计算机组成原理第六章课件(白中英编-科学出版社).ppt

计算机组成原理 任课教师 宋梅北航北海学院软件与信息工程学院 第一章计算机系统概论第二章运算方法和运算器第三章存储系统第四章指令系统第五章中央处理器第六章总线系统第七章外围设备第八章输入输出系统第九章操作系统支持 目录 计算机组成原理 第6章总线系统 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 4PCI总线6 5ISA总线和Futurebus 总线 6 1总线的概念 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单处理器系统的总线 大致分为三类 内部总线 CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线系统总线 CPU同计算机系统的其他高速功能部件 如存储器 通道等互相连接的总线I O总线 中低速I O设备间互相连接的总线 总线特性 物理特性 物理连接方式 包括总线的根数 排列方式 总线的插头 插座的形状等功能特性 描述总线中每一根线的功能电气特性 定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围 送入CPU的信号叫输入信号 IN 从CPU发出的信号叫输出信号 OUT 时间特性 定义了每根线在什么时间有效 即总线上各信号有效的时序关系 为了方便各个功能部件的连接 广泛应用的总线都实现了标准化 总线带宽 总线带宽 总线本身所能达到的最高传输速率 是衡量总线性能的重要指标 单位兆字节每秒 MB s 总线带宽 总线传输速率 吞吐率单位时间传输的数据量每秒兆字节 MB S 或每秒位 bps 总线带宽 传输的数据量 需要的时间 6 1 2总线的连接方式 通过适配器将外围设备同计算机连接起来 实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步 完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制 适配器通常简称为接口 1 单总线结构在单处理器的计算机中 使用一条单一的系统总线来连接CPU 主存和I O设备 叫做单总线结构 要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行 以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权 当不再使用总线时 能迅速放弃总线控制权 1 取指令 2 传送数据 3 I O操作 4 DMA操作 5 单总线结构容易扩展成多CPU系统 2 双总线结构 在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线 使CPU可通过专用总线与存储器交换信息 减轻了系统总线的负担 主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操作 而不必经过CPU 3 三总线结构 6 1 3总线结构对计算机系统性能的影响 1 最大存储容量在单总线系统中 最大主存容量必须小于由计算机字长所决定的可能的地址总数 2指令系统在双总线系统中 访存操作和输入 输出操作各有不同的指令 3吞吐量在三总线系统中 通道对外围设备统一管理并实现外围设备与主存之间的数据传送 因而系统吞吐能力比单总线系统强得多 6 1 4总线的内部结构 早期总线的内部结构 简单总线结构的不足 第一 CPU是总线上惟一的主控者 第二 总线信号是CPU引脚信号的延伸 故总线结构紧密与CPU相关 通用性较差 当代总线追求与结构 CPU 技术无关的开发标准 当代流行的总线内部结构 当代总线构成 总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁 数据传送总线 地址线 数据线 控制线 仲裁总线 总线请求线 总线授权线 中断和同步总线 中断请求线和中断认可线 公用线 时钟信号线 电源线 地线 系统复位线等 6 1 5总线结构实例 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 如图形显示卡适配器 网络接口控制器等 ISA总线用于与低速I O设备连接 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 6 2总线接口 1 串行传送只有一条传输线 每次一位 按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位 bit 2 并行传送每个数据位都需要单独一条传输线 二进制数 0 或 1 在不同的线上同时进行传送 接口 即I O设备适配器 具体指CPU和主存 外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件 6 2 1接口的基本概念 接口的功能 控制接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作 如启动 关闭设备等 缓冲接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器 以补偿各种设备在速度上的差异 状态接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息 接口的功能 转换接口可以完成任何要求的数据转换 整理接口可以完成一些特别的功能 程序中断每当外围设备向CPU请求某种动作时 接口即发生一个中断请求信号到CPU 数据传输速率 数据传输速率 比特率 BitRate 每秒传输的二进制位数bps字符中每个二进制位持续的时间长度都一样 为数据传输速率的倒数进行二进制数码传输 每位时间长度相等 比特率 波特率 BaudRate 例2 利用串行方式传送字符 每秒钟传送的数据位数常称为波特 假设数据传送速率是120个字符 秒 每一个字符格式规定包含10个数据位 起始位 停止位 8个数据位 问传送的波特数是多少 每个数据位占用的时间是多少 解 波特数为 10位 120 秒 1200波特每个数据位占用的时间Td是波特数的倒数 Td 1 1200 0 833 0 001s 0 833ms 发送8位数据 59H 01011001B 偶校验 两个停止位 6 3 1总线的仲裁 主设备 Master 控制总线完成数据传输从设备 Slave 被动实现数据交换总线仲裁 决定当前控制总线的主设备集中仲裁 中央仲裁器负责分布仲裁 比较各个主设备仲裁号决定 某一时刻 只能有一个主设备控制总线 其它设备此时可以作为从设备 某一时刻 只能有一个设备向总线发送数据 但可以有多个设备从总线接收数据 集中仲裁 链式查询方式 I O接口1 集中仲裁 计数器定时查询方式 I O接口1 设备地址 集中仲裁 独立请求方式 分布式仲裁 中央处理器 设备接口0 设备接口1 设备接口N 3 1 2 6 3 2总线的定时 时序协议 同步定时 时序 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 时序 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 同步时序协议 同步式数据输入 同步式数据输出 异步时序 不互锁 半互锁 全互锁 异步时序的互锁关系 6 3 3总线数据传送模式 读数据传送 数据由从设备到主设备写数据传送 数据由主设备到从设备猝发传送 数据块传送 给出起始地址 将固定块长的数据一个接一个地从相邻地址读出或写入写后读 Read After Write 先写后读同一个地址单元 适用于校验读修改写 Read Modify Write 先读后写同一个地址单元 适用于共享数据保护广播 Broadcast 一个主设备对多个从设备的写入操作 6 4PCI总线 与处理器无关集中式总线仲裁 支持多处理器系统通过桥电路兼容ISA EISA总线具有即插即用的自动配置能力等采用同步时序协议PCI总线的基本传输机制是猝发式传送 PCI1 0版 32位数据总线 33MHz时钟频率 传输速率132MB S PCI2 0版 64位数据总线 33MHz时钟频率PCI2 1版 64位数据总线 66MHz时钟频率 PCI总线结构 PCI总线控制器 桥的功能 连接两条总线 使彼此间互相通信 完成总线间地址空间映射 实现总线间的猝发式传送 实现PCI总线的扩充 兼容 允许多条总线并行工作 6 5ISA总线 16位系统总线 用于IBMPC AT及其兼容机由前62引脚 A和B面 和后36引脚 C和D接面 两个插槽组成 IBMPC机和IBMPC XT机的IBMPC总线前62个信号 其中8位数据总线 20位地址总线时钟频率4 77MHz 最快4个时钟周期传送8位数据IBMAT机增加部分后36个信号 16位数据引脚和24位地址引脚8MHz总线频率 2个时钟周期传送16位数据 SCSI总线 SmallComputerSystemInterface SCSI 小型计算机系统接口高速 智能 并行总线接口使用50芯电缆 由8条数据线 一条奇偶校验线 9条控制线等组成以菊花链形式最多可连接8台设备采用分布式总线仲裁策略 每个SCSI设备有唯一设备号ID0 7SCSI 2扩充了SCSI的命令集 采用68芯电缆 提高了数据传输率SCSI 3标准允许总线上连接的设备由8个提高到16个 可支持16位数据传输 IEEE1394总线 高速串行总线标准接口 适合视频等家电消费类设备的连接 俗称火线FireWire具有数据传送的高速性数据传输率 100Mb s 200Mb s 400Mb s具有数据传送的实时性保证多媒体数据 图像和声音 传送的连续体积小易安装 连接方便使用6芯电缆支持热插入 带电插拔 Futurebus总线 Futurebus是一个高性能的异步总线标准 其技术要求是 1 一个与结构 处理器 技术无关的开发标准 2 基本上是一个异步数据定时协议 3 允许采用可选的同步式协议 用来实现高速的块数据传送 4 支持32位或64位寻址 数据线的长度动态可变 32位 64位 128位 256位 以满足不同带宽的要求 5 全分步式的并行仲裁协议及集中式仲裁协议 并支持线路交换式和分离业务协议 6 提供对容错和高可靠性系统的支持 7 提供对cache共享存储器的支持 8 提供一个兼容的消息传递定义 USB总线 USB通用串行总线是一种通用万能插口 可以将下列的任一部件插入USB端口 显示器 键盘 鼠标 调制解调器 游戏杆 扫描仪 打印机 视频相机等 还可以将一些USB外设进行串接 即一大串设备共用PC机一个端口 USB总线可提供电源 但如将多个耗电量大的外设串接起来有可能使总线过载 此时可使用一个自供电的集线器来补充功耗 另外USB外设可以热插拔 根据设备对系统资源需求的不同 在USB标准中规定了4种不同的数据传输方式 1 等时传输方式2 中断传输方式3 控制传输方式4 批处理方式 第6章教学要求 理解内部总线 系统总线和I O总线 芯片总线 内总线和外总线 的分类理解总线的4个方面特性 掌握总线带宽以及计算熟悉单总线 双总线和三总线结构理解串行传送和并行传送的概念 掌握起止式异步通信字符格式理解总线仲裁的作用 了解集中仲裁和分布仲裁思想掌握总线同步定时和异步定时 时序 的特点了解各种总线数据传送模式了解PCI总线 ISA总线 SCSI总线和IEEE1394总线的特点 第六章小结 本章小结 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道 并在争用资源的基础上进行工作 总线有物理特性 功能特性 电气特性 机械特性 因此必须标准化 微型计算机系统的标准总线从ISA总线 16位 带宽8MB s 发展到EISA总线 32位 带宽33 3MB s 和VESA总线 32位 带宽132MB s 又进一步发展到PCI总