《系统总线》PPT课件

1 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 本章作业 P66 2 4 5 13 14 16 2l 重 点 ：1、 掌 握 有 关 总 线 的 基 本 概 念2、 掌 握 如 何 克 服 总 线 的 瓶 颈3、 掌 握 如 何 对 总 线 进 行 管 理 ， 包 括 判 优 控 制和 通 信 控 制l 难 点 ： 总 线 的 通 信 控 制 ， 既 要 解 决 通 信 双 方 如 何 获知 传 输 的 开 始 和 结 束 ， 又 要 使 通 信 双 方 按 规定 的 协 议 互 相 协 调 配 合 来 完 成 通 信 任 务 。 3一 、 为 什 么 要 用 总 线二 、 什 么 是 总 线三 、 总 线 上 信 息 的 传 送总 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 质串 行并 行 4四 、 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 I/O总 线M总线 主 存 I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O 设 备 2 I/O接 口 I/O接 口 I/O 设 备 n优 点 ： 便 于 增 删 设 备 缺 点 ： CPU工 作 效 率 低 5 单 总 线 （ 系 统 总 线 ）2. 单 总 线 结 构 框 图 CPU 主 存 I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O 设 备 2 I/O接 口 I/O 设 备 n I/O接 口存 在 总 线 冲 突 ， 必 须 设 总 线 判 优 逻 辑PDP-11和 国 产 DJS183机 采 用 63. 以 存 储 器 为 中 心 的 双 总 线 结 构 框 图系 统 总 线 主 存 CPU I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O 设 备 n I/O接 口存 储 总 线国 产 DJS183机 采 用 71.片 内 总 线2.系 统 总 线 芯 片 内 部 的 总 线数 据 总 线地 址 总 线控 制 总 线 双 向 与 机 器 字 长 、 存 储 字 长 有 关单 向 与 存 储 地 址 、 I/O地 址 有 关有 出 有 入计 算 机 各 部 件 之 间 的 信 息 传 输 线存 储 器 读 、 存 储 器 写总 线 允 许 、 中 断 确 认中 断 请 求 、 总 线 请 求 83.通 信 总 线 串 行 通 信 总 线并 行 通 信 总 线传 输 方 式 用 于 计 算 机 系 统 之 间 或 计 算 机 系 统与 其 他 系 统 （ 如 控 制 仪 表 、 移 动 通 信 等 ）之 间 的 通 信 9 CPU 插 板 主 存 插 板 I/O 插 板一 、 总 线 物 理 实 现BUS 主 板 101. 机 械 特 性2. 电 气 特 性3. 功 能 特 性4. 时 间 特 性二 、 总 线 特 性 尺 寸 、 形 状 、 管 脚 数 及 排 列 顺 序传 输 方 向 和 有 效 的 电 平 范 围每 根 传 输 线 的 功 能信 号 的 时 序 关 系 地 址数 据控 制规 定 :输 出 输 入 电 平 1/0 11三 、 总 线 的 性 能 指 标1. 总 线 宽 度2. 总 线 带 宽 （ 标 准 传 输 率 ）3. 时 钟 同 步 /异 步4. 总 线 复 用5. 信 号 线 数6. 总 线 控 制 方 式7. 其 他 指 标 数 据 线 的 根 数 （ b）每 秒 传 输 的 最 大 字节 数 （ MBps）同 步 、 不 同 步地 址 线 与 数 据 线 复 用地 址 线 、 数 据 线 和 控 制 线 的 总 和负 载 能 力并 发 、 自 动 、 仲 裁 、 逻 辑 、 计 数 12 ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模 块 系 统 总线标准 四 、 总 线 标 准系 统 模 块标 准 界 面 13总 线 标 准 数 据 线 总 线 时 钟 带 宽ISA 16 8 MHz（ 独 立 ） 33 MBpsEISA 32 8 MHz（ 独 立 ） 33 MBpsVESA(VL-BUS) 32 32 MHz（ CPU） 133 MBpsPCI 3264 33 MHz（ 独 立 ）64 MHz（ 独 立 ） 132 MBps528 MBpsAGP 32 66.7 MHz（ 独 立 ）133 MHz（ 独 立 ） 266 MBps533 MBpsRS-232 串 行 通 信总 线 标 准 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USB 串 行 接 口总 线 标 准 普 通 无 屏 蔽 双 绞 线带 屏 蔽 双 绞 线最 高 1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.1)480 Mbps (USB2.0) 四 、 总 线 标 准 14l ISA总 线 : (Industry Standard Architecture:工 业 标 准 体 系 结 构 ） 也 称 为 AT标 准 。 l IBM公 司 为 PC/AT电 脑 而 制 定 的 总 线 标 准l 16位 体 系 结 构 ， 只 能 支 持 16位 的 I/O设 备l 数 据 传 输 率 大 约 是 16MB/Sl 1988年 ， 康 柏 、 HP、 NEC等 9个 厂 商 协 同把 ISA扩 展 到 32位 ， 即 EISA总 线(Extended ISA)。 15l ISA总 线 信 号 线 数 ： 98根l EISA总 线 信 号 线 数 ： 143根 16l VESA（ video electronics standard association）l 1992年 由 60家 附 件 卡 制 造 商 联 合 推 出 的 一 种局 部 总 线 ， 简 称 为 VLBUS。l 它 的 推 出 为 微 机 系 统 总 线 体 系 结 构 的 革 新 奠 定了 基 础 。 该 总 线 系 统 考 虑 到 CPU与 主 存 和Cache 的 直 接 相 连 ， 通 常 把 这 部 分 总 线 称 为CPU总 线 或 主 总 线 ， 其 他 设 备 通 过 VL总 线 与CPU总 线 相 连 ， 所 以 VL总 线 被 称 为 局 部 总 线 。 17l 定 义 了 32位 数 据 线 ， 且 可 通 过 扩 展 槽 扩 展 到64 位 ，l 使 用 33MHz时 钟 频 率 ， 最 大 传 输 率 达132MB/s， 可 与 CPU同 步 工 作 。l 是 一 种 高 速 、 高 效 的 局 部 总 线 。l 可 支 持 386SX、 386DX、 486SX、 486DX及 奔腾 微 处 理 器 。 18 19l PCI（ Peripheral Component Interconnect(外 设 部 件 互 连 标 准 )）l 目 前 个 人 电 脑 中 使 用 最 为 广 泛 的 接 口 ， 几乎 所 有 的 主 板 产 品 上 都 带 有 这 种 插 槽 。PCI插 槽 也 是 主 板 带 有 最 多 数 量 的 插 槽 类型 ， 在 目 前 流 行 的 台 式 机 主 板 上 ， ATX结构 的 主 板 一 般 带 有 5 6个 PCI插 槽 ， 而 小一 点 的 MATX主 板 也 都 带 有 2 3个 PCI插 槽 20l 由 Intel公 司 1991年 推 出 的 一 种 局 部 总 线 。l 从 结 构 上 看 ， PCI是 在 CPU和 原 来 的 系 统总 线 之 间 插 入 的 一 级 总 线 ， 具 体 由 一 个桥 接 电 路 实 现 对 这 一 层 的 管 理 ， 并 实 现上 下 之 间 的 接 口 以 协 调 数 据 的 传 送 。 l PCI总 线 也 支 持 总 线 主 控 技 术 ， 允 许 智 能设 备 在 需 要 时 取 得 总 线 控 制 权 ， 以 加 速数 据 传 送 。 21l PCI总 线 是 一 种 不 依 附 于 某 个 具 体 处 理 器 的 局 部总 线 。 l PCI总 线 性 能 ： 支 持 10 台 外 设 总 线 时 钟 频 率 33.3MHz/66MHz 最 大 数 据 传 输 速 率 133MB/s 时 钟 同 步 方 式 与 CPU 及 时 钟 频 率 无 关 总 线 宽 度 32 位 （ 5V） /64 位 （ 3.3V） 能 自 动 识 别 外 设 22l 高 速 性 ： 传 输 速 率 从 132MBps（ 33MHz时 钟 ，32位 数 据 通 路 ） 可 升 级 到 538MBps（ 66MHz时钟 ， 64位 数 据 通 路 ）l 即 插 即 用 性 ： PCI板 卡 的 设 计 者 ， 不 必 关 心微 机 的 哪 些 资 源 可 用 ， 那 些 资 源 不 可 用 ， 也不 必 关 心 板 卡 之 间 是 否 会 有 冲 突 l 可 靠 性 ： ISA总 线 相 比 ， PCI总 线 增 加 了 奇 偶校 验 错 (PERR)、 系 统 错 (SERR)、 从 设 备 结 束(STOP)等 控 制 信 号 及 超 时 处 理 等 可 靠 性 措 施 ，使 数 据 传 输 的 可 靠 性 大 为 增 加 23l 自 动 配 置 ： PCI插 卡 可 以 自 动 配 置 ， 当 PCI插 卡 插入 系 统 ， BIOS将 根 据 读 到 的 有 关 该 卡 的 信 息 ， 结 合系 统 的 实 际 情 况 为 插 卡 分 配 存 储 地 址 、 中 断 和 某 些定 时 信 息 。 l 共 享 中 断 ： PCI总 线 采 用 低 电 平 有 效 方 式 ， 多 个 中断 可 以 共 享 一 条 中 断 线 l 扩 展 性 好 ： 总 线 驱 动 能 力 不 足 时 ， 可 以 采 用 多 级PCI总 线 ， 这 些 总 线 上 均 可 以 并 发 工 作 ， 每 个 总 线上 均 可 挂 接 若 干 设 备 。 24l 多 路 复 用 ： 用 了 地 址 线 和 数 据 线 共 用 一组 物 理 线 路 ， 减 少 了 元 件 和 管 脚 个 数 ，提 高 了 效 率 l 严 格 规 范 ： 对 协 议 、 时 序 、 电 气 性 能 、机 械 性 能 等 指 标 都 有 严 格 的 规 定 ， 保 证了 PCI的 可 靠 性 和 兼 容 性 。 25l Accelerated Graphics Port(图 形 加 速 端 口 ) l 显 示 卡 的 专 用 扩 展 插 槽 ， 它 是 在 PCI图 形 接 口 的 基 础上 发 展 而 来 的 。 严 格 意 义 上 讲 ， AGP并 不 是 一 种 总 线 ，而 是 一 种 接 口 方 式 l 完 全 独 立 于 PCI总 线 之 外 ， 直 接 把 显 卡 与 主 板 控 制 芯片 联 在 一 起 ， 使 得 3D图 形 数 据 省 略 了 越 过 PCI总 线 的过 程 ， 从 而 很 好 地 解 决 了 低 带 宽 PCI接 口 造 成 的 系 统瓶 颈 问 题 l AGP标 准 在 使 用 32位 总 线 时 ， 有 66MHz和 133MHz两 种工 作 频 率 ， 最 高 数 据 传 输 率 为 266Mbps和 533Mbps 。目 前 最 高 规 格 的 AGP 8X模 式 下 ， 数 据 传 输 速 度 达 到了 2.1GB/s l 经 历 了 AGP1.0(AGP1X、 AGP2X)、 AGP2.0(AGP Pro、AGP4X)、 AGP3.0(AGP8X)等 阶 段 26l RS:Recommended Standardl 美 国 电 子 工 业 协 会 EIA（ Electronic Industry Association） 制 定 的 一 种 串 行 物 理 接 口 标 准 。l 数 据 传 输 速 率 为 每 秒 50、 75、 100、 150、 300、600、 1200、 2400、 4800、 9600、 19200波 特 l 设 有 25条 信 号 线 ， 包 括 一 个 主 通 道 和 一 个 辅 助通 道 ， 在 多 数 情 况 下 主 要 使 用 主 通 道 l 采 用 150pF/m的 通 信 电 缆 时 ， 最 大 通 信 距 离 为15m 27l 通 用 串 行 总 线 USB（ universal serial bus）l 由 Intel、 Compaq、 Digital、 IBM、Microsoft、 NEC、 Northern Telecom等 7家 世界 著 名 的 计 算 机 和 通 信 公 司 共 同 推 出 的 一 种 新型 接 口 标 准 。 l 基 于 通 用 连 接 技 术 ， 实 现 外 设 的 简 单 快 速 连 接 ，达 到 方 便 用 户 、 降 低 成 本 、 扩 展 PC连 接 外 设 范围 的 目 的 。 l 允 许 外 设 在 开 机 状 态 下 热 插 拔 28l 最 多 可 串 接 下 来 127个 外 设 到 同 一 系 统 l 传 输 速 率 2.0可 达 480Mbps， 3.0 5Gbps l 可 以 向 低 压 设 备 提 供 5伏 电 源 ， 同 时 可 以减 少 PC机 I/O接 口 数 量 l 能 支 持 多 媒 体 29一 、 单 总 线 结 构单 总 线 （ 系 统 总 线 ） CPU 主 存 I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O 设 备 2 I/O接 口 I/O 设 备 n I/O接 口小 型 或 微 型 机 采 用 301. 双 总 线 结 构具 有 特 殊 功 能 的 处 理 器 ，由 通 道 对 I/O统 一 管 理 通 道 I/O接 口 设 备 n I/O接 口 设 备 0 CPU 主 存 主 存 总 线 I/O总 线二 、 多 总 线 结 构 大 多 用 于 大 、 中 型 计 算 机 系 统 312. 三 总 线 结 构主 存 总 线 DMA总 线 I/O总 线 CPU 主 存 设 备 1 设 备 n高 速 外 设I/O接 口 I/O接 口 I/O接 口任 一 时 刻 只 能 使 用 一 种 总 线 323. 三 总 线 结 构 的 又 一 形 式局 域 网 系 统 总 线CPU Cache局 部 总 线扩 展 总 线 接 口扩 展 总 线 Modem 串 行 接 口SCSI 局 部 I/O控 制 器主 存 334. 四 总 线 结 构 多 媒 体 Modem 主 存扩 展 总 线 接 口 局 域 网SCSICPU 串 行 接 口FAX 系 统 总 线局 部 总 线 高 速 总 线扩 展 总 线图 形 Cache/桥 341. 传 统 微 型 机 总 线 结 构三 、 总 线 结 构 举 例 存 储 器SCSI 控 制 器 主 存 控 制 器ISA、 EISA 8 MHz的 16位 数 据 通 路标 准 总 线 控 制 器33 MHz的 32位 数 据 通 路 系 统 总 线多 媒 体 高 速 局 域 网 高 性 能 图 形 CPU Modem 352. VL-BUS局 部 总 线 结 构33 MHz的 32位 数 据 通 路系 统 总 线ISA、 EISA 多 媒 体 高 速 局 域 网 高 性 能 图 形图 文 传 真 8 MHz的 16位 数 据 通 路标 准 总 线 控 制 器CPU 主 存 控 制 器存 储 器局 部 总 线 控 制 器 SCSI控 制 器VL BUS Modem 363. PCI 总 线 结 构CPU 多 媒 体PCI 桥 高 速 局 域 网 高 性 能 图 形图 文 传 真 PCI 总 线系 统 总 线33 MHz的 32位 数 据 通 路8 MHz的 16位 数 据 通 路ISA、 EISA标 准 总 线 控 制 器 SCSI 控 制 器存 储 器 Modem 374. 多 层 PCI 总 线 结 构 PCI总 线 2存 储 器桥 0 桥 4 PCI设 备 桥 5总 线 桥 桥 3桥 1 设 备桥 2第 一 级 桥第 二 级 桥第 三 级 桥 PCI总 线 4PCI总 线 5PCI总 线 3PCI总 线 1PCI总 线 0存 储 器 总 线 标 准 总 线CPU 38一 、 总 线 判 优 控 制 总 线 判 优 控 制 分 布 式集 中 式 主 设 备 (模 块 ) 对 总 线 有 控 制 权 从 设 备 (模 块 ) 响 应 从 主 设 备 发 来 的 总 线 命 令1. 基 本 概 念 链 式 查 询计 数 器 定 时 查 询独 立 请 求 方 式总 线 上 信 息 传 送启 动 者 392. 链 式 查 询 方 式总线控制部件 I/O接 口 0 BSBR I/O接 口 1 I/O接 口 n BG 数 据 线地 址 线BS 总 线 忙BR 总 线 请 求BG 总 线 同 意接 口特 点 ： 简 单 ， 成 本 低缺 点 ： 对 电 路 故 障 敏 感 40 0 BS 总 线 忙BR 总 线 请 求总线控制部件 数 据 线地 址 线I/O接 口 0 BSBR I/O接 口 1 I/O接 口 n设 备 地 址3. 计 数 器 定 时 查 询 方 式 I/ 接 口 计 数 器 设 备 地 址1 特 点 ： 优 先 级 次 序 可以 改 变 ， 但 改 变 后 固定 ， 对 电 路 故 障 不 敏感 ， 控 制 复 杂 41排 队 器排 队 器4. 独 立 请 求 方 式总线控制部件 数 据 线地 址 线I/O接 口 0 I/O接 口 1 I/O接 口 nBR0 BG0 BR1BG1 BRnBGnBG 总 线 同 意BR 总 线 请 求 特 点 ：响 应 速度 快 ，优 先 次序 控 制灵 活 ；控 制 复杂 42二 、 总 线 通 信 控 制1. 目 的2. 总 线 传 输 周 期 （ 总 线 周 期 ）主 模 块 申 请 ， 总 线 仲 裁 决 定主 模 块 向 从 模 块 给 出 地 址 和 命 令主 模 块 和 从 模 块 交 换 数 据主 模 块 撤 消 有 关 信 息 申 请 分 配 阶 段寻 址 阶 段传 数 阶 段结 束 阶 段 解 决 通 信 双 方 如 何 获 知 传 输 开 始 和传 输 结 束 、 协 调 配 合 问 题 43 由 统 一 时 标 控 制 数 据 传 送充 分 挖 掘 系 统 总 线 每 个 瞬 间 的 潜 力同 步 通 信 异 步 通 信 半 同 步 通 信 分 离 式 通 信 3. 总 线 通 信 的 四 种 方 式采 用 应 答 方 式 ， 没 有 公 共 时 钟 标 准同 步 、 异 步 结 合 44 读命 令同 步 式 数 据 输 入T1 总 线 传 输 周 期T2 T3 T4 时 钟 地 址 数 据 (1) 同 步 通 信 45 数 据 T1 总 线 传 输 周 期T2 T3 T4 时 钟 地 址 写命 令同 步 式 数 据 输 出(1) 同 步 通 信 46同 步 通 信l 优 点 ： 规 定 明 确 、 统 一 ， 模 块 间 配 合 简单 一 致l 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 定要 求 。l 应 用 场 合 ： 总 线 长 度 较 短 、 各 部 件 存 取时 间 比 较 一 致 的 场 合l P61 例 3.1 47 总 线 请 求无 固 定 时 钟 周 期 划 分 ， 总 线 周 期 时 间 由 传 送 实 际 需要 决 定 ； 以 异 步 应 答 方 式 控 制 总 线 传 送 操 作 。 (设 备 CPU) 总 线 批 准 (CPU 设 备 ) 主 同 步 (主 从 ) 从 同 步 (从 主 ) 总 线 周 期 总 线 传 送 （ 时 间 可 变 ） （ 时 间 可 变 ） 总 线 权 切 换(2) 异 步 通 信允 许 各 模 块 速 度 不 一 致 ， 给 设 计 者 充 分 的 灵 活 性 和选 择 余 地 48不 互 锁 半 互 锁 全 互 锁(2) 异 步 通 信 主 设 备从 设 备请求回答 49(3) 半 同 步 通 信同 步 发 送 方 用 系 统 时 钟 前 沿 发 信 号 接 收 方 用 系 统 时 钟 后 沿 判 断 、 识 别（ 同 步 、 异 步 结 合 ）异 步 允 许 不 同 速 度 的 模 块 和 谐 工 作 增 加 一 条 “ 等 待 ” 响 应 信 号 WAIT 50以 输 入 数 据 为 例 的 半 同 步 通 信 时 序T1 主 模 块 发 地 址T2 主 模 块 发 命 令T3 从 模 块 提 供 数 据T4 从 模 块 撤 销 数 据 ， 主 模 块 撤 销 命 令Tw 当 为 低 电 平 时 ， 等 待 一 个 TWAITTw 当 为 低 电 平 时 ， 等 待 一 个 TWAIT 51 读 命 令WAIT 地 址 数 据 时 钟 总 线 传 输 周 期T1 T2 TW TW T3 T4(3) 半 同 步 通 信 （ 同 步 、 异 步 结 合 ）适 用 于 系 统 工 作 速 度 不 高 但 又 包 含 了 由 许 多 工 作 速 度 差 异 较 大的 各 类 设 备 组 成 的 简 单 系 统 52上 述 三 种 通 信 的 共 同 点一 个 总 线 传 输 周 期 （ 以 输 入 数 据 为 例 ） 主 模 块 发 地 址 、 命 令 从 模 块 准 备 数 据 从 模 块 向 主 模 块 发 数 据 总 线 空 闲占 用 总 线不 占 用 总 线占 用 总 线 53(4) 分 离 式 通 信充 分 挖 掘 系 统 总 线 每 个 瞬 间 的 潜 力主 模 块 申 请 占 用 总 线 ， 使 用 完 后即 放 弃 总 线 的 使 用 权从 模 块 申 请 占 用 总 线 ， 将 各 种 信息 送 至 总 线 上一 个 总 线 传 输 周 期子 周 期 1子 周 期 2主 模 块 541. 各 模 块 有 权 申 请 占 用 总 线分 离 式 通 信 特 点充 分 提 高 了 总 线 的 有 效 占 用2. 采 用 同 步 方 式 通 信 ， 不 等 对 方 回 答3. 各 模 块 准 备 数 据 时 ， 不 占 用 总 线4. 总 线 被 占 用 时 ， 无 空 闲 55异 步 并 行 通 信 56 异 步 串 行 通 信 以 一 个 字 符 为 传 输 单 位 ， 用 起 始 位表 示 字 符 的 开 始 ， 用 停 止 位 表 示 字 符 结 束 异 步 串 行 通 信 及 其 协 议 P62 例 3.2 例 3.3 例 3.4 57波 特 率n 串 行 传 输 速 率 也 称 波 特 率 （ Baud Rate）n 每 秒 传 输 的 二 进 制 位 数 bpsn 字 符 中 每 个 二 进 制 位 持 续 的 时 间 长 度 都 一 样 ， 为 数 据传 输 速 率 的 倒 数n 过 去 ， 串 行 异 步 通 信 的 数 据 传 输 速 率 限 制 在 50 bps到 9600 bps之 间 。 现 在 ， 可 以 达 到 115200 bps或 更 高 58 字 符 速 率 与 波 特 率 两 者 关 系 字 符 速 率 ： 每 秒 钟 传 输 的 字 符 数 。波 特 率 ： 指 单 位 时 间 内 传 送 二 进 制 数 据 的位 数 。 单 位 为 ： b/s例 : 异 步 传 输 过 程 设 每 个 字 符 对 应 1个 起 始 位 、 7个 信 息 位 、 1个奇 偶 校 验 位 和 1个 停 止 位 ， 如 果 波 特 率 为 1200bps，那 么 ， 每 秒 钟 能 传 输 的 最 大 字 符 数 为 1200/10120个