第七章-总线系统-课件

6、7、10、11第七章作业2020/10/281

总线的基本概念（重点）总线结构（重点）总线控制（难点）总线接口常用总线第七章总线系统2020/10/282精品资料2020/10/283一、总线概念总线：计算机多个功能部件间进行信息传送的公共通路。借助总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。总线的两个基本特征共享性：指多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。分时性：同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息，系统中的多个部件不能同时传送信息。

7.1总线的基本概念2020/10/284二、总线的特性物理特性：指总线的物理连接方式。功能特性：总线中每一根线的功能。电气特性：每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。时间特性：每根线在什么时间有效。7.1总线的基本概念2020/10/285三、总线的分类（不同的分类标准--多种分类方法）7.1总线的基本概念内总线外总线物理位置单向总线双向总线传送方向数据总线控制总线信息种类地址总线单总线三总线总线数目双总线2020/10/2867.1总线的基本概念串行总线并行总线传送方式芯片级总线接口总线三个层次系统总线：一个功能部件内部的总线，CPU内：单机系统各功能部件间的总线：连接不同系统的总线2020/10/287一个单处理器系统中的总线，分为三类：内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。（片级总线）系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件之间互相连接的总线。（内部总线）I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线（外部总线）。7.1总线的基本概念2020/10/288四、总线的性能指标总线宽度：数据总线的条数，用bit（位）表示，目前常用的是32位和64位数据总线。标准传输率：总线上每秒能传输的最大字节量，单位是MB/s。

例如：PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33MHz，则最大数据传输速率为132MB/s。3.总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。单位是兆字节/秒（MB/S）7.1总线的基本概念2020/10/2894.总线时钟：总线中各种信号的定时基准。总线时钟的周期称为总线周期。5.多路复用技术：为了提高总线效率，将数据总线与地址总线共用一组物理线路，总线在某一时刻传输地址码，而在另一时刻传输数据信号或命令信号。7.1总线的基本概念2020/10/2810五、总线的组成传输线：包括地址线、数据线、控制、时序和中断信号线、电源线、备用线。总线控制器：总线仲裁控制逻辑，驱动器和中断逻辑。接口电路：总线与各个部件之间需要通过接口进行连接。7.1总线的基本概念2020/10/2811一、总线结构通过设备适配器将种类繁多、速度各异的外围设备连接到CPU上，使他们能够一起正常工作。设备适配器也称为接口。根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有两种基本类型：单总线系统多总线系统7.2总线结构2020/10/28127.2总线结构1.单总线结构……CPU内存接口外设接口外设系统总线优点：设备扩充、增删方便、灵活缺点：分时使用总线2020/10/28137.2总线结构2.双总线结构----面向CPU的双总线结构

优点：简单，对总线传输速率要求低缺点：I/O设备与内存交换信息需经CPU，CPU效率低CPU存储器存储总线接口外设接口外设……I/O总线2020/10/28147.2总线结构双总线结构----面向存储器的双总线结构CPU内存接口外设接口外设……系统总线存储总线特点：存取速度提高，减轻了系统总线负担缺点：硬件成本高，总线控制逻辑复杂2020/10/2815CPU主存设备适配器设备适配器IOPI/O总线系统总线存储总线7.2总线结构3.三总线结构2020/10/2816CPU主存设备适配器设备适配器IOPI/O总线系统总线存储总线通道的功能：对外设的统一管理；完成外设与主存，CPU之间的数据传送。特点：提高了CPU工作效率，同时也最大限度的提高外设的工作速度。7.2总线结构2020/10/2817二、总线结构对计算机系统性能的影响最大存储容量指令系统吞吐量

7.2总线结构2020/10/2818单总线结构：主存、外设统一编址例：AB为16位，则最大容量为64K

60K4K0000HF3FFHF400HFFFFH主存外设主存容量<2167.2总线结构2020/10/2819双总线结构：主存、外存单独编址。例：AB为16位，则最大容量为64K

主存外设64K256主存->存储总线->AB=16->64K外设->系统总线->AB=8->2567.2总线结构2020/10/2820注：指令系统中，访问主存、外设的指令由于总线的结构不同而不同。例：单总线：主存-外设统一编址，所以只有一条指令。如：MOVA，0000H；A<-主存

MOVA，FFE0H；A<-外设多总线：主存、外设单独编址，所以需要两种命令。7.2总线结构如：MOVA，0020H；A<-主存主存传送

INA，20H；A<-外设

OUT(20)，A；外设<-A外设传送2020/10/2821

早期总线的结构

实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。数据线地址线控制线7.2总线结构2020/10/2822CPU存储器模块输入设备接口输出设备接口7.2总线结构不足：CPU是总线上的唯一主控者。总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。2020/10/2823当代总线结构（与结构、CPU等无关）数据传送总线：由地址线、数据线和控制线组成。仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线中断和同步总线：包括中断请求线和中断认可线。公用线：包括时钟信号线、电源线、地线和系统复位线等。7.2总线结构2020/10/2824CPU-CACHE模块存储器模块I/O适配器总线控制器数据传送总线（数据线、地址线、控制线）仲裁总线中断和同步总线公用线7.2总线结构2020/10/2825一、信息的传送方式串行传送按顺序传送一个数码的所有二进制位，每次一位。被传送的数据需要在发送部件进行并－串变换，称为拆卸，反之称为装配。并行传送对每个数据位需要单独一条传输线，信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线。分时传送传输线上采用总线复用方式传送地址和数据信息；共享总线的部件分时使用总线。7.3总线接口2020/10/28262020/10/2827接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。7.3总线接口二、总线接口的基本概念2020/10/2828

接口的功能：缓冲：设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应CPU与外设之间的速度差异；协调时序差异；转换：进行CPU和外设之间的数据类型、格式及电平差易等方面的转换；译码：地址译码和设备选择；控制：接口模块靠指令信息来控制外围设备的动作；状态：监视外围设备的工作状态并保存状态信息；中断和DMA控制：设置中断和DMA控制逻辑，保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求信号。7.3总线接口2020/10/2829总线控制：包括总线仲裁和总线通信控制

总线仲裁连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。CPU及I/O模块都可以作为主设备提出总线请求。每次总线操作只能有一个主方占用总线控制权。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。7.4总线控制2020/10/2830按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。集中式链式查询方式计数器定时查询方式独立请求方式分布式7.4总线控制2020/10/2831一、集中式仲裁

每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：送往仲裁器的总线请求信号线BR(BusRequest)，仲裁器送出的总线授权信号线BG(Busagreed)。

1.链式查询方式BR-总线请求信号；BG-总线授权信号；BS-总线忙7.4总线控制中央仲裁器设备接口0设备接口1设备接口NBGBRBS2020/10/2832链式查询的过程：总线仲裁器接到总线请求后，若BS=0，则总线授权信号串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口；假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询，该I/O接口就获得了总线控制权，使BS=1。7.4总线控制2020/10/2833特点：判优方法简单，扩充设备容易；总线请求优先级较低的设备容易被忽略；总线授权信号串行传送，因设备的差错，容易造成堵塞。优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁。缺点：对询问链的电路故障很敏感。7.4总线控制2020/10/28342.计数器定时查询方式

与链式查询方式相比，计数器定时查询方式，多了一组设备地址线，少了一根总线允许线BG。

7.4总线控制2020/10/2835计数器定时查询过程：各设备经BR发出请求；总线仲裁电路判断：当BS=0时，开始计数；计数值经地址线送各设备：计数值=某设备，该设备获总线授权；当计数从0开始时，谁的地址号越小越优先，当计数值从终止点开始，所有设备优先级相同。优点：比较灵活。缺点：控制线数比较多，控制复杂。7.4总线控制2020/10/28363.独立请求方式每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BR和总线授权线BG。

中央仲裁器设备接口0设备接口1设备接口NBG0BR0BR1BG1BGnBRn7.4总线控制2020/10/2837过程：每个设备有独立的总线请求线BR至总线仲裁；总线总裁也对每个设备送总线授权线。当有总线请求时，有总线总裁内部进行判优裁决。优点：判优及相应的速度快；优先次序控制灵活。缺点：设备、电路复杂。7.4总线控制2020/10/2838二、分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。7.4总线控制2020/10/2839中央处理器设备接口0设备接口1设备接口N3127.4总线控制2020/10/2840一、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（错误报告）定时：指事件出现在总线上的时序关系。数据传送过程中采用两种定时方式：

同步定时和异步定时

7.5总线的定时和数据传输模式2020/10/28411.同步定时7.5总线的定时和数据传输模式同步总线读操作时序2020/10/2842同步定时特点：出现在总线上的地址或数据都由统一的时钟信号定时控制；具有较高的传输频率；对所有模块都用同一限时，必须按最慢速度部件来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会严重影响总线的工作效率，适用于总线长度较短、各功能模块存取时间应比较接近的情况。7.5总线的定时和数据传输模式2020/10/28432.异步定时异步总线读操作时序7.5总线的定时和数据传输模式主同步/请求信号从同步/响应信号2020/10/2844异步定时特点：无公共时钟信号；挂在总线上的模块的存取时间差别较大；传送方式依靠应答信号，总线周期长度不固定。7.5总线的定时和数据传输模式2020/10/2845读、写操作块传送操作写后读、读修改写操作广播、广集操作二、总线数据传送模式7.5总线的定时和数据传输模式2020/10/28467.6总线标准总线的标准化---各厂家生产的相同功能部件可以互换使用总线标准--内部总线（系统总线）和设备总线。一、系统总线标准

PC总线最早的PC机的系统总线是IBM公司于1981年推出的基于准16位机PC/XT的总线，称为PC总线。

8位数据线，20位地址线，支持8级外部中断请求，4个DMA传送通道。2020/10/28477.6总线标准2.ISA（AT）总线（IndustryStandardArchitecture）

1984年IBM公司推出了16位PC机PC/AT，其总线称为AT总线。然而IBM公司从未公布过他们的AT总线规格。尽管各兼容机厂商模仿出了AT总线，但还是存在某些模糊不清的解释，为了能够更好的合理开发外接插板，由Intel公司、IEEE和EISA集团联合开发出与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA（IndustryStandardArchitecture）总线(因此通常我们也把８位和８位／16位兼容的AT总线称为ISA)。最大传输率为8MB/S。2020/10/28487.6总线标准3.EISA总线88年，在Compaq、AST、EPSON等九家公司的联合下，在ISA的基础上为32位微机推出了EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)总线。32位地址线，32位数据线，最大传输率33MB／S2020/10/28497.6总线标准4.VESA总线

VESA（VideoElectronicStandardAssociation）总线是以视频电子标准协会制定而得名，也叫VLBUS（VESALocalBus）即VESA局部总线。它是专门为Intel80486CPU系统的高速视频信号处理而设计的。

VESA是32位高速总线，也允许扩展到64位。它的工作时钟为33MHz，最大允许到66MHz，数据传输率为133MB/S。2020/10/28507.6总线标准5.PCI总线

（PeripheralComponentInterconnect周边元件扩展接口)

由Intel公司发布，自身采用33MHz的总线时钟频率，数据线32～64位，总线最大传输率为132MB/S～264MB/S。（32×33／8＝132MB/S）PCI1.0：1991年，32位，时钟频率33MHZPCI2.0：

1993年5月，64位，时钟频率66MHz目前最新版本为PCI2.1。2020/10/28517.6总线标准说明：目前广泛采用的是32-bit、33MHz的PCI总线，64bit的PCI插槽更多是应用于服务器产品。目前PCI扩展卡已成为微机高速扩展卡的主流，包括显卡、声卡、Modem卡、网卡和视频卡等。2020/10/28527.6总线标准2020/10/2853PCI总线结构（台式计算机中）2020/10/2854PCI总线结构（多处理器系统中）桥（bridge)

是一个总线转换部件，连接两条总线，使总线间相互通信。2020/10/2855大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。Pentium是一个三层次的多总线结构：

CPU总线，PCI总线和ISA总线计算机主板的总线结构框图如下：总线结构实例2020/10/28562020/10/28577.6总线标准6.AGP总线（AccelerateGraphicPort）是Intel于1996年7月专门为PentiumⅡ系统的图形控制器设计的系统总线结构，在物理结构上与PCI存在显著区别，它十分默契地配合着PentiumⅡ的高速浮点运算能力和MMX技术，目前几乎垄断了3D图形加速卡的接口。2020/10/28587.6总线标准2020/10/28597.6总线标准AGP技术又分为AGP8x、AGP4x、AGP2x和AGP1x等不同的标准。

AGP1x是32位数据总线，工作时钟是66MHz，数据传输率为264MB/S（32×66M/8＝264MB/S），是PCI的二倍。AGP2x的工作时钟是133MHz，数据传输率是532MB/S，是PCI的四倍。AGP4x，数据宽度扩展到64位，工作时钟133MHz，数据传输率高达1GB/S。目前是AGP8x，数据传输率最高为2.12GB/SAGP即将被PCIExpress取代（？）2020/10/28607.6总线标准7.新式总线技术－PCIExpress最新的总线和接口标准，2002年由Intel提出。主要优势是数据传输速率高。PCI-E接口根据总线位宽不同而有x1、x4、x8及x16等模式目前有：PCI-E1.0、PCI-E2.0、PCI-E3.0规范注意：PCIE2.0是技术规范，pcieX16是插口类型或传输模式

pcie1xpcie16x是两种不同的传输模式2020/10/28617.6总线标准PCI-1.0规范：1X：采用单向2.5G的波特率传输，每一字节为10位(1位起始位，8位数据位，1位结束位)，所以传输速率为

2.5G/10=250MB/S(250兆字节每秒)16X：单向传输速率为250MB/S*16=4GB/S

双向传输速率为8GB/S。2020/10/28627.6总线标准PCI-2.0规范：1X：采用单向5G的波特率传输，每一字节为10位(1位起始位，8位数据位，1位结束位)，所以传输速率为5G/10=500MB/S(500兆字节每秒)16X：单向传输速率为500MB/S*16=8GB/S

双向传输速率为16GB/S。

PCI-E32X(2.0标准)的双向传输速率为32GB/S2020/10/28637.6总线标准PCI-3.0规范：1X：采用单向10G的波特率传输，每一字节为10位(1位起始位，8位数据位，1位结束位)，所以传输速率为10G/10=1000MB/S(1000兆字节每秒)16X：单向传输速率为1000MB/S*16=16GB/S

双向传输速率为32GB/S。

PCI-E32X(3.0标准)的双向传输速率高达64GB/S2020/10/28647.6总线标准2020/10/28657.6总线标准PCI－E插槽2020/10/2866二、设备总线

主要用于计算机系统的主机与外部设备之间的互联，也称外部总线。总线与接口的区别：

接口一般指主机与某类外设之间的适配电路，其主要功能是解决主机与外设在电压等级、信号形式和速度上的匹配问题。而总线主要是用于连接部件或设备的。通俗地讲，总线的尽头是接口。

7.6总线标准2020/10/2867IDE（ATA）接口（IntelligentDeviceElectronics）即电子集成驱动器

目前最主流的硬盘接口和光储类的接口标准IDE接口使用40芯或80芯的扁平电缆连接硬盘与主板，每条线最多连接2个IDE设备（硬盘或者光储）。

IDE可分为：UDMA/33，UDMA/66，UDMA/100，UDMA/133等。

1996年底，昆腾和英特尔公司共同开发了UltraDMA/33的新型EIDE（Enhanced）接口，因其数据传输率为33MB/s，故称UDMA/33。优点：价格低廉；兼容性非常好。缺点：速度慢；只能做内置使用，对接口电缆的长度有很严格的限制。7.6总线标准2020/10/2868PATA和SATA----硬盘的并口和串口

PATA（AdvancedTechnologyAttachment）叫做并行ATA硬盘

IDE接口常被称为ATA接口，它采用的是一根四芯的电源线和一根80芯的数据线与主板相连接。由于IDE口属于并行接口，因此为了和SATA口硬盘相区别，IDE口硬盘也叫PATA口硬盘。

SATA叫串行ATA硬盘。它采用一根如USB插头那样细的电源线和数据线与主板相连。

传输率：

PATA较SATA低。现在：最快的PATA硬盘的传输速率是133MB/S

第一代SATA，150MB/S，第二代SATA，300MB/S7.6总线标准2020/10/28697.6总线标准2020/10/28702.SCSI总线/接口（SmallComputerSystemInterface）SCSI是一种用于高速外设的外部接口适配器卡，在计算机外设接口尤其是外存储设备接口方面，SCSI接口始终占据着高贵地位，这不仅是由于它的先进技术性能，也是由于它的高价位。SCSI开发于70年代末，至今已有SCSI-1、SCSI-2以及SCSI-3等多种，SCSI连接器分为内置和外置两种。7.6总线标准2020/10/2871SCSI接口类型⑴SCSI-1SCSI-1是第一个版本，异步数据传输率为3MB/S，同步数据传输率为5MB/S。采用特殊的25针的SCSI接口。⑵SCSI-2SCSI-2最初称为FastSCSI，8位并行数据传输，数据传输率提高到10MB/S，可连接7个外设。标准接口为50线，信号有差分方式和单端方式两种。

WideSCSI，16位并行数据传输，数据传输率提高到20MB/S，可连接16个外设。

7.6总线标准2020/10/287250针SCSI插座7.6总线标准SCSI-2用于硬盘、CD-ROM驱动器和扫描仪等设备。2020/10/2873⑶SCSI-3SCSI-3也称为UltraSCSI，数据传输率达到20MB/S，若使用16位传输模式，则数据传输率可高达40MB/S。SCSI-3增加为一个68针接口，用于将8位数据增加到32位数据。7.6总线标准68针SCSI-3插座2020/10/2874⑷最新型UltraSCSI

Ultra2SCSI发表于97年，采用低电压差分技术，使用16位传输模式，数据传输率达到80MB/S。Ultra160/mSCSI发表于98年，采用低电压差分技术，并且每个时钟可发送两位数据，数据传输率达到160MB/S。今天的Ultra320SCSI，速度从1.2MB/s到现在的320MB/s有了质的飞跃。目前的主流SCSI硬盘都采用了Ultra320SCSI接口，能提供320MB/s的接口传输速度。7.6总线标准2020/10/2875SCSI的特点⑴SCSI可以连接最多16个设备，所有设备只需占用一个IRQ资源。⑵SCSI允许在对一个设备进行数据传输的同时，另一个设备对其进行数据查找。这就可以在多任务操作系统中获得更高的性能。⑶SCSI对CPU的占用率极低，在多任务系统中的确占有明显的优势。⑷SCSI设备具有智能化，提高了工作效率。⑸SCSI快于IDE。7.6总线标准2020/10/2876SCSI接口优点：适应面广，在一块SCSI控制卡上就可以同时挂接15个设备；高性能；具有外置和内置两种。缺点：价格昂贵；安装复杂。应用：SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。7.6总线标准2020/10/2877作业：上网查阅SCSI硬盘和IDE硬盘的不同

技术参数硬盘容量：181.6GB硬盘接口类型：Ultra160SCSI硬盘适用类型：服务器转速：7200rpm缓存：16MB盘体尺寸：3.5英寸内部传输速率：508Mbit/s外部传输率：Ult