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数据流 地址流 控制流（外）存储器（外）存储器（内）存储器内）存储器中央处理器（中央处理器（CPUCPU））控制器输入 设备输出 设备运算器图 典型的Neumann计算机系统结构第5章 总线系统(Bus System)• 总线的基本概念• 总线的控制• 总线的性能指标• 总线的结构• 几种总线标准第一节第一节 总线的基本概念总线的基本概念总线总线是计算机系统的多个系统功能部件之间进行信息是计算机系统的多个系统功能部件之间进行信息 传送的传送的公共通路公共通路，是构成计算机系统的，是构成计算机系统的互联机构互联机构ØØ 总线的组成：总线的组成：= =传输信息的传输信息的电路（传输线、接口逻辑、总线控电路（传输线、接口逻辑、总线控 制器）制器）+ +管理信息传输的管理信息传输的协议协议按照总线传递的内容：按照总线传递的内容：地址总线、数据总线、控制总线地址总线、数据总线、控制总线ØØ 总线分类总线分类(p154)(p154)按照总线连接的部件：按照总线连接的部件：内部总线、系统总线、内部总线、系统总线、I/OI/O总线总线• •内部总线内部总线：：CPUCPU内部内部 连接控制器、各寄存器及运算连接控制器、各寄存器及运算 部件的总线部件的总线 • •系统总线系统总线：：CPUCPU同同计算机系统的其他计算机系统的其他高速功能部件高速功能部件( (存储器、通道等存储器、通道等) )间互相连接的总线间互相连接的总线。

• •I/OI/O总线总线：：中、低速中、低速I/0I/0设备间设备间互相连接的总线互相连接的总线按照数据传送方式按照数据传送方式：：并行传送总线、串传送总线并行传送总线、串传送总线按照并行总线传送数据宽度按照并行总线传送数据宽度：：8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位等等位等等ØØ 总线的基本特征：总线的基本特征：共享共享、、分时分时 (p148) (p148) 分时分时：同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息：同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息 共享共享：多个部件连接在同一组总线上，各个部件之：多个部件连接在同一组总线上，各个部件之 间相互交换的信息都可以通过这组总线传送间相互交换的信息都可以通过这组总线传送 ØØ 总线对于整个系统的影响：总线对于整个系统的影响：总线的性能和结构直接影响着计算机系统的性能总线的性能和结构直接影响着计算机系统的性能 （数据通路、系统结构）（数据通路、系统结构）第二节第二节 总线的控制总线的控制总线完成一次信息传送过程：主设备提出申请，得到总线使用权主设备找到从设备，启动从设备两个设备进行数据交换主模块让出总线使用权主设备主设备：对总线：对总线 有控制权，总线有控制权，总线 上的信息的传送上的信息的传送 是由主设备启动是由主设备启动 的。

的从设备从设备：对总：对总 线没有控制权线没有控制权 ，只能响应主，只能响应主 设备发来的总设备发来的总 线命令一、总线控制器一、总线控制器总线控制器：总线控制器：总线系统的核心，任务是总线系统的核心，任务是管理总线的使用管理总线的使用，包，包 括括总线资源的仲裁管理总线资源的仲裁管理和和设备使用总线进行通信的设备使用总线进行通信的 过程管理过程管理其其物理上不一定是一个独立的控制器物理上不一定是一个独立的控制器，其功能，其功能 可分布到总线的各个部件或者设备上可分布到总线的各个部件或者设备上1 1、、总线仲裁技术的作用总线仲裁技术的作用：： 为解决多个为解决多个主设备主设备同时竞争总同时竞争总 线控制权的问题的技术线控制权的问题的技术二、总线的仲裁二、总线的仲裁(p150)(p150)以某种方式选择其中一个主设备作为总线下一次以某种方式选择其中一个主设备作为总线下一次 的使用者的使用者2 2、仲裁方式的分类：、仲裁方式的分类：按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中集中 式仲裁式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁3 3、集中式仲裁：、集中式仲裁：1 1））菊花菊花链式查询方式链式查询方式 • •控制总线中有三根线用于总线仲裁控制：控制总线中有三根线用于总线仲裁控制： BS---BS---总线忙总线忙 BR--BR--总线请求总线请求 BG-----BG-----总线同意总线同意其控制逻辑集中在一处其控制逻辑集中在一处其控制逻辑分散在与总线连 接的各个部件或设备上• •工作原理：工作原理：共共用一条总线授权线用一条总线授权线，总线授权信号，总线授权信号BGBG串行地从一串行地从一 个接口传送到下一个接口，假如个接口传送到下一个接口，假如BGBG到达的接口无总线到达的接口无总线 请求，则继续往下查询；如果有总线请求，则请求，则继续往下查询；如果有总线请求，则BGBG不再不再 向下查询，该接口获得总线控制权。

向下查询，该接口获得总线控制权• •优先级优先级各设备的优先级是按照各设备的优先级是按照BGBG线上离中央仲裁器的远线上离中央仲裁器的远 近来确定近来确定• •优缺点优缺点优点优点：：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线 仲裁，且可方便地扩充设备仲裁，且可方便地扩充设备 缺点缺点：：对询问链电路故障敏感，优先级固定而不能调对询问链电路故障敏感，优先级固定而不能调 整、速度慢整、速度慢2 2））计数器定时查询方式计数器定时查询方式 • • 控制总线中有二根线用于总线控制：控制总线中有二根线用于总线控制：BS---BS---总线忙总线忙 BR--BR--总线请求总线请求设置了一组设备地址线设置了一组设备地址线• •工作原理：工作原理：1 1、总线上任一设备要求使用总线时，通过、总线上任一设备要求使用总线时，通过BRBR线发出总线发出总 线请求；线请求； 2 2、中央仲裁器接到请求信号以后，在、中央仲裁器接到请求信号以后，在BSBS线为线为““0”0”的的 情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发 向每个设备，设备接口都有一个设备地址判别电路；向每个设备，设备接口都有一个设备地址判别电路； 3 3、当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时、当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时 ，该设备置，该设备置““1”BS1”BS线，获得总线使用权，此时中止计线，获得总线使用权，此时中止计 数查询。

数查询• •优先级优先级各设备的优先级是由计数器的初值决定各设备的优先级是由计数器的初值决定• •优缺点优缺点优点优点：：可改变优先次序，灵活性高；可改变优先次序，灵活性高；对电路的故障不如链式敏感，对电路的故障不如链式敏感，缺点缺点：：增加了主控线数，控制较复杂增加了主控线数，控制较复杂3 3））独立请求方式独立请求方式 • •每一共享总线的设备均有一对每一共享总线的设备均有一对BRBR（总线请求）和（总线请求）和BGBG（（ 总线允许）总线允许） • •工作原理：工作原理：当设备要求使用总线时，便发出总线请求信号，中当设备要求使用总线时，便发出总线请求信号，中 央仲裁器有一个央仲裁器有一个排队电路排队电路，，根据一定的优先次序决定根据一定的优先次序决定 首先响应哪个设备的请求首先响应哪个设备的请求• •优先级优先级总线控制部件中有一排队电路，该排队电路规定总线控制部件中有一排队电路，该排队电路规定 的优先次序的优先次序• •优缺点优缺点优点优点：：响应时间快，效率高；响应时间快，效率高；对优先次序的控制相当灵活；对优先次序的控制相当灵活；对电路的故障不敏感对电路的故障不敏感缺点：缺点：控制线数量多，总线控制更复杂。

控制线数量多，总线控制更复杂4. 4. 分布式仲裁（了解）分布式仲裁（了解） 特点：特点：不需要中央仲裁器，每个潜在的主设备都有自不需要中央仲裁器，每个潜在的主设备都有自 己的仲裁号和仲裁器；己的仲裁号和仲裁器；工作原理：工作原理：当设备申请总线时，把各自唯一的仲裁号当设备申请总线时，把各自唯一的仲裁号 发到共享的仲裁总线上，每个仲裁器把仲裁线上的号发到共享的仲裁总线上，每个仲裁器把仲裁线上的号 和自己的号比较，如果总线上的号大，则它的总线请和自己的号比较，如果总线上的号大，则它的总线请 求不予响应，并撤销它的仲裁号最后，获胜的仲裁求不予响应，并撤销它的仲裁号最后，获胜的仲裁 号留在仲裁总线上，获得总线控制权号留在仲裁总线上，获得总线控制权二、总线的通信控制二、总线的通信控制(p148)(p148)总线通信控制的作用：总线通信控制的作用：主要解决通信双方如何获主要解决通信双方如何获 知传输开始、传输结束，以及通信双方如何协调知传输开始、传输结束，以及通信双方如何协调 和配合1、同步通信：通信的双方由统一的时钟信号控制数据的传送 2、异步通信：通信的双方在数据传送时，没有公共的时钟标准 ，而是采用应答的方式。

主模块向从模块发出请求信 号，等到从模块的“应答”信号后，才开始通信一、总线特性一、总线特性(p152)(p152)①①物理特性（机械特性）物理特性（机械特性）：：总线的物理连接方式总线的物理连接方式，包，包 括总线的括总线的根数根数、总线的、总线的插头插头、、插座形状插座形状、、引脚线排列引脚线排列 方式方式等等③③电气特性电气特性：：定义每一根线上信号的定义每一根线上信号的传递方向传递方向及及有效有效 电平范围电平范围一般规定送入一般规定送入CPUCPU的信号叫的信号叫输入输入信号、从信号、从 CPUCPU发出的信号叫发出的信号叫输出输出信号信号②②功能特性功能特性：描述总线中每一根线的：描述总线中每一根线的功能功能④④时间特性时间特性：：定义每根线在什么时间有效，即定义每根线在什么时间有效，即规定总规定总 线上各信号有效的时序关系线上各信号有效的时序关系 第三节第三节 总线的性能指标总线的性能指标1、总线宽度一次总线操作中通过总线传送的数据位数二、总线的性能指标二、总线的性能指标2、总线周期一次总线操作中所用的时间3、总线的时钟频率4、总线带宽（标准传输率）在总线上每秒传输的最大字节量（即：最高的传 输速率），单位为MB/s 例：〔1〕某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据， 假如一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为 33MHz，总线带宽是多少？〔2〕如果一个总线周期中并行传 送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，总线带宽是多少？解：〔1〕设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用 T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D来表示 ，则：Dr =D/T=D*f=4B*33*106=132MB/s〔2〕64位=8BDr =D/T=D*f=8B*66*106=528MB/s思考思考：如果一个总线周期等于两个总线时钟周期，其：如果一个总线周期等于两个总线时钟周期，其 它条件不变，结果又该怎样？它条件不变，结果又该怎样？ 一、总线的连接方式一、总线的连接方式(p155)(p155)第四节第四节 总线的结构总线的结构（1）单总线结构特点特点：：使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、、主存和主存和I/OI/O 设备设备。

•要求所有连接到总线上的逻辑部件必须高速运行；•某些外围设备也可以指定地址，此时，外围设备通 过与CPU中的总线控制部件交互申请总线；•单总线结构连接灵活、易于扩充特点：特点：在在CPUCPU和主。