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1、第7章 总线及总线互连结构,7.1 总线的基本概念 7.2 总线控制 7.3 总线接口单元 7.4 总线标准 7.5 总线结构,7.1 总线的基本概念,一、分散连接与总线连接 二、总线的分类 三、总线的特性四、总线的性能指标 五、总线的数据传输方式,一、分散连接与总线连接,计算机五大部件之间的互连方式有两种：分散式连接：各部件之间通过单独的连线连接。总线式连接：各部件均连接到一组公共信息传输上。,一、分散连接与总线连接,典型的冯诺依曼计算机结构框图,一、分散连接与总线连接,单总线结构框图,一、分散连接与总线连接,面向CPU的双总线结构框图,一、分散连接与总线连接,以存储器为中心的双总线结构框图
2、,二、总线的分类,1、片内总线2、系统总线3、通信总线,二、总线的分类,1、片内总线：芯片内部的总线。例如：CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑单元ALU之间的总线。,二、总线的分类,2、系统总线：CPU、主存、I/O（通过I/O接口）设备各大部件的信息传输线。这些部件通常安放在插件板上，故又称为板级总线。按系统传输信息的不同又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。,二、总线的分类,（1）、数据总线：数据总线用来在各功能部件之间传输数据信息，它是双向的传输总线。其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位或32位。数据总线的条数称为数据总线的宽度。（2）、地址总线：地址
3、总线主要用来指出数据总线上源数据或目的数据在主存储单元或I/O端口的地址。地址总线为单向传输，其宽度一般为16位、24位或32位。,二、总线的分类,（3）、控制总线：控制总线是用来传输各种控制信号的传输线。对于任何一条控制信号线而言，信号传输是单方向的，但对于控制总线总体而言，又可以认为是双向的，即控制信号有出有入。控制总线还可以起到监视各部件状态的作用，例如查询某个设备是否处于“忙”或“闲”的状态。,二、总线的分类,常见的控制信号有：时钟（Clock）：用于总线同步。复位（Reset）：初始化所有设备。总线请求（Bus Request）：表明发出该请求信号的设备要使用总线。总线允许（Bus
4、Grant）：表明接收到该允许信号的设备可以使用总线。中断请求（Interrupt Request）：表明某个中断正在请求。中断确认（Interrupt Request）：表明某个中断请求已被接受。,二、总线的分类,存储器读（Memory Read）：从指定的主存单元中读数据到数据总线上。存储器写（Memory Write）：将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。I/O读（I/O Read）：从指定的I/O端口中读数据到数据总线上。I/O写（I/O Write）：将数据总线上的数据写到指定的I/O端口中。,二、总线的分类,3、通信总线：通信总线主要用于计算机系统之间，或计算机系统与其他系统（
5、如控制仪表、移动通信）之间的通信。通信总线由于涉及到通信距离、传输速度、工作方式、外部工作环境等许多方面的因素，因此差别极大，总类也特别多，但按传输方式基本上可以分为并行传输和串行传输两种。,三、总线的特性,1、物理特性 2、电气特性3、功能特性4、时间特性,三、总线的特性,1、物理特性：总线的物理特性是指总线在机械物理连接上的特性。包括：连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列等。,三、总线的特性,2、电气特性：总线的电气特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。通常规定由CPU发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号。地址线一般为输出信号，数据线为
6、双向信号，控制线的每一根都是单向的，有的为输出信号，有的为输入信号。,三、总线的特性,总线的电平表示方式有两种：单端方式和差分方式。在单端电平方式中，用一条信号线和一条公共接地线来传递信号。信号线中一般用高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。差分电平方式采用一对信号线来传输信号。RS-232通讯接口采用单端方式传输，低电平要低于-3V，表示逻辑“1”；高电平要高于+3V，表示逻辑“0”。RS-485、RS-422通讯接口采用差分电平方式传输。,三、总线的特性,3、功能特性：总线功能特性是指总线中每根传输线的功能。如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输数据信息，控制线用来发出控制信息，不
7、同的控制线其功能不同。4：时间特性：总线时间特性是指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间的时序关系。时间特性一般可用信号时序图来说明。,四、总线的性能指标,1、总线宽度：指数据总线的条数，用bit（位）表示。2、标准传输率：指在总线上每秒能传输的最大字节量，用MB/s表示。例如总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位，则其最大传输速率为132MB/s。3、时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线，,四、总线的性能指标,4、总线复用：一个（或一组）物理线路，分时传输不同的信号，称为总线的多路复用。5、信号线数：即地
8、址总线、数据总线和控制总线的信号线之和。6、总线控制方式：如仲裁方式等。7、其他指标：如负载能力等,五、总线的数据传输方式,在计算机总线中，数据传输有两种基本方式：1、串行传输2、并行传输。,五、总线的数据传输方式,1、串行传输：数据在数据线上按位进行传输。只需要一根数据线，线路的成本低，适合于远距离的数据传输。键盘、鼠标，调制解调器等。RS232、P1394、USB总线等。,五、总线的数据传输方式,并串转换：被传送的数据在发送部件中必须进行并行数据到串行数据的转换。串并转换：在接收部件中则需要将串行数据转换成并行数据。码元：携带数据信息的信号单元。波特率（码元传输速率）：每秒钟通过信道传输的
9、码元数。比特率（位传输速率）：每秒钟通过信道传输的二进制位数，单位为位/秒（bps）。比特率大于或等于波特率。,五、总线的数据传输方式,2、并行传输：并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线，因此有多根数据线。并行传输比串行传输速度要快得多，但需要更多的传输线。,7.2 总线控制,一、总线仲裁二、总线通信的定时方式,一、总线仲裁,主设备：指对总线拥有控制权的设备，显然主设备具备总线控制能力。从设备：指对总线不具备控制能力的设备，它只能响应主设备发来的命令，不能主动向总线发出命令或数据。,一、总线仲裁,总线仲裁:指总线控制器根据一定的优先顺序，确定能够使用总线的主设备。总
10、线仲裁可分为集中式和分布式两种。集中式仲裁：将控制逻辑做在一个专门的总线控制器或总线裁决器中，通过将所有的总线请求集中起来利用一个特定的裁决算法进行裁决。分布式仲裁：没有专门的总线控制器，其控制逻辑分散在各个部件或设备中。,一、总线仲裁,集中式仲裁有三种仲裁方式：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式,一、总线仲裁,1、链式查询 当某个主设备需要使用总线时，通过总线请求(BR)发出请求，总线控制器通过总线允许（BG）响应，总线允许采用串联方式传递，即总线允许传到某个设备时，若该设备无总线请求，则总线允许信号往下传，若该设备请求总线使用权，则封锁总线允许信号，不再往下传，从而获得总线使用权,同时
11、使总线忙（BS）有效。特点：控制方法简单，易于扩充；对电路故障敏感；主设备的优先级别由BG的连接顺序决定，不能改变。,一、总线仲裁,链式查询方式 BS（BUS Busy）：总线忙BR（BUS Reguest）：总线请求BG（BUS Grant）：总线允许,一、总线仲裁,2、计数器定时查询：总线控制器接到由总线请求送来的请求后，在总线未被使用（总线忙无效）的情况下，使计数器开始计数，并把计数值作为地址信息发给各主设备，当某个有总线请求的设备地址与该计数值相同时，便获得总线控制权，并将总线忙置为有效，总线控制器停止计数。,一、总线仲裁,计数器定时查询方式 BS（BUS Busy）：总线忙BR（BU
12、S Reguest）：总线请求,总线控制部件,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口2,BS,BR,数据线地址线设备地址,一、总线仲裁,特点：计数器是循环的，故主设备的优先级相等;计数器可以预置为某个值，故可以改变主设备的优先顺序；对电路故障不如链式查询敏感,但需要增加主控制线（设备地址）数。,一、总线仲裁,3、独立请求方式：每个主设备均有一对独立的BRi和BGi控制线，在总线控制器内部有一个排队电路，根据优先次序确定响应哪一个设备。特点：响应速度快，优先次序控制灵活；控制线数量多，总线控制复杂。,一、总线仲裁,独立请求方式 BR（BUS Reguest）：总线请求BG（BUS Grant）：
13、总线允许,二、总线通信的定时方式,总线通信的定时方式有四种：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。,二、总线通信的定时方式,1、同步通信:通信双方由统一时标控制数据传送。特点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。主从模块配合属强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求。对所有模块都用同一限时，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。一般用于总线长度较短，各部件存取时间比较一致的场合。,二、总线通信的定时方式,同步通信（读操作）,二、总线通信的定时方式,同步通信（写操作）,二、总线通信的定时方式
14、,2、异步通信:采用应答方式，即当主模块发出请求信号时，一直等待从模块反馈回来“响应”信号后，才开始通信。异步通信方式可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型。不互锁方式：主模块发出请求信号后，不等待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间，确认从模块已收到请求信号后，便撤消其请求信号；从设备接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并且经过一段时间，确认主设备已收到回答信号后，自动撤消回答信号。,二、总线通信的定时方式,半互锁方式：主模块发出请求信号，待从模块回答后再撤其请求信号；从模块发出回答信号，经过一段时间，确认主设备已收到回答信号后，自动撤消回答信号。全互锁方式：主模块发出请求信号，待从模
15、块回答后再撤其请求信号；从模块发出回答信号，待主模块获知后，再撤消其回答信号。,二、总线通信的定时方式,不互锁,半互锁,全互锁,二、总线通信的定时方式,异步通信（读操作）,二、总线通信的定时方式,3、半同步通信:所有事件都由时钟定时，但信息的交换由就绪和应答等信号控制的通信方式。以读命令为例，若主设备在T1发出地址信号，T2发出读命令后，若从设备无法在T3时刻提供数据，则必须在进入T3时刻前通知主设备，使主设备进入等待状态，如从设备可使WAIT信号有效，主设备在进入T3前检测到WAIT有效后插入等待周期，直到WAIT无效为止。,二、总线通信的定时方式,半同步式通信（读操作）,二、总线通信的定时
16、方式,4、分离式通信:将一个传输周期（或总线周期）分解为两个子周期，第一个周期主模块A将地址信息和读命令信息经系统总线传给从模块B后立即释放总线使用权；模块B准备好数据后申请总线使用权，一旦获准后即通过总线将数据传输给主模块A。显然两个子周期中只有单方向的信息流，而且A、B两个模块均成为主模块。,二、总线通信的定时方式,特点 各模块使用总线必须经过申请；得到总线使用权后应在限定的时间内向对方传送信息，且无须等待对方回答；各模块在数据准备期间不占有总线；总线在占用期间均在有效工作，不存在空闲等待时间。分离式通信技术复杂，一般仅用于大型计算机系统。,7.3 总线接口单元,总线接口:挂接在总线上的部
17、件与总线之间的连接界面。总线接口单元:挂接在总线上的部件中实现总线接口功能的那部分逻辑电路。,7.3 总线接口单元,总线接口单元的基本功能：(1)定时和通信：在同步通信方式下，提供或接收时钟信号，在时钟信号的控制下驱动或采样相应的信号线。在异步方式下，按照握手协议对相应的信号线进行驱动、复位或采样。(2)总线请求和仲裁：根据需要发出总线请求信号。有些部件的总线接口中具有集中方式下的总线控制器，此时还要进行总线裁决。对于分布式裁决，每个总线接口都要参与裁决过程。,7.3 总线接口单元,(3)控制操作：提供命令译码等控制逻辑，以根据总线传送过来的命令启动总线部件进行相应的操作。(4)提供数据缓冲：
18、当总线连接的部件之间有速度差异时，可以在接口中设置一些数据缓冲寄存器，利用这些寄存器使不同速度的部件得到匹配。(5)数据格式转换：当总线连接的部件之间数据格式不同时，可以通过接口进行数据格式转换。例如，串并转换、8位32位转换等。,7.3 总线接口单元,(6)记录状态信息：有些接口还必须能够记录接口本身以及它所挂接的设备的状态。(7)数据传送控制：有些接口还要对数据传送过程进行控制。(8)中断请求和响应：根据需要发出中断请求信号或接收中断请求并给出响应信号。,7.4 总线标准,目前流行的总线标准主要有：ISA总线、EISA总线、VL总线（VESA总线）、PCI总线、SCSI总线、EIA-232
19、-D总线等。,一、ISA总线：,20世纪80年代初期，IBM在推出自己的微机系统IBM PC/XT时，就定义了一种总线结构，称为XT总线。这是8位数据宽度的总线。随着IBM采用80286 CPU，推出IBM PC/AT微机系统，又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线。ISA总线(Industrial Standard Architecture)：即AT总线，它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。,一、ISA总线：,在一段时间内，大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留34个ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位ISA卡。ISA总线插槽有一长一短两个
20、插口。长插口有62个引脚，以A31A1和B31B1表示，分别列于插槽的两面；短插口有36个引脚，以C18C1和D18D1表示，也分别列于插槽的两面。,一、ISA总线：,16位/8位总线，用于286P4数据宽度=16位，总线频率=8MHz，数据传输率=16MB/S,一、ISA总线：,一、ISA总线：,一块16位ISA总线声卡,二、EISA总线,32位总线，用于386（专用）数据宽度=32位，总线频率=8.33MHz，数据传输率=33.3MB/S,三、VL总线（VESA总线）,32位总线，用于486（专用）,是一种局部总线数据宽度=32位，总线频率=33MHz，数据传输率=132MB/S,四、PC
21、I总线,PCI总线(Peripheral Component Interconnect，外围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出，并由PCI SIG(Special Interest Group)来发展和推广。PCI SIG是一个包括Intel、IBM、Compaq、Apple和DEC等100多家公司在内的组织集团。1992年6月推出了PCI 1.0版，1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI 2.1版。由于PCI总线先进的结构特性及其优异的性能，使之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。PCI总线是一个32位/64
22、位总线，且其地址和数据是同一组线，分时复用。在现代PC机(如Pentium系列)主板上一般都有23个PCI总线扩充槽。,四、PCI总线,四、PCI总线,如图所示，是一个由CPU总线、PCI总线及ISA总线组成的三层总线结构。CPU总线也称“CPU-主存总线”或“微处理器局部总线”，CPU是该总线的主控者。此总线实际上是CPU引脚信号的延伸。通过桥芯片(北桥和南桥)，上边与高速的CPU总线相连，下边与ISA总线相连。在上述PCI总线结构中，CPU总线、PCI总线及ISA总线通过两个桥芯片连成一个整体，桥芯片起到信号缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。人们通常将“CPU总线/PCI总线桥”称为“北
23、桥”，称“PCI总线/ISA总线桥”为“南桥”。,四、PCI总线,这种以“桥”的方式将两类不同结构的总线“粘合”在一起的技术特别能够适应系统的升级换代。每当微处理器改变时只需改变CPU总线和改动“北桥”芯片，而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续使用，从而保护了用户的投资。,四、PCI总线,四、PCI总线,PCI总线的显示卡,四、PCI总线,PCI总线的网卡,五、SCSI总线,是一种直接连接外设的并行I/O总线。挂接在SCSI总线上的设备以菊花链的方式相连。每个SCSI设备有两个连接器，一个用于输入，一个用于输出。若干设备连接在一起，一端用一个终结器连接，另一端通过一块SCSI卡连到主
24、机上。,六、EIA-232-D总线,一个广泛使用的串行总线标准是美国电子工业协会（EIA）于1987年制定的EIA-232-D标准，它的前身是EIA在1969年制定的推荐标准RS-232-C。它定义了按位串行传输的数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口信息。当计算机和通信设备（如MODEM和数字传真机）连接时，计算机的串行接口地位等同于数据终端设备。,七、USB总线,在传统的PC机使用中，为了连接显示器、键盘、鼠标及打印机等外围设备，必须在主机箱背后接上一大堆信号线缆及连接器端口，给PC机的安装、放置及使用带来极大的不便。另外，为了安装一个新的外设，除需要关掉机器电源外，还需
25、安装专门的设备驱动程序，否则，系统是不能正常工作的。这也给用户带来不少麻烦。,七、USB总线,USB总线(Universal Serial Bus，通用串行总线)是PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口，它是一个所谓“万能接口”，可以取代传统PC机上连接外围设备的所有端口(包括串行端口和并行端口)，用户几乎可以将所有外设装置包括键盘、显示器、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪及各种数字音影设备，统一通过USB接口与主机相接。同时，它还可为某些设备(如数码相机、扫描仪等)提供电源，使这些设备无须外接独立电源即可工作。,七、USB总线,USB是1995年由称为“USB实现者论坛”(USB Inpl
26、ementer Forum)的组织联合开发的新型计算机串行接口标准。有许多著名计算机公司，如Compaq、IBM、Intel、DEC及Microsoft等均是该联合组织的重要成员。,七、USB总线,八、IEEE 1394,USB总线是一种新型计算机外设接口标准。但USB总线的数据传输主要还是适合于中、低速设备，而对于那些高速外设(如多媒体数字视听设备)就显得有些不够了。IEEE 1394(又称i.Link或Fire Wire)，是由Apple公司和TI(德克萨斯仪器)公司开发的高速串行接口标准，其数据传输率已达100M bps、200M bps、400M bps、800M bps，即将达到1G
27、bps和1.6G bps。而前一时期流行的USB 1.1的通信速率仅为12M bps(2000年问世的USB 2.0的速率也仅为480M bps)。,八、IEEE 1394,USB总线是一种新型计算机外设接口标准。但USB总线的数据传输主要还是适合于中、低速设备，而对于那些高速外设(如多媒体数字视听设备)就显得有些不够了。IEEE 1394(又称i.Link或Fire Wire)，是由Apple公司和TI(德克萨斯仪器)公司开发的高速串行接口标准，其数据传输率已达100M bps、200M bps、400M bps、800M bps，即将达到1Gbps和1.6G bps。而前一时期流行的USB
28、 1.1的通信速率仅为12M bps(2000年问世的USB 2.0的速率也仅为480M bps)。,九、高速图形端口AGP,在一般的PC机中，三维图形卡与主存之间是通过PCI总线进行连接和通信的，其最大数据传输率仅为132MB/S(兆字节/秒)。加之PCI总线还接有其他设备(如硬盘控制器、网卡、声卡等)，所以，实际数据传输率远低于132MB/S。而三维图形加速卡在进行三维图形处理时不仅有极高的数据处理量，而且要求具有很高的总线数据传输率。因此，这种通过PCI总线的连接和通信方式，实际上成了三维图形加速卡进行高速图形数据传送和处理的一大瓶颈。,八、高速图形端口AGP,AGP(Accelerat
29、ed Graphics Port，高速图形端口)是为解决计算机三维图形显示中“图形纹理”数据传输瓶颈问题应运而生的。现在许多PC机系统都增加了AGP功能。AGP是由Intel公司开发，并于1996年7月正式公布的一项新型视频接口技术标准，它定义了一种高速的连通结构，把三维图形控制卡从PCI总线上分离出来，直接连在CPU/PCI控制芯片组”(北桥)上，形成专用的高速点对点通道高速图形端口(AGP)。,八、高速图形端口AGP,九、PCI Express,PCI-Express是最新的总线和接口标准，它原来的名称为“3GIO”，是由英特尔提出的，很明显英特尔的意思是它代表着下一代I/O接口标准。交由
30、PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后才改名为“PCI-Express”。这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。它的主要优势就是数据传输速率高，目前最高可达到10GB/s以上，而且还有相当大的发展潜力。PCI Express也有多种规格，从PCI Express 1X到PCI Express 16X，能满足现在和将来一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求。能支持PCI Express的主要是英特尔的i915和i925系列芯片组。当然要实现全面取代PCI和AGP也需要一个相当长的过程，就象当初PCI取代ISA一样，都会有个过渡的过程。,九、PCI Expre
31、ss,7.5 总线结构,一、单总线结构二、多总线结构,一、单总线结构,将CPU、主存、I/O模块都挂接在一个总线上，CPU与主存、CPU与I/O模块、主存与I/O模块之间的传送都通过一组总线进行。结构简单、便于扩充，但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。,一、单总线结构,单总线结构,二、多总线结构,将速度不同的I/O设备进行分类，然后将它们分别连接在不同的通道上，以提高计算机的性能，由此发展成多总线结构。,二、多总线结构,以主存为中心的双总线结构,二、多总线结构,采用IOP方式的双总线结构,输入/出处理器（IOP）：一种专门用于进行输入/出控制的特殊处理器，它将CPU中大部分I/O控制任务接管过来，从而具有对各种I/O设备进行统一管理的功能。,二、多总线结构,三总线结构,二、多总线结构,传统的三级总线结构,二、多总线结构,高性能多级总线结构,作业,P213 9（第一问）,
