第六章 系统总线
第六章 微处理器8086的总线结构和时序PPT课件
（2）多总线结构
面向CPU的双总线结构
双总线结构
面向主存的双总线结构
多总线结构
① 双总线结构 a) 面向CPU的双总线结构
M CPU
I/O
I/O
I/O
缺点：存储器与I/O设备的数据传输必须通过CPU
b) 面向存储器的双总线结构
CPU
M
I/O
I/O
I/O
② 多总线结构 • 系统中拥有两个以上的总线
第6章
微处理器8086的总线结构
和时序
mov ax,12h call display Jmp 1234h
6.1 8086系统总线结构
6.1 .1 系统总线及结构
1、总线：
是一组导线和相关的控制、驱动电
路的集合。是计算机系统各部件之间
传输地址、数据和控制信息的公共通
道。
地址总线（AB）
数据总线（DB）
2）控制总线：
• WR：输出，三态 –写选通信号，表示CPU正在写数据到 MEM或I/O设备。
• RD：输出，三态 –读信号，表示CPU正在从总线上读来自 于MEM或I/O设备的数据。
• M/IO：输出，三态 –区分是读写存储器还是读写I/O端口 （即地址总线上的地址是存储器地址还 是I/O端口地址）。
– 驱动、隔离 – 单向、双向 • 锁存器 – 信息缓存（有些同时具有总线驱动
能力） – 信息分离（如地址与数据的分离）
① 三态总线驱动器
输入 OE
输入 OE
输出
输入 OE
输出
输入
OE
输出 输出
典型总线驱动器芯片
• 8286 / 74LS245 —— 8双向总线驱动器
–内部包含8个双向三态门
第6章_总线系统
的效率，但以花费更多的硬件为代价。
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6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
最大存储容量：单总线系统中，必须为外 围设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算 机字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存 储容量不受外围设备多少的影响。
由传输信息的电路和管理信息传输的协议组成。
总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结 构、技术和性能都直接影响着计算机系统的性能和 效率。
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2 总线分类
（1）内部总线：CPU内部连接各寄存器及运
算部件之间的总线。
（2）系统总线：CPU同计算机系统的其他高 速功能部中对存储总线和系 统总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统 中对内存和外设采用相同的指令，不同之处仅在 于使用不同的地址。
吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息 的速率。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
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6.1.4 总线的内部结构
缺点：1）CPU是总线的唯一主控者； 2）总线结构紧密与CPU相关，通用性差。
即规定总线上各信号有效的时序关系。
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6 总线的标准化
微型计算机系统总线的标准化： ISA（16位，8MB/S） EISA（32位，33.3MB/S） VESA（32位，132MB/S） PCI（64位，100MHz） 800MB/S
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7 衡量总线性能的指标：
①总线宽度； ②总线控制方式；③时钟模
由一次地址时间和一次数据时间
组成。
• (2) BURST总线周期：
第六章 总线系统
数据线 地址线
BG0 BR0
设备接口0 排队器
设备接口1
25
§ 6.4 总线的时序
◆ 总线的定时
同步定时： 总线操作的各个过程由共用的总线时钟信号控制 适合速度相当的器件互连总线，否则需要准备好信号让快 速器件等待慢速器件 微处理器控制的总线时序采用同步时序 异步定时： 总线操作需要握手联络（应答）信号控制 数据传输的开始伴随有启动（选通或读写）信号 数据传输的结束有一个确认信号，进行应答 不需要统一的公共时钟信号，总线周期的长度可变。允许 快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。
BS -总线忙 这种方式增加了设备地址线， BR-总线请求 数据线 但可以通过改变计数器的初值 来灵活地改变优先次序。 地址线
1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
设备地址
BS BR
设备接口0
计算机组成原理
设备接口1
叶晓霞
…
设备接口n
24
③独立请求方式
总 线 控 制 部 件
BG-总线同意 BR-总线请求 优点：响应时间快， 对优先次序的控制灵活 BGn 缺点：线数多。 BRn BG1 当代总线标准普遍 BR1 采用独立请求方式
总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能 部件之间进行数据传送的公共通路。 其中系统总线构成包括：数据总线、地址
总线和控制总线。数据总线用来传送数据， 是双向的；地址总线用来传送主存与外设 一、总线的分类 的地址信息，是单向的；控制总线用来指 明数据传送的方向（存储器读／写、外设 单处理器系统中可分为内部总线、系统总线和 I/0总线。 读／写）、中断控制和定时控制等，控制 总线中的每一根是单向的。
计算机组成原理
叶晓霞
计算机组成原理习题 第六章总线系统
第六章总线系统一、填空题：1.PCI总线采用A.______仲裁方式，每一个PCI设备都有独立的总线请求和总线授权两条信号线与B.______相连。
2.SCSI是处于A.______和B.______之间的并行I/O接口，可允许连接C.______台不同类型的高速外围设备。
3.总线有A 特性、B 特性、C 特性、D 特性，因此必须E 。
4.微型计算机的标准总线从16位的A 总线发展到32位的B 总线和C 总线，又进一步发展到64位的D 总线。
二、选择题：1.计算机使用总线结构的主要优点是便于实现技术化，同时______。
A. 减少信息传输量B. 提高信息传输速度C. 减少了信息传输线的条数D. 减少了存储器占用时间2.描述PCI总线基本概念中正确的句子是______。
A.PCI总线的基本传输机制是猝发式传送B.PCI总线是一个与处理器有关的高速外围总线C.PCI设备一定是主设备D.系统中允许只有一条PCI总线3.描述PCI总线中基本概念表述不正确的是______。
A.PCI设备不一定是主设备B.PCI总线是一个与处理器有关的高速外围总线C.PCI总线的基本传输机制是猝发式传送D.系统中允许有多条PCI总线4.并行I/O标准接口SCSI中，一块适配器可以连接______台具有SCSI接口的设备。
A. 6B. 7C. 8D. 95.下面对计算机总线的描述中，确切完备的概念是______。
A.地址信息、数据信息不能同时出现B.地址信息与控制信息不能同时出现C.数据信息与控制信息不能同时出现D.两种信息源的代码不能在总线中同时传送6.SCSI接口以菊花链形式最多可连接______台设备。
A．7台 B．8台 C．6台 D．10台7.微型机系统中外设通过适配器与主板的系统总线相连接，其功能是___。
A. 数据缓冲和数据格式转换B.监测外设的状态C.控制外设的操作D. 前三种功能的综合作用8.计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化,同时___。
第6章系统总线
6.1.1 总线的基本概念
式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线， 主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等 部件，因此也被称为处理器－主存总线，有的系 统把它称为局部总线或处理器总线。底板式总线 通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统 中的各个电路板的连接。典型的有PCI总线、 VME总线等。 I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计 算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多 方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等， 差异很大，所以I/O总线的种类很多。
6.1.1 总线的基本概念
6.1.1 总线的基本概念
3.系统总线的组成 一个系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一 组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，地 址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线和 地址线复用。 数据线用来承载在源部件和目的部件之问传输的 信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如 果数据线和地址线复用的话）。 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单 元或I/O端口的地址。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用。
教学过程
6.1
系统总线的结构 6.2 总线的控制、数据传输和接口 6.3 常用总线
6.1系统总线的结构
计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互 联，才能组成计算机系统。 部件之间的互联方式: 分散连接：各部件之间通过单独的连线互联 总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输 线上。总线结构的两个主要优点是 灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线 上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统 之间互换 低成本。 现代计算机普遍使用的是总线互联结构。
总线的信号线类型有专用和复用两种。
专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一
计算机组成原理第6版(白中英)第6章总线系统
2. 系统总线的标准化
PC中，系统总线布设在主板上。
为什么主板能支持很多厂家的显卡……？ 原因是，系统总线是按标准制作的。
总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性 和时间特性。
微机中的标准总线：ISA总线 (16位，8MB/s)、 EISA (32 位 ， 33.3MB/s) 总 线 、 VESA 总 线 (32 位 ， 132MB/s) 、 PCI总线(64位，100MB/s) PCI-Express 1.0总线(250MB/s) 。
15
6.1.5 总线结构实例
南北桥芯片将CPU总线、PCI总 线、ISA总线连成整体。桥芯片 起到了信号速度缓冲、电平转换、
控制协议的转换作用。
16
CPU总线
• 也称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和32
位地址线的同步总线。
PCI总线
• 用于连接高速的I/O设备模块，如图形显示卡适配
7
总线的主要参数
1.总线的带宽 （MB/s）
• 一定时间内总线上可传送的数据量
2.总线的位宽
• 总线能同时传送的数据位数。
即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。
3.总线的工作时钟频率 （MHz）
• 总线的时钟频率
f
1 T
1 时钟周期
8
总线带宽
总线传输数据的速度。单位：MB/s
[例6.1]：(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则 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，则总线带宽是多少?
4
1. 总线的特性(续) 电气特性
总线技术介绍
主
ACK
从
6.1.4 总线传输和传输控制
3．半同步方式 wait/ready信号是单 信号是单 向的，不是互锁的。 向的，不是互锁的。 4． 4．分离方式 clk 总线读周期 读周期分成两个子周期 总线读周期分成两个子周期 address • 寻址子周期 data • 数据传送子周期 在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。 在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。 clk
靠靠靠 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9..........A25 A26 A27 A28 A29 A30 A31 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9..........E25 E26 E27 E28 E29 E30 E31 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9.......... F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9.......... B25 B26 B27 B28 B29 B30 B31 靠靠靠 C1 C2 C3 C4 C5 C6......C17 C18 G1 G2 G3 G4 G5 G6......G17 G18 G19 H1 H2 H3 H4 H5 H6. ...H17 H18 H19 D1 D2 D3 D4 D5 D6. ...D17 D18
总线带宽又称总线的数据传输率， 总线带宽又称总线的数据传输率，是指在一定时间内总线上可 传送的数据总量，用每秒钟最大传送数据量来衡量。 传送的数据总量，用每秒钟最大传送数据量来衡量。
总线带宽或数据传输率=(总线宽度/8位 总线带宽或数据传输率=(总线宽度/8位)×总线频率 =(总线宽度/8
单位为MB/S（总线频率以MHz为单位） 单位为MB/S（总线频率以MHz为单位） MB/S MHz为单位
第六章 总线系统
总线结构——基本概念
CPU-CACHE 模块 存储器 模块 I/O 适配器 总线 控制器
数据传送总线（数据线、地址线、控制线）
仲裁总线
中断和同步总线 公用线
2016年11月14日1时24分 22
系统总线——总线接口
• 信息的传送方式 – 串行传送 在串行传送时，按顺序来传送表
示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号， 每次一位，被传送的数据需要在发送部件进行 并－－串变换，这称为拆卸，反之称为装配。 – 并行传送 对每个数据位都需要单独一条传 输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少 条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不 同的线上同时进行传送。
2016年11月14日1时24分
41
思考作业
• P235 • 1-20
2016年11月14日1时24分
42
I/O (Input-Output)总线与扩展槽
总线是计算机中的传输数据信号的通道，按并行方式传输信息。
微处理器 存储器 接口电路 外部设备
扩展槽的作用
I/O总线
输入/输出：
数据总线 控制总线 地址总线
主存 外设 256 64K
主存->存储总线-> AB=16->64K 外设->系统总线->AB=8 ->256字节
2016年11月14日1时24分 15
• 指令系统： • CPU访问主存、外设的指令由于总线的结 构不同而不同。 • 例：单总线：主存-外设统一编址 • 所以只有一条指令，如： • MOV A，0000H； A<-主存 • MOV A，FFE0H；A<-外设
2016年11月14日1时24分 31
系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式
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第六章系统总线
6．1 总线的概念和结构形态
6．2 总线接口
6．3 总线的仲裁、定时和数据传送模式
6．4 PCI总线
6．5 ISA总线和Futurebus＋总线
作业：
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6．1 总线的概念和结构形态
6．1．1 总线的基本概念
计算机的若干功能部件之间不可能采用全互联形式，因此就需要有公共的信息通道，即总线。
总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。
总线可分为三类：
内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线。
系统总线：外部总线。
CPU和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线。
I/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线。
通信总线：多个计算机之间相互连接的通信线路。
总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。
为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。
目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA、STD等。
总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。
6．1．2 总线的连接方式
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。
单机系统中总线结构的三种基本类型：
单总线：使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。
双总线：在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。
三总线：系统总线是CPU、主存和通道（IOP）之间进行数据传送的公共通路，而I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。
6．1．3 总线结构对计算机系统性能的影响
对最大存储容量和指令系统的主要影响体现在主存与外设的编址方式上。
对吞吐量的影响主要体现在数据的传输方式上。
6．1．4 总线的内部结构
总线按功能分类可分为：地址线（单向）、数据线（双向）和控制线（每一根是单向的）。
早期总线实际上就是CPU芯片引脚的延伸和驱动能力的增强，存在以下不足：
1）CPU是总线上惟一的主控者。
2）总线结构与CPU紧密相关，通用性较差。
现代总线的趋势是标准总线，与结构、CPU、技术无关，又被称为底板总线。
现代总线可分为四个部分：
数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。
仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。
中断和同步总线：包括中断请求线和中断认可线。
公用线：时钟信号、电源等。
6．1．5 总线结构实例
Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。
6．2 总线接口
6．2．1 信息的传送方式
计算机系统中，传输信息基本有四种方式：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。
分时传送即总线的分时复用。
串行传送：使用一条传输线，采用脉冲传送。
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。
并行传送：每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送。
分时传送：总线复用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
接口的典型功能：控制、缓冲、状态、转换、整理、程序中断。
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。
6．3 总线的仲裁、定时和数据传送模式
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，其中主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方请求。
每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。
为了解决多个功能模块争用总线的问题，必须设置总线仲裁部件。
总线占用期：主方持续控制总线的时间。
按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式和分布式两种。
集中式仲裁有：
链式查询方式特点：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。
计数器定时查询方式：可方便的改变优先级。
独立请求方式：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。
对优先次序的控制也是相当灵活的。
在单机系统中，中央仲裁器即为总线控制器。
分布式仲裁：不需要中央仲裁器，而是多个仲裁器竞争使用总线。
6．3．2 总线的定时
总线的信息传送过程：请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回。
定时：事件出现在总线上的时序关系。
同步定时：事件在总线上的时刻由总线时钟信号来确定，传输频率较高，适用于各功能模块速度相差不多的情况。
异步定时：应答方式或互锁机制。
总线周期长度可变，适用于快速、慢速设备连接到同一总线。
6．3．3 总线数据传送模式
四类数据传送模式：读、写操作，块传送操作，写后读、读修改写操作，广播、广集操作。
6．4 PCI总线
6．4．1 多总线结构
即多层总线的概念。
各层之间使用桥进行连接。
有三种不同的总线：
HOST总线用于连接CPU、Cache和主存。
PCI总线用于连接高速的外围设备。
LAGACY总线用于连接中、低速设备。
6．4．2 PCI总线信号
6．4．3 总线周期类型
6．4．4 总线周期操作
6．4．5 总线仲裁
6．5 ISA总线和Futurebus＋总线
6．5．1 ISA总线
6．5．2 Futurebus＋总线
作业：。