4总线与总线标准教材课程.ppt

第四章 总线与总线标准4.1 有关总线的基本概念q总线和总线操作q总线分组及功能q总线周期与指令周期、 时钟周期的关系q总线时序3总线 在收、发模块/设备间传送信息的一组 公用信号线 总线的特点在于其公用性，即它同时挂接多个模块或设备总线操作 在主控器（如CPU、DMAC等）控制下通过各级总线进行的信息传送（数据读写）操作 微机系统中的各种操作大都是总线操作4.1 有关总线的基本概念4.1.1 总线和总线操作5 总线请求与获准寻址传数结束（撤出总线）总线操作四阶段总线操作四阶段及控制 为了确保这4个阶段正确推进，必须施加总线操作控制总线握手总线仲裁4.1.1 总线和总线操作6用于把数据送入或送出MPU，为双向总线 用于指定数据送往或来自何处，为MPU发出的单向总线 读写控制线数据传输握手线总线判决线中断控制线DMA控制线因MPU型号的不同而不同，正是CB的不同特性决定了各种MPU不同的接口特点控制总线CB：地址总线AB：数据总线DB：4.1.2 总线分组及功能4.1.2 总线分组及功能74.1.3 总线周期与指令周期、时钟周期的关系 三种周期关系： 时钟周期 总线周期 指令周期时钟周期计算机定时工作的最小时间单位，主 频的倒数。

通常称之为一个T状态总线周期主控器对存储器或I/O端口完成一次读/写 操作所需的时间 ，是微机中完成一步完 整操作的最小时间单位 也叫机器周期指令周期一条指令从取指开始至执行完毕所需的时间三种周期内涵84.1.4 总线时序 指与完成总线操作有关的地址线、数据线、读写控制线和时钟线等总线信号相互之间的定时关系 一般用时序图(波形图)表示 了解CPU总线的操作时序对于理解和掌握指令的执行过程十分必要，对于自行设计和开发微机应用系统更是必不可少的 （因为任何硬件的设计不仅要保证逻辑功能的正确，还必须保证各总线信号之间时序上是相配的，保证定时关系完全正确，否则它们仍将不能正常工作4.1.4 总线时序 读命令(1) 同步式数据输入T1总线传输周期T2T3T4 时钟 地址 数据 数据(2) 同步式数据输出T1总线传输周期T2T3T4 时钟 地址 写命令总线评价指标 总线带宽（BW） 总线的带宽指的是单位时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每秒钟传送多少字节单位是字节/秒（B/s）或兆字节/秒（MB/s） 与总线带宽密切相关的两个概念是总线宽度和总线的工作频率 总线宽度（W）总线的宽度指的是总线能同时传送的数据位数，即我们常说的16位、32位、64位等总线宽度的概念。

在工作频率固定的条件下，总线的带宽与总线的宽度成正比 总线工作频率（f）总线的工作频率即总线的时钟频率，以MHz为单位它是指用于协调总线上的各种操作的时钟信号的频率工作频率越高则总线工作速度越快 总线带宽、总线宽度、总线工作频率三者之间的关系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的关系车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越快则车流量越大同样，总线带宽取决于总线宽度和工作频率，总线宽度越宽，工作频率越高，则总线带宽越大单方面提高总线的宽度或工作频率都只能部分提高总线的带宽，并容易达到各自的极限只有两者配合才能使总线的带宽得到更大的提升总线评价指标总线评价指标 总线带宽的计算公式如下： BW =（W/8） f/每个存取周期的时钟数 【例】总线时钟频率为100MHz的32位总线，若每两个时钟周期完成一次总线存取操作，则： 总线带宽=32/8100/2=200MB/s 8088/8086总线性能 8088为8位数据总线；8086为16位数据总线； 假设CPU的主时钟为10MHz，则一个时钟周期为 T=1/f=1/(10 x106)=100ns所以，一个总线周期至少为4x100ns=400ns； 则8086计算机的 总线宽度为：W=16位； 总线频率为：f=10MHz； 总线带宽：BW=（16/8）*10MHz/4=5MHz;4.2 总线操作控制q总线仲裁q总线握手164.2.1 总线仲裁 在多个总线控制器同时提出总线请求时，以一定的优先算法确定哪个应获得对总线的控制权。

如果没有总线仲裁，很容易产生总线冲突 总线冲突：在总线上同时又两个或两个以上的模块要传送相互矛盾的信息时引起的冲突4.2.1 总线仲裁 目的是确保任何时刻总线上最多只有一个主控器控制总线，而决不出现多个主控器同时占用总线的现象所以换句话说，总线仲裁的目的也就是要防止总线冲突17常见的总线仲裁协定： 菊花链仲裁(串行仲裁) 并行仲裁 并串行二维仲裁4.2.1 总线仲裁下节18 这种仲裁法又有二线菊花链、三线菊花链、四线菊花链之分实际中以三线菊花链应用最广1)三线菊花链仲裁原理4.2.1 总线仲裁1.菊花链仲裁(串行仲裁)总线总线仲裁 器BG BGIN1BRBBC1BGOUT1BGIN2C2CnBGOUT2BGINnBCLK(总线时钟)BB -总线忙BR-总线请求BG-总线允许192) 仲裁定时图三线菊花链仲裁协定典型定时图4.2.1 总线仲裁backBB -总线忙BR-总线请求BG-总线允许203) 总线时钟线(BCLK)的作用：q控制总线操作速度q限制了链路上允许串入的Ci个数N：N TBCLKtTBCLK 为总线时钟周期t 为每个主控模块Ci的平均传输延时4.2.1 总线仲裁back214) 菊花链仲裁的优缺点q简单。

无论多少个主控器，均只需3根控制线q易于扩充增加主控设备时，只需挂到总线上 即可优点：q链路上任一环节发生故障，将阻止其后面的设 备获得总线控制权q链路连好后，优先级结构不能改变，容易出现 饱饿不均q响应速度较慢，系统中能容纳的主控设备数受 时钟频率限制缺点：4.2.1 总线仲裁back22针对上述缺点，出现了改进型-循环菊花链判优：突出优点：优先权随每个周期动态改变， 各Ci地位平等，机会均等4.2.1 总线仲裁back循环菊花链仲裁示意图总线局部总线仲裁器LBA1LBA2LBAnC1C2CnBGBRBBBCLKBG232. 并行仲裁(独立请求仲裁)1)特点： 每个Ci均有自己独立的BR、BG线与总线仲裁器相连4.2.1 总线仲裁back总线总线仲裁器BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLKC1C2Cn242) 仲裁原理 仲裁器直接识别各Ci请求，仲裁后直接向选中的Ci发BGi；Ci撤消BRi，升起BBi，使BB有效；Ci用完后，撤消BBi，仲裁器撤消BGi，为下次仲裁作准备3) 仲裁器仲裁算法4.2.1 总线仲裁back固定优先级算法循环优先级算法软硬件均可实现，但多用硬件实现254) 优缺点优点：响应速度快，适于实时性要求高的多处理机系统使用； 主控器故障只影响自己，不影响全局。

缺点：控制线多，逻辑复杂，故主控器较多时不适用； 仲裁器设计好后，不易扩充263. 并串行二维仲裁总线仲裁器BR1BG1BR2BG2INOUTINC1C2C3C4去下一台设备去下一台设备OUTOUTININOUTBCLKBB4.2.1 总线仲裁back1） 特点 将所有主控器分成若干组，组内串行，组间并行272）优点 兼具有串行法和并行法的优越性，既有较好的灵活性、可扩展性，又可容纳较多的设备而不使结构过于复杂，还有较快的响应速度 4.2.1 总线仲裁284.2.2 总线握手 旨在解决主模块取得总线控制权后，如何控制每个总线操作周期中数据传送的开始和结束，以实现主从模块间可靠的寻址和数据传输问题 常见的总线握手方法：同步总线协定异步总线协定半同步总线协定周期分裂式总线协定下节4.2.2 总线握手294.2.2 总线握手1. 同步总线协定-最简单、最易实现的一种总线握手技术1) 特点 总线系统中只用一个时钟信号源作为同步控制源，其前、后沿分别指明一个总线操作周期的开始和结束，主、从模块都受它统一控制2) 信号定时关系 back30同步总线的信号定时关系同步总线的操作周期应为：TbusTsetup+Thold+Taccess4.2.2 总线握手back 地址、数据信号和一些读写命令信号相对于CP信号的前沿和后沿分别要有一定的建立时间和保持时间。

313)优缺点为解决这一矛盾，较好的办法是采用总线异步握手技术q简单、易实现;q速度快，适于高速运行需要完成一次总线操作只需一个来回行程(读) 或一个单程(写)优点：q适应性较差缺点：4.2.2 总线握手back（时钟频率只能按最慢的模块要求来确定，所有快速设备都只能迁就最低速设备来运行；而一旦设计好后，总线上不能再接更低速的设备322. 异步总线协定常用的是全互锁异步协定1) 特点： 主控器和受控器采用一问一答的方式工作因此要求主、受控器分别要发出至少一个控制信号，通过两者互为因果的交替变化、一问一答来保证可靠传输4.2.2 总线握手back332) 信号定时图4.2.2 总线握手back343) 优缺点q适应性好，多种速度的设备都能在系统 中协调工作，且以各自的最佳速度运行q数据传输高度可靠优点：q每次总线操作要经2个来回行程，传输 延迟是同步协定的2倍4.2.2 总线握手back缺点：35*3. 半同步总线协定 -综合同步、异步协定两者的优点而产生的 一种混合式总线握手协定 1） 典型的半同步总线定时图4.2.2 总线握手back36 2） 特点 从宏观上看与异步协定十分相似，靠“时钟”和“等待”这两个一主一从信号的互锁来控制总线周期的长短；但从微观上看，又是按同步总线的方式工作，真正的总线操作过程只在时钟脉冲一个信号控制下完成。

3） 优点 兼具有同步总线的速度和异步总线的可靠性、适应性： 对于快速设备就像同步总线一样，只由时钟信号单独控制，用一个来回行程即可实现主、从模块之间的成功握手；而对于慢速设备，又像异步总线一样，利用WAIT控制信号可方便地改变总线的周期4.2.2 总线握手back37*4. 周期分裂式总线协定是从提高总线利用率出发提出的前三种协定的共同特点是： 在整个总线读/写周期中，总线一直被发出读/写命令的主控器所控制、占用 4.2.2 总线握手back 这部分时间的浪费在速度要求很高的多微机系统中是相当可惜的，为此，提出了周期分裂式协定 而实际上，并非整个操作周期中都要使用总线，进行基本操作中的某些步骤时，总线处于空闲状态381)基本思想： 将读周期分成两个独立的传输子周期，两者间的空闲时间将总线让给其它主控器2)总线定时图(读周期）4.2.2 总线握手back393)特点每个子周期实质上就是一个单方向信息流的写周期1个写周期=1个MS的传输子周期1个读周期=2个分裂的写周期1个MS1个SM4.2.2 总线握手back404) 优缺点 所以，这种协定在普通微机中很少用，一般只用在具有多处理器结构的一些高性能小型机和高档微机中。

q 既能适应慢速设备又能保持快速同步协定的 优点；q 在系统总线上有多个主控模块的情况下，可 基本消除总线的空闲等待时间，大大提高总 线利用率，增强系统整体性能优点：q 上述优点是以增加主控和受控模块的逻辑复 杂性为代价的；q 每个子周期中传输的信息量比通常情况下有 所增加，故对单个主控器或单个总线操作周 期来说，不仅不能加速，反而可能减速缺点：4.2.2 总线握手back4.3 8086总线工作原理8086/8088的一个总线周期至少由4个T状态组成，即至少由4个时钟周期构成每个T状态完成不同的任务8086/8088的管脚图8086/8088的总线构成 8088CPU: 地址线与数据线复用：AD0AD7； 高地址线：A8A19； 8086CPU： 地址线与数据线复用：AD0AD15； 高地址线：A16A19； 控制线： BHE：高位数据线有效； WR：写信号线； RD：读信号线； DT/R：发送/接收，控制数据方向； DEN：总线收发器将其作为输出允许信号； ALE：地址/数据选通； HOLD：总线保持请求信号输入； HOLDA：总线保。