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

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

第第 66 章 总线系统章 总线系统

第六章 总线系统第六章 总线系统

总线（（ BusBus ））概念概念总线就是计算机中用于传送信息的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公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。组信息传送连接线。

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 总线的基本概念

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

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。

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

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。

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。

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。

6.1.2 总线的连接方式

图 6.4 三总线结构

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 总线接口

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

6.2.1 总线的数据传送方式

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。

6.2.2 接口的基本概念

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 总线的仲裁、定时和数据传送模式

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

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。

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

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。

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）。

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

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。

6.3.1 总线的仲裁

图 6.8 分布式仲裁

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

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。

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 微机常用的总线标准

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。

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。

6.4.1 ISA, EISA 总线

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。

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。

6.4.1 ISA, EISA 总线

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。

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。

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

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

6.4.3 PCI 总线

2 ． PCI 总线体系结构 从结构上看， PCI 局部总线是在 ISA总线和 CPU 总线之间增加一级总线，由PCI 局部总线控制器（或称为“桥”， Bridge ）相连接。这样可将一些高速外设， PCI 局部总线带宽 32 位，可扩展至 64 位；工作频率为 33MHz, 最大传输率 133MB/s 。 桥也叫桥连器，实际上这是一个总线转换部件。其功能是连接两条计算机总线，使总线间相互通讯。

桥本身可以十分简单，也可以相当复杂。在 PCI 规范中，提出了三种桥的设计：（ 1 ）主桥，就是 CPU至 PCI 的桥；（ 2 ）标准总线桥，即 PCI至标准总线如ISA、 EISA 、微通道之间的桥；（ 3 ） PCI桥，在 PCI与 PCI 之间的桥。其中，主桥称为北桥（ North Bridge） ;其它的桥称为南桥（ South Bridge ）。 PCI 总线体系结构如图 6-10 所示。

6.4.3 PCI 总线

6.4.3 PCI 总线

6.4.3 PCI 总线 3 、 PCI 总线信号 PCI 局部总线的信号线有 100 条，包括：地址

和数据线、接口控制线、仲裁线、系统线、中断请求线、高速缓存支持和出错报告等信号线。 PCI 总线信号分为两大类：必备的和可选的。如图 6—11所示，图中左边是必备信号的引脚，右边是可选信号的引脚。必备信号线完成寻址、接口控制、数据传输、复位、总线仲裁和错误报告等系统功能；可选信号线将地址数据线扩展至 64 位，完成 Cache支持、接口控制、中断、 JTAG/边界扫描等扩展功能，图中信号方向适用于主控 /受控模块综合情况。

6.4.3 PCI 总线

图 6-11 PCI 总线信号

6.4.3 PCI 总线

4 、 PCI 总线的引脚

PCI 总线有两种插槽，一种适用于 3 ． 3V电压环境；另一种适用于 5V 电压环境。存在了三种电气类型卡： 3 ． 3V卡、 5V卡和5V/3． 3V 通用卡。每种 PCI 插卡分为短型和长型两种，分别适用于 32 位或 64 位地址数据线宽。短型卡定义了 120 根引脚，长型卡定义了 184 根引脚。

5. 传输定义 总线时钟： 0Hz-33MHz； PCI 总线周期由当前获胜的主设备发起；支持任何主设备和从设备之间点到点的对等访问；支持广播读写； PCI 的基本数据传输方式是块传输方式，支持猝发传输，读猝发长度可任意； PCI事务：由一个地址期，多个数据期组成，通过命令字段识别事务类型； PCI桥可以缓存始发设备的多次读写。

6.4.3 PCI 总线

6.4.3 PCI 总线

6. 总线周期类型 总线周期类型由主设备在 C/BE#（ 3-0 ）线上送出的 4 位总线命令代码指明，共支持 12 种总线周期类型。

7 ． PCI 的发展（ 1 ） 66MHz 时钟。在 PCI 2.1 中允许总线以最高 66MHz 的时钟工作。 PCI 规范 2.1版定义了 66MHz速度下的操作。在 64 位的 66MHz 总线中，可达到的最大数据流量是 8B×66M/s=528MB/s（ 2 ） Compact PCI 。Compact PCI是 PCI 工业计算机制造商联盟制订的规范。它定义了更加坚固耐用的 PCI 总线，用于工业和嵌入式应用。在电气、逻辑和软件功能方面与PCI完全兼容，并采用紧固机构，具有良好的抗震性能，支持热插拔。

6.4.3 PCI 总线

6.4.3 PCI 总线8 ．其他总线（ 1 ）MCA 总线MCA 总线（ Micro Channel Architecture ）即微通道总线结构（ 2 ） AGP 总线 AGP（ Accelerated Graphics Port ）即高速图形接口。（ 3 ） USB 总线 USBUSB（ Universal Serial Bus即通用串行总线）是一种简单实用的计算机外部设备接口标准。 （ 4 ） Alpha EV6 总线 Alpha EV6 总线，其带宽较目前 Intel P6 总线结构大 1倍。

8 ．其他总线（ 5 ） PCI-X 局部总线 PCI 相比， PCI-X拥有更宽的通道、更优良的通道性能以及更好的安全性能。（ 6 ） NGIO 总线 NGIO（ Next Generation Input/Output ）总线是 Intel 公司推出的下一代 I/O 总线结构。（ 6 ） Future I/O 总线 Future I/O （将来的输入输出总线）总线结构是与NGIO 相竞争的另一种总线。

6.4.3 PCI 总线

本章小结

•总线的概念•总线的特性包括：电气特性、时间特性、机械结构特性、功能特性。•总线的标准化•总线的连接方式，在单机系统中总线结构分为三种基本类型•总线的数据传送的三种方式•总线的仲裁、策略及仲裁方式

• 总线的定时• 总线标准支持的四类模式的数据传送• ISA 总线适配 8/16 数据总线传输要求。 EISA 总线不仅具有 MCA 的全部功能，而且与 ISA结构完全兼容，因而得到迅速推广。 VESA 标准局部总线是与 486匹配最佳，但很难与 Pentium 以上的 CPU匹配，所以现在已很少使用。 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。

本章小结

思考题和习题1 ．总线是什么？有什么作用？2 ．总线有几种分类方法？通常有哪些分类？3 ．试比较单总线结构、双总线结构与三总线结构的不同之处。

4 ．总线的特性包括哪几个方面？什么是总线带宽？

5 ．总线的数据传送方式有哪三种？什么是接口？

6 ．总线的仲裁的作用是什么？一般采用什么原则进行仲裁？7 ．按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为哪些类？8 ．什么是总线的定时？数据传送过程中采用哪两种定时方式，各适用在什么场合？9 ．总线标准支持四类模式的数据传送是什么？10 ．什么是 ISA 总线、 EISA 总线、 VESA 标准局部总线、 PCI 总线？目前这四种总线哪种应用的最广泛？

思考题和习题