3第三章系统总线(lxl)
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指令部件等各元件 之间的总线连接
用于 计算机系统之间 或 计算机系统与其他 连接 CPU、存储器 系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信 和各种I/O模块等 主要部件的总线 串行通信总线
传输方式
适用于远距离通信
并行通信总线
适用于近距离通信（<30米）
总线
片内总线 系统总线 通信总线
特点
结构简单，传输距离短，速度高。 传输距离较短，速度较高。 传输距离远，速度较低。
数据终端设备（计算机）和数据通信设备 （调制解调器）之间的标准接口
普通无屏蔽双绞线 带屏蔽双绞线 最高 1.5 Mbps (USB1.0) 12 Mbps (USB1.0) 480 Mbps (USB2.0)
USB
总线标准ISA －－Industrial Standard Architecture
地址总线的宽度反映最大的寻址空间（存储单元数） 例：地址总线为20根，则存储单元有220个
控制对数据线和地址线的访问和使用。 由于数据线、地址线都是被挂在总线上为所有部件所 共享的， 控制总线 用来传输定时信号和命令信息 有出 有入 如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权， 存储器读、存储器写 需要依靠控制总线来完成。 总线允许、中断确认 中断请求、总线请求
每根传输线的 功能
信号的 时序 关系
三、总线的性能指标
尽管有许多不同的总线实现方式， 但总线设计的基本要素 和考察其性能的指标都是一样的。
3.3
三、总线的性能指标
1. 总线宽度
3.3
数据线 的根数（8位/16位/32位…）
2. 标准传输率 每秒传输的最大字节数（MBps） （总线带宽） 33MHz，总线宽度 5分钟发一辆车，每辆车最多 50人， 同步、不同步 3. 郑焦高速每车道最多每 时钟同步/异步 例：总线工作频率为
3.3
带宽 16 MBps 33 MBps 133 MBps 132 MBps 528 MBps 266 MBps 533 MBps
系 统 总 线 标 准
EISA VESA (VL-BUS) PCI（最广泛） 外围部件互连 AGP RS-232
设 备 总 线 标 准
串行通信 总线标准
串行接口 总线标准
A1 A2 Y1 Y2
输入
G 0 0 1 A 0 1 任意
0 1 高阻
A8
„
输出 Y
Y8
G
3.2 总线的分类
二、按传送方向分为：单向总线、双向总线。
双向总线：总线上的信号可以向两个方向上传送，如数据总线。
A1 B1
控制输入
A2
B2
操作
G 0 0 1 DIR 0 1 任意 × 输入信号B 到 A 输入信号A 到 B 隔离
地址总线
注意
需要一提的是在微处理器中，由于芯片的引脚 数有限，常将地址总线与数据总线复合或部分 复合使用以减少芯片引脚数目。 例如：部分复合使用时，在总线周期开始，先 用地址/数据复合线传送地址码的高位部分，将 它送入一个地址锁存器，同时专用地址线传送 地址码的低位部分，两部分合成为完整的地址 码。然后再用地址/数据复合线传送数据。
3. 以存储器为中心的双总线结构框图
系统总线
3.1
I/O接口
…
I/O接口
CPU
存储总线
主存
I/O 设备1 … I/O 设备n
3.2 总线的分类
一、按连接部件分为：
1.片内总线 2.系统总线 3.通信总线
芯片内部 的总线
CPU芯片内部，在 计算机各部件之间 的信息传输线 各个寄存器、ALU、 又称板级总线或板间总线
总线标准PCI（外部设备互连总线） －－Peripheral Component Interconnect
是一种高性能的32位局部总线。它由Intel公司于 1991年底提出，后来又联合IBM、DEC等100多家PC业界 主要厂家，于1992年成立PCI集团，称为PCISIG，进行 统筹和推广PCI标准的工作。 用于高速外设的I/O接口和主机相连。采用自身 33MHz的总线频率，数据线宽度为32位，可扩充到64位， 所以数据传输率可达132MB/s～264MB/s。
特点
•速度快 •支持无限突发传输方式 •支持并发工作
3.4 总线结构
一、单总线结构
•早期计算机采用单总线结构。 •CPU、主存与I/O模块之间的传送都通过一组总线进行。 •PDP-11和国产DJS183机采用该结构。
优点：体系结构简单、便于扩充 缺点：所有传送都共享一组总线极易使总线成为整 个系统的瓶颈，使性能下降 。
A8
„
B8
G DIR
与
与
3.2 总线的分类
三、按数据传送格式分为：
并行总线：并行总线的数据线有多条，可同时传送多个二进制位， 通常数据总线上可同时传送的二进制位数称为数据通路 的宽度； 系统总线一般是并行总线，其数据通路的宽度与CPU一 致，并为字节的整数倍。
串行总线：串行总线中的数据线只有一条，只能串行地逐位传送数 据或有两根数据线，分别实现两个方向的数据传输。 外部总线多用串行总线，节省线路成本，实现远距离传 述，显然串行总线的传输速度低于并行总线。
控制线中典型的信号
时钟：用于总线同步。 复位：初始化所有设备。 总线请求：表明发出该请求信号的设备要使用总线。 总线允许：表明接收到该允许信号的设备可以使用总线。 中断请求：表明某个中断正在请求。 中断回答：表明某个中断请求已被接受。 存储器读：从指定的主存单元中读数据到数据总线上。 存储器写：将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。 I/O读：从指定的I/O端口中读数据到数据总线上。 I/O写：将数据总线上的数据写到指定的I/O端口中。 传输确认：表示数据已被接收或已被送到总线上。
并行
四、总线结构的计算机举例
1. 面向 CPU 的双总线结构框图
中央处理器 CPU
3.1
I/O总线
M 总 线
主存
I/O接口
I/O接口
…
I/O接口
I/O 设备1
I/O 设备2
…
I/O 设备n
2. 单总线结构框图
单总线（系统总线）
3.1
I/O接口
I/O接口 …
I/O接口
CPULeabharlann Baidu
主存
I/O 设备1 I/O 设备2 … I/O 设备n
四、总线标准
3.3
ISA
模块
系统
标 准 界 面
模块 总 线 标 准
EISA
VESA(LV-BUS) PCI AGP RS-232
系统
USB
四、总线标准
总线标准 ISA(AT) 数据线 16 32 32 32 64 32 总线时钟 8 MHz（独立） 8 MHz（独立） 32 MHz（CPU） 33 MHz（独立） 66 MHz（独立） 66.7 MHz（独立） 133 MHz（独立）
3.1 总线的基本概念
•部件间的信息交换有哪些？
CPU 主存 CPU I/O模块 I/O模块 主存
地址信息 控制信息 数据交换
•如何进行信息交换？
通过在部件之间架设通信线路
•连接各部件的通路的集合称为互连结构
分散结构
互连结构
总线结构
各自优缺点 ？
连线、扩展性、效率
3.1 总线的基本概念
二、什么是总线 总线的主要特征是分时共享
3.2 总线的分类
并行传送
并行传送比串行传送速度快，系统总线都采用并行传送。
串行传送
3.3 总线特性及性能指标
一、总线物理实现
CPU 插板 主存 插板 I/O 插板
BUS
主板
二、总线特性
1. 机械特性
3.3
尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序
2. 电气特性
3. 功能特性 4. 时间特性
传输方向 和有效的 电平 范围 地址 数据 控制
为32位，则总线带宽为 132 MB/s. 共有6个车道，则最大流量为多少？（人 /小时）
4. 总线复用
地址线 与 数据线 复用
最大载客量： 6道*12车/小时*50人/车＝3600 人/小时 总线带宽＝总线工作频率× (总线宽度 /8)
5. 信号线数
6. 总线控制方式 7. 其他指标
地址线、数据线和控制线的 总和
数据总线DB（Data Bus） 地址总线AB（Address Bus） 控制总线CB（Control Bus）
3.2 总线的分类
2.系统总线
数据总线
8位、16位、32位、64位等
通常由一组控制线、一组数据线和一组地址线构成。 承载在源和目部件之间传输的信息 双向 与机器字长、存储字长有关 数据总线的宽度反映一次能传送的数据的位数 源/目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址 单向 与存储地址、 I/O地址有关
一、单总线结构
3.2 总线的分类－图示
片内总线 系统总线
主机
processor
memory
I/O Interface （adapter）
I/O Interface （adapter）
I/O device
I/O device
通信总线
3.2 总线的分类
2.系统总线
通常由一组控制总线、一组数据总线和一组地址总线构成。
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， 它能够分时接收和发送各种信号。
递信号。 任意时刻只能有一个设备向总线发送信息 三、总线上信息的传送（按数据传送方式分类） 分时：在某一时刻只允许有一个部件将 •系统瓶颈 信号送上总线。 串行 多个部件可以同时从总线接受相同的信息 •广播式 共享：总线所连接的各部件都通过它传 总线有两个特点
IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标 准。所以也叫AT总线。
ISA的时钟频率为８MHz，共有98根信号线。数据线 和地址线分离，数据线宽度为16位，可以进行8位或16 位数据的传送，所以最大数据传输率为16MB/s。 没有支持仲裁的硬件逻辑，不能支持多台主设计系 统。 ISA属系统总线标准。
并发、自动、仲裁、逻辑、计数
负载能力
四、总线标准
•为什么要制定总线标准?
为了便于机器的扩充 新设备的添加
3.3
便于灵活组成系统
•哪些总线是标准的?
主板上的CPU-MM总线经常是特定的 专用总线,不可以被标准化 I/0总线和底板式总线通常可以在不同计算机中 互用，通常是标准总线
四、总线标准
概念：系统与各模块、模块与模块之间 的一个互连的标准界面。 界面的任一方只需根据总线标准的要求 完成自身一方接口的功能要求，而无须 了解对方接口与总线的连接要求。 按总线标准设计的接口可视为通用接口。
性能下降的原因：传输性能＝min{各个部件传输性能} 1. 总线上连接的设备越多，传输延迟就会越大。 单总线结构多数被小型计算机或微型计算机采用 2. 总线上挂接大量高速设备后，单一总线无法满足系统 要求。
一、单总线结构
单总线（系统总线）
I/O接口
I/O接口 …
I/O接口
CPU
主存
I/O 设备1 I/O 设备2 … I/O 设备n
总线标准EISA －－Extended Industrial Standerd Architecture
EISA总线是一种在ISA总线基础上扩充的开放总线 标准。 支持多总线主控和突发传输方式。 时钟频率为8.33MHz。共有198根信号线，在原 ISA总线的98根线的基础上扩充了100根线，与原 ISA总线完全兼容。具有分立的数据线和地址线。 数据线宽度为32位，具有8位、16位、32位数据传 输能力，所以最大数据传输率为33MB/s。地址线的 宽度为32位，所以寻址能力达232。即：CPU或DMA控 制器等这些主控设备能够对4G范围的主存地址空间 进行访问。
第３章 系统总线
3.1 总线的基本概念 3.2 总线的分类 3.3 总线特性及性能指标
3.4 总线结构
3.5 总线控制
主要内容
总线的基本概念 总线的分类 总线的组成及性能指标 总线结构 总线判优控制和总线通信控制
重点及难点
重点 – 总线的组成、总线控制（判优和通信）
难点
三态门电路
三态门: 具有三种逻辑状态的门电路。 输出为：0 状态、1状态、与输入信号隔离状态。
输入 输出 Q 0 1 Z
D
Q
G 0 0 1
D 0 1
G
当控制信号/G为低电平（0） 三态门的输入D 被送到总线上，输出Q。
3.2 总线的分类
二、按传送方向分为：单向总线、双向总线。
单向总线：总线上的信号只能向一个方向传送，如地址总线。
– 总线通信控制
3.1 总线的基本概念
一、引入：总线是用来连接各个部件的
部件的互连 部件的外部特征 部件的功能
通过功能了解部件与部件之间有哪些信息交换
计算机的三大部件及其功能
CPU：指令执行和数据加工 MM：存放指令和数据 I/O：输入数据和指令，输出程序的结果 计算机的所有功能都通过CPU执行保存在存储 器中的一串指令来实现的
用于 计算机系统之间 或 计算机系统与其他 连接 CPU、存储器 系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信 和各种I/O模块等 主要部件的总线 串行通信总线
传输方式
适用于远距离通信
并行通信总线
适用于近距离通信（<30米）
总线
片内总线 系统总线 通信总线
特点
结构简单，传输距离短，速度高。 传输距离较短，速度较高。 传输距离远，速度较低。
数据终端设备（计算机）和数据通信设备 （调制解调器）之间的标准接口
普通无屏蔽双绞线 带屏蔽双绞线 最高 1.5 Mbps (USB1.0) 12 Mbps (USB1.0) 480 Mbps (USB2.0)
USB
总线标准ISA －－Industrial Standard Architecture
地址总线的宽度反映最大的寻址空间（存储单元数） 例：地址总线为20根，则存储单元有220个
控制对数据线和地址线的访问和使用。 由于数据线、地址线都是被挂在总线上为所有部件所 共享的， 控制总线 用来传输定时信号和命令信息 有出 有入 如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权， 存储器读、存储器写 需要依靠控制总线来完成。 总线允许、中断确认 中断请求、总线请求
每根传输线的 功能
信号的 时序 关系
三、总线的性能指标
尽管有许多不同的总线实现方式， 但总线设计的基本要素 和考察其性能的指标都是一样的。
3.3
三、总线的性能指标
1. 总线宽度
3.3
数据线 的根数（8位/16位/32位…）
2. 标准传输率 每秒传输的最大字节数（MBps） （总线带宽） 33MHz，总线宽度 5分钟发一辆车，每辆车最多 50人， 同步、不同步 3. 郑焦高速每车道最多每 时钟同步/异步 例：总线工作频率为
3.3
带宽 16 MBps 33 MBps 133 MBps 132 MBps 528 MBps 266 MBps 533 MBps
系 统 总 线 标 准
EISA VESA (VL-BUS) PCI（最广泛） 外围部件互连 AGP RS-232
设 备 总 线 标 准
串行通信 总线标准
串行接口 总线标准
A1 A2 Y1 Y2
输入
G 0 0 1 A 0 1 任意
0 1 高阻
A8
„
输出 Y
Y8
G
3.2 总线的分类
二、按传送方向分为：单向总线、双向总线。
双向总线：总线上的信号可以向两个方向上传送，如数据总线。
A1 B1
控制输入
A2
B2
操作
G 0 0 1 DIR 0 1 任意 × 输入信号B 到 A 输入信号A 到 B 隔离
地址总线
注意
需要一提的是在微处理器中，由于芯片的引脚 数有限，常将地址总线与数据总线复合或部分 复合使用以减少芯片引脚数目。 例如：部分复合使用时，在总线周期开始，先 用地址/数据复合线传送地址码的高位部分，将 它送入一个地址锁存器，同时专用地址线传送 地址码的低位部分，两部分合成为完整的地址 码。然后再用地址/数据复合线传送数据。
3. 以存储器为中心的双总线结构框图
系统总线
3.1
I/O接口
…
I/O接口
CPU
存储总线
主存
I/O 设备1 … I/O 设备n
3.2 总线的分类
一、按连接部件分为：
1.片内总线 2.系统总线 3.通信总线
芯片内部 的总线
CPU芯片内部，在 计算机各部件之间 的信息传输线 各个寄存器、ALU、 又称板级总线或板间总线
总线标准PCI（外部设备互连总线） －－Peripheral Component Interconnect
是一种高性能的32位局部总线。它由Intel公司于 1991年底提出，后来又联合IBM、DEC等100多家PC业界 主要厂家，于1992年成立PCI集团，称为PCISIG，进行 统筹和推广PCI标准的工作。 用于高速外设的I/O接口和主机相连。采用自身 33MHz的总线频率，数据线宽度为32位，可扩充到64位， 所以数据传输率可达132MB/s～264MB/s。
特点
•速度快 •支持无限突发传输方式 •支持并发工作
3.4 总线结构
一、单总线结构
•早期计算机采用单总线结构。 •CPU、主存与I/O模块之间的传送都通过一组总线进行。 •PDP-11和国产DJS183机采用该结构。
优点：体系结构简单、便于扩充 缺点：所有传送都共享一组总线极易使总线成为整 个系统的瓶颈，使性能下降 。
A8
„
B8
G DIR
与
与
3.2 总线的分类
三、按数据传送格式分为：
并行总线：并行总线的数据线有多条，可同时传送多个二进制位， 通常数据总线上可同时传送的二进制位数称为数据通路 的宽度； 系统总线一般是并行总线，其数据通路的宽度与CPU一 致，并为字节的整数倍。
串行总线：串行总线中的数据线只有一条，只能串行地逐位传送数 据或有两根数据线，分别实现两个方向的数据传输。 外部总线多用串行总线，节省线路成本，实现远距离传 述，显然串行总线的传输速度低于并行总线。
控制线中典型的信号
时钟：用于总线同步。 复位：初始化所有设备。 总线请求：表明发出该请求信号的设备要使用总线。 总线允许：表明接收到该允许信号的设备可以使用总线。 中断请求：表明某个中断正在请求。 中断回答：表明某个中断请求已被接受。 存储器读：从指定的主存单元中读数据到数据总线上。 存储器写：将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。 I/O读：从指定的I/O端口中读数据到数据总线上。 I/O写：将数据总线上的数据写到指定的I/O端口中。 传输确认：表示数据已被接收或已被送到总线上。
并行
四、总线结构的计算机举例
1. 面向 CPU 的双总线结构框图
中央处理器 CPU
3.1
I/O总线
M 总 线
主存
I/O接口
I/O接口
…
I/O接口
I/O 设备1
I/O 设备2
…
I/O 设备n
2. 单总线结构框图
单总线（系统总线）
3.1
I/O接口
I/O接口 …
I/O接口
CPULeabharlann Baidu
主存
I/O 设备1 I/O 设备2 … I/O 设备n
四、总线标准
3.3
ISA
模块
系统
标 准 界 面
模块 总 线 标 准
EISA
VESA(LV-BUS) PCI AGP RS-232
系统
USB
四、总线标准
总线标准 ISA(AT) 数据线 16 32 32 32 64 32 总线时钟 8 MHz（独立） 8 MHz（独立） 32 MHz（CPU） 33 MHz（独立） 66 MHz（独立） 66.7 MHz（独立） 133 MHz（独立）
3.1 总线的基本概念
•部件间的信息交换有哪些？
CPU 主存 CPU I/O模块 I/O模块 主存
地址信息 控制信息 数据交换
•如何进行信息交换？
通过在部件之间架设通信线路
•连接各部件的通路的集合称为互连结构
分散结构
互连结构
总线结构
各自优缺点 ？
连线、扩展性、效率
3.1 总线的基本概念
二、什么是总线 总线的主要特征是分时共享
3.2 总线的分类
并行传送
并行传送比串行传送速度快，系统总线都采用并行传送。
串行传送
3.3 总线特性及性能指标
一、总线物理实现
CPU 插板 主存 插板 I/O 插板
BUS
主板
二、总线特性
1. 机械特性
3.3
尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序
2. 电气特性
3. 功能特性 4. 时间特性
传输方向 和有效的 电平 范围 地址 数据 控制
为32位，则总线带宽为 132 MB/s. 共有6个车道，则最大流量为多少？（人 /小时）
4. 总线复用
地址线 与 数据线 复用
最大载客量： 6道*12车/小时*50人/车＝3600 人/小时 总线带宽＝总线工作频率× (总线宽度 /8)
5. 信号线数
6. 总线控制方式 7. 其他指标
地址线、数据线和控制线的 总和
数据总线DB（Data Bus） 地址总线AB（Address Bus） 控制总线CB（Control Bus）
3.2 总线的分类
2.系统总线
数据总线
8位、16位、32位、64位等
通常由一组控制线、一组数据线和一组地址线构成。 承载在源和目部件之间传输的信息 双向 与机器字长、存储字长有关 数据总线的宽度反映一次能传送的数据的位数 源/目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址 单向 与存储地址、 I/O地址有关
一、单总线结构
3.2 总线的分类－图示
片内总线 系统总线
主机
processor
memory
I/O Interface （adapter）
I/O Interface （adapter）
I/O device
I/O device
通信总线
3.2 总线的分类
2.系统总线
通常由一组控制总线、一组数据总线和一组地址总线构成。
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， 它能够分时接收和发送各种信号。
递信号。 任意时刻只能有一个设备向总线发送信息 三、总线上信息的传送（按数据传送方式分类） 分时：在某一时刻只允许有一个部件将 •系统瓶颈 信号送上总线。 串行 多个部件可以同时从总线接受相同的信息 •广播式 共享：总线所连接的各部件都通过它传 总线有两个特点
IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标 准。所以也叫AT总线。
ISA的时钟频率为８MHz，共有98根信号线。数据线 和地址线分离，数据线宽度为16位，可以进行8位或16 位数据的传送，所以最大数据传输率为16MB/s。 没有支持仲裁的硬件逻辑，不能支持多台主设计系 统。 ISA属系统总线标准。
并发、自动、仲裁、逻辑、计数
负载能力
四、总线标准
•为什么要制定总线标准?
为了便于机器的扩充 新设备的添加
3.3
便于灵活组成系统
•哪些总线是标准的?
主板上的CPU-MM总线经常是特定的 专用总线,不可以被标准化 I/0总线和底板式总线通常可以在不同计算机中 互用，通常是标准总线
四、总线标准
概念：系统与各模块、模块与模块之间 的一个互连的标准界面。 界面的任一方只需根据总线标准的要求 完成自身一方接口的功能要求，而无须 了解对方接口与总线的连接要求。 按总线标准设计的接口可视为通用接口。
性能下降的原因：传输性能＝min{各个部件传输性能} 1. 总线上连接的设备越多，传输延迟就会越大。 单总线结构多数被小型计算机或微型计算机采用 2. 总线上挂接大量高速设备后，单一总线无法满足系统 要求。
一、单总线结构
单总线（系统总线）
I/O接口
I/O接口 …
I/O接口
CPU
主存
I/O 设备1 I/O 设备2 … I/O 设备n
总线标准EISA －－Extended Industrial Standerd Architecture
EISA总线是一种在ISA总线基础上扩充的开放总线 标准。 支持多总线主控和突发传输方式。 时钟频率为8.33MHz。共有198根信号线，在原 ISA总线的98根线的基础上扩充了100根线，与原 ISA总线完全兼容。具有分立的数据线和地址线。 数据线宽度为32位，具有8位、16位、32位数据传 输能力，所以最大数据传输率为33MB/s。地址线的 宽度为32位，所以寻址能力达232。即：CPU或DMA控 制器等这些主控设备能够对4G范围的主存地址空间 进行访问。
第３章 系统总线
3.1 总线的基本概念 3.2 总线的分类 3.3 总线特性及性能指标
3.4 总线结构
3.5 总线控制
主要内容
总线的基本概念 总线的分类 总线的组成及性能指标 总线结构 总线判优控制和总线通信控制
重点及难点
重点 – 总线的组成、总线控制（判优和通信）
难点
三态门电路
三态门: 具有三种逻辑状态的门电路。 输出为：0 状态、1状态、与输入信号隔离状态。
输入 输出 Q 0 1 Z
D
Q
G 0 0 1
D 0 1
G
当控制信号/G为低电平（0） 三态门的输入D 被送到总线上，输出Q。
3.2 总线的分类
二、按传送方向分为：单向总线、双向总线。
单向总线：总线上的信号只能向一个方向传送，如地址总线。
– 总线通信控制
3.1 总线的基本概念
一、引入：总线是用来连接各个部件的
部件的互连 部件的外部特征 部件的功能
通过功能了解部件与部件之间有哪些信息交换
计算机的三大部件及其功能
CPU：指令执行和数据加工 MM：存放指令和数据 I/O：输入数据和指令，输出程序的结果 计算机的所有功能都通过CPU执行保存在存储 器中的一串指令来实现的