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第6章 总线系统. 本章提要 6.1 总线的基本概念 6.2 总线接口 6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式 6.4 微机常用的总线标准. 第六章 总线系统. 总线 （ Bus） 概念 总线就是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。. 6.1 总线的基本概念. 本节提要 6.1.1 总线的分类、特性与标准化 6.1.2 总线的连接方式. 6.1.1 总线的分类、特性与标准化. 1 ．总线的分类 （ 1 ）按传输信号的性质分类
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第6章 总线系统 本章提要 6.1总线的基本概念 6.2 总线接口 6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式 6.4 微机常用的总线标准
第六章 总线系统 总线（Bus）概念 总线就是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。
6.1 总线的基本概念 本节提要 6.1.1 总线的分类、特性与标准化 6.1.2 总线的连接方式
6.1.1 总线的分类、特性与标准化 • 1．总线的分类 • （1）按传输信号的性质分类 • 数据总线DB（Data Bus），是传送数据信息的总线，一般情况下是双向总线。 • 地址总线AB（Address Bu s），是传送地址信息的单向总线，。 • 控制总线CB（Control Bus），微处理器与存储器或接口等之间用来传送控制和状态信息的控制信号。通常这部分线的含义和特性最复杂。
6.1.1 总线的分类、特性与标准化 • 1．总线的分类 • （2）按照信号的功能分类 • 基本信息总线，包括地址线、数据线及内存和I/O的读写控制信号线等。 • 数据握手总线，又称联络总线，是控制启动和停止总线操作、实现数据传送同步的信号线。 • 判决总线，包括总线判决和中断判决线等。 • 定时信号总线，包括时钟信号线、复位信号线等。 • 电源信号总线，包括电源线和地线。
6.1.1 总线的分类、特性与标准化 • 1．总线的分类 • （3）按照层次位置分类（如图6-1所示） • 片内总线：片内总线位于微处理器或I/O芯片内部。 • 片总线：用于模块内芯片一级的连接。 • 系统总线（内总线、板级总线、扩展总线）：连接计算机系统内部各模块的一条主干线，是连接芯片级总线、局部总线的线纽带。 • 设备总线（外部总线、通信总线）：用于系统之间的连接。
局部总线：这是相对较新的概念，许多文献也把它称为片总线。在印刷电路板上连接各芯片之间的公共通路，例如CPU及其支持芯片与其局部资源之间的通道。这些资源包括在板资源，插在板上局部总线扩展槽上的功能扩展板上的资源。例如PC系列机中的8位ISA、16位ISA、EISA、VESA和PCI等总线标准。
CPU模块 存储器模块 I/O接口模块 微处理器 外围控制器 存储器 存储器 片总线 系统总线接口 系统总线接口 系统总线接口 I/O接口 I/O接口 外 总 线 系统总线 外设 外设 外设 外总线 6.1.1 总线的分类、特性与标准化 图6.1 微型计算机的各级总线
6.1.1 总线的分类、特性与标准化 3．总线的标准化 标准化工作一般由国际标准化组织负责进行定义或推荐，从总线特性上进性规范，标准化总线种类繁多，例如：ISA总线、EISA总线、PCI总线。总线标准为计算机系统中各模块的互连提供了一个标准界面，标准界面对界面两侧的模块都是透明的。因此采用总线标准，可以使不同厂家生产的相同功能部件互换使用，且总线的标准化有利于系统的可扩展性。总线带宽是衡量总线性能的重要指标，它是指总线本身所能达到的最高传输率，单位是兆字节每秒（MB/s）。
6.1.1 总线的分类、特性与标准化 2．总线的特性 （1）电气特性：规定每一根线上信号的传递方向、传递方式（单端方式或差分方式等），负载能力、最大额定值以及有效电平范围。 （2）时间特性：定义了总线上各信号的时序关系。 （3）机械结构特性：确定模板尺寸、总线插头、边沿连接器等。 （4）功能特性：描述总线中每一根线的名称、定义、功能与逻辑关系，对相互作用的协议（定时）进行说明。
6.1.2 总线的连接方式 1、单总线结构：在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备，这种结构就是单总线结构。在单总线结构中，要求各部件高速运行，各部件分时使用总线交换信息，在某些设备需要使用总线时，能够获得总线的控制权；但不使用总线时，又能交还总线的控制权。单总线结构如图6-2所示。
系统总线 标准接口 I/O适配器 I/O适配器 主存 CPU 6.1.2 总线的连接方式 图6.2 单总线结构
6.1.2 总线的连接方式 2、双总线结构：在CPU、主存和I/O设备之间专门设置了一组高速的存储总线。这种结构既保持了单总线的优点，又使CPU能够通过专用总线与存储器高速交换信息，减轻了系统总线的负担，同时主存和外设之间还可以进行DMA操作。但它的缺点是：增加了一定的硬件代价。双总线结构如图6.3所示。
系统总线 标准接口 高速存储总线 I/O适配器 I/O适配器 主存 CPU 6.1.2 总线的连接方式 图6.3 双总线结构
6.1.2 总线的连接方式 3、三总线结构：在双总线的基础上增加了I/O总线优点，合理发挥各总线作用：系统总线是CPU、主存和IOP（Input Output Processor，又称I/O处理器）通道之间进行数据传送的公共通路；I/O总线是外设和IOP通道之间进行数据传送的公共通路。三总线结构将速度相近的部件与设备连于同一类性能的总线，充分发挥总线效能。总体上提高了系统性能。缺点：增加了硬件代价。三总线结构如6.4图所示。
系统总线 高速存储总线 IOP通道 CPU I/O总线 标准接口 I/O适配器 I/O适配器 主存 6.1.2 总线的连接方式 图6.4 三总线结构
6.2 总线接口 本节提要 6.2.1 总线的数据传送方式 6.2.2 接口的基本概念
6.2.1 总线的数据传送方式 总线的数据传送方式有三种： （1）串行传送：串行传送即使用一条传输线，采用脉冲传送方式进行数据传送。串行传送的主要优点是只需要一条传输线，这对长距离传输降低成本尤为重要。缺点就是传送速度慢。 （2）并行传送：并行传送一位数据需要一条传输线，一般采用电位传送方式进行数据传送。。 （3）分时传送：指总线复用线或是共享总线的部件分时使用总线
6.2.2 接口的基本概念 接口也称适配器，以实现高速CPU与低速外设之间，工作速度上的匹配和同步，完成计算机与外设之间的所有数据传送和控制。 接口的作用可归纳为： （1）实现数据缓冲，使主机与外设在工作速度上达到匹配。 （2）实现数据格式的转换。 （3）提供外设和接口的状态。 （4）实现主机与外设之间的通信联络控制。
6.2.2 接口的基本概念 接口的典型功能：接口通常具有控制、缓冲、状态、转换、整理、程序及中断等功能。 一个接口具有两个界面：（1）界面1同系统总线相连，采用并行方式传送数据；（2）界面2同设备相连，可采用并行方式或串行方式传送数据。
6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式 本节提要 6.3.1 总线的仲裁 6.3.2 总线的定时 6.3.3 总线数据的传送模式
6.3.1 总线的仲裁 连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。主动即主设备，它可启动一个总线周期。被动即从设备，从设备只能响应主设备请求。 主设备具有使用总线的主动权，为了解决多个主设备争用总线的问题，必须设置总线仲裁部件。总线仲裁部件采用某种方式选择其中一个主设备，该设备作为总线的下一次主方。一般采用公平策略或优先级进行仲裁。在单机系统中，中央仲裁器即为总线控制器。
6.3.1 总线的仲裁 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。其中集中式仲裁又包括链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式三种。
6.3.1 总线的仲裁 1、集中式仲裁 集中式仲裁总线中每个模块有两条线连接到中央仲裁器：一条是总线请求信号线BR，方向是各功能模块送到仲裁器；另一条线是总线允许信号BG，方向是从仲裁器送到模块。 链式查询方式是总线允许信号BG串行地从一个设备传送到下一个设备，离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离仲裁器越远，优先权越低。菊花链查询方式如图6.6所示。
总线 中 央 仲 裁 器 设备1 设备2 设备n BG BR BS 6.3.1 总线的仲裁 图6.6 菊花链查询方式
6.3.1 总线的仲裁 图中有三条控制线：BG：总线响应信号，高电平表示总线仲裁器响应总线请求；BR：总线请求信号，BR有效表示至少有一个部件正在申请使用总线；BS：总线忙信号，高电平表示总线正被占用。 链式查询方式的优点是，只用很少几根线就能按一定有限次序实现总线仲裁，链路简单，并且这种结构易于扩充设备。 链式查询方式的缺点是故障敏感；另外链式查询方式的优先级是固定的，不灵活。
6.3.1 总线的仲裁 1、集中式仲裁 计数器定时查询方式是以计数方式查询请求总线的设备。当总线上任一设备请求总线时，即总线请求信号BR有效，总线不忙，则总线忙信号BS为低电平“0”，仲裁器启动计数器计数值广播送往各请求总线设备，判别是否为本设备的设备号。若是，该设备获得总线控制权，并置BS为“1”，以使仲裁器终止计数；若不是，设备继续接收计数值，直至计数值相符或计数停止（其他更高优先级的设备获得总线控制权）。链式查询方式如图6.7所示。
总线 设备1 设备2 设备n 中 央 仲 裁 器 Count BR BS 6.3.1 总线的仲裁 图6.7 链式查询方式
6.3.1 总线的仲裁 在计数器定时查询方式中，计数方法非常灵活。如果计数从“0”开始，则优先级顺序与部件编号顺序一致，各设备的优先次序与链式查询方式相同。如果计数从中止点开始，则从统计效果上看，每个设备的优先级相同。 图中有三条控制线：Count：计数值，固定的一个数值，大小从0~n-1；BR：总线请求信号，BR有效表示至少有一个部件正在申请使用总线；BS：总线忙信号，高电平表示总线正被占用。计数器定时查询方式的缺点是增加连线（广播计数值需多根连线）。
6.3.1 总线的仲裁 1、集中式仲裁 独立请求方式 在独立请求方式中，每个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线允许线BGi线，当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号总线，响应时无需进行设备查询，而是由中央仲裁器对各总线请求信号进行裁决，产生相应的总线响应信号送往该设备。 独立请求方式的优点：响应时无需进行设备查询，因此响应速度快；另外，可以灵活设置地设备的优先次序。在现代总线标准中普遍采用独立请求方式。
6.3.1 总线的仲裁 2．分布式仲裁（并行判决） 分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个共享总线的设备都有自己的裁决电路，由控制部件对申请进行排队和管理，竞争使用总线。当第i个设备需要请求总线时，把它们唯一的仲裁号发送到仲裁总线上，并读取仲裁总线上的设备号。并与本设备的号相比,若本设备优先级低，不能获取总线，则信号不断地进行比较；若本设备优先级高，就可以向仲裁总线送出设备号，并获得总线控制权。优点是速度快、可使用软件灵活控制。缺点是电路复杂。分布式仲裁如图6.8所示。
总线 设备2 设备n 设备1 裁决电路 裁决电路 裁决电路 BR BS 6.3.1 总线的仲裁 图6.8 分布式仲裁
6.3.2 总线的定时 总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：请求总线、总线仲裁、寻址目的地址、信息传送、状态返回（或错误报告）。 为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。所谓定时，是指事件出现在总线上的时序关系。下面介绍数据传送过程中采用的两种定时方式：同步定时和异步定时。
6.3.2 总线的定时 1、同步定时 在同步定时协议中，事件出现在总线的时刻由总线时钟信号来确定。所有事件都出现在时钟信号的前沿，大多数事件只占据单一时钟周期。 同步定时具有较高的传输率。同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。
6.3.2 总线的定时 2、异步定时 在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一件事的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上。再这种系统中，总线周期的长度是可变的，不需要统一的公共时钟信号。由于总线周期可变，因此适用于快速、慢速设备连接同一总线的情况。
6.3.3 总线数据的传送模式 • 当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据传送： • 读、写操作 读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。 • 块传送操作 即猝发式传送，只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个的读出或写入。 • 写后读、读修改写操作 只给出地址一次，连续进行操作。或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。 • 广播、广集操作：广播，即一个主方对多个从方进行写操作；广集，即与广播相反的操作。
6.4 微机常用的总线标准 本节提要 6.4.1 ISA， EISA总线 6.4.2 VESA局部总线 6.4.3 PCI总线
6.4.1 ISA, EISA总线 ISA总线 1、ISA总线的概念 ISA是工业标准体系结构(Industrial Standard Architecture)的缩写，是IBM公司在原始IBM PC引入的8位总线结构，1984年在IBM PC/AT中将其扩展到16位。ISA总线适配8/16数据总线传输要求，因而得到普遍认可，应用甚广，影响久远，直到现在还用在Pentium（奔腾）机中。
6.4.1 ISA, EISA总线 • ISA总线 • 2．ISA总线主要特性 • 24根地址线，可寻址16MB存储空间 • 64KB个可寻址的I/O端口 数据传输率最高为8MB/S • 一次可进行16位或8位数据储存 • 15级硬中断控制（对应2片8259A级联） • 7个DMA通道（相当2片8273-5级联） • 可产生I/O等待状态 • 支持多个主控器（Multi Master）
6.4.1 ISA, EISA总线 ISA总线 3、存储器和I/O端口寻址 ISA总线有两组地址信号线：SA19~SA0和LA23~LA17。SA19~SA0二十根地址线与XT总线一样，可对存储器中前1MB空间寻址，LA23~LA17为扩展地址线，与SA19~SA0合起来可对整个16MB存储空间进行寻址。 16MB由前1MB的基本存储空间和15MB扩展存储空间构成，前16MB基本存储器空间又分成三部分，如图6-8所示。
FFFFFFH EPROM（BIOS等） 128KB FE0000H FDFFFFH 扩展存储器 128KB～5M 100000H 0FFFFFH EPROM（BIOS等） 128KB 0E0000H 0DFFFFH 适配卡存储器 256KB 0A0000H 09FFFFH 系统板存储器 640KB 000000H 6.4.1 ISA, EISA总线 图6-8 IAS总线寻址的存储器空间
6.4.1 ISA, EISA总线 EISA总线 1、 EISA总线的概念 EISA是扩展的工业标准体系结构(Extended Industrial Standard Architecture)的缩写。它是在1988年9月由COMPAQ公司联合HP，AST，AT&T，TANDY，NEC等9家计算机公司，研制出的总线标准，EISA总线不仅具有MCA（Micro Channel Architecture）的全部功能，而且与ISA结构完全兼容，因而得到迅速推广。
6.4.1 ISA, EISA总线 • EISA总线 • 2、EISA总线主要特性 • EISA总线的地址线宽32位，可寻址4GB存储空间。总线时钟频率为33MHZ，数据传输率为33MB/s，支持猝发传输方式。 • EISA可支持总线主控，可以直接控制总线进行对内存和I/O设备的访问而不涉及主CPU。 • 具有总线仲裁能力。。 • 共享DMA，允许8个DMA控制器。
6.4.2 VESA局部总线 局部总线 进入1993年后，由于微处理器的飞速发展，使得ISA、EISA显的落后了，微处理器的高速度和总线的低速度不同步，造成硬盘、图形卡和其他外设只能通过一个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据。使CPU的高性能受到了严重的影响。从而业界又提出了PC的一项新技术------Local BUS。 具有局部总线的PC体系结构如图6-9所示。
CPU总线 存储器 CPU 局部总线控制器 局部总线VL或PCI 图6-9 具有局部总线的PC体系结构 高速外设 网络卡 图形卡 磁盘控制卡 标准总线桥路 ISA或EISA总线 低速外设1 低速外设n 6.4.2 VESA局部总线
6.4.2 VESA局部总线 局部总线 标准局部总线目前有两种： 一种局部总线是由VESA（Video Electronics Standard Association视频电子标准协会）于1992年5月推出的VL-BUS(VESA- Local BUS）局部总线标准，简称VESA标准。另一种是1993年Intel公司发布的PCI (Peripheral Component Interconnect)总线。
6.4.2 VESA局部总线 1．主要特性 （1）总线传输率 VESA数据总线宽度为32位，可扩充至64位。VESA最高主频为66MHz，总线传输率可达到132MHz。 （2）支持回写式高速缓存系统（Write Back Cache）。 （3）总线扩充槽和总线主控设备数目。 VL-Bus最多支持三个总线扩充槽，不用扩充槽的VL-Bus设备，可以直接做在主板上。 （4）VL-Bus设备类型 VESA标准局部总线与486匹配最佳。
6.4.2 VESA局部总线 2、VESA总线的引脚 VL-Bus插槽共有124个引脚接点，其中末端8个没定义（A59～A62；B59～B62），实际定义的引脚有112个。
6.4.3 PCI总线 PCI总线是由Intel公司在1991年首先提出的，是一种新型的、同步的、高带宽的、独立于处理器的总线。PCI总线是目前用得最广泛的局部总线。
6.4.3 PCI总线 1、PCI总线的特点 ⑴高性能 ⑵PCI总线支持突发工作方式 ⑶减少存取延迟 ⑷采用总线主控和同步操作 ⑸不受处理器限制 ⑹适用于各种机型 ⑺成本低 ⑻兼容性好，易于扩展 ⑼自动配置（即插即用，Plug and Play） ⑽规范严格
