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Lecture10-2总线2020年1月28日星期二1时25分29秒苏州大学计算机工程系2总线结构Ⅰ•计算机系统大多采用模块结构,一个模块就是具有专门功能的插件板,或叫做部件、插件、插卡。例如,主机板、存储器卡、I/O接口板等。随着集成电路集成度的提高,一块板上可安装多个模块。各模块之间传送信息的通路称为总线。为便于不同厂家生产的模块能灵活构成系统,形成了总线标准。•一般情况下有两类标准,即正式公布的标准和实际存在的工业标准。•正式公布的标准由IEEE(电气电子工程师学会)或CCITT(国际电报电话咨询委员会)等国际组织正式确定和承认,并有严格的定义。•实际的工业标准首先由某一厂家提出,而又得到其他厂家广泛使用,这种标准可能还没有经过正式、严格的定义,也有可能经过一段时间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系3总线结构Ⅱ•在标准中对插件引线的几何尺寸、引线数、各引线的定义、时序及电气参数等都作出明确规定,这对子系统的设计和功能的扩充都带来了方便。•总线有两类：–一类是连接计算机内部各模块的总线,如连接CPU、存储器和I/O接口的总线。常用的有ISA总线、EISA总线、VME总线、STD总线和PCI总线等。–另一类为系统之间或系统与外部设备之间连接的总线,常用的有EIA—RS232C串行总线和IEEE—488并行总线等。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系4总线类型•总线的组织方法很多,基本上可分成单总线和多总线。–1．单总线–所有模块都连接到单一总线上，如下图所示。总线类型有地址线、数据线、控制线和电源/地线。单总线具有结构简单便于扩充等优点。但由于所有数据的传送都通过这一共享的总线,因此在此处可能成为计算机的瓶颈。另外也不允许两个以上模块在同一时刻交换信息,这对提高系统效率和充分利用子系统都是不利的。为了提高数据传输率,并解决I/O设备和CPU、主存之间传送速率的差异,而采用多总线。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系5多总线–将速度较低的I/O设备从总线上分出去,而形成系统总线与I/O总线分开的双总线结构。–根据同一思想，可以组成三总线结构。在系统总线和扩展总线之间增加一条高速总线,将图形、视频和网络等连到高速总线上,而慢速I/O设备仍连到扩展总线。在图上增加了一个称之为桥的电路。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系6总线组成Ⅰ•总线是从两个或两个以上源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线,如一根传输线仅用于连接一个源部件(输出)和一个或多个目的部件(输入)，则不称为总线。–在背板上安装有若干个插槽,允许插入各个模块(CPU板、存储器板和I/O板等)。背板上的印制电路线将各插槽的相应点连接起来,即为总线。–经常将CPU及其他一些电路(如基本I/O设备的控制电路)安装在背板上,称之为主机板。在主机板上仍有插槽连接存储器及其他模块。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系7总线组成Ⅱ–由于多个模块(或部件)连接到一条共用总线上,必须对每个发送的信息规定其信息类型和接收信息的部件,协调信息的传送;必须经过选择判优,避免多个部件同时发送信息的矛盾。还需要对信息的传送定时,防止信息的丢失。这就需要设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁逻辑、驱动器和中断逻辑等。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系8总线判优控制Ⅰ•由于存在多个设备或部件同时申请对总线的使用权,为保证在同一时间内只能有一个申请者使用总线,需要设置总线判优控制机构。总线判优机构按照申请者的优先权选择可以控制总线的设备或部件。可以控制总线并启动数据传送的任何设备称做主控器或主设备;能够响应总线主控器发出的总线命令的任何设备称做受控器或从设备。通常CPU为主设备,存储器为从设备,I/O设备可以为主设备或从设备。•总线判优控制按其仲裁控制机构的设置可分为集中式控制和分布式控制两种。总线控制逻辑基本上集中于一个设备(如CPU)时,称为集中式控制;而总线控制逻辑分散在连接总线的各个部件或设备中时,称为分布式总线控制。•常用的优先权仲裁方式为串行链接方式,其基本原理与中断判优相似。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系9总线判优控制Ⅱ•总线控制器使用三根控制线与所有部件相连,它们是“总线请求”、“总线可用”、“总线忙”线。与总线相连的所有部件经公共的“总线请求”线发出申请。只有在“总线可用”信号未建立时,“总线请求”才能被总线控制器响应,并送出“总线可用”回答信号,串行地通过每个部件。如果某个部件接收到“总线可用”信号,但没有“总线请求”,则将该信号传给下一个部件,否则,停止传送。该部件建立“总线忙”信号。去除“总线请求”之后,即可进行数据的传送。•“总线忙”信号维持“总线可用”信号。“总线忙”在数据传送完后撤消,“总线可用”信号也随之去除。•可以看出,其优先次序是由“总线可用”线所接部件的位置决定的,离总线控制器越近的部件其优先权越高。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系10总线通信•信息在总线上的传送方式可分为同步和异步两种方式：–(1)同步通信。在同步方式下,通信双方由统一的时钟控制数据的传送,时钟通常是由CPU发出的,并送到总线上的所有部件。经过一段固定时间,本次总线传送周期结束,开始下一个新的总线传送周期。–(2)异步通信。利用数据发送部件和接收部件之间的相互“握手”信号来实现总线数据传送的方式称作异步通信方式。在异步通信方式下,发送部件将数据放到总线上后,经过一定的时间延迟后,在控制线上发出“数据准备好”信号。而接收部件则应发“数据接收”信号来响应,送此信号到发送部件,并接收数据。发送部件收到这个响应信号后,去除原数据,至此结束本次传送。异步通信方式便于实现不同速度部件之间的数据传送。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系11异步通信DATAREADY回答非互锁DATAREADY回答半互锁DATAREADY回答全互锁2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系12出错处理和总线驱动•出错处理:数据传送过程可能产生错误,有些接收部件有自动纠错能力,可以自动纠正错误;而有些部件无自动纠错能力但能发现错误,可发出“数据出错”信号,通常向CPU发出中断请求信号,CPU响应中断后,转入出错处理程序。•总线驱动:总线上可连接多个部件,具有扩充灵活的优点,但总线的驱动能力总是有限制的,因此在扩充时要加以注意。通常一个模块或一个部件限制在1~2个负载以内。在总线的传输线上至少连接两个源部件,而对集成电路采讲,不是任意两个集成电路的输出端可以短接在一起的,使用不当,会损坏器件。在计算机系统中通常采用三态输出电路或集极开路输出电路来驱动总线。后者速度较低，通常使用在I/O总线上。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系13PC系统总线发展•PC/XT总线是8位总线标准•AT总线提高到16位,增加了C,D插座2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系14ISA微机总线•1．ISA总线–ISA为工业标准总线,是IBM公司为其生产的PC系列微机制定的总线标准。ISA—8位总线(即XT总线)适用于CPU为8088的IBMPC/XT微机系统。总线信号连接到一个62针插座,分成A,B两排,每排31针,可连接31条引线,其中数据线8根,地址线20根;可接收6路中断请求,3路DMA请求;此外还包括时钟,电源线和地线。–80年代中期ISA总线扩充到16位(即AT总线)适用于CPU为80286的IBMPC/AT系统。总线信号连接到2个插座,一个是与XT总线兼容的62针插座,引线仍标以A1~A3l,B1~B3l。另一个为扩充的32针插座,引线标以C1~C18,D1~D18。总线信号包括数据线16根,地址线24根,支持16级中断和7个DMA通道。8位数据线的I/O接口卡可以在ISA—16的62针插座上运行。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系15MCA总线–在此期间,由于CPU速度的提高,让CPU与存储器直接交换数据而不再通过ISA总线。–ISA总线的最大传输率为5MB/s。•MCA总线–随着80386,80486的问世,ISA的弱点显露出来,例24位地址线,16位数据线与32位CPU不匹配,传输速率低,不支持自动配置,不支持总线主控技术及缺乏对多处理器的支持等。–MCA总线的特点是：将数据线和地址线都扩展到32位,成为标准的32位扩展总线系统,同时系统的寻址范围增加到4GB。它的传输速率为40MB/s,且具有多总线功能；有总线仲裁机构,可支持多任务处理；支持多处理器,具有并行处理能力；具有附加卡定义档案,易于机器识别和系统诊断；具有可编程任选机制,可自动进行系统配置和安装。–2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系16MCA总线(续)–然而,MCA总线也有令人不满意的地方。首先是它与目前已广泛使用的ISA总线不兼容,失去了一大批PC机市场。其次IBM公司注册了MCA的版权,可观的版权费使得许多厂家望而却步,从而影响了MCA总线的推广。虽然MCA总线有许多优于传统的设计,增加了许多新的特殊的功能,甚至连现在最新的PCI总线都不具有,但是MCA总线的市场占有率并不高。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系17EISA总线Ⅰ•2.EISA总线–1989年，Compaq，HP，AST，Epson，NEC等九家计算机公司联合推出了一个32位总线标准——扩充工业标准(ExtendedlndustrialStandardArchitecture，简称EISA)。EISA保持了与ISA的完全兼容。由于EISA的公开性,因此适合于EISA总线的插卡,如LAN,SCSI,图形卡等相继问世,使EISA在应用领域得到充分发展。–由于上述的一些原因,1988年9月,由ComPaq、AST等九家PC机生产厂家联合推出了一种与ISA兼容的总线标准,称为增强的工业标准体系结构EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)。由于EISA是从ISA发展起来的,而且又与ISA兼容,并在许多方面参考了MCA的设计,仍受到PC机众多厂家及用户的欢迎,成为一种与MCA相抗衡的总线标准。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系18EISA总线Ⅱ–EISA总线的主要特点是：支持新一代智能总线主控技术,使外设控制卡可以控制系统总线;可以实现32位内存寻址,实现对CPU,DMA和总线控制器的32位数据传送,支持猝发式传输访问,最高数据传输速率为33MB/s;支持电子触发中断方式,多处理器和自动配置等。正是由于EISA保持了与ISA总线的兼容性,从而保护了人们业已在ISA总线微机硬件和软件上的巨大投资。EISA适合于对总线使用要求较高的系统软件,如Windows,Unix,OS/2等,也适用于要求数据传输速率高及数据传输量大的应用场合,如高速图形处理,LAN管理和文件服务应用软件等。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大学计算机工程系19EISA总线Ⅲ–EISA总线支持CPU,DMA设备和总线主设备对存储器的32位地址寻址,16位或32位数据传送宽度。总线时钟仍保持为8MHz。32位的DMA采用成组传送(burst)方式时,传输率可达33MB/s。burst方式指的是当数据传送开始后以一定周期连续重复传送一组数据的工作方式,其所能达到的最高传输速率,称为传输率。在某些文章中burst翻译成猝发式或迸发式。–EISA总线虽有很多改进,但比较复杂,而且随着人们对视频显示要求的不断提高,使得总线的传输率不能满足要求,于是出现了局部总线。2020年1月28日星期二1时25分30秒苏州大