第10章总线.ppt

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1、 1计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心第十章第十章 总线总线 2计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心10.1 概述概述 3计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心基本概念基本概念总线 是指在模是指在模块和模和模块之之间或或设备与与设备之之间的一的一组进行行互互连和和传输信息的信号信息的信号线，信息包括指令、数据和地，信息包括指令、数据和地址址总线标准准 指芯片之指芯片之间、模、模块之之间以及系以及系统之之间，使用，使用总线进行行连接和接和传输信息信息时，应该遵守的一些遵守的一些协议与与规范范u信号线定义信号线定义u功能规范功能规范u电气规范电气规范u机械规范机械规范 4计

2、算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线分类（总线分类（1）芯片芯片总线（Chip Bus）它是指芯片内部引出的它是指芯片内部引出的总线，微，微处理器的引脚信号就理器的引脚信号就是芯片是芯片总线。内内总线（Internal Bus）也称系也称系统总线或板或板级总线。它是系。它是系统内部各部件（插内部各部件（插板）之板）之间进行行连接和接和传输信息的一信息的一组信号信号线。常用的内常用的内总线有：有：ISA总线、STD总线、MCA总线PCI总线等。等。5计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线分类（总线分类（2）外外总线（External Bus）也称也称为通信通信总线或或设备总线

3、。它是系。它是系统之之间或系或系统与与外外设之之间进行行连接和接和传输信息的一信息的一组信号信号线。如：如：Centronics打印机打印机总线、RS232C、USB接口等接口等 6计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线分类（总线分类（3）ROMCPU外总线外总线内总线内总线主机板主机板芯片总线芯片总线扩充存储器扩充存储器计算机计算机RAMIO接口接口通信接口通信接口打印机接口打印机接口仪表接口仪表接口网络接口网络接口打印机打印机智能仪表智能仪表局域网局域网 7计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线的组成总线的组成数据数据总线 用于用于传输数据，双向三数据，双向三态。宽度有

4、度有8位、位、16位、位、32位、位、64位等位等地址地址总线 用于用于传输地址，地址，单向三向三态。宽度有度有8位、位、16位、位、32位、位、64位等位等控制控制总线 用于用于传输控制和状控制和状态信息。信息。电源和地源和地线 确定确定电源种源种类及地及地线分布和用法。有分布和用法。有 12V、5V、3.3V等等 8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线的性能参数（总线的性能参数（1）总线的的时钟频率率 总线工作工作频率。决定率。决定总线传输速率的主要因素之一速率的主要因素之一总线宽度度 数据数据总线的位数的位数总线传输速率速率 在在总线上每秒上每秒传输的最大的最大字字节数（数（

5、MB/S）同步方式同步方式u同步：严格按系统时钟的定时进行主、从模块之同步：严格按系统时钟的定时进行主、从模块之间的传输操作间的传输操作 9计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线的性能参数（总线的性能参数（2）u异步：采用应答式传输技术，传输周期可能较长。异步：采用应答式传输技术，传输周期可能较长。传输速率较慢传输速率较慢多路复用多路复用 地址地址线和数据和数据线共用一共用一组物理物理线负载能力能力 可可简单的表示的表示为所所连接的接的电路插板的数量路插板的数量信号信号线数数总线控制方式控制方式 传输方式，方式，总线仲裁方式，中断分配方式，仲裁方式，中断分配方式，设备自自动配置等配置

6、等 10计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线的性能参数（总线的性能参数（3）其他性能其他性能 电源源电压（5V或或3.3V），），数据数据宽度是否度是否扩展等。展等。11计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线传输过程（总线传输过程（1）系系统总线上的数据是在主模上的数据是在主模块（主（主设备）的控制下）的控制下进行的，主模行的，主模块有控制有控制总线的能力，如的能力，如CPU或或DMA控控制器。制器。总线完成一次数据完成一次数据传输分分为4个个阶段：段：申申请阶段段 欲使用欲使用总线的主模的主模块提出申提出申请，总线仲裁器确定把下仲裁器确定把下一个一个传输周期的周期的总线

7、使用使用权指配指配给哪个模哪个模块寻址址阶段段 获得得总线使用使用权的主模的主模块发出存出存储器地址或器地址或I/O端口地端口地址，使从模址，使从模块启启动 12计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线传输过程（总线传输过程（2）传数数阶段段 主模主模块和从模和从模块之之间进行数据行数据传输结束束阶段段 主从模主从模块的有关信息均从系的有关信息均从系统总线上撤除，上撤除，让出出总线 13计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线数据传输的握手方式总线数据传输的握手方式同步方式同步方式异步方式异步方式半同步方式半同步方式分离方式分离方式 14计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构

8、中心同步方式同步方式总线上的主、从上的主、从设备在同一在同一时钟的控制下的控制下进行行传送，完成一次送，完成一次数据数据传送的送的传输周期（即周期（即总线周期）是固定的。周期）是固定的。例如：例如：PCI总线等等特点特点u适合高速传输适合高速传输u便于电路设计便于电路设计u系统的组成缺乏灵活性系统的组成缺乏灵活性地址地址数据数据时钟时钟总线周期总线周期总线周期总线周期时钟周期时钟周期 15计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心异步方式异步方式采用采用应答式答式传输方式。使用方式。使用请求求线（REQ）和和应答答线（ACK）来来协调传输过程而不依程而不依赖公共公共时钟信号。信号。特点特点u

9、高速模块可高速传送，低速模块可低速传送高速模块可高速传送，低速模块可低速传送u应答关系是完全互锁的应答关系是完全互锁的u数据传输的速度是可变的数据传输的速度是可变的u有良好的适应性有良好的适应性u传输延迟大传输延迟大地址地址/数据数据(发送方发送方)请求请求(接收方接收方)应答应答 16计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心半同步方式半同步方式是前两种方式的折衷。有同步是前两种方式的折衷。有同步时钟，但，但传输周期（周期（总线周期）可周期）可变。增加一条信号。增加一条信号线（如（如Ready），），主主设备监视该信号信号线了解了解选中的从中的从设备是否准是否准备好，否好，否则插入等待状插

10、入等待状态，延，延长传送周期送周期 例如：例如：ISA总线等等特点特点u适应性好适应性好u兼有同步方式的速度兼有同步方式的速度 17计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心分离方式分离方式将将传输周期（周期（总线周期）分成两个子周期周期）分成两个子周期u子周期子周期1 主模块发出地址、控制命令（读或写）。主模块释主模块发出地址、控制命令（读或写）。主模块释放总线，供其他模块使用。放总线，供其他模块使用。u子周期子周期2 从模块准备好数据后，申请总线，获准后将数据回从模块准备好数据后，申请总线，获准后将数据回送。送。使用在小型机系使用在小型机系统中中特点特点u大大提高总线的利用率大大提高总线

11、的利用率u适用于多个主模块的系统适用于多个主模块的系统 18计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心总线的层次结构总线的层次结构 19计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心10.2 系统总线系统总线 20计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心ISA总线总线ISA（Industry Standard Architecture)总线也称也称为AT总线u8/16位数据线位数据线u24位地址线，寻址位地址线，寻址16MB空间空间uI/O地址空间地址空间0100H-03FFH u最高工作频率最高工作频率8MHz，数据传输率数据传输率16MB/su中断功能中断功能uDMA通道功能通道功能u

12、由由62线的线的PC总线插槽再扩展总线插槽再扩展36线插线插槽形成槽形成 21计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心基于基于ISA总线的微机系统结构总线的微机系统结构 22计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心EISA总线总线EISA（Extended ISA)总线 为了与了与IBM设计的微通道的微通道结构构MCA（非开放的）非开放的）进行行竞争，以争，以Compaq为首的兼容厂家提出的首的兼容厂家提出的向后兼容的开放向后兼容的开放标准准u8位、位、16位、位、32位数据宽度位数据宽度u32位地址，可寻址位地址，可寻址4GB空间空间u工作频率工作频率8.3MHzu数据传输率数据传输

13、率33MB/s（8.33 32/8）u插槽与插槽与ISA兼容兼容 23计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心EISA总线插槽总线插槽EISA总线插槽分插槽分为上下两上下两层 24计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心基于基于EISA总线的微机系统结构总线的微机系统结构 25计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心10.3 PCI总线总线 26计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心PCI总线的基本概念（总线的基本概念（1）随着微随着微处理器性能的不断提升，理器性能的不断提升，ISA总线16MB/s的数据的数据传输率率已成已成为系系统的瓶的瓶颈1991年，由年，由Intel公

14、司首先提出了公司首先提出了PCI（Peripheral Component Interconnect）的概念。的概念。PCI总线是是PC体系体系结构的重大构的重大发展。展。它打破了数据它打破了数据I/O的瓶的瓶颈，使高性能，使高性能CPU的功能得以充分的功能得以充分发挥。1992年年Ver1.02004年年Ver3.0PCI总线的含的含义是周是周边器件互器件互连。从。从结构上看，局部构上看，局部总线是在是在ISA总线和和CPU总线之之间插入一插入一级总线。具体由一个。具体由一个桥接接电路路实现对这一一层的管理，并的管理，并实现上下之上下之间的接口以的接口以协调数据的数据的传送。管理器提供了信号

15、送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持数冲，使之能支持数10种外种外设，并能在，并能在高高时钟频率下保持高性能。率下保持高性能。PCI总线也支持也支持总线主控技主控技术，允，允许智能智能设备在需要在需要时取得取得总线控制控制权，以加速数据，以加速数据传送。送。27计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心PCI总线的基本概念（总线的基本概念（2）高速外高速外设，如，如图形卡、硬形卡、硬盘控制器等可从控制器等可从ISA总线上卸下而通上卸下而通过局部局部总线直接挂接到直接挂接到CPU总线上，使之与高速的上，使之与高速的CPU总线相匹配。相匹配。28计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心PCI

16、总线特点（总线特点（1）独立于独立于处理器理器。即即PCI插卡可插到不同主插卡可插到不同主频主机中主机中总线时钟频率率33.3MHz（V2.0）/66.6MHz（V2.1）总线宽度度32位，可位，可扩充到充到64位位最大数据最大数据传输率率133MB/s(266MB/s)支持突支持突发（Burst）传输采用同步操作采用同步操作 能自能自动识别外外设适适应5V和和3.3V电源源环境境预留留扩展空展空间 29计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心PCI总线特点（总线特点（2）即插即用（即插即用（Plug and Play）PCI插卡上有插卡上有256字字节的不的不挥发存存储器，存放配置信器，

17、存放配置信息。系息。系统根据此信息分配存根据此信息分配存储器地址、端口地址、中器地址、端口地址、中断号等，无断号等，无须手工手工设置开关及跳置开关及跳线隐式式总线仲裁仲裁 采用多路复用方式（地址采用多路复用方式（地址线和数据和数据线）减少了引脚数）减少了引脚数全面支持全面支持PCI总线主主设备 具有在地址、命令、数据上具有在地址、命令、数据上进行奇偶校行奇偶校验的功能的功能 30计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心典型典型PCI系统结构系统结构 31计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心10.4 通用串行总线通用串行总线USB 32计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心PC

18、机的几种典型外设总线机的几种典型外设总线串行串行总线uRS232（1969年，年，EIA颁布）颁布）uIEEE1394（1995年，年，IEEE颁布）颁布）uUSB（1994年，七家公司联合推出）年，七家公司联合推出）33计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心PC机机I/O方式的弊端方式的弊端标准准PC机外机外围设备接口是接口是非共享式非共享式接口接口I/O接口支持接口支持单个个设备的的连接。在一个接。在一个给定的定的时刻只有一个外刻只有一个外围设备可以可以连接，接，连接的灵活性接的灵活性很低。很低。为了了连接一种新外接一种新外设，通常是做一，通常是做一块专用的用的扩展卡插到展卡插到扩展

19、展总线上，上，为新的外新的外围设备建立一建立一个个连接通道，接通道，显然然这种方案适种方案适应性差、性差、扩展卡展卡种种类繁多、不能繁多、不能热插拔、成本插拔、成本较高。高。34计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心USB发展历史发展历史通用串行通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是由是由Compaq、HP、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和和Philips七家公司七家公司联合推出的新一代合推出的新一代标准接口准接口总线。该总线是一种是一种连接外接外围设备的机外的机外总线，最多可，最多可连接接127个个设备，为微机系微机系统扩充和配置外部充和配置外部设备提供了提供了方便。方便。1996年年1月推出了月推出了USB l.0版本版本。有两种数据有两种数据传输速率。速率。全速全速传输速率速率（FS）为12Mbits/s；低速低速传输速率速率（LS）为1.5Mbits/s。1998年年9月推出了月推出了USB1.1版本。它是目前版本。它是目前计算机和外算机和外设上普遍采用的上普遍采用的标准准 2000年年4月推出了月推出了USB 2.0版本版本。增加第三种高速增加第三种高速传输速率（速率（HS）480Mbits/s。