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第3章　系统总线

一、总线的基本概念

总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质，如图3-1所示。

图3-1 面向CPU的双总线结构框图
倘若将CPU、主存和I/O设备都挂到一组总线上，便形成单总线结构的计算机，如图3-2所示。

图3-2 单总线结构框图
还有一种以存储器为中心的双总线结构，如图3-3所示。

图3-3 以存储器为中心的双总线结构框图

二、总线的分类

（一）片内总线
片内总线是指芯片内部的总线。

（二）系统总线
系统总线是指CPU、主存、I/O设备各大部件之间传输线，又称板级总线或板间总线。
按系统总线传输信息的不同，又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。
1．数据总线
数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线。
2．地址总线
地址总线用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元地址或I/O设备的地址。
3．控制总线
控制总线是用来发出各种控制信号的传输线。

（三）通信总线
这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。

三、总线特性及性能指标

（一）总线特性
1．从物理角度来看，图3-4形象地表示了各个部件与总线之间的物理摆放位置。

图3-4 总线结构的物理实现
（1）机械特性
机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能。
（2）电气特性
电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。
（3）功能特性
功能特性是指总线中每根传输线的功能。
（4）时间特性
时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。

（二）总线性能指标
1．总线宽度：通常是指数据总线的根数，用bit（位）表示；
2．总线带宽：总线带宽可理解为总线的数据传输速率MBPS（兆字节每秒）表示；
3．时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线；
4．总线复用：一条信号线上分时传送多种信号；
5．信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和；
6．总线控制方式：包括突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等；
7．其他指标：如负载能力、电源电压、总线宽度能否扩展等。

（三）总线标准
所谓总线标准，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。对硬件设计而言，使各个模块的接口芯片设计相对独立；对软件设计而言，更有利于接口软件的模块化设计。
目前流行的总线标准有以下几种：
（1）ISA总线；
（2）EISA总线；
（3）VESA（VL-BUS）总线；
（4）PCI总线，它的主要特点如下所述：①高性能；②良好的兼容性；③支持即插即用；④支持多主设备；⑤具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力；⑥提供数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整和准确；⑦支持两种电压标准；⑧可扩充性好；⑨软件兼容性好；⑩采用多路复用技术，减少了总线引脚个数。
（5）AGP总线；
（6）RS-232C总线，如图3-5所示。

图3-5 串行通信系统
（7）USB总线，它的主要特点是：①具有真正的即插即用特征；②有很强的连接能力；③数据传输率高；④标准统一；⑤连接电缆轻巧，电源体积小；⑥生命力强。图3-6是典型的USB系统拓扑结构。

图3-6 典型的USB系统拓扑结构

四、总线结构

（一）单总线结构
它不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息。

（二）多总线结构（图3-7是双总线结构的示意图）
双总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。

图3-7 双总线结构
图3-8是三总线结构的示意图。

图3-8 三总线结构
图3-9是另一种三总线结构的示意图。

图3-9 三总线结构的又一形式
为进一步提高I/O设备性能，使其更快响应命令，出现了四总线结构，如图3-10所示。

图3-10 四总线结构

（三）总线结构举例
图3-11是传统微型计算机的总线结构示意图。

图3-11 传统微型计算机的总线结构
图3-12的VL-BUS局部总线结构。

图3-12 VL-BUS局部总线结构
图3-13是PCI总线结构的示意图。

例3.13 PCI总线结构
当PCI总线驱动能力不足时，可采用多层结构，如图3-14所示。

图3-14 多层PCI总线结构

五、总线控制

（一）总线判优控制
常见的集中控制优先权仲裁方式有以下三种：
（1）链式查询：如图3-15（a）所示；
（2）计数器定时查询：如图3-15（b）所示；
（3）独立请求方式：如图3-15（c）所示。

图3-15 集中控制的三种优先权仲裁方式

（二）总线通信控制
总线通信控制通常用四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。
（1）同步通信
图3-16表示同步式数据输入传输。

图3-16 同步式数据输入传输
图3-17表示同步式数据输出传输。

图3-17 同步式数据输出传输
（2）异步通信
异步通信克服了同步通信的缺点，给设计者充分的灵活性和选择余地。异步通信的应答方式又可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型，如图3-18所示。
①不互锁方式；②半互锁方式；③全互锁方式。

图3-18 异步通信中请求与回答的互锁
（3）半同步通信
半同步通信数据输入过程如图3-19所示。

图3-19 半同步通信数据输入过程
（4）分离式通信