【教学课件】第8章系统总线.ppt

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1、2023/8/6,1,第8章 系统总线,2023/8/6,2,第8章 系统总线,在现代计算机系统中，无论是在计算机内部各部件之间，还是计算机与外部设备之间，地址、数据、控制信息的传送都是通过总线进行的，总线是信息传送的公共通路。因此，总线也是计算机系统的重要组成部分。本章介绍系统总线，包括系统总线结构，总线的控制和通信方式，信息在总线中的传送方式，微型机的总线标准，以及常用总线举例。,2023/8/6,3,目 录,8.1 总线概述8.2 总线的组成8.3 微机总线,2023/8/6,4,8.1 总线概述,8.1.1 总线原理8.1.2 总线结构类型8.1.3 总线的分类8.1.4 数据总线、地

2、址总线和控制总线,2023/8/6,5,8.1.1 总线原理,总线，也叫母线，是连接计算机系统各个部件和装置的线路，它是一个或多个信息源传送信息到多个目的地的数通路。每一位二进制数码由总线中的一根线来传送，我们称为1位总线。每1位总线都有若干发送端和接收端。在发送端和接收端都设有控制门，分别叫做发送门和接收门。1位总线传输数据的示意图如下图所示。,2023/8/6,6,图中发送端有3个发送门A、B、C，接收端有3个接收门D、E、F，数据可从发送端的任一个发送门发出，可被接收端的一个或几个接收门接收。,2023/8/6,7,同一时刻总线只能传送一个数据，否则总线输出要发生混乱。因此，在发送端应设

3、有判优或仲裁逻辑，当多个数据在发送端要求发送时，由判优或仲裁逻辑选择一个数据发送出去，以保证传送的正确性。在上图中，发送端的A、B、C的3个发送门中，同一时刻只能有一个发送门打开，不能同时打开两个以上的发送门，这叫做发送端的分时性。而接收端没有上述限制，也即可以同时打开几个门。如某一时刻，若端口A作为发送端，则作为接收端的D、E、F这3个门可以同时接收到从A发送门所传送的数据，B和C这两个端口也可以作为接收端接收到从A发送门所传送的数据1位二进制数码。,2023/8/6,8,单总线结构 单总线结构是用一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件，计算机系统的所有设备都挂在这条总线上，各大部件之间的

4、所有的信息传送都通过这组总线。如下图所示。,8.1.2 总线结构类型,2023/8/6,9,所有连接到单总线上的计算机系统部件都共享同一地址空间。I/O设备地址都采取存储器映射方式编址，因而指令系统中没有输入输出指令，任何访问存储器的指令都可以访问连接到总线上的任何设备。单总线采用异步通信方式，其传输速率只与设备固有速率有关，而与总线上其它子系统、总线的物理长度无关。单总线不仅用在处理器级部件间互连，而且也可以用于各单元部件之间的连接。它们都具有标准总线的接口。与总线连接的所有部件是互相独立的，这种总线结构便于系统部件的扩充。,单总线结构的特点,2023/8/6,10,单总线结构的缺陷是系统效

5、率和连接到总线上的各设备的利用率不高。为了克服这一缺陷，在有些小型机和大、中型机中，让I/O总线与内存总线分开，形成了双总线结构。,双总线结构,2023/8/6,11,这种总线结构有两条总线，一条是内存总线，用于CPU、内存和通道之间进行数据传送；另一条是I/O总线，用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。在双总线结构中，通道是计算机系统中的一个独立部件，使CPU的效率大为提高，并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的，通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，所以双总线通常在大、中型计算机中采用。,双总线结构,2023/8/6,12,三总线结构计算机是基于

6、上述思想，在CPU和主存之间设置了一条独立总线，以进一步提高计算机的效率。这种总线结构是在计算机系统的各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是：内存总线，输入/输出（I/O）总线和内存访问（DMA）总线。,三总线结构,2023/8/6,13,内存总线用于CPU和内存之间传送地址、数据和控制信息；I/O总线供CPU和各类外设之间的通信；DMA总线使内存和高速外设之间能够直接传送数据。若再把不同速率的外部设备分类连接建立多条总线，则就是多总线结构了。,2023/8/6,14,数据总线、地址总线和控制总线 根据总线所传输的信息内容的不同，总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。2

7、.片级总线、内部总线和外部总线 根据总线在计算机系统中所处的位置不同，总线又有片级总线、内部总线和外部总线之分。片级总线是指微处理器芯片内各部件的连接总线，内部总线则是指计算机系统中各部分之间的连接总线，内部总线也可称为系统总线或板级总线；外部总线则是指计算机系统间互联的总线，通常称为通信总线。通常所讨论的总线是后面两种。,8.1.3 总线的分类,2023/8/6,15,并行总线和串行总线并行总线：是指一次能同时传送多个二进制数位的总线。并行总线根据其数据总线所传送的二进制位数又可以分为8位总线、16位总线、32位总线和64位总线。串行总线：是指二进制数的各位在一条线上是一位一位传送的。串行总

8、线的传输速度比并行总线慢。CRT、电传打字机、远距离数据采集设备等都采用串行传送方式。,8.1.3 总线的分类,2023/8/6,16,单向总线和双向总线单向总线：数据只能朝一个方向传送的总线。典型的单向总线是地址总线，单向总线仅有一个固定的发送门，接收门可以有多个，如下图所示（图示的发送门有3个信号源）。,8.1.3 总线的分类,2023/8/6,17,双向总线：数据可以朝两个方向传送的总线，典型的双向总线是数据总线，而控制总线的某些位是单向的，另一些位则是双向的。双向总线可以有多个发送门（或收发门）和接收门。,8.1.3 总线的分类,2023/8/6,18,8.1.4 数据总线、地址总线和

9、控制总线,数据总线 数据总线是CPU和存储器、外设之间传送指令和数据的通道，其宽度反映了CPU一次处理、传送的二进制位数。根据数据总线的宽度(条数)，可将微机分成4、8、16、32位等种类。数据总线的特点是：双向传输。例如，在CPU和内存之间的数据线，既可以传送CPU到内存的数据，也可以传送内存到CPU的数据。数据线的数目与计算机字长相同。采用三态电路。,2023/8/6,19,地址总线 地址总线用来给存储器、I/O口编号，以便CPU按地址对其进行读写。因此其作用是传送地址信号，不仅用来传送内存地址，还用来选择将要进行信息传输的设备。地址线的根数反映了微处理器的寻址能力。用n根地址线编址的存储

10、空间可达2n个单元。地址总线的其特点是：单向传输。,2023/8/6,20,控制总线 控制总线的作用是传送CPU的控制信号，控制所要执行的操作的种类和顺序，以协调系统各部件的动作。各种型号的微处理器的数据总线和地址总线在本质上是相同的，但控制总线却有着很大的差别。三组总线中，控制总线最为复杂。控制总线的特点是：单向传输。控制线的数目取决于计算机系统的性能。,2023/8/6,21,控制总线主要包括以下几方面：读写控制线：读写控制线决定数据线上数据流动的方向，以及是存储器读写还是I/O操作。中断信号线：包括可屏蔽中断输入线、非屏蔽中断输入线和中断响应线等。总线控制线：当其它主设备（如DMA控制器

11、）欲使用总线时，通过这类控制线使CPU暂时挂起，放弃对总线的占用。总线控制线一般包括总线请求线和总线响应线。复位线：CPU接收到复位信号，就进行初始化，并以指定的复位入口处开始执行程序。,2023/8/6,22,等待线或准备就绪线：用于CPU与慢速的存储器和I/O设备同步。主控时钟线：产生CPU各种基本操作的时基。其它控制线：如8088/8086的地址锁存允许信号（ALE）等。上述三种总线由微处理器芯片的引脚分别引出。,2023/8/6,23,8.2 总线的组成,总线是从两个或两个以上的源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线，而导线则是仅仅连接一个源部件到一个或多个目的部件的传输线。组成总

12、线，除了要有传输线外，重要的是总线控制线路。由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件，多个接收信息的目的部件，对于发送的信息，必须经过选择判优，避免多个部件同时发送信息的矛盾。还应对传送的信息进行定时，防止信息丢失。这样，总线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑。,2023/8/6,24,8.2 总线的组成,8.2.1 总线驱动和三态门8.2.2 总线控制8.2.3 总线通信8.2.4 出错处理,2023/8/6,25,总线驱动 总线上可连接多个部件，具有扩充的灵活性，总线上能连接多少部件，是受总线的驱动能力的限制的。通常一个模块或一个部件限制在1

13、2个负载以内。在总线的传输线上至少连接两个源部件，而对集成电路来说，不是任意两个集成电路的输出端可以短接在一起的，使用不当，会损坏器件。在计算机系统中，通常采用三态输出电路（三态门）或集极开路输出电路来驱动总线。集极开路输出电路的速度较低，通常使用在I/O总线上。,8.2.1 总线驱动和三态门,2023/8/6,26,三态门 三态门是具有三种输出状态的电路，常用作总线驱动器。有MOS型的三态门和双极型的三态门两种。根据三态门的输出特性以及控制端的方式，常用的三态门有6种，下图表示了6种三态门的逻辑符号和真值表。,2023/8/6,27,各种三态门的逻辑符号和真值表,2023/8/6,28,三态

14、缓冲门是靠“允许/禁止”输入端上加入逻辑“1”或逻辑“0”来禁止其操作的，禁止时，输出阻抗呈现高阻抗状态。用三态门可以设计单向总线或双向总线。如图所示。（总线的驱动器也可以由常用的逻辑门，包括非门、与非门、与或非门来设计）,2023/8/6,29,由于存在多个设备或部件同时申请对总线的使用权，为保证在同一时内只能有一个设备获得总线使用权，需要设置总线判优控制机构。总线判优控制机构按照申请者的优先权选择设备。只有获得了总线使用权的设备或部件，才能开始数据传送。根据总线控制部件的位置，控制方式可以分为集中式控制和分布式控制两种。总线控制逻辑基本集中在一处的（如集中于CPU中），称为集中式总线控制；

15、而总线控制逻辑分散在总线各部件的，称为分散式总线控制。集中式控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，也是本章内容的一个重点。集中式总线的控制方式主要有以下3种：链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。,8.2.2 总线控制,2023/8/6,30,这种总线控制部件在单总线和三总线结构的计算机系统中常常是CPU的一部分，而在双总线结构的计算机系统中，它在I/O总线中，是通道的一部分。,链式查询方式,链式查询方式的电路图如下图所示。,2023/8/6,31,在这种电路中，除一般数据总线D和地址总线A外，在控制总线中有三根线用于总线的控制，它们分别是总线忙（BS）线、总

16、线请求（BR）线和总线同意（BG）线。BS：总线忙/闲状态线，当其有效时，表示总线正被某外设使用。BR：总线请求线，当其有效时，表示至少有一个外部设备要求使用总线。BG：总线同意，当其有效时，表示总线控制部件响应总线请求（BR）。,2023/8/6,32,链式查询方式的优点是：只用很少几根线就能按一定的优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。其缺点是对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么，第i个设备以后的设备都不能进行工作。另外，查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求，优先级较低的设备就可能长期不能使用总线。,2023/8/6,

17、33,计数器定时查询总线控制方式的电路图如下。,计数器定时查询方式,这种总线控制方式的工作原理是：总线上任一设备要求使用总线时，通过“总线请求”（BR）线发出总线请求信号，总线控制器接到请求信号后，在“总线忙”（BS）为复位的情况下，让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发至各设备。每个设备接口都有一个,2023/8/6,34,设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备把“总线忙”（BS）置位，获得了总线控制权。此时，终止计数查询。这种总线控制方式的优点是：由于查询可以被程序控制（计数器的初值可由程序设定），所以优先次序可以方便地改变。另外，这种查询方式不会出现像链

18、式查询那样当某个设备的接口中有关链的电路出现故障时，会影响其他设备使用总线。这种总线控制方式的缺点是：要有一组设备地址线，从而增加了控制线的数量，而且控制也较为复杂。,2023/8/6,35,独立请求总线控制方式的电路图如下图所示。,独立请求总线控制方式,在这种总线控制方式中，每一个共享总线的设备均有一对“总线请求”（BR）和“总线同意”（BG）线。当设备要求使用总线时，便发出“总线请求”信号，总线控制部件中一般有一个排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，当请求的设备排上队，便收到“总线同意”（BG）信号，从而可以使用总线。,2023/8/6,36,同步通信 总线上的部件通过

19、总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号进行同步，这种方式称为同步通信。这个公共的时钟信号可以由总线控制部件发送到每一个部件或设备，也可以每个部件有自己的时钟发生器，但是，它们都必须由CPU发出的时钟信号进行同步。同步通信的优点是具有较高的传输速率，数据传输速度快，总线控制逻辑也比较简单；同步通信适用于总线长度较短、各部件存取时间比较接近的情况。因此带来的缺点是假如总线长度长了，势必降低数据的传输速率。由于总线长度较短，不能及时进行数据通信的有效性检验。,8.2.3 总线通信,2023/8/6,37,利用数据发送部件和数据接收部件之间的相互“握手”信号来实现总线数据传送的方式称为异步通信。在异

20、步通信方式下，允许总线上的各部件有各自的时钟，部件之间的通信不依靠公共的时间标准，而是利用应答方式的“握手”信号来实现。发送部件将数据放到总线上后，经过一定的时间延迟后，便在控制线上发出“数据准备好”信号，而接收部件则应发“数据接收”信号来响应，把此信号送到源部件上，并接收数据。发送部件接收到响应信号后，去除原数据，本次传送结束。异步通信方式的优点是，便于实现不同传输速率部件之间的数据传送，而且对总线长度也没有严格的要求，还能实现数据的有效性检验。缺点是速度一般不如同步通信方式高，而且总线控制逻辑也相对复杂一些。,异步通信,2023/8/6,38,上图示出了某计算机系统的4条控制线：总线请求线

21、、总线同意线、设备回答线和总线忙线的控制信号BRi、BGi、SACK和BSi时序，现在来分析它是属于哪种控制方式的时序图，并分析其控制过程。,总线控制通信时序图,2023/8/6,39,因为没有同步时钟信号，而且有总线请求、总线同意和设备回答信号，所以，这是一种异步双向全互锁的总线控制方式，其控制过程如下：当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线上发出总线请求信号BRi。CPU根据优先原则同意后发出总线同意信号BGi。设备收到BGi有效信号后，下降自己的BRi，使之无效，并上升设备回答信号SACK，证实已收到总线同意信号BGi。CPU接到SACK信号后，下降BGi作为回答。,2023/8

22、/6,40,在总线忙为“0”的情况下，该设备上升BSi，表示设备获得了总线的控制权，成为控制总线的主设备。在设备使用完总线以后，下降BSi和SACK，即释放总线。在上述选择主设备的过程中，现行的主从设备可能正在进行数据传送，在此情况下，一定要等到现行传送结束，现行主设备下降BS信号后，新的主设备才能上升BS信号，获得总线控制权。,2023/8/6,41,数据在总线传送过程中，由于种种原因可能产生错误，有些接收部件具有自动纠错能力，可以自动纠正错误；而有些部件没有纠错能力，但能发现错误，这时它发出“数据出错”信号，向CPU发出中断请求信号，响应中断后，转入出错处理程序进行出错处理。,8.2.4

23、出错处理,2023/8/6,42,8.3 微机总线,总线是构成任何计算机系统的基础，它将影响系统的灵活性、成本、性能和可靠性。由于超大规模集成电路工艺的发展，系统的复杂性也在不断的增加，总线则往往成为提高性能、可靠性和模块化的制约因素。因此在大多数微机系统中推行标准总线技术。标准总线使得总线接口部件标准化，简化了系统设计，缩短了开发时间，降低了开发成本，增加了系统配置的灵活性。下面介绍微型机的常用的标准总线。,2023/8/6,43,8.3.1 工业标准总线ISA8.3.2 微通道总线MCA8.3.3 扩充的工业标准总线EISA8.3.4 局部总线PCI8.3.5 AGP总线8.3.6 通用串

24、行总线USB,8.3 微机总线,2023/8/6,44,ISA(Industry Standard Architecture)即工业标准总线，是IBM公司为其生产的PC系列微型机所制定的总线标准。IBM公司在其微型机发展过程中为PC机、PC/XT机、PC/AT机制定的总线标准分别称作PC总线、PC/XT总线、PC/AT总线。PC/AT总线被许多微机厂商采用，并推出以该总线为基础的386、486微型机。因此，PC/AT总线事实上成为一种微型机总线标准，被叫做工业标准总线，即ISA。,8.3.1 工业标准总线ISA,2023/8/6,45,MCA(Micro Channel Architectur

25、e)是微通道总线，这是IBM公司在1987年4月推出的配套于PS/2微型机上的与ISA总线完全不同的一种总线标准。MCA总线是一种具有32位数据宽度的总线标准，提供成组传送方式，即burst mode。这种方式是当数据开始传送后以几个周期连续传送一组数据的工作方式，其传输率是指它的最高传输率。这种工作方式也叫猝发式或迸发式。,8.3.2 微通道总线MCA,2023/8/6,46,EISA(Extended Industrial Standard Architecture)是对ISA总线的扩充，即扩充的工业标准总线。由Compaq、HP、AST、Epson、NEC等9家公司于1988年联合推出。

26、EISA总线的插槽的外形与ISA总线完全相同，但插槽为两层结构，第一层的引线定义与ISA的一样，共98根引线；第二层的引线是EISA的扩充部分，共90根引线。EISA总线的突出优点是同ISA总线兼容，EISA总线的插槽既可以插ISA总线的扩展板，也可以插EISA总线的扩展板。EISA的开放式的体系结构，使其也有很好的适应性，它的32位的总线结构，数据传输率最高可达32MB/S。EISA总线的寿命周期很短，现在已经被PCI总线取代。,8.3.3 扩充的工业标准总线EISA,2023/8/6,47,PCI(Peripheral Component Interconnect)，直译是外围设备互连，这

27、种总线是时钟同步型输入/输出总线，用于连接微处理器和输入/输出设备。随着微机技术的迅速发展和信息化水平的不断提高，对微机外设的使用性能要求越来越高，特别是对图形显示的高要求，硬盘容量的增大和数据传输率的提高，要求有更高性能的总线。原有的ISA总线和EISA总线显然已不适应。在这种背景下，Intel公司在开发Pentium CPU的过程中，于1992年6月提出了面向个人计算机的输入/输出总线。紧接着，Intel公司又与DEC、IBM等公司一起建立了制定PCI总线规格的团体PCI SIG，制定PCI局部总线标准。,8.3.4 局部总线PCI,2023/8/6,48,适应了外设速度的提高。输入输出总

28、线的数据传输率应当是外设的35倍，PCI总线的数据传输速率能适应多媒体计算机对图形、图像传输的速度要求，也能满足容量在GB级的大容量高速度的硬盘传输数据的要求。PCI总线是在微处理器之外独立工作的，总线时钟和微处理器的外部时钟是分别独立的，并且可以设置多个总线控制器。数据总线和地址总线是多路的，信号线包括总线主控器在内，只有49根，扩展插件是124根。电源电压有+5V和+3.3V两种。,PCI总线的特点,2023/8/6,49,PCI总线与ISA、EISA总线主要性能比较,2023/8/6,50,AGP（Accelerated Graphics Port）是图形加速端口。三维图形应用的发展，对

29、图形加速卡的计算速度提出了越来越高的要求，PCI总线的传送速率也变得紧张起来。为此，AGP总线是在20世纪90年代后期，随着Pentium型PC机的开发而发展起来的，AGP总线不同于通用的PCI局部总线，它是供图形加速卡专用的。它在图形卡与系统内存之间提供了一条直接的访问途径。在Pentium型机及Pentium、Pentium4型PC机中，AGP成为与PCI共存的一种总线标准。,8.3.5 AGP总线,2023/8/6,51,USB的产生 USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是在20世纪90年代中期由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft和

30、NEC等多家美国和日本公司共同提出的一种接口标准。它是为了适应微机系统应用的日益广泛，需要连接的外部设备不断增加，解决微机端口短缺而产生的。我们知道，传统的PC机的主机箱后面板上用于连接键盘、鼠标器、显示器和打印机等常用外部设备的串行端口和并行口只有少量几个。为了能连接日益增多的新外部设备，USB端口和USB总线便应运而生。,8.3.6 通用串行总线USB,2023/8/6,52,USB是一条串行总线 传统的串行端口是各自独立的，例如，键盘端口只能连接键盘，鼠标器端口只能连接鼠标器，它们相互间并不连通。但在USB总线上，各USB端口是互相关联的，除连接自己的外设外，也同时连接到USB提供的4根

31、连线上，其中2根为信号传输线，2根为电源连接线。但是，同其他总线的工作相似，在某一特定的时间，信号传输线只能与某一特定的外设相连通。也就是说，在同一时间内只能有一台外设获得USB的控制权，以确保各台外设传送的信号互不干扰。,USB的性能,2023/8/6,53,USB端口连接的外设可以有两类 区别于传统端口一个端口只能连接一台外设，USB端口连接的外设可以有两类：一类是单个的外设，在USB术语中称为“功能单元”（Function）；另一类是“集线器”（Hub），它带有连接其它外设的USB端口，使USB可经过它再连接到其它外设上。由于集线器具有多路转换的功能，所以不论有多少台外设连到集线器上，在

32、同一时刻只有一台外设可以通过集线器与USB相连。采用集线器之后，USB的拓扑结构将呈现树状结构，其连接的外设总台数可以达到127台。,2023/8/6,54,USB是一种中、低速的数据传输接口，它具有以下特点：USB通过使用集线器转接，使得一台PC机连接的外部设备数多达127台。可提供以下4种数据传输方式，具有很宽的设备适应性。用于键盘、鼠标器或操纵杆的中断输入；适用于打印机、扫描仪或数码相机的批输入；适用于电话信息的实时传输；针对命令或状态信息的控制传输。实现了较高的传输速度。使用4芯软电缆，自带+5V电源。,USB的特点,2023/8/6,55,Microsoft公司在2001年推出的微机

33、操作系统Windows XP已经会完全支持USB 2.0设备。Intel公司也于2002上半年器提供支持USB 2.0的芯片组。可以预见，在不久的将来就会出现真正支持USB 2.0的PC，这将给PC制造商带来新的机遇与挑战。另外，各种外设之间也将可以通过USB互相连通了，一架USB数码相机可以直接向USB打印机传输图片；一部USB扫描仪可以直接向显示器输出图片。现在使用USB的外设越来越多，例如可移动硬盘、各种优盘、数码相机、机顶盒、MP3播放器、数码录音笔等等。根据国际数据集团（IDG）的估计，在不久的将来，USB将会取代现有的串口和并口，成为PC机外设的最重要的标准之一。,USB的现状与前景,2023/8/6,56,第 8 章 结 束The End,谢谢！,