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1、第六章第六章 系统总线系统总线 分时与共享是总线的基本特征。分时是指在某一时刻，只允许连接在总线上的各部件中的一个将信息送上总线；共享则是指连接在总线上的各部件都可使用总线进行信息传送。为了能够实现分时与共享，总线上的各部件都是以三态逻辑门电路与总线进行连接，三态逻辑门电路是总线的基本接口。6.1.2 总线的特性 1.物理特性 指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座形状，引脚线的排列方式等。2.功能特性 描述总线中每一根线的功能。从功能上看，总线分为地址总线、数据总线和控制总线。3.电气特性 定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。输入输出的判别标准是以CPU为标准。4.时
2、间特性 定义每根线在什么时间有效。6.1.3 总线的分类 从不同的角度，可对总线做不同的分类。这里给出几种常用的分类方法。按总线连接的部件，可将总线分为：芯片内总线：指连接芯片内各部件的总线。例如CPU芯片内部连接运算器、寄存器等部件的总线。系统总线：指一个计算机系统内连接CPU、主存、I/O接口等部件的总线。这种总线是我们这一章要讨论的重点。I/O总线：指I/O设备之间的连接总线。按信息传送方向，可将总线分为：单向总线：总线上的信息只能沿一个方向传送。双向总线：总线上的信息可沿两个方向传送。按时序控制方式，可将总线分为：同步总线：同步总线设置有统一的时钟信号，总线上的各部件均遵循这个统一的时
3、钟信号，每一次数据传送均占有确定数目的时钟周期。异步总线：异步总线没有设置统一的时钟信号，总线上的各部件均有各自的时间标准，在进行数据传送时，收发双方采用应答信号来进行时间同步。按数据传送格式，可将总线分为：串行总线：串行总线中的数据线只有一根，一次只能传送一位数据。数据只能逐位串行地传送，如要传送8位数据，则必须将8位数据按顺序逐一通过总线传送。串行总线适用于远距离传送。并行总线：并行总线中的数据线有多根，可同时传送多位数据。通常其可同时传送的数据位数是字节的倍数，该位数又被称为总线的宽度，如8位总线、16位总线、32位总线及64位总线，就是指其可同时传送的数据位数分别是8位、16位、32位
4、及64位。并行总线适用于近距离传送。6.1.4 总线的标准化 随着计算机技术的发展与计算机应用的普及，总线的标准化就显得日益重要。有了总线标准，不同厂家生产的相同功能部件，虽然实现方法各不相同，但却可以互换使用，这就为用户提供了多样的选择；有了总线标准，也可大大简化系统设计，提高系统的可靠性和可维护性。制订总线标准的关键是要保证连接部件能够互连和协调工作。总线标准通常是以两种方式推出的：一种是某公司在开发自己的系统时采用的总线标准，被其它厂家所接受，而成为大家共同遵循的标准，即实际的工业界标准；另一种是由国际权威机构或多家大公司联合制订的标准。IEEE就是从事总线标准制订工作的权威机构。PC机
5、中的标准总线从ISA到VESA，再到PCI。6.1.5 总线的性能指标 总线的性能指标主要包括：总线宽度：指可同时传送的数据位数，即数据总线的宽度，这一指标主要是针对并行总线。寻址能力：指地址总线的位数，即由地址总线所能直接寻址的存储空间大小。这一指标主要是针对系统总线。总线周期：总线传送一次数据所需的时间，它的倒数即为总线频率。总线带宽：又称为总线传输率，指单位时间内总线可以传送的数据总量，单位为MB/S。总线负载能力：指总线上所能连接的设备数。例：某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据。假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，求总线带宽是多少？若一个总线周期中
6、并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，求总线带宽。6.1.6 单机系统中的总线结构 在计算机系统中，计算机的各功能部件是通过总线进行连接的，各功能部件如何通过总线进行连接，即为总线结构问题，不同的总线结构将导致计算机系统的性能不同。单机系统中有两种基本的总线结构。单总线结构 单总线结构就是使用一条系统总线来连接CPU、主存及I/O接口。在这种结构中，总线上的任意两个功能部件之间都可以进行数据传输，总线控制简单，系统易于扩展，但由于所有的数据传输都必须通过唯一的通路，所以数据流量受到很大限制，系统速度较慢。多总线结构 多总线结构是根据计算机系统各功能部件的速度不同，用不同的总线将它们连
7、接起来，多总线结构有多种不同的形式，这里给出几种典型的形式。这是具有IOP的多总线结构,在这种结构的计算机系统中，IOP（I/O处理器）是一个专用处理器，专门负责对外设进行管理与控制并实现外设与主机的数据交换，这样可大大减轻CPU的负担，提高CPU的工作效率，从而提高整个系统的效率。这是具有Cache总线和桥接器的多总线结构。它是为了解决主存速度相对于CPU太慢的问题，而在主存与CPU之间增加高速缓冲存储器（Cache），并在CPU与Cache之间设立高速的Cache总线，同时I/O接口不再直接连接在系统总线上，而是连接在扩展总线上，通过桥接器与系统总线相连。桥接器由总线控制器、数据缓冲器及总
8、线加速器等组成，它在系统总线与扩展总线之间起速度缓冲、电平转换和控制协议转换等作用。桥接器使得主机系统与I/O系统分开，互不影响，从而提高了主机系统的速度和I/O系统的可扩展性及灵活性。这是将高速外设与低速外设分开的多总线结构。它将高速外设与低速外设分开，从而使得整个系统的效率、可扩展性及速度都得到提高。PC机采用的就是多总线结构，它是由PCI总线连接高速外设，ISA总线连接低速外设，PCI总线通过北桥与CPU总线相连，而ISA总线是通过南桥与PCI总线相连。6.1.7 总线的内部结构 总线主要由数据总线、地址总线、控制总线、电源线及地线组成。一、数据总线（DB）数据总线用来实现数据的传送，一
9、般为双向总线。数据总线的宽度是系统总线的一个重要指标，根据数据总线的宽度可将系统总线分为8位、16位、32位、64位等。二、地址总线（AB）地址总线用来传送地址信息，以确定所要访问的存储单元或I/O端口。地址总线一般有16位、20位、24位、32位等，地址总线的位数决定了系统总线的寻址能力。地址总线为单向总线。在许多系统总线标准中，为减少总线线数，通常采用地址/数据总线复用技术，即某些线既作为地址线又作为数据线。当然，地址信号和数据信号在复用线上必须分时传送。三、控制总线（CB）控制总线用来传送各类控制（命令）/状态信号。各种不同的总线标准，其数据总线与地址总线的差别都不大，但控制总线却差别巨
10、大，各具特色。按照各种控制信号的作用，大致可将控制总线上的控制信号分为以下几类：读写控制类信号：主要包括读写存储器、I/O端口等的控制信号。总线控制类信号：主要包括总线请求、总线授权等信号。定时控制类信号：主要包括收发双方间的应答同步等信号。中断控制类信号：主要包括中断请求、中断认可等信号。其它控制信号：主要包括时钟信号、系统复位信号等。四、电源线与地线 主要包括各种电源线及地线。当代总线结构把总线分为四个部分：数据传送总线：包括地址线、数据线和控制线。仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。中断和同步总线：包括中断请求和中断认可线。公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电
11、的时序信号线等。6.2 总线接口6.2.1 信息的传送方式 信息的传送有三种方式：串行传送，并行传送和分时传送。一、串行传送 只有一条数据线，采用脉冲传送，按顺序传送一个数据的所有二进制位的脉冲信号，每次一位，先低后高。为定时，指定“位时间”，即指定一个二进制位在传输线上占用的时间长度。二、并行传送 用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线，有多少位就需要多少条传输线，采用电位传送。三、分时传送 包含两个概念:总线复用：某些线上既传地址，又传数据，分时进行。总线共享：共享总线的部件分时使用总线。6.2.2 接口的基本概念 一、接口的定义 接口：是指CPU和主存、外围设备之间
12、通过总线进行连接的逻辑部件。接口在它动态连接的两个部件间起着“转换器”的作用，以实现它们之间的信息传递。由于计算机中的外设种类繁多，因此，接口往往是指主机与外设之间的连接部件，即I/O接口。二、I/O接口的功能 典型的I/O接口通常具有如下功能：控制：可接受程序的指令来控制外设的动作，如：启动设备，关闭设备等。缓冲：作为主机和外设之间的缓冲器，以补偿它们在速度上的差异。状态：监视外设的工作状态并保存状态信息，供CPU查询。转换：可完成各种要求的数据转换，如：串并转换。整理：可完成一些特别的功能，如：修改某个寄存器的内容。中断：向CPU发中断请求。例：利用串行方式传送字符，每秒钟传送的数据位数称
13、为波特率。假设数据传送速率是120字符/秒，每一个字符格式规定包含10个数据位（起始位、停止位、8个数据位），问：传送的波特率是多少？每个数据位占用的时间是多少？6.3 总线的仲裁 总线是由多个功能部件所共享，为保证各部件之间能够正确通信，必须要有一个机构来对总线的使用进行合理的分配和管理，这个机构就叫做总线仲裁机构。*主控方(主方）：指连接在总线上，并获得总线控制权的功能部件。在单机系统中，CPU通常是主控方，此外，DMA控制器也可作为主控方。*从属方（从方）：指连接在总线上，并可由主控方访问的功能部件。在单机系统中，主存只能作为从属方。总线上每个要使用总线的功能部件必须首先向总线仲裁机构申
14、请总线控制权，获得批准后，方可使用总线。总线仲裁机构就是系统总线的管理者。对多个主设备提出的总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。根据总线仲裁机构的设置方式，可将总线仲裁方式分为集中式仲裁与分布式仲裁6.3.1 集中式仲裁 集中式仲裁是指总线仲裁机构集中设置在一处（通常集中于CPU中）。集中式仲裁主要有3种实现方式，即链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式。1链式查询方式总线仲裁机构部件1部件2部件n 在这种方式中，与总线管理有关的只有3根线：总线请求（BR）：该线有效，表示至少有一个功能部件要求使用总线。总线同意（BG）：该线有效，表示总线仲裁机构响应了总线请求。总线忙（BS）
15、：该线有效，表示总线正被某功能部件使用。在链式查询方式中，各功能部件的总线使用优先权是由其在BG链上串接的先后位置决定的，位置在前的部件比位置在后的部件的优先权高，各部件的优先顺序是固定的；此外，这种方式对BG链的故障很敏感，当某一部件出现故障时，可能导致BG信号不再传递，这样一来，该部件之后的部件便无法获得总线的控制权。链式查询方式的最大优点是其用于实现总线管理的线数很少，且可很方便地增加总线上的功能部件。2计数器定时查询方式总线仲裁部件部件1部件2部件n 在这种方式中，总线仲裁机构中设有一个计数器，同时为总线上的每一个功能部件分配一个计数值。总线上的所有功能部件通过公用的“总线请求（BR）
16、”向总线仲裁机构提出总线申请，总线仲裁机构在总线不忙（BS无效）时，让计数器开始计数，计数器的值通过一组线发给各功能部件，有总线请求的功能部件均接收计数器的值，并将该值与分配给自己的计数值做比较，若一致，则表明获得了总线控制权，此时，该部件将使总线忙（BS）信号有效，计数器停止计数，然后就可以使用总线进行数据传送了。在计数器定时查询方式中，计数器可以从0开始计数，也可以从计数器停止时的计数值开始计数。若从0开始，则总线上各功能部件的优先权是按计数值的大小分配的；若从计数器停止时的计数值开始，则总线上各功能部件的优先权是相等的。此外，计数器的初值还可由程序来设置，这样就可方便地改变各功能部件的优
17、先权。计数器定时查询方式的优点是总线上各功能部件的总线使用优先权可灵活改变，某部件的故障不会影响总线控制权的分配；缺点是总线上可连接的功能部件的数目受计数器位数的限制，而且总线控制权的分配速度较慢。3.独立请求方式 在这种方式中，总线上的每个功能部件均有一总线请求（BR）线和一总线同意（BG）线，总线上的功能部件需要获得总线控制权时，便使其总线请求（BRi）信号有效；总线仲裁机构中有一排队电路，该排队电路的输入为各部件的总线请求（BRi）信号，输出为各部件的总线同意（BGi）信号，排队电路根据一定的判优规则决定首先响应哪个部件的总线请求，并使那个部件的总线同意（BGi）信号有效；此时，该部件即
18、获得了总线控制权。独立请求方式的最大优点是总线控制权的分配速度很快，其优先权也可灵活改变；但这种方式用于总线管理的线数很多。6.3.2 分布式仲裁 分布式仲裁是指总线仲裁逻辑分散在总线上的各功能部件中，每个潜在的主控方都可判别自己是否获得了总线控制权。6.4 总线的定时和数据传送模式 6.4.1 总线的定时 总线的一次信息传送过程，大致可分为五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址，信息传送，状态返回。总线上的信息传送必然存在着主从双方如何在时间上进行配合的问题，这就是总线的定时问题。总线的定时方式一般可分为同步定时与异步定时两种。1同步定时方式 同步定时方式是指总线上的主控方与从属方遵循统一的时间
19、标准，即采用统一的时钟进行定时。在第一个时钟周期，主控方给出地址、读命令；经过一个时钟周期（假设从属方的存取时间为1个时钟周期），从属方将读出的数据放到数据总线上；主控方在第三个时钟周期即可取走数据；至此一次读操作结束。在上述操作过程中，主控方与从属方遵循统一的时钟进行操作，无需任何应答信号，因此，时序规整，控制简单。但由于连接在总线上的各功能部件之间的距离不等，速度也有差异，因此，统一时钟必须能满足总线上最长的延迟和最慢的部件，这样一来，必然导致同步定时方式的传输效率较低，时间利用也不灵活；此外，由于主控方与从属方在信息交换过程中无应答信号联系，即使某方出现故障，也不能及时发现，因此，同步定
20、时方式的传送可靠性也比较差。同步定时方式适合于总线长度较短、总线上各功能部件速度比较接近的场合。2.异步定时方式 异步定时方式允许总线上的各功能部件有各自的时间标准，主控方与从属方之间的信息传送以应答方式实现。主控方在地址总线上给出地址信号，在控制线上给出读命令信号，经过一段时间延迟，待信号稳定后，再给出主同步信号MSYN（1）；从属方收到主同步信号MSYN后，即从地址总线、控制线上接收地址及读命令，并按命令要求进行读操作，经过一段时间（从属方的存取时间）后，从属方将读出的数据放到数据总线上，同时给出从同步信号SSYN（2）作为对主同步信号MSYN的回答；主控方收到从属方的从同步信号SSYN后
21、，便知道从属方已按命令要求完成了操作，主控方便从数据总线上取走数据，并撤消主同步信号MSYN（3）及地址、命令信号，作为对从同步信号SSYN的应答；从属方检测到主同步信号MSYN下降后，便知道主控方已取走了数据，便可撤消数据总线上的数据信号，并撤消从同步信号SSYN（4）。至此，一次读操作结束。在上述操作过程中，主控方与从属方没有统一的时钟，它们各自按自己的速度进行操作，操作需时多少是由实际的操作时间决定的，因此，时间利用率较高；此外，由于主控方与从属方在信息传送中采用应答方式，任一方出现故障，都可及时发现，不会导致错误传输，因此，异步定时方式的传送可靠性也比较高。但由于需要应答信号，异步定时
22、方式的控制要比同步定时方式复杂，成本也会高一些。异步定时方式适合于总线长度较长，总线上各功能部件速度差异较大的场合。对于异步通信方式，根据主同步信号与从同步信号的撤消时间是否相关，可分为三种方式：不互锁方式 在这种方式中，主同步信号与从同步信号都必须有一定的时间宽度，但它们的撤消时间由主、从双方各自决定。半互锁方式 在这种方式中，从同步信号必须有一定的宽度，主同步信号的撤消时间是在主控方收到从同步信号时，而从同步信号的撤消时间由从属方自己决定。全互锁方式 在这种方式中，主同步信号的撤消时间是在主控方收到从同步信号时，而从同步信号的撤消时间是在从属方检测到主同步信号撤消时。6.4.2 总线数据传
23、送模式 当代的总线标准大都支持以下四种数据传送模式：读、写操作：读操作是由从方到主方的数据传送，主方给出地址及读命令，从方按命令要求读出一个数据发送给主方。写操作是由主方到从方的数据传送，主方给出地址、数据及写命令，从方按命令要求将主方送来的数据写入从方。块传送操作：主方只给出要传送数据块的起始地址，然后对固定长度的数据一个接一个的读出或写入。对于CPU与主存间的块传送又称为猝发式传送。这种模式其传送效率很高，特别适合高速度、大批量的数据传送。写后读、读修改写操作：写后读是指主方给出地址、数据、写命令，写完之后，马上再发读命令，读出刚写入的数据；这种模式主要用于检查写入数据的正确性。读修改写操
24、作是指主方给出地址、读命令，从方读出数据后，主方马上再对该地址单元进行写入操作，读出操作与写入操作之间不留时间间隔。这种模式主要是为了保持共享存储器中数据的一致性。广播、广集操作：广播是允许一个主方对多个从方进行写操作；广集是允许多个从方的数据在总线上进行“与”或“或”操作之后送给主方。6.5 PCI总线6.5.1 PCI总线概述 PCI总线是一个与处理器无关的高速外围总线，它采用同步时序和集中式仲裁策略，并具有配置能力。PCI采用了总线复用技术，减少了线数，提高了总线利用率。PCI标准有1.0版、2.0版和2.1版，这三个版本的PCI总线分别为32位、32位但可扩展至64位和64位。6.5.2 PCI总线的结构 PCI支持多级结构，可用PCI-PCI桥扩充下级PCI总线，形成一个分级式的PCI总线结构。6.5.3 PCI总线信号 32位PCI总线有124个引脚，每边62个，将其扩展为64位时，将32位的PCI总线扩展槽延长即可，每边增加32位。PCI与ISA不兼容。6.5.4 PCI总线的读/写总线周期 PCI总线以猝发式传送为基本机制，一个猝发式传送周期通常由一个地址周期和若干个数据周期组成。