4.总线与总线标准

总线评价指标
• 总线带宽、总线宽度、总线工作频率三者之间的 关系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的 关系。
–车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越快 则车流量越大。 –同样，总线带宽取决于总线宽度和工作频率，总线宽 度越宽，工作频率越高，则总线带宽越大。 –单方面提高总线的宽度或工作频率都只能部分提高总 线的带宽，并容易达到各自的极限。只有两者配合才 能使总线的带宽得到更大的提升。
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21
4.2.1
总线仲裁 针对上述缺点，出现了改进型---循环菊花链判优：
总线
局部总线 仲裁器
BG
C1
C2
Cn
LBA1
LBA2
LBAn
BG
BR BB BCLK
循环菊花链仲裁示意图
突出优点：优先权随每个周期动态改变， 各Ci地位平等，机会均等。
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4.2.1
总线仲裁
2. 并行仲裁(独立请求仲裁)
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4.2.2
总线握手
2. 异步总线协定 常用的是全互锁异步协定。 1) 特点： 主控器和受控器采用一问一答的方式 工作。因此要求主、受控器分别要发出至 少一个控制信号，通过两者互为因果的交 替变化、一问一答来保证可靠传输。
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4.2.2
总线握手
2) 信号定时图
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4.2.2
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4.2.2
总线握手
*4. 周期分裂式总线协定
——是从提高总线利用率出发提出的。 前三种协定的共同特点是：
在整个总线读/写周期中，总线一直被发出读/写命令 的主控器所控制、占用。
而实际上，并非整个操作周期中都要使用总线，进 行基本操作中的某些步骤时，总线处于空闲状态。
这部分时间的浪费在速度要求很高的多微机系统 中是相当可惜的，为此，提出了周期分裂式协定。
下节
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4.2.2
总线握手
1. 同步总线协定
---最简单、最易实现的一种总线握手技术
1) 特点
总线系统中只用一个时钟信号源作为同步 控制源，其前、后沿分别指明一个总线操作周 期的开始和结束，主、从模块都受它统一控制。
2) 信号定时关系
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4.2.2
总线握手
同步总线的信号定时关系
地址、数据 信号和一些读写 命令信号相对于 CP信号的前沿和 后沿分别要有一 定的建立时间和 保持时间。
• 总线宽度（W）
– 总线的宽度指的是总线能同时传送的数据位数，即我们常说的16 位、32位、64位等总线宽度的概念。 – 在工作频率固定的条件下，总线的带宽与总线的宽度成正比。
• 总线工作频率（f）
– 总线的工作频率即总线的时钟频率，以MHz为单位。 – 它是指用于协调总线上的各种操作的时钟信号的频率。 – 工作频率越高则总线工作速度越快。
第四章 总线与总线标准
4.1 有关总线的基本概念
总线和总线操作
总线分组及功能
总线周期与指令周期、 时钟周期的关系 总线时序
4.1
有关总线的基本概念
4.1.1 总线和总线操作
◆总线 ——在收、发模块/设备间传送信息的一组 公用信号线。 总线的特点在于其公用性，即它同时挂 接多个模块或设备。 ◆总线操作 ——在主控器（如CPU、DMAC等）控制下通过 各级总线进行的信息传送（数据读写）操作。 微机系统中的各种操作大都是总线操作。
1."菊花链"仲裁(串行仲裁)
这种仲裁法又有二线菊花链、三线菊花链、四 线菊花链之分。实际中以三线菊花链应用最广。
1)三线菊花链仲裁原理
总线
总线 仲裁 器
BG BGIN1 C1
BGOUT1 C2 BGIN2
BGOUT2 Cn BGINn
BR BB BCLK(总线时钟)
BB -总线忙 BR-总线请求 BG-总线允许
总线握手
3) 优缺点
优点：数据传输高度可靠 适应性好，多种速度的设备都能在系统 中协调工作，且以各自的最佳速度运行。
缺点：每次总线操作要经2个来回行程，传输 延迟是同步协定的2倍。
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34
4.2.2
总线握手
*3. 半同步总线协定
---综合同步、异步协定两者的优点而产生的
一种混合式总线握手协定。
指令周期——一条指令从取指开始至执行完毕所需的时间。
三种周期关系： 时钟周期 ≤ 总线周期 ≤ 指令周期
7
4.1.4
总线时序
4.1.4
总线时序
——指与完成总线操作有关的地址线、 数据线、读写控制线和时钟线等总线信号相 互之间的定时关系。 ——一般用时序图(波形图)表示。
了解CPU总线的操作时序对于理解和掌握指 令的执行过程十分必要，对于自行设计和开发微 机应用系统更是必不可少的。 （因为任何硬件的设计不仅要保证逻辑功能的 正确，还必须保证各总线信号之间时序上是相配的， 保证定时关系完全正确，否则它们仍将不能正常工 作。）
总线
C1
C2
Cn
总
线 仲 裁 器
BR1 BG1 BR2 BG2 BRn BGn BB BCLK
1)特点：
每个Ci均有自己独立的BR、BG线与总线仲裁器相连。
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23
ຫໍສະໝຸດ Baidu 4.2.1
总线仲裁
2) 仲裁原理
仲裁器直接识别各Ci请求，仲裁后直接向选中的 Ci发BGi；Ci撤消BRi，升起BBi，使BB有效；Ci用完 后，撤消BBi，仲裁器撤消BGi，为下次仲裁作准备。
3) 仲裁器仲裁算法
固定优先级算法
软硬件均可实现，但多用硬件实现
循环优先级算法
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4) 优缺点
优点：响应速度快，适于实时性要求高的多处理机系统使用； 主控器故障只影响自己，不影响全局。 缺点：控制线多，逻辑复杂，故主控器较多时不适用； 仲裁器设计好后，不易扩充。
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4.2.1
总线仲裁
3. 并串行二维仲裁
总线和总线操作 ◆总线操作四阶段及控制
总线 操作 四阶 段
总线请求与获准
寻址 传数
总线握手 总 线 仲 裁
结束（撤出总线）
为了确保这4个阶段正确推进，必须施加 总线操作控制。
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4.1.2
总线分组及功能
4.1.2
总线分组及功能
数据总线DB： 用于把数据送入或送出MPU，为双向总线。
地址总线AB： 用于指定数据送往或来自何处，为MPU发 出的单向总线。
8
(1) 同步式数据输入
总线传输周期
时钟
T1 T2 T3 T4
地址 读 命令 数据
(2) 同步式数据输出
总线传输周期
时钟
T1 T2 T3 T4
地址
数据
写 命令
总线评价指标
• 总线带宽（BW）
– 总线的带宽指的是单位时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每 秒钟传送多少字节。单位是字节/秒（B/s）或兆字节/秒（MB/s）。 – 与总线带宽密切相关的两个概念是总线宽度和总线的工作频率。
同步总线的操作周期应为：
Tbus≥Tsetup+Thold+Taccess
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30
4.2.2
总线握手
3)优缺点
优点： 简单、易实现; 速度快，适于高速运行需要。 （完成一次总线操作只需一个来回行程(读) 或一个单程(写)。） 缺点： 适应性较差。 （时钟频率只能按最慢的模块要求来确定，所有快 速设备都只能迁就最低速设备来运行；而一旦设计 好后，总线上不能再接更低速的设备。） 为解决这一矛盾，较好的办法是采用总线异步握手技术。
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4.2.2
总线握手 1)基本思想： 将读周期分成两个独立的传输子周期，两 者间的空闲时间将总线让给其它主控器。 2)总线定时图(读周期）
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4.2.2
总线握手
3)特点
每个子周期实质上就是一个单方向信息流的"写"周期。
1个M→S 1个读周期=2个分裂的写周期 1个S→M
1个写周期=1个M→S的传输子周期
BR1
总
线 仲 裁 器
BG1
BR2 BG2 IN C1 BB BCLK OUT IN C2 OUT IN C3 OUT IN C4 OUT
去下一 台设备 去下一 台设备
1） 特点
将所有主控器分成若干组，组内串行，组间并行。
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4.2.1
总线仲裁
2）优点 兼具有串行法和并行法的优越性，既
有较好的灵活性、可扩展性，又可容纳较
3
4.1.1
总线和总线操作
同一时刻，一套总线上只能允许在一个 主控模块或设备控制下进行信息传送。 当有多个主控模块/设备都要求使用总 线传输信息时，一方面要分时占用，另一方 面则要进行总线仲裁。 ◆总线操作周期 ——完成一次总线操作所需的时间。 总线操作是按总线周期一个节拍一个节拍 进行的。
4
4.1.1
1） 典型的半同步总线定时图
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4.2.2
总线握手
2） 特点
从宏观上看与异步协定十分相似，靠“时钟” 和“等待”这两个一主一从信号的互锁来控制总线 周期的长短；但从微观上看，又是按同步总线的方 式工作，真正的总线操作过程只在时钟脉冲一个信 号控制下完成。
3） 优点
兼具有同步总线的速度和异步总线的可靠性、适 应性： 对于快速设备就像同步总线一样，只由时钟 信号单独控制，用一个来回行程即可实现主、从模 块之间的成功握手；而对于慢速设备，又像异步总 线一样，利用WAIT控制信号可方便地改变总线的周 期。
18
4.2.1
总线仲裁
2) 仲裁定时图
BB -总线忙 BR-总线请求 BG-总线允许
三线菊花链仲裁协定典型定时图
back
19
4.2.1
总线仲裁
3) 总线时钟线(BCLK)的作用： 控制总线操作速度 限制了链路上允许串入的Ci个数N：
N ≤
TBCLK
Δt
TBCLK 为总线时钟周期
Δt
back
为每个主控模块Ci的平均传输延时
多的设备而不使结构过于复杂，还有较快 的响应速度。
27
4.2.2
总线握手
4.2.2
总线握手
——旨在解决主模块取得总线控制权后，如何 控制每个总线操作周期中数据传送的开始和结束， 以实现主从模块间可靠的寻址和数据传输问题。
常见的总线握手方法： 同步总线协定 异步总线协定 半同步总线协定 周期分裂式总线协定
如果没有总线仲裁，很容易产生总线冲突。 总线冲突：在总线上同时又两个或两个以上的模 块要传送相互矛盾的信息时引起的冲突。
所以换句话说，总线仲裁的目的也就是要防止总线冲突。
16
4.2.1
总线仲裁
常见的总线仲裁协定：
◆ "菊花链"仲裁(串行仲裁) ◆ 并行仲裁
◆ 并串行二维仲裁
下节
17
4.2.1
总线仲裁
读写控制线 数据传输握手线 控制总线CB： 总线判决线 因MPU型号的不同而 不同，正是CB的不同 特性决定了各种MPU 不同的接口特点。
中断控制线
DMA控制线
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4.1.3 总线周期与指令周期、时钟周期的关系 三 种 周 期 内 涵
时钟周期——计算机定时工作的最小时间单位，主 频的倒数。通常称之为一个T状态。 总线周期——主控器对存储器或I/O端口完成一次读/写 操作所需的时间 ，是微机中完成一步完 整操作的最小时间单位。 也叫机器周期。
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4.2.1
总线仲裁
4) 菊花链仲裁的优缺点
简单。无论多少个主控器，均只需3根控制线。 优点： 易于扩充。增加主控设备时，只需挂到总线上 即可。 链路上任一环节发生故障，将阻止其后面的设 缺点： 备获得总线控制权。
链路连好后，优先级结构不能改变，容易出现 "饱饿"不均。 响应速度较慢，系统中能容纳的主控设备数受 时钟频率限制。
– 总线宽度为：W=16位； – 总线频率为：f=10MHz； – 总线带宽：BW=（16/8）*10MHz/4=5MHz;
4.2
总线操作控制
总线仲裁
总线握手
4.2.1
总线仲裁
4.2.1
总线仲裁
——在多个总线控制器同时提出总线请求时，以一 定的优先算法确定哪个应获得对总线的控制权。 目的是确保任何时刻总线上最多只有一个主控器控 制总线，而决不出现多个主控器同时占用总线的现象。
总线评价指标
• 总线带宽的计算公式如下：
BW =（W/8）× f/每个存取周期的时钟数 • 【例】总线时钟频率为100MHz的32位总线，若 每两个时钟周期完成一次总线存取操作，则： • 总线带宽=32/8×100/2=200MB/s。
8088/8086总线性能
• 8088为8位数据总线；8086为16位数据总线； • 假设CPU的主时钟为10MHz，则一个时钟周期为 • T=1/f=1/(10x106)=100ns 所以，一个总线周期至少为4x100ns=400ns； • 则8086计算机的
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4.2.2
总线握手
4) 优缺点
优点： 既能适应慢速设备又能保持快速同步协定的 优点； 在系统总线上有多个主控模块的情况下，可 基本消除总线的空闲等待时间，大大提高总 线利用率，增强系统整体性能。
缺点： 上述优点是以增加主控和受控模块的逻辑复 杂性为代价的； 每个子周期中传输的信息量比通常情况下有 所增加，故对单个主控器或单个总线操作周 期来说，不仅不能加速，反而可能减速。