本节教学内容：

1、总线的性能指标及标准

2、单总线结构和多总线结构

教学目的和要求：

1、了解单总线结构；

2、了解多总线结构；

3、掌握总线的性能指标；

4、理解总线的标准。

重点：

1、总线的性能指标；2、总线结构对比

难点：

总线的结构

第1讲 总线特性及性能指标

一、知识要点

1、总线特性

2、总线的性能指标

3、总线标准

4、总线的结构

二、教学安排

分别讲解总线的几种特性，然后再结合之前的计算机基础知识来逐一讲解总线的各种性能指标，总线的性能指标是本节课的重点，所以通过问题引导、讨论的方式来讲解，然后再介绍总线的标准，以目前流行的几种总线来进行介绍，标准部分只需了解即可。

三、教学内容

1、总线的特性及性能指标

从物理角度来看，总线由许多导线直接印刷在电路板上，延伸到各个部件，下图形象地表示来各个部件与总线之间的物理摆放位置。

图中CPU、主存、I/O这些插板通过插头与水平方向总线插槽连接。为了保证机械上的可靠连接，必须规定其机械特性；为了确保电气上正确连接，必须规定其电气特性；为保证正确地连接不通部件，还需规定其功能特性和时间特性。随着计算机的发展，PentiumIII以上的微型计算机已将CPU芯片直接安置在主板上，而且很多插卡已做成专用芯片，减少了插槽，使其结构更合理。

总线特性包括以下几项：

（1）机械特性：

机械特性又称为物理特性，指总线上部件在物理连接时表现出的一些特性，如插头与插座的几何尺寸、形状、引脚个数及排列顺序等。

（2）电气特性：

电气特性是指每一根信号线上的信号方向及表示信号有效的电平范围，通常，由主设备（如CPU）发出的信号称为输出信号（OUT），送入主设备的信号称为输入信号（IN）。通常数据信号和地址信号定义高电平为逻辑1、低电平为逻辑0，控制信号则没有俗成的约定，如WE表示低电平有效、Ready表示高电平有效。不同总线高电平、低电平的电平范围也无统一的规定，通常与TTL是相符的。

（3）功能特性：

功能特性是指每一根信号线的功能，如地址总线用来表示地址码。数据总线用来表示传输的数据，控制总线表示总线上操作的命令、状态等。

（4）时间特性：

时间特性又称为逻辑特性，指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了总线操作的正确进行。

2、总线的性能指标

1）总线宽度

总线宽度指的是总线中数据总线的数量，用bit（位）表示，总线宽度有8位、16位、32位和64位之分。显然，总线的数据传输量与总线宽度成正比。

2）总线带宽

总线的数据传输速率，用每秒传输的字节数（MBps）表示=工作频率×总线宽度。例：总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位（4B），则总线带宽为132MBps。

总线是用来传输数据的，所采取的各项提高性能的措施，最终都要反映在传输速率上，所以在诸多指标中最大数据传输速率是最重要的。最大数据传输速率有时也被称为带宽（bandwidth）。

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两种信号，如地址线与数据线复用。

5）信号线数

信号线数是总线中信号线的总数，包括数据总线、地址总线和控制总线。信号线数与性能不成正比，但反映了总线的复杂程度。

6）总线控制方式

并发工作、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。

负载能力是总线带负载的能力。该能力强，表明可多接一些总线板卡。当然，不同的板卡对总线的负载是不一样的，所接板卡负载的总和不应超过总线的最大负载能力。

3、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。有了总线标准，不同厂商可以按照同样的标准和规范生产各种不同功能的芯片、模块和整机，用户可以根据功能需求去选择不同厂家生产的、基于同种总线标准的模块和设备，甚至可以按照标准，自行设计功能特殊的专用模块和设备，以组成自己所需的应用系统。这样可使芯片级、模块级、设备级等各级别的产品都具有兼容性和互换性，以使整个计算机系统的可维护性和可扩充性得到充分保证。

目前流行的总线标准有以下几种。

1）ISA总线（Industry Standard Architecture）

最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT 电脑采用的系统总线，它基于8bit的8088 处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。     

1984年，IBM 推出基于16-bit Intel 80286处理器的PC/AT 电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT 总线。而为了开发与IBM PC 兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBM PC 总线规范为基础的ISA（工业标准架构：Industry Standard Architecture ）总线。     

ISA总线最大传输速率仅为8MB/s 因此它的弱点也是显而易见的，传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等，很快使ISA总线在飞速发展的计算机技术中成为瓶颈。     

因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA 扩展到32-bit，这就是著名的EISA（Extended ISA，扩展ISA）总线。EISA 总线的工作频率仍旧仅有8MHz ，并且与8/16bit 的ISA总线完全兼容，由于是32-bit 总线的缘故，带宽提高了一倍，达到了32MB/s .可惜的是，EISA 仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI 总线给取代了。

2）EISA总线（PeripheralComponentInterconnect）  

EISA(Extended Industry Standard Architecture:扩展工业标准结构)是EISA集团为配合32位CPU而设计的总线扩展标准。它吸收了IBM微通道总线的精华，并且兼容ISA总线。但现今已被淘汰。

3）PCI总线（Peripheral Component Interconnect）     

由于ISA/EISA总线速度缓慢，一度出现CPU 的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受到严重的影响。为了解决这个问题，1992年Intel 在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit 的PCI（周边组件互连）总线。     

最早提出的PCI 总线工作在33MHz 频率之下，传输带宽达到了133MB/s（33MHz X 32bit/8），比ISA 总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。目前计算机上广泛采用的是这种32-bit、33MHz 的PCI 总线。

PCI（Peripheral Component Interconnect，外围部件互连）总线是为了满足现代微机中的外部设备与主机之间的高速数据传输的需求而由美国Intel公司开发的总线标准。其适应性强、速度快，在Pentium以上的微型计算机被广泛采用。

特点：

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能与处理器和存储器子系统完全并行操作

⑥提供数据和地址奇偶校验功能

⑦支持两种电压标准：5V和3.3V

⑧可扩充性好                    

⑨软件兼容性好

⑩采用多路复用技术

4）AGP 总线（Accelerated Graphics Port）     

PCI 总线是独立于CPU 的系统总线，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CPU 总线上，打破了瓶颈，使得CPU 的性能得到充分的发挥。可惜的是，由于PCI 总线只有133MB/s 的带宽，对付声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的3D 显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI 总线的补充——AGP 总线就应运而生了。     

Intel 于1996年7月正式推出了AGP（加速图形接口，Accelerated Graphics Port）接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI 2.1 版规范并进行扩充修改而成，工作频率为66MHz ，1X 模式下带宽为266MB/S，是PCI 总线的两倍。后来依次又推出了AGP 2X 、AGP4X，现在则是AGP 8X ，传输速度达到了2.1GB/S。

5）PCI-Express     

然而时光飞逝，转眼就到了2004年，新的技术和设备层出不穷，特别是游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI 的工作频率和带宽都已经无法满足需求。此外，PCI 还存在IRQ 共享冲突，只能支持有限数量设备等问题。     

在经历了长达10年的修修补补，PCI 总线已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一带总线取而代之，这就是PCI-Express 总线。     

Intel 在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代I/O 技术，最后却被正式命名为PCI- Express ，Express 意思是高速、特别快的意思。     

2002年7月23日，PCI-SIG 正式公布了PCI Express 1.0 规范，并且根据开发蓝图，在2006年的时候正式推出PCI Express2.0规范。     

相对于PCI总线来讲，PCI-Express总线能够提供极高的带宽，来满足系统的需求。

6）RS-232C总线

RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种异步传输串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线。一般个人计算机上会有两组RS-232 接口，分别称为COM1 和COM2

7）USB总线

USB，是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。

可将几乎所有的外设装置，包括显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、数码相机、U盘、调制解调器等直接插入标准USB接口。

四、互动及练习

本次课采用提问的互动方式：

1、目前流行的总线标准有哪些？

请同学们自己谈谈自己目前为止使用过的总线，以此引出相关的总线标准，主要讲解目前流行的一些总线。

2、什么是即插即用？哪些总线有这一特点？

同学们可以进行讨论，看看身边都有哪些总线符合即插即用的特点，然后与大家分享。

第2讲总线结构

一、知识要点

1、单总线结构

2、多总线结构

二、教学安排

首先，介绍单总线结构，然后介绍不同的多总线结构，在多总线结构中，对各种总线结构的优缺点进行分析，讲解从一种结构演变到另一种结构的原因，要让学生理解，这些结构并不是杂乱无章的，它们之间有一定的规律，通过分析就可以找到，引发学生思考和讨论。

三、教学内容

1、单总线结构

在单总线结构中，CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，CPU与主存之间、CPU与I/O设备之间、I/O设备与主存之间、各种设备之间都通过系统总线交换信息。单总线结构的优点是控制简单方便，扩充方便。双总线结构又分为面向CPU的双总线结构和面向存储器的双总线结构。面向CPU的双总线结构中一组总线是CPU与主存储器之间进行信息交换的公共通路，称为存储总线。另一组是CPU与I/O设备之间进行信息交换的公共通路，称为输入/输出总线（I/O总线）。外部设备通过连接在I/O总线上的接口电路与CPU交换信息。

单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。这类总线多数被小型计算机或微型计算机所用。

随着对微机性能越来越高的要求，外部设备的种类和数量越来越多，它们对数据传输数量和传输速度的要求也越来越高。倘若仍然采用单总线结构，那么当外部设备量很大时，总线信号的传播延迟时间就会严重地影响系统的工作效率，因此，为了根本解决数据传输速率，解决CPU、主存、I/O设备之间传输速率的不匹配，实现CPU与其他设备相对同步，不得不采用多总线结构。

2、多总线结构

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，形成主存与I/O总线分开的结构，如下图所示。图中通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放给通道，使其对I/O设备具有统一管理的功能，以完成外部设备与主存储器之间的数据传送，其系统的吞吐能力可以相当大。这种结构大多用于大、中型计算机系统。

如果可将速率不同的I/O设备再进行分类，然后将它们挂在不同的通道上，那么计算机系统的工作效率将会更高，由此发展成多总线结构。

三总线结构示意图如下：

图中主存总线用于CPU与主存之间的传输；I/O总线提供CPU与I/O设备之间传递信息；DMA总线用于高速I/O设备与主存之间直接交换信息。在三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取，I/O总线只有在CPU执行I/O指令时才能用到。

下图是另一种三总线结构。

由图可见，处理器与cache之间有一条局部总线，它将CPU与cache或更多的局部设备连接。Cache的控制机构不仅将cache连接到局部总线上，而且还直接连到系统总线上，这样cache就可以通过系统总线与主存传输信息，而且I/O设备与主存之间的传输也不必通过CPU。还有一条扩展总线，它将局域网、小型计算机接口、调制解调器以及串行接口等都连接起来，并且通过这些接口又可愈各类I/O设备相连，因此它可支持相当多的I/O设备。于此同时，扩展总线又通过扩展总线接口与系统总线相连，由此便可实现这种两种总线之间的信息传递，可见其系统的工作效率明显提高。

为了进一步提高I/O设备的性能，使其更快地响应命令，又出现了四总线结构，如下图所示。

    这里又增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。在高速总线上挂接了一些高速I/O设备，如高速局域网、图形工作站、多媒体SCSI等。

这种结构对高速设备而言，其自身的工作可以很少依赖CPU，也更贴近CPU。高性能设备和CPU的效率获得更大的提高。

3、总线结构举例

1）传统微型计算机的总线结构示意图如下：

由图可见，不论高速局域网、高性能图形还是低俗的modem都挂在ISA或EISA总线上，并通过ISA或EISA总线控制其与系统总线相连，这样势必出现总线数据传输的瓶颈。只有将高速外设尽量靠近CPU本身的总线，并与CPU同步或准同步，才可能消除瓶颈问题。这就要求改变总线结构来提高数据传送速率，为此出现了VL-BUS局部总线结构。

2）VL-BUS局部总线结构示意图如下：

由图可见，将原先挂在ISA总线上的高速设备卸下来，挂到局部总线VL-BUS上，再与系统总线相连。而低俗设备仍然挂在ISA总线上。局部总线VL-BUS相当于在CPU与I/O设备之间架上了高速通道，使CPU与高性能外设扽到充分发挥，满足了图形界面软件的要求。由于VL-BUS是从CPU总线演化而来的，与CPU的关系太紧密，以致很难支持功能更强的CPU，因此出现了CPI总线。

3）PCI 总线结构示意图如下：

由图可见，PCI总线是通过PCI桥路与CPU总线相连。这种结构使CPU总线与PCI总线相互隔离，具有更高的灵活性，可以支持更多的高速运行设备，而且具有即插即用的特性。当PCI总线驱动力不足时，可采用多层次结构。

4）多层PCI 总线结构示意图如下：

四、互动及练习

本次课采用提问的互动方式：

1、总线是怎么从单总线结构演变到多总线结构的？

请同学们自己先讨论，通过对总线特点的分析，找出总线结构演变的规律，以便在理解时不混乱。