微机原理第六章总线和总线标准

6-16.1有关总线的基本概念6.1.1总线与总线模块6.1.2总线操作及控制6.1.3总线的功能和性能指标6.1.4总线周期与指令周期、时钟周期的关系6-2总线是在模块与模块之间或者设备与设备之间传送信息的一组公用信号线，是系统在主控器(模块或设备)的控制下，将发送器(模块或设备)发出的信息准确地传送给某个接受器(模块或设备)的信号通路。总线的特点在于其公用性，即它同时挂接多个模块或设备。6.1.1总线与总线模块6-3总线按其信号线性质不同一般可分为：读写控制线数据传输握手线总线判决线中断控制线DMA控制线控制总线CB：地址总线AB：数据总线DB：6.1.1总线与总线模块1.总线分组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。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。6-4总线的另一种分法：6.1.1总线与总线模块基本信息总线仲裁总线数据握手总线数据总线DB地址总线AB存储器与I/O读写控制线总线判决线中断控制线DMA仲裁控制线保证在总线操作期间基本信息总线上信息的正常传送。6-56.1.1总线与总线模块总线主模块总线从模块主从模块连接在总线上的模块（设备）有三种：工作于主控方式，可以控制和管理总线。工作于受控方式，只能在主模块控制下工作。有时工作于主控方式，有时工作于受控方式。2.总线模块6-6微机系统中的各种操作本质上都是通过各级总线进行的信息交换，统称为总线操作。同一时刻，总线上只能允许一对模块进行信息交换。当有多个模块都要使用同一总线进行信息传输时，只能采用分时方式，即将总线时间分成很多段，每段时间可以完成模块之间一次完整的信息交换，通常称之为一个数据传输周期或一个总线操作周期。6.1.2总线操作及控制6-7一个总线操作周期一般要分成4个阶段：6.1.2总线操作及控制总线请求和仲裁阶段寻址阶段传数阶段结束阶段总线请求和仲裁阶段需要使用总线的主模块提出请求，由总线使用的仲裁机构确定把下一个传输周期的总线使用权分配给哪一个请求源。6-8一个总线操作周期一般要分成4个阶段：6.1.2总线操作及控制总线请求和仲裁阶段寻址阶段传数阶段结束阶段取得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的存储器地址或I/O端口地址，让参与本次传输的从模块开始启动。6-9一个总线操作周期一般要分成4个阶段：6.1.2总线操作及控制总线请求和仲裁阶段寻址阶段传数阶段结束阶段主模块和从模块进行数据交换。在主模块发出的控制信号作用下，数据由源模块发出，经数据总线传送到目的模块。6-10一个总线操作周期一般要分成4个阶段：6.1.2总线操作及控制总线请求和仲裁阶段寻址阶段传数阶段结束阶段主从模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线，以便其他模块能继续使用。为了确保这4个阶段正确推进，必须施加总线操作控制。包括两个层面的控制：总线仲裁总线握手6-111.总线的功能数据传送占用仲裁传输握手收发缓冲出错处理6.1.3总线的功能和性能指标6-122.总线的性能指标总线的主要性能指标有:总线带宽总线位宽总线工作频率6.1.3总线的功能和性能指标总线带宽指的是单位时间内总线上可传送的数据量，又称总线最大传输率。总线位宽指的是总线上能同时传送的数据位数。总线工作频率指的是用于控制总线操作周期的时钟信号频率，所以也叫总线时钟频率。6-13时钟周期是处理器中处理动作的最小时间单位，通常称之为一个T状态。总线周期是指CPU对存储器或I/O端口完成一次读/写操作所需要的时间，它是微处理器完成一步完整操作的最小时间单位。指令周期是指一条指令从取指开始至执行完毕所需要的时间，通常要经历若干个总线周期。不同指令或同一指令寻址方式不同时，其指令周期也不同。时钟周期是计算机定时工作的基本时间单元，一个总线周期通常包括几个时钟周期，而一个指令周期通常又包括几个总线周期。时钟周期总线周期(机器周期)指令周期三者关系6.1.4总线周期与指令周期、时钟周期的关系6-14总线仲裁又叫总线判决，其目的就是合理地控制和管理系统中需要占用总线的请求源，在多个源同时提出总线请求时，以一定的优先算法仲裁哪个应获得对总线的占用权。如果没有总线仲裁，很容易产生总线冲突。总线冲突是指在总线上同时有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，冲突的表现形式后果因驱动总线的逻辑器件类型而异。因此总线仲裁就是要确保任何时刻总线上最多只有一个模块发送信息，而决不出现多个主控器同时占用总线的现象。6.2总线仲裁方法6-156.2总线仲裁方法1.“菊花链”仲裁(串行仲裁)2.并行仲裁3.并串行二维仲裁常见的总线仲裁协定有：6-16动画演示6.2总线仲裁方法1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁三线菊花链仲裁原理图总线总线仲裁器BGBGIN1BRBBC1BGOUT1BGIN2C2CnBGOUT2BGINnBCLK(总线时钟)1)三线菊花链仲裁原理6-176.2总线仲裁方法BRBGBBC1C2C1C2C1①②③④1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁2)仲裁定时图6-18每时刻只有一个模块作为总线通信的实际主控模块；6.2总线仲裁方法先请求者先响应，且在一个总线操作周期之内不被打断；同一时刻几个模块请求者，按优先级排序响应。1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁3)这种菊花链仲裁协定的要点：6-19控制总线交换速度限制了链路上允许串入的Ci个数N：N≤TBCLKΔtTBCLK为总线时钟周期Δt为每个主控模块的平均传输延时6.2总线仲裁方法1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁4)总线时钟线(BCLK)的作用：6-20逻辑和物理实现都很简单;优点：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。链路连好后，优先级结构不能改变，容易出现饱饿不均。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：6.2总线仲裁方法易于扩充。1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁5)菊花链仲裁的优缺点6-21也叫独立请求仲裁1)特点：每个Ci均有自己独立的BR、BG线与总线仲裁器相连。并行仲裁机构示意图6.2总线仲裁方法1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁总线仲裁器总线BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLKC1C2Cn6-22并行仲裁6.2总线仲裁方法2)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用完后,撤消BBi，仲裁器撤消BGi，为下次仲裁作准备。Ci撤消BRi，升起BBi，使BB有效；总线仲裁器总线BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLKC1C2Cn6-233)总线仲裁优先级算法：4)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。缺点：控制线较多，逻辑复杂，不易扩充，故主控器较多时不适用。固定优先级算法循环优先级算法6.2总线仲裁方法1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁6-24二维总线仲裁系统兼具有串链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。6.2总线仲裁方法1.“菊花链”仲裁2.并行仲裁3.并串行二维仲裁二维总线仲裁机构原理图C1C2C4C3总线仲裁器BR1BG1BR2BG2INOUTIN去下一台设备去下一台设备OUTOUTININOUTBCLKBB6-25总线握手主要解决主模块取得总线占用权后，如何在主模块和从模块之间实现可靠的寻址和数据传输的问题。常见的总线握手方法：1.同步总线协定2.异步总线协定3.半同步总线协定6.3总线握手6-26这是最简单、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;6.3总线握手模块间通过总线进行一次数据传送的时间是固定的，每次传送一旦开始，主从模块都必须按严格的时间规定完成相应的动作。1.同步协定2.异步协定3.半同步协定6-27CLKT4T3T2T1T4T3T2T1A0～A19D0～D7存储器读周期存储器写周期地址地址数据数据MEMRMEMW6.3总线握手2)定时时序举例（PC/XT同步总线）1.同步协定2.异步协定3.半同步协定T1周期，CPU发出访问存储器的地址T2周期，CPU发出存储器读操作命令T3周期,被选中的存储单元把数据送上总线T4周期,主从模块撤消读命令和总线上的数据、地址，结束总线周期6-283)优缺点为解决这一矛盾，较好的办法是采用异步总线握手技术。简单、容易实现完成一次总线操作只需一个来回行程(读)或一个单程(写)，操作时间短，适于高速运行需要。优点：适应性较差。只能按最坏的可能性来确定总线周期的时间，而且一旦设计好后，总线上不能再接更低速的设备。缺点：6.3总线握手1.同步协定2.异步协定3.半同步协定6-29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。6.3总线握手1.同步协定2.异步协定3.半同步协定6-302)定时时序：6.3总线握手主控M受控S数据地址④②③①①②③④写周期读周期启动受控器接收数据通知主控器数据接受完毕通知受控器信号已撤消受控器撤消信号传输周期结束启动受控器准备数据通知主控器数据已准备好通知受控器数据已接受受控器撤消信号传输周期结束●适应性好●数据传输高度可靠优点：缺点：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。1.同步协定2.异步协定3.半同步协定6-316.3总线握手综合同步、异步协定两者的优点而产生的一种混合式总线握手协定。本质上，是按同步总线的原理工作的。总线操作过程只在时钟脉冲一个信号控制下完成。但它又不象同步总线那样总线周期固定，它通过设置一根“等待”(WAIT)或“就绪”(READY)信号线，可以使总线周期延长整数个时钟周期。1.同步协定2.异步协定3.半同步协定6-32Pentium与80486一样，支持多种多样的总线传输，以满足高性能系统的需要。但无论哪种总线传输，均采用半同步握手协定来控制其传送操作的进行。较典型的有：非流水线式读/写周期的总线时序突发式读/写周期的总线时序流水线式读/写周期的总线时序6.4Pentium的基本总线操作时序6-336.4Pentium的基本总线操作时序T1T2TiT1T2TiT1T2T2TiT2T2无效无效CLKADDRADSCACHEW/RNABRDYDATAPCHK有效有效有效无效有效T1T2基本的2-2周期带等待态的总线周期读写写读等待等待1.非流水线式读/写周期的总线时序6-346.4Pentium的基本总线操作时序读写T1T2T2T2T2TiT1T2T2T2T2Ti有效有效CLKADDRADSCACHEW/RKENBRDYDATAPCHK2.突发式读/写周期的总线时序6-356.5.1标准总线概述6.5.2目前常用模块级内部扩展总线6.5.3目前常用系统级外部总线6.5PC系列微机中的常用标准总线6-36所谓总线标准是指国际工业界正式公布或推荐的连接各个模块的总线规范，是把各种不同的模块或设备组成计算机或计算机应用系统时必须遵循的连接规范。6.5.1标准总线概述6-37总线按其在系统中的位置及功能不同，一般可分为三级：●芯片级总线：利用它把芯片连成模块●模块级总线：利用它把主板和主板上各模块连成微机●系统级总线：利用它把多台微机或设备连成微机系统从微机应用角度看，最关心的是模块级和系统级总线。6.5.1标准总线概述6-38无论哪种总线标准，尽管在设计细节和适应范围上有很多不同，各有特点，但从总体原则上看，每种总线设计所要解决的问题是大体相同的，其总线规范（Specification）一般都应包括如下几部分：信号系统电气特性机械结构6.5.1标准总线概述6-39ISA总线(AT总