第六章 总线系统

• 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。
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。
• 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）并行传送：用并行方式传送二进制信息时，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。 并行传送一般采用电位传送。由于所有的位同时 被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。
（3）分时传送：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，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。分时传 送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。
• 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。
（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。
6.4 总线的定时和数据传送模式
众多部件共享总线，在争夺总线使用权时，只 能按各部件的优先等级来解决。而在传送通信时间 上，只能按分时方式来解决。即哪一个部件获得使 用，此刻就由它传送，下一个部件获得使用，接着 下一时刻传送。这样一个接一个轮流交替传送。 完成一次总线传输，可分为四个阶段： （a）申请分配阶段 （b）寻址阶段 （c）传数阶段 （d）结束阶段。 主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束， 以及通信双方如何协调配合等等。
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。
（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。
（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
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。
（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。
6.3 总线的仲裁
总线只是作为传送信息的通道，当总线上多个 部件同时申请使用总线来传送信息时，为了保证同 一时刻只能有一个申请者使用总线避免它们同时发 送造成信息丢失，必须有一个总线仲裁器分配总线 使用权。通常，总线仲裁器把总线使用权赋给多个 申请者中优先级最高的那个部件。 连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形 态，其中主方可以启动一个总线周期，而从方只能 响应主方请求。每次总线操作，只能有一个主方， 但是可以有多个从方。
主要包括：（a）选址功能。 （b）传送命令功能。 （c）传送数据功能。 （d）反映I/O设备工作状态的功能。 （2）接口类型
（a）按数据传送方式分：并行接口和串行接口。
（b）按功能选择的灵活性分：可编程接口和不可编程 接口。 （c）按通用性分：通用接口和专用接口。 （d）按数据传送的控制方式分：程序型式接口和 DMA式接口。
4. 独立请求方式
BG-总线同意 BR-总线请求
总 线 控 制 部 件
BGn BRn BG1
数据线 地址线
ห้องสมุดไป่ตู้
BR1
BG0 BR0
I/O接口0
排队器
I/O接口1 … I/O接口n
• 分布式仲裁
总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件中。 不需要中央仲裁器，而是多个仲裁器竞争使用总线。 当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共 享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号 与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它 的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获 胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁 是以优先级仲裁策略为基础。
（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。
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
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
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。