第三章系統(tǒng)總線3.1總線的基本概念3.2總線的分類3.3總線特性及性能指標(biāo)3.4總線結(jié)構(gòu)3.5總線控制教學(xué)目標(biāo)：了解總線的基本概念及其分類，了解計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)從分散連接發(fā)展成總線連接的原因、方式及各種總線標(biāo)準(zhǔn)。重點(diǎn)：總線的基本概念；如何克服總線的瓶頸；如何對(duì)總線進(jìn)行管理（判優(yōu)控制和通信控制）。難點(diǎn)：總線的通信控制。3.1總線的基本概念一、為什么要用總線二、什么是總線三、總線上信息的傳送總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線是各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì)串行并行四、總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)舉例1.面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)框圖中央處理器CPUI/O總線M總線3.1主存儲(chǔ)器

M.MI/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2……I/O接口I/O接口

外部設(shè)備n單總線（系統(tǒng)總線）2.單總線結(jié)構(gòu)框圖CPUM.MI/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2I/O接口…

外部設(shè)備nI/O接口…3.13.以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總線M.MCPUI/O接口

外部設(shè)備1…

外部設(shè)備nI/O接口…存儲(chǔ)總線3.13.2總線的分類1.片內(nèi)總線2.系統(tǒng)總線芯片內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線雙向與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)單向與存儲(chǔ)地址、I/O地址有關(guān)有出有入計(jì)算機(jī)各部件之間的信息傳輸線存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫總線允許、中斷確認(rèn)中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求3.通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式3.2用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動(dòng)通信等）之間的通信3.3總線特性及性能指標(biāo)CPU插件板M.M插件板I/O插件板一、總線物理實(shí)現(xiàn)BUS1.機(jī)械特性2.電氣特性3.功能特性4.時(shí)間特性二、總線特性尺寸形狀傳輸方向和有效的電平范圍每根傳輸線的功能信號(hào)的時(shí)序關(guān)系3.3地址數(shù)據(jù)控制三、總線的性能指標(biāo)1.總線寬度2.標(biāo)準(zhǔn)傳輸率3.時(shí)鐘同步/異步4.總線復(fù)用5.信號(hào)線數(shù)6.總線控制方式7.其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MB／s）同步、不同步地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和負(fù)載能力并發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)3.3ISAEISAVL-BUSPCI模塊系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)四、總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模塊3.3標(biāo)準(zhǔn)界面ISA

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)EISA增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的總線VESA視頻電子工業(yè)協(xié)會(huì)提出的局部總線，簡(jiǎn)稱VL總線PCI

外圍部件互連總線PCIExpress

AGP

加速圖形接口RS-232C推薦串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)USB通用串行總線，串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)SCSI小型計(jì)算機(jī)接口IEEE1394一種串行接口標(biāo)準(zhǔn)3.4總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線）CPUM.MI/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2I/O接口…

外部設(shè)備nI/O接口…1.雙總線結(jié)構(gòu)具有特殊功能的處理器由通道對(duì)I/O統(tǒng)一管理通道I/O接口設(shè)備n

……I/O接口設(shè)備0

CPU主存主存總線I/O總線二、多總線結(jié)構(gòu)3.42.三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線I/O總線CPU

主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口I/O接口I/O接口……3.43.三總線結(jié)構(gòu)的又一形式3.4局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存4.四總線結(jié)構(gòu)主存擴(kuò)展總線接口局域網(wǎng)SCSI多媒體CPU調(diào)制解調(diào)器串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴(kuò)展總線圖形Cache/橋3.41.傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例存儲(chǔ)器SCSIII控制器主存控制器ISAEISA8MHz16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器33MHz32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線調(diào)制解調(diào)器多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形CPU…3.42.VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)33MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線ISAEISA多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形調(diào)制解調(diào)器圖文傳真8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器CPU主存控制器存儲(chǔ)器局部總線控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……3.43.PCI總線結(jié)構(gòu)CPU多媒體PCI橋高速局域網(wǎng)高性能圖形調(diào)制解調(diào)器圖文傳真PCI總線系統(tǒng)總線33MHz的32位數(shù)據(jù)通路8MHz的16位數(shù)據(jù)通路ISAEISA標(biāo)準(zhǔn)總線控制器SCSIⅡ

控制器存儲(chǔ)器3.44.多層PCI總線結(jié)構(gòu)PCI總線2存儲(chǔ)器橋0橋4PCI設(shè)備橋5總線橋橋3橋1設(shè)備橋2第一級(jí)橋第二級(jí)橋第三級(jí)橋PCI總線4PCI總線5PCI總線3PCI總線1PCI總線0存儲(chǔ)器總線

標(biāo)準(zhǔn)總線CPU3.43.5總線控制一、總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式集中式主設(shè)備(模塊)對(duì)總線有控制權(quán)從設(shè)備(模塊)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來(lái)的總線命令1.基本概念鏈?zhǔn)讲樵冇?jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請(qǐng)求方式2.鏈?zhǔn)讲樵兎绞娇偩€控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線地址線BS

-總線忙BR-總線請(qǐng)求BG-總線同意3.5I/O接口10BS

-總線忙BR-總線請(qǐng)求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址3.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式I/O接口13.5計(jì)數(shù)器設(shè)備地址1排隊(duì)器排隊(duì)器4.獨(dú)立請(qǐng)求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意BR-總線請(qǐng)求3.5二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請(qǐng)，總線仲裁決定主模塊向從模塊給出地址和命令主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)主模塊撤銷有關(guān)信息申請(qǐng)分配階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段解決通信雙方協(xié)調(diào)配合問題3.5由統(tǒng)一時(shí)標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線通信的四種方式采用應(yīng)答方式，沒有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合3.5(1)同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

讀命令數(shù)據(jù)3.5(2)同步式數(shù)據(jù)輸出T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

寫命令數(shù)據(jù)3.5不互鎖半互鎖全互鎖(3)異步通信3.5主設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)求回答(4)半同步通信同步發(fā)送方用系統(tǒng)時(shí)鐘前沿發(fā)信號(hào)

接收方用系統(tǒng)時(shí)鐘后沿判斷、識(shí)別3.5（同步、異步結(jié)合）異步允許不同速度的模塊和諧工作

增加一條“等待”響應(yīng)信號(hào)

WAIT以輸入數(shù)據(jù)為例的半同步通信時(shí)序T1主模塊發(fā)地址T2主模塊發(fā)命令…T3從模塊提供數(shù)據(jù)T4從模塊撤銷數(shù)據(jù)，主模塊撤銷命令Tw

當(dāng)為低電平時(shí)，等待一個(gè)TWAITTw

當(dāng)為低電平時(shí)，等待一個(gè)TWAIT3.5上述三種通信的共同點(diǎn)一個(gè)總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)為例）主模塊發(fā)地址、命令從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)總線空閑3.5占用總線不占用總線占用總線(5)分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力主模塊申請(qǐng)占用總線，使用完后即放棄總線的使用權(quán)從模塊申請(qǐng)占用總線，將各種信息送至總線上一個(gè)總線傳輸周期子周期1子周期23.5主模塊1.各模塊有權(quán)申請(qǐng)占用總線分離式通信特點(diǎn)充分發(fā)揮了總線的有效占用2.采用同步方式通信，不等對(duì)方回答3.各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)，不占用總線4.總線被占用時(shí)，無(wú)空閑3.5典型例題：3.11畫一個(gè)具有雙向傳送功能的總線邏輯圖。3.12設(shè)數(shù)據(jù)總線上接有A、B、C、D四個(gè)寄存器，要求選用合適的74系列芯片，完成下列邏輯設(shè)計(jì)：（1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，在同一時(shí)間實(shí)現(xiàn)D→A、D→B和D→C寄存器間的傳送；（2）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，實(shí)現(xiàn)下列操作：T0時(shí)刻完成D→總線；T1時(shí)刻完成總線→A；T2時(shí)刻完成A→總線；T3時(shí)刻完成總線→B。典型例題：3.14設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為8MHz，一個(gè)總線周期等于一個(gè)時(shí)鐘周期。如果一個(gè)總線周期中并行傳送16位數(shù)據(jù)，試問總線的帶寬是多少？3.16在異步串行傳送系統(tǒng)中，字符格式為：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)校驗(yàn)位、2個(gè)終止位。若要求每秒傳送120個(gè)字符，試求傳送的波特率和比特率。達(dá)標(biāo)練習(xí)：1.信息只用一條傳輸線，且采用脈沖傳輸?shù)姆绞椒Q為______。A.串行傳輸B.并行傳輸C.并串行傳輸D.分時(shí)傳輸答案：A2.系統(tǒng)總線中地址線的功能是______。A.用于選擇主存單元地址B.用于選擇進(jìn)行信息傳輸?shù)脑O(shè)備C.用于選擇外存地址D.用于指定主存和I/O設(shè)備接口電路的地址答案：D達(dá)標(biāo)練習(xí)：3.PCI總線采用A.______仲裁方式，每一個(gè)PCI設(shè)備都有獨(dú)立的總線請(qǐng)求和總線授權(quán)兩條信號(hào)線與B.______相連。答案：A.集中式B.中央仲裁器4.三種集中式總線控制中，______方式對(duì)電路故障最敏感。A.鏈?zhǔn)讲樵傿.計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢C.獨(dú)立請(qǐng)求答案：A達(dá)標(biāo)練習(xí)：5.下面敘述中，______是正確的。A.總線一定要和接口相連B.接口一定要和總線相連C.通道可以替代接口D.總線始終由CPU控制和管理答案：B6.計(jì)算機(jī)使用總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)積木化，同時(shí)______。A.減少了信息傳輸量B.提高了信息傳輸?shù)乃俣菴.減少了信息傳輸線的條數(shù)答案：C

達(dá)標(biāo)練習(xí)：7.描述PCI總線中基本概念不正確的是______。A.PCI總線是一個(gè)與處理器無(wú)關(guān)的高速外圍總線B.PCI總線的基本傳輸機(jī)制是猝發(fā)式傳輸C.PCI設(shè)備不一定是主設(shè)備D.系統(tǒng)中只允許有一條PCI總線答案：D8.按照總線仲裁電路的位置不同，可分為A.______仲裁和B.______仲裁。答案：A.集中式B.分布式

達(dá)標(biāo)練習(xí)：9.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用條件和硬件資源不同，數(shù)據(jù)傳輸方式可采用：A.______傳送、B.______傳送和C.______傳送。答案：

A.并行B.串行C.復(fù)用10.同步控制是______。A．只適用于CPU控制的方式B．只適用于外圍設(shè)備控制的方式C．由統(tǒng)一時(shí)序信號(hào)控制的方式D．所有指令控制時(shí)間都相同的方式

答案：C達(dá)標(biāo)練習(xí)：11.從信息流的傳送效率來(lái)看，______工作效率最低。A．三總線系統(tǒng)B．單總線系統(tǒng)C．雙總線系統(tǒng)D．多總線系統(tǒng)答案：A12.以下描述中基本概念不正確的是______。A．PCI總線是層次總線B．PCI總線采用異步時(shí)序協(xié)議和分布式仲裁策略C．Futurebus+總線能支持64位地址D．Futurebus+總線適合于高成本的較大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)答案：B達(dá)標(biāo)練習(xí)：13.為了