第六章 系统总线
6.1 总线的概念和结构形态
什么是 bus? （1）公共汽车：运送人员。 （2）一组导线：传送信息。 共同点： 多个使用者共享通道。
总线的基本概念
总线是计算机中连接各个功能部件的纽带，是 计算机各部件之间进行信息传输的公共线路。借助 于总线连接，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。
• 主设备与从设备
（1）主设备：占有总线控制权的设备，是总线事务 的发起者。 （2）从设备：与主设备组成通信的设备，是总线事 务的响应者。 （3）总线事务： （a）发送命令（和地址）。 （b）传送数据。 （c）申请与仲裁
控制信号：主设备发起总线事务
总线主设备
数据可双向传输
总线从设备
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。 • 集中式仲裁 总线控制逻辑集中于一个设备（总线控制器）。 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁 器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条 是仲裁器送出的总线授权信号线BG。集中式仲裁有 三种： （1）链式查询方式：离中央仲裁器最近的设备具有最 高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。 优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线 控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。 缺点：是对询问链的电路故障很敏感，优先级固定。
• 总线的定时
（1）同步定时 在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻 由总线时钟信号来确定。由于采用了公共时钟，每 个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟 规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。 优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。 缺点：主、从模块时间配合属于强制性“同步”，必 须在限定时间内完成规定的要求。并且对所有从模 块都用同一限时，这就势必造成，对各不相同速度 的部件而言，必须按最慢速度的部件来设计公共时 钟，严重影响总线的工作效率，也给设计带来了局 限性，缺乏灵活性。 同步定时一般用于总线长度较短、各部件存取 时间比较一致的场合。
（4）多总线结构 多个CPU、存储器、I/O设备通过交叉开关互连。 总线套数 = n + m + k 要求：n m + k ，使每个CPU和I/O设备在同一 时间可分到一套总线与存储模块相连。
M.M1
CPU1 I/O1 CPUm
M.M2
M.Mn
I/Ok
6.2 总线接口 • 信息传送方式
计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行 传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上 的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方 式。 （1）串行传送：当信息以串行方式传送时，只有一条 传输线，且采用脉冲传送。 在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进 行并－－串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要 进行串－－并变换，这称为装配。串行传送的主要优 点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特 别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输 线，成本比较低廉。缺点就是速度慢。
计数器定时查询方式
BS -总线忙 Bຫໍສະໝຸດ -总线请求数据线 地址线1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
设备地址
BS BR
I/O接口0
I/O接口1
…
I/O接口n
（3）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BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用 总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中 的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备 以授权信号BGi。 独立请求方式的优点是响应时间快，即确定优 先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接 一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵 活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1 次之…BRn最低；也可以通过程序来改变优先次序； 还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来 自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独
（3）总线特性及性能指标 （a）总线特性
总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电 气特性、时间特性。 物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座 形状，引脚排列方式） 功能特性：每根线的功能。 电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。 时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。
（b）性能指标 宽度：指数据总线的根数，用 bit 表示。 数据传输率：总线指单位时间内总线传输数据的能力， 用 MB/s 或 Mb/s 表示。 例1：总线工作频率f = 33MHz，总线宽度W = 32bits， 则：数据传输率(并行传输带宽）= 33 * 4 = 132MB/s 波 特率：指每秒通过信道(串行)传输的码元(二进制位) 数。 比特率：指每秒通过信道(串行)传输的有效数据量。 例2：在一个串行传输系统中，每秒可传输10个数据帧， 每个数据帧包含1个起始位，8个数据位和2个停止位， 则： 波特率 = 11 * 10 = 110 b/s 比特率 = 8 * 10 = 80 b/s
• 总线接口的基本概念
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。 为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确 地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。 一 个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设 备。 （1）接口的功能 能实现通信双方的数据缓冲、通信联络、速度 匹配与协调、数据格式变换等。
（2）双总线结构
将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来， 形成存储总线与I/O总线分开的结构。多用于大、 中型计算机系统。 系统总线
存储总线
CPU
M.M
外设1
外设n
存储总线
CPU
M.M
I/O处理机(通道)
I/O总线
外设1
外设n
（3）三总线结构 现代PC基本采用的结构。主板总线连接到 处理器-主存总线，处理器-主存总线主要用于 处理器和主存之间数据交换，I/O总线连接到 主板总线。
采用标准总线的优点： （a）简化系统设计。 （b）简化系统结构，提高系统可靠性。 （c）便于系统的扩充和更新。
• 总线结构
（1）单总线结构 单总线 BUS I/O接口 I/O接口 外设2 I/O接口 外设n
CPU
M.M
外设1
所有模块都连接到一条总线上，总线分时工作，多 用于小型、微型计算机系统。 优点：控制方便，易于扩充。 缺点：吞吐量低，总线成为系统瓶颈。
链式查询方式
BS -总线忙 BR-总线请求 BG-总线同意 数据线 地址线 BS BR
总 线 控 制 部 件
I/O接口0 BG
I/O接口1
…
I/O接口n
…
（2）计数器定时查询方式：总线上的任一设备要求使 用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接 到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器 开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每 个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线 上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设 备 置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数 查询。 每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点 开发始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链 式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中 止点开始，则每个设备使用总线的优级相等。 计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便 地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代 价的。
（1）建立总线的原则 （1）互斥性：挂接总线的各总线驱动器(发送 端)必须具有分时操作的可能性，即不允许在 同一总线上同 时有两个发送源发送信息。 （2）一致性：同一总线中所挂接总线的器件 (OC门或三态门)类型要一致。
多 路 选 择 器 多 路 分 配 器
BUS
（2）总线的分类 （a）按数据传送方式分 串行总线，并行总线。 （b）按连接部件的不同分 片内总线，系统总线，通信总线。 （c）按系统传输信息的不同分 数据总线，地址总线，控制总线。 （d）按数据传输的方向分 单工总线，半双工总线，全双工总线。 （e）按总线的结构分 单总线，双总线，多总线。 （f）按总线传输的定时方法分 同步总线，异步总线。
优点：大大减少处理器-主存总线负载。
适配器（接口）：实现高速CPU与低速外设之 间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机 和外设之间的所有数据传送和控制。 桥：通过桥，CPU总线、系统总线和高速总线 彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、 控制功能的逻辑电路。 多总线结构体现了高速、中速、低速设 备连接到不同的总线上同时进行工作，以提 高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的 变化不影响高速总线。
（3）接口的组成
一个适配器的两个接口：一个同系统总线相连， 采用并行方式，另外一个同设备相连，可能采用并 行方式或是串行方式。
数据线 地址线
CPU 命令线
状态线
I/O接口 设备选择 数据缓冲寄 控 存器(DBR) 制 电路 逻 辑 设备状态 电 命令寄存器 和译码器 标记 路
数据线 命令 状态
外 部 设 备
（3）总线标准化
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，这就是系统总线的标准化 问题。 总线标准：可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个 互连的标准界面。这个界面对它两端的模块都是透明的， 即界面的任何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连接 要求。按总线标准设计的接口是通用接口。 目前流行的总线标准有： ISA (Industrial Standard Architecture): 16位标准总线。 EISA (Extended Industrial Standard Architecture): 32总线。 PCI (Peripheral Component Interconnect): 32位标准总线。