BS -总线忙 BR-总线请求 BG-总线同意 数据线 地址线 BS BR
总 线 控 制 部 件
I/O接口0 BG
I/O接口1
…
I/O接口n
…
（2）计数器定时查询方式：总线上的任一设备要求使 用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接 到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器 开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每 个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线 上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设 备 置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数 查询。 每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点 开发始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链 式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中 止点开始，则每个设备使用总线的优级相等。 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，但这种灵活性是以增加线数为代 价的。
（1）建立总线的原则 （1）互斥性：挂接总线的各总线驱动器(发送 端)必须具有分时操作的可能性，即不允许在 同一总线上同 时有两个发送源发送信息。 （2）一致性：同一总线中所挂接总线的器件 (OC门或三态门)类型要一致。
多 路 选 择 器 多 路 分 配 器
BUS
（2）总线的分类 （a）按数据传送方式分 串行总线，并行总线。 （b）按连接部件的不同分 片内总线，系统总线，通信总线。 （c）按系统传输信息的不同分 数据总线，地址总线，控制总线。 （d）按数据传输的方向分 单工总线，半双工总线，全双工总线。 （e）按总线的结构分 单总线，双总线，多总线。 （f）按总线传输的定时方法分 同步总线，异步总线。
优点：大大减少处理器-主存总线负载。
适配器（接口）：实现高速CPU与低速外设之 间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机 和外设之间的所有数据传送和控制。 桥：通过桥，CPU总线、系统总线和高速总线 彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、 控制功能的逻辑电路。 多总线结构体现了高速、中速、低速设 备连接到不同的总线上同时进行工作，以提 高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的 变化不影响高速总线。
（3）接口的组成
一个适配器的两个接口：一个同系统总线相连， 采用并行方式，另外一个同设备相连，可能采用并 行方式或是串行方式。
数据线 地址线
CPU 命令线
状态线
I/O接口 设备选择 数据缓冲寄 控 存器(DBR) 制 电路 逻 辑 设备状态 电 命令寄存器 和译码器 标记 路
数据线 命令 状态
外 部 设 备
（3）总线标准化
相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各 功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产 的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵 守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化 问题。 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。这个界面对它两端的模块都是透明的， 即界面的任何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。按总线标准设计的接口是通用接口。 目前流行的总线标准有： ISA (Industrial Standard Architecture): 16位标准总线。 EISA (Extended Industrial Standard Architecture): 32总线。 PCI (Peripheral Component Interconnect): 32位标准总线。