(4.7)--第二章 系统总线计算机组成原理.ppt

2.1 总线的基本概念总线的基本概念2.2 总线的分类总线的分类2.3 总线的特性总线的特性2.4 总线结构总线结构2.5 总线设计要素总线设计要素第第2章章 系统总线系统总线 计算机系统的主要部件（处理器、主存、计算机系统的主要部件（处理器、主存、I/O模块）为了交换数据和控制信号，需要进行模块）为了交换数据和控制信号，需要进行互连，互连，由多条线组成的共享总线是构成计算机由多条线组成的共享总线是构成计算机系统的互连机构系统的互连机构。当代系统中，通常是采用层。当代系统中，通常是采用层次式总线以改善性能。次式总线以改善性能。教学内容教学内容总线概述总线概述、作用、作用总线的基本特性总线的基本特性总线结构总线结构总线仲裁总线仲裁与控制与控制教学要求教学要求u理解：总线的基本概念理解：总线的基本概念u了解：总线的分类了解：总线的分类u掌握：总线的性能指标掌握：总线的性能指标u理解：总线的组织结构理解：总线的组织结构u理解：总线集中仲裁方式理解：总线集中仲裁方式u了解：总线定时控制方式了解：总线定时控制方式u了解：系统总线标准了解：系统总线标准2.1 总线的基本概念总线的基本概念 总线，也叫总线，也叫母线母线，是连接计算机系统各个部件，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据通路。多个目的地的数据通路。总线也总线也是计算机中各个部件之间传送信息的公共是计算机中各个部件之间传送信息的公共通路。在总线上传送的有三类信息：通路。在总线上传送的有三类信息：数据信息数据信息、地地址信息址信息和和控制信息控制信息。内部总线内部总线:CPU内部连接各寄存器及运算部件之间内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。的总线。系统系统总线总线:CPU同计算机系统的其他具有高速传输同计算机系统的其他具有高速传输功能的部件，如存储器、通道等互相的总线。功能的部件，如存储器、通道等互相的总线。I/O总线总线:中、低速中、低速I/O设备之间互相的总线。设备之间互相的总线。根据所处的位置不同，大致分为根据所处的位置不同，大致分为3类：类：2.2 总线的分类总线的分类系系统统总总线线数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB控制总线控制总线CB有出有出 有入有入存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求有出有出 有入有入有出有出总线相关概念总线相关概念总线周期：总线周期：一次总线操作所需要的时间。一次总线操作所需要的时间。总线位宽：总线位宽：总线上同时能传输的数据位数。总线上同时能传输的数据位数。总线工作频率：总线工作频率：协调总线上各种操作的时间频率，协调总线上各种操作的时间频率，总线工作频率越高，总线工作速度就越快。总线工作频率越高，总线工作速度就越快。总线带宽：总线带宽：单位时间内总线上可传输的数据量。总单位时间内总线上可传输的数据量。总线带宽与总线位宽成正比。线带宽与总线位宽成正比。总线带宽总线带宽=(总线位宽总线位宽/8)总线工作频率总线工作频率(MHz)波特率：波特率：每秒钟通过信道传输的二进制位数。每秒钟通过信道传输的二进制位数。比特率：比特率：每秒钟通过信道传输的信息量每秒钟通过信道传输的信息量(有效数有效数据位据位)。猝猝发式数据传输：发式数据传输：在一个总线周期传输存储地址在一个总线周期传输存储地址连续的多个数据。连续的多个数据。总线协议：总线协议：总线通信同步方式规定了实现总线数总线通信同步方式规定了实现总线数据传输的定时规则。据传输的定时规则。消息传输：消息传输：将总线需要传送的数据信息、地址将总线需要传送的数据信息、地址信息和控制信息等合成一个固定的数据结构，信息和控制信息等合成一个固定的数据结构，以猝发方式进行传输。以猝发方式进行传输。主设备：主设备：获得总线控制权的设备。获得总线控制权的设备。从设备：从设备：被主设备访问的设备称。被主设备访问的设备称。2.3 总线特性总线特性 总线在物理上就是主板上的一组排线，通常总线在物理上就是主板上的一组排线，通常使用蚀铜的方式制作在主板上。为了方便设备接使用蚀铜的方式制作在主板上。为了方便设备接入，会在总线上连接入，会在总线上连接处留有处留有相应的扩展接口，一相应的扩展接口，一般称为插槽。般称为插槽。设备接入时只需将设备的导电触片设备接入时只需将设备的导电触片端插入插槽即可。端插入插槽即可。1.总线的特性总线的特性机械特性：机械特性：总线的物理连接方式，包括总线的根数，总总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。功能特性：功能特性：描述总线中每一根线的功能。描述总线中每一根线的功能。电气特性：电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。送入平范围。送入CPU的信号叫输入信号的信号叫输入信号(IN)，从，从CPU发发出的信号叫输出信号出的信号叫输出信号(OUT)。时间特性：时间特性：定义每根线在什么时间有效。规定总线上各定义每根线在什么时间有效。规定总线上各信号有效的时序关系，信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。才能正确无误地使用。2.总线的标准化总线的标准化 相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是在于它们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。系统总线的标准化问题。模块模块系统系统系统系统模块模块标标 准准 界界 面面 系统与各模块、系统与各模块、模块与模块之间有一模块与模块之间有一个互连标准界面，界个互连标准界面，界面对两端的模块都是面对两端的模块都是透明的。透明的。界面的任一方只需根据总线标准的要求完成自身界面的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。连接要求。标准化的要求：标准化的要求：n支持众多性能不同的模块。支持众多性能不同的模块。n支持批量生产，并要质量支持批量生产，并要质量 稳定、价格低廉。稳定、价格低廉。n可替换性、可组合性。可替换性、可组合性。ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB总总线线标标准准3.总线的性能指标总线的性能指标u总线位宽总线位宽：数据总线的根数，又称数据总线的根数，又称总线宽度总线宽度。一般为。一般为2的的整数次幂，通常采用整数次幂，通常采用bit作为单位。作为单位。u信号线数：信号线数：地址总线、数据总线和控制总线所需要的总线地址总线、数据总线和控制总线所需要的总线数。供电等引脚不包含在其中。数。供电等引脚不包含在其中。u总线带宽：总线带宽：单位时间内总线上数据的传输数量，单位时间内总线上数据的传输数量，又称又称总线数总线数据传输率据传输率。单位一般采用。单位一般采用Bps即字节每秒。即字节每秒。u控制方式：控制方式：主要包括并发工作、自动配置、总裁方式、逻辑主要包括并发工作、自动配置、总裁方式、逻辑方式和计数方式等。方式和计数方式等。RS-232和和USB都是串行总线，其他是并行总线。都是串行总线，其他是并行总线。u时钟控制方式：时钟控制方式：总线上的数据与时钟是否同步决定该总线标准总线上的数据与时钟是否同步决定该总线标准是同步总线还是异步总线。是同步总线还是异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。的时钟信号是从数据中提取出来的。例如：例如：SPI、I2C是同步串行总线，是同步串行总线，RS-232则是则是异步串行总线。异步串行总线。总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽ISA168 MHz（独立）（独立）16 MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3233 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）66 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口备（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高最高1.5 Mbps(USB1.0)12 Mbps(USB1.0)480 Mbps(USB2.0)2.4 总线结构总线结构一、单总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线）CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口 用一组总线连接整个计算机系统的各大功能用一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件，所有设备都挂在这条总线上部件，所有设备都挂在这条总线上。（1）所有连接到单总线上的系统部件都共享）所有连接到单总线上的系统部件都共享同一地址空间。同一地址空间。（2）单总线采用异步通信方式，传送速率与）单总线采用异步通信方式，传送速率与设备速率有关，而与总线上其它子系统、总线的设备速率有关，而与总线上其它子系统、总线的物理长度无关。物理长度无关。（3）单总线不仅用在处理器级部件间互连，而）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。且也可以用于各单元部件之间的连接。（4）与总线连接的所有部件是互相独立的，这）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。种总线结构便于系统部件的扩充。缺点：缺点：极容易形成计算机系统的瓶颈，极容易形成计算机系统的瓶颈，低速设备低速设备与高速设备之间的访问速度差，所以无法通过提高总与高速设备之间的访问速度差，所以无法通过提高总线带宽的方法加以解决。线带宽的方法加以解决。1.双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器，具有特殊功能的处理器，由通道对由通道对I/O统一管理统一管理通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存主存总线主存总线I/O总线总线二、多总线结构二、多总线结构 为了进一步提高为了进一步提高CPU与与I/O系统的并行性，系统的并行性，往往由往往由输入输出处理机（输入输出处理机（IOP）来组织来组织I/O设设备。备。IOP的作用：一方面与众多外设相连，的作用：一方面与众多外设相连，另一方面又与主存设备相连。另一方面又与主存设备相连。2.面向面向 CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图 中央处理器中央处理器 CPUI/O总线总线M总总线线主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 设备设备n 由于由于CPU工作期间要不断地取指令、工作期间要不断地取指令、取操作数、送结果，取操作数、送结果，CPU与主存之间的信与主存之间的信息流量特别大，因此在最繁忙的部件之间息流量特别大，因此在最繁忙的部件之间增加一组总线，即存储总线。增加一组总线，即存储总线。3.以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线系统总线 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线 低速低速I/O设备被低速设备被低速I/O总线管理，总线管理，用一个用一个通道通道的部件进行的部件进行信息信息管理管理；通道、主存和通道、主存和CPU接入高速接入高速的主存总线的主存总线，或者开辟主存与，或者开辟主存与CPU直接相连，减少直接相连，减少系统总线的负担。双总线系统总线的负担。双总线有效的解决了单总线结构有效的解决了单总线结构带来的瓶颈问题。带来的瓶颈问题。优点：优点：增加通道设备为代价，通道实际上是一增加通道设备为代价，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、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。中型计算机中采用。4.三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口 在在CPU和主存、主存与和主存、主存与I/O设备之间设置了一设备之间设置了一条独立总线，以进一步提高计算机的效率。这三条条独立总线，以进一步提高计算机的效率。这三条总线是：总线是：主存总线主存总线，输入输入/输出输出（I/O）总线和）总线和内存内存访问访问（DMA）总线。）总线。在双总结构的基础上，充分考虑计算机系统各在双总结构的基础上，充分考虑计算机系统各个组成部件的速度特征，进行再一次的划分。高速个组成部件的速度特征，进行再一次的划分。高速设备、中速设备和低速设备进行聚合式的隔离。设备、中速设备和低速设备进行聚合式的隔离。主存总线：主存总线：用于用于CPU和内存之间传送和内存之间传送地址、数据和控制信息。地址、数据和控制信息。I/O总线：总线：CPU和各类外设之间的通信。和各类外设之间的通信。DMA总线：总线：主存和高速外设之间能够主存和高速外设之间能够直接传送数据。直接传送数据。5.三总线结构的变形三总线结构的变形局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存 在处理器与在处理器与Cache之间有一条局部总线，它将之间有一条局部总线，它将CPU与与Cache或与更多的局部设备连接。或与更多的局部设备连接。Cache不仅与局部总线相连，还与系统总线相不仅与局部总线相连，还与系统总线相连，这样连，这样Cache可以直接与主存传输信息，而且可以直接与主存传输信息，而且I/O设备与主存也可以直接进行信息交换。设备与主存也可以直接进行信息交换。6.四总线结构四总线结构多媒体多媒体 Modem主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSICPU串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥 增加了一条高速总线，载着各种高速设备，例增加了一条高速总线，载着各种高速设备，例如：网卡、显卡、硬盘等。这些高速设备的运行速如：网卡、显卡、硬盘等。这些高速设备的运行速度远远大于扩展总线上的低速设备，又略低于主存度远远大于扩展总线上的低速设备，又略低于主存和局部总线上的设备。和局部总线上的设备。同时同时Cache桥成为整个总线系统的运行核心，桥成为整个总线系统的运行核心，通过它通过它使得使得各种高速设备同主存、各种高速设备同主存、CPU更加紧密更加紧密地地整合到一起。整合到一起。计算机系统级总线结构的发展就是根据计算机系统级总线结构的发展就是根据设设备速度不断划分备速度不断划分的过程。随着各种相关技术的的过程。随着各种相关技术的发展，每当设备速度发生一次较大的飞跃都会发展，每当设备速度发生一次较大的飞跃都会出现一种较为新颖的出现一种较为新颖的架构架构。飞跃发展来飞跃发展来提升计算机系统的工作效率，提升计算机系统的工作效率，消除系统级别总线结构不当带来的瓶颈。消除系统级别总线结构不当带来的瓶颈。心灵鸡汤心灵鸡汤 每一日所付出的代价都比前一日高，因每一日所付出的代价都比前一日高，因为你的生命又减少了一天，所以每一日都要为你的生命又减少了一天，所以每一日都要更努力。今天太宝贵了，不应该为酸苦的忧更努力。今天太宝贵了，不应该为酸苦的忧虑和辛涩的悔恨所侵蚀，抬起头来，抓住快虑和辛涩的悔恨所侵蚀，抬起头来，抓住快乐的时光奔跑吧。乐的时光奔跑吧。2.5 总线设计要素总线设计要素 在设计总线时，主要考虑总线仲裁在设计总线时，主要考虑总线仲裁机制、定时方式、数据传输模式、宽度机制、定时方式、数据传输模式、宽度和复用等。和复用等。总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定接收信息的部件等一些列问题都需要由总线控制接收信息的部件等一些列问题都需要由总线控制器统一管理。器统一管理。一一.总线仲裁总线仲裁 挂载到总线上的设备一般分为挂载到总线上的设备一般分为主设备主设备和和从设从设备备。当有多个主设备希望。当有多个主设备希望同时同时获得总线获得总线使用使用权，权，就产生了碰撞冲突就产生了碰撞冲突，总线总线控制控制机制必须对这种情机制必须对这种情况进行明确的规定，设立一定的仲裁机制来决定况进行明确的规定，设立一定的仲裁机制来决定将控制权分配给哪个设备。将控制权分配给哪个设备。仲裁方法主要仲裁方法主要有有集中式集中式与与分分布布式式。集中式：集中式：总线控制逻辑基本集中在一处的（如集总线控制逻辑基本集中在一处的（如集中于中于CPU中）。中）。在集中式控制中，一个称为在集中式控制中，一个称为总线控制器总线控制器或者或者仲裁仲裁器的硬件设备器的硬件设备负责分配总线时间。这个设备可以是独负责分配总线时间。这个设备可以是独立的模块，也可以是立的模块，也可以是CPU的一部分。的一部分。分布式：分布式：总线控制逻辑分散在总线各部件之间。总线控制逻辑分散在总线各部件之间。没有没有中央控制器中央控制器，而是在每个模块中包含访问控制逻辑，而是在每个模块中包含访问控制逻辑，这些模块共同作用，共享总线。这些模块共同作用，共享总线。分分布布式式表示表示每个设备中都建立仲裁竞争机制，发每个设备中都建立仲裁竞争机制，发生冲突时自行解决问题。生冲突时自行解决问题。每次准备发起传输时，先检测总线占用情况。主每次准备发起传输时，先检测总线占用情况。主要通过检测总线状态信号线的电平状态来判定。一旦要通过检测总线状态信号线的电平状态来判定。一旦发现总线占用则进入等待处理模块，发现总线占用则进入等待处理模块，也也可以进行等待可以进行等待后再次尝试和直接挂起传输任务。后再次尝试和直接挂起传输任务。集中式控制是集中式控制是单总线单总线、双总线双总线和和三总线三总线结构计算机主要采用的方式，也是本章内容结构计算机主要采用的方式，也是本章内容的一个重点。的一个重点。集中式总线的控制方式主要有以下集中式总线的控制方式主要有以下3种：种：链式查询方式链式查询方式、计数器定时查询方式计数器定时查询方式和和独立独立请求总线控制方式请求总线控制方式。1.链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求BG总线同意总线同意I/O接口接口1 链式查询方式的总线控制器使用三根控制线与链式查询方式的总线控制器使用三根控制线与所有部件和设备相连，这三根控制线是：所有部件和设备相连，这三根控制线是：总线请求总线请求（BR）、总线忙（）、总线忙（BS）、总线批准（）、总线批准（BG）BS：总线忙总线忙/闲状态线，当其有效时，表示总线闲状态线，当其有效时，表示总线正被某外设使用。正被某外设使用。BR：总线请求线，当其有效时，表示至少有一总线请求线，当其有效时，表示至少有一个外部设备要求使用总线。个外部设备要求使用总线。BG：总线同意，当其有效时，表示总线控制部总线同意，当其有效时，表示总线控制部件响应总线请求（件响应总线请求（BR）。）。优点：只用很少几根线就能按一定的优先次序来优点：只用很少几根线就能按一定的优先次序来实现总线控制，并很容易扩充。实现总线控制，并很容易扩充。缺点：对查询链的故障很敏感，如果第缺点：对查询链的故障很敏感，如果第i个部件个部件中的查询链电路有故障，那么第中的查询链电路有故障，那么第i个以后的部件都不个以后的部件都不能工作。能工作。另外，因为查询的优先级是固定的，所以若优先另外，因为查询的优先级是固定的，所以若优先级较高的部件出现频繁的总线请求时，优先级较低的级较高的部件出现频繁的总线请求时，优先级较低的部件就可能会难以得到响应。部件就可能会难以得到响应。0BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址2.计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1 工作原理：总线上任一设备要求使用总线时，通工作原理：总线上任一设备要求使用总线时，通过过“总线请求总线请求”（BR）线发出总线请求信号，总线线发出总线请求信号，总线控制器接到请求信号后，在控制器接到请求信号后，在“总线忙总线忙”（BS）为复为复位的情况下，让计数器开始计数，计数值通过一组地位的情况下，让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发至各设备。址线发至各设备。每个设备都有一个地址判别电路，当地址线上的每个设备都有一个地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备把计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备把“总总线忙线忙”（BS）置位，获得了总线控制权。此时，终止）置位，获得了总线控制权。此时，终止计数查询。计数查询。优点：查询可以被程序控制（计数器的初值可优点：查询可以被程序控制（计数器的初值可由程序设定），所以优先次序可以自由改变。由程序设定），所以优先次序可以自由改变。另外，当某个设备接口电路出现故障时，不会另外，当某个设备接口电路出现故障时，不会影响其他设备使用总线。影响其他设备使用总线。缺点：需要有一组设备地址线，从而增加了控缺点：需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。制线的数量，而且控制也较为复杂。排队器排队器排队器排队器3.独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意BR总线请求总线请求 每一个共享总线的设备均有一对每一个共享总线的设备均有一对“总线请求总线请求”（BR）和和“总线同意总线同意”（BG）线，当设备要求使）线，当设备要求使用总线时，便发出用总线时，便发出“总线请求总线请求”信号。信号。总线控制部件中一般有一个排队电路，根据一定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，便收到设备排上队，便收到“总线同意总线同意”（BG）信号，从信号，从而可以使用总线。而可以使用总线。优点：响应速度快，优先次序控制灵活。优点：响应速度快，优先次序控制灵活。缺点：控制线数量多，电路复杂，实现起来困难。缺点：控制线数量多，电路复杂，实现起来困难。二、总线定时二、总线定时1、目的：、目的：解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题2、总线传输过程：、总线传输过程：请求总线、总线仲裁、寻址、请求总线、总线仲裁、寻址、信息传输、状态返回。信息传输、状态返回。主模块主动申请总线使用权主模块主动申请总线使用权主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤消有关信息撤消有关信息 总线请求总线请求寻址阶段寻址阶段信息传输信息传输状态返回状态返回总线仲裁决定哪个设备获得权力总线仲裁决定哪个设备获得权力总线仲裁总线仲裁由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每个瞬间总线每个瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3.总线通信的四种方式总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步同步、异步结合异步结合 读读命令命令(1)同步式数据输入同步式数据输入T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 数据数据主设备向从设备读出主设备向从设备读出时序时序主设备主设备从设备从设备T1上升沿触发出从设备地址，并送上上升沿触发出从设备地址，并送上地址总线地址总线地址被选中地址被选中T2上升沿触发出读命令，通过控制总上升沿触发出读命令，通过控制总线或者信号线发出线或者信号线发出接受读命令，从设接受读命令，从设备被激活开始将数备被激活开始将数据送到数据总线上据送到数据总线上T3从数据总线上读入从设备送来的数从数据总线上读入从设备送来的数据，通常情况下，这些数据被存储据，通常情况下，这些数据被存储于主设备端的数据缓冲寄存器中于主设备端的数据缓冲寄存器中稳定数据输出稳定数据输出T4撤销读命令后撤销地址信号，完成撤销读命令后撤销地址信号，完成数据传输过程数据传输过程撤销数据，完成传撤销数据，完成传输，数据总线上呈输，数据总线上呈现高阻状态现高阻状态 数据数据(2)同步式数据输出同步式数据输出T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令主设备向从设备写入主设备向从设备写入时序时序主设备主设备从设备从设备T1上升沿触发出从设备地址，上升沿触发出从设备地址，并送上地址总线。主设备将并送上地址总线。主设备将数据开始送上数据总线数据开始送上数据总线地址被选中地址被选中T2上升沿触发出写命令，通过上升沿触发出写命令，通过控制总线或者信号线发出控制总线或者信号线发出接受写命令，从设备被激活开接受写命令，从设备被激活开始将数据总线上的数据写入自始将数据总线上的数据写入自身的数据缓冲寄存器身的数据缓冲寄存器T3稳定数据输出稳定数据输出持续读入数据工作。一般情况持续读入数据工作。一般情况下会开始将数据缓冲寄存器中下会开始将数据缓冲寄存器中的数据写入指定单元的数据写入指定单元T4撤销写命令后撤销地址信号，撤销写命令后撤销地址信号，完成数据传输过程完成数据传输过程撤销操作完成传输，数据总线撤销操作完成传输，数据总线上呈现高阻状态上呈现高阻状态同步通信特点同步通信特点 总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号进行同步。个公共的时钟信号进行同步。这个公共的时钟信号可以由总线控制部件发送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，它们都必须由钟发生器，但是，它们都必须由CPU发出的时钟信发出的时钟信号进行同步。号进行同步。优点：具有较高的传输速率，数据传输速度快，优点：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。总线控制逻辑也比较简单。适用于总线长度较短、各部件存取时间比较接适用于总线长度较短、各部件存取时间比较接近的情况。近的情况。缺点：假如总线长度长了，势必降低数据的传缺点：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。信的有效性检验。不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁（3）异步通信）异步通信主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答单机单机多机多机网络通信网络通信 异步通信利用数据发送部件和数据接收部件异步通信利用数据发送部件和数据接收部件之间的相互之间的相互“握手握手”信号来实现总线数据传送。信号来实现总线数据传送。允许总线上的各部件有各自的时钟，部件之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，而是利用应答间的通信不依靠公共的时间标准，而是利用应答方式的方式的“握手握手”信号来实现。信号来实现。必须在传输起始和结束处加上标志，即加上必须在传输起始和结束处加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收方能够正确地区分开始位和停止位，以便使接收方能够正确地区分开各个码字。开各个码字。优点：便于实现不同传输速率部件之间的数据优点：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。现数据的有效性检验。缺点：速度一般不如同步通信方式高，而且总缺点：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。线控制逻辑也相对复杂一些。(4)半同步通信半同步通信同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别（同步同步、异步异步 结合）结合）异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号WAIT 读读 命令命令WAIT 地址地址 数据数据 时钟时钟总线传输周期总线传输周期T1T2TWTWT3T4半同步通信（同步、异步半同步通信（同步、异步 结合）结合）T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模块提供数据T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw 当当WAIT 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TTw 当当 WAIT 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 T三种通信的共同点三种通信的共同点一个总线传输周期（以输入数据为例）一个总线传输周期（以输入数据为例）主模块发地址主模块发地址、命令、命令 从模块准备数据从模块准备数据 从模块向主模块发数据从模块向主模块发数据总线空闲总线空闲占用总线占用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线2.6 实例分析实例分析例例1：假设总线的时钟频率为：假设总线的时钟频率为100MHz，总线的，总线的传输周期为传输周期为4个时钟周期，总线的宽度为个时钟周期，总线的宽度为32位，位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？输率，可采取什么措施？解：根据总线时钟频率为解：根据总线时钟频率为100MHz，得：，得：1个时钟周期为个时钟周期为1/100MHz 0.01 s。总线传输周期为总线传输周期为0.01 s4 0.04 s。由于总线的宽度为由于总线的宽度为32位位 4B(字节字节)。故总线的数据传输率为故总线的数据传输率为4B/(0.04 s)100MB/s 若想提高一倍数据传输率，可以在不改变总若想提高一倍数据传输率，可以在不改变总线时钟频率的前提下，使数据线宽度改为线时钟频率的前提下，使数据线宽度改为64位，位，也可以仍保持数据宽度为也可以仍保持数据宽度为32位，但使总线的时钟位，但使总线的时钟频率增加到频率增加到200MHz。例例2：在一个：在一个16位的总线系统中，若时钟频率为位的总线系统中，若时钟频率为100MHz，总线数据周期为，总线数据周期为5个时钟周期传输个时钟周期传输1个个字。试计算总线的数据传输率。字。试计算总线的数据传输率。解：时钟频率为解：时钟频率为100MHz，所以所以1个时钟周期个时钟周期=1/100 s=0.01s 5个时钟周期个时钟周期=50.01 s=0.05s 数据传输率数据传输率=16bit/0.05s=40106B/s例例3：某总线在一个总线周期中并行传送：某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数个字节的数据，假设一个总线周期等于一个时钟周期，总线时钟据，假设一个总线周期等于一个时钟周期，总线时钟频率为频率为66MHz，问总线带宽是多少？影响总线带宽，问总线带宽是多少？影响总线带宽的主要因素是什么？的主要因素是什么？解：设总线带宽为解：设总线带宽为Dr，总线时钟周期为，总线时钟周期为T，总线时，总线时钟频率为钟频率为f，一个总线周期传送的数据量为，一个总线周期传送的数据量为D。已知已知f=66MHz，D=4B 根据总线带宽定义，根据总线带宽定义，Dr=D/T=Df=4B66106/s=264MB/s 总线带宽是总线能够提供的数据传总线带宽是总线能够提供的数据传送速率，通常用每秒钟传送多少字节数送速率，通常用每秒钟传送多少字节数来表示。来表示。影响总线带宽的主要因素有：总线影响总线带宽的主要因素有：总线宽度、传送距离、总线发送和接收电路宽度、传送距离、总线发送和接收电路工作频率限制以及数据传送形式。工作频率限制以及数据传送形式。例例4：在异步串行传输系统中，假设每秒传输：在异步串行传输系统中，假设每秒传输120个数个数据帧，其字符格式规定包含了据帧，其字符格式规定包含了1个起始位，个起始位，7个数据位、个数据位、1个奇校验位、个奇校验位、1个终止位，计算波特率。个终止位，计算波特率。解：根据题目给出的字符格式，一个帧包含解：根据题目给出的字符格式，一个帧包含 1+7+1+1=10位位 波特率：波特率：(1+7+1+1)120=1200bps=1200波特率波特率生活小知识生活小知识bps：位位/每秒，通常对于串行总线设备使用每秒，通常对于串行总线设备使用bps为单位，为单位，如串口，如串口，USB口，以太网总线等。口，以太网总线等。Bps：字节字节/每秒，通常对于并行总线设备使用每秒，通常对于并行总线设备使用Bps为单为单位，如并口，位，如并口，IDE硬盘等硬盘等 时钟频率：时钟频率：66MHz表示表示66兆赫兹；兆赫兹；M读作读作“兆兆”，但代表的却不是中国传统计量单位中的一兆。但代表的却不是中国传统计量单位中的一兆。M原意为英语中原意为英语中Million，中文意为百万，中文意为百万(100,0000)，6个个0，所以是，所以是106。1MHz=1000000Hz8B66(106)Hz=8B661MHz33MHz/332b=11MHz4B=44MB/s b=bit，表示，表示“位位”或或“比特比特”B=Byte，表示，表示“字节字节”1 Byte=8 bit生活小知识生活小知识时钟频率：时钟频率：1GHz=1000MHz，1MHz=1000KHz，1KHz=1000Hz时钟周期：时钟周期：s(秒秒)、ms(毫秒毫秒)、s(微秒微秒)、ns(纳秒纳秒)1s=1000ms，1 ms=1000s，1s=1000ns 120MHz=120106HzT=1/(120106)=8.310-9s=8.3ns 生活小知识生活小知识感谢同学认真听课！感谢同学认真听课！作业作业P44 2-2 8 9