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计算机组成与结构ComputerOrganizationandArchitecture 第四章 顾浩赵宝华2004 1 目录 4 1总线工作原理4 2几种系统总线标准4 3几种系统总线标准 序 总线 是能由多个部件分时共享的公共信息传送线路 分时和共享是总线的两个基本特性 共享 指多个部件连接在同一组总线上 各部件间交换的信息都可通过总线传送 分时 指同一时刻总线只能在一对部件间传送信息 一个系统的总线结构决定了该计算机系统的数据通路用系统结构 因此 总线结构的带宽和结构对系统性能有很大影响 4 1总线工作原理4 1 1总线通信的定时方式 总线通信的定时方式 指采用一定方式 让接收端知道发送端信息的始发和结束时间 按定时方式不同 可把通信过程分成同步和异步通信两种 1 同步通信 1 特点 各部件都用一个公共的时钟信号进行同步控制 时钟信号由CPU发出 发送到每一个部件 设备 t0时刻 将CPU产生的设备地址放在地址总线上 并经控制线指出操作性质 R W内存或R WI O设备 t1时刻 CPU发读信号命令 t2时刻 设备把数据放DB上 CPU在T3中进行数据选通 将数接收到自己的寄存器 t3时刻 CPU的读命令和设备数据信号结束 t4时刻 总线周期结束 可开始新数据的传送 图4 1 4 1 1总线通信的定时方式 2 优点 模块间配合简单 步调一致 传输频率较高 3 缺点 对所有模块有严格的时限要求 故缺乏灵活性 2 异步通信 也叫应答方式 1 特点 无统一时钟和固定的时间标准 靠请求 应答方式 handshaking 进行同步控制 以实现不同速度间的数据传送 2 三种应答关系 全互锁 两设备间的 请求 和 应答 互为制约 半互锁 设备2自行决定应答信号撤消与否 不互锁 两设备间的 请求 和 应答 信号均有一定时间宽度 何时结束不互锁 主模块从模块 请求 应答 4 1 2总线的组成与仲裁 1 总线的组成 1 传输线 地址线 决定直接寻址范围 数据线 决定数据宽度 控制 时序和中断信号线 决定总线功能强弱 适应性好坏 电源线 决定电源种类 地线分布及用法 备用线 留给用户进行性能扩充 满足特殊需要 2 接口逻辑 需三态门和缓冲寄存器作为它们的接口 3 总线控制器 对各设备对总线的使用进行合理的分配和管理 2 总线的急用与仲裁 总线主设备 对总线有控制权 总线从设备 对总线无控制权 总线通信原则 通信前由主模块发请求 同一时刻只允许一对模块间通信 模块同时使用总线时 应由总线控制器中的判优和仲裁逻辑按判优原则决定哪个模块使用总线 总线判优方式 集中式 总线控制逻辑集中的一处 分布式 总线控制逻辑分布在连接总线的各部件或设备中 集中控制的三种常见优先权仲裁方式 1 链式查询方式 用3条控制线进行控制 BS 总线忙 BR 总线讲求 BG 总线允许 特征 将BG串行地从一部件 I O接口 送到下一个部件 直到到达有请求的部件为止 优先权位置 离总线控制器最近的部件具有最高使用权 离它越远 优先权越低 电路 链式查询靠接口的优先权排队电路实现 2 计数器定时查询方式 总线上的任一设备要求使用总线时 通过BR线发出总线请求 中央仲裁器接到请求信号以后 在BS线为 0 的情况下让计数器开始计数 计数值通过一组地址线发向各设备 每个设备接口都有一个设备地址判别电路 当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时 该设备置 1 BS线 获得了总线使用权 此时中止计数查询 图4 3 3 独立请求方式 工作原理 每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi 当设备要求使用总线时 便发出该设备的请求信号 总线控制器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求 给设备以授权信号BGi 优点 响应时间快 确定优先响应的设备所花费的时间少 用不着一个设备接一个设备地查询 其次 对优先次序的控制相当灵活 可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序 还可以用屏蔽 禁止 某个请求的办法 不响应来自无效设备的请求 三种方法控制线数目的比较 链式查询方式 只用二根线 计数器定时查询方式 大致用 2n根线 n是允许接纳的最大部件数 独立请求方式 要用2n根线 4 1 3总线特性与性能指标 从结构上 总线由母线框架和各部件的插板组成 1 总线特性 1 机械 物理 特性 指总线的物理连接方式 包括总线的根数 总线的插头 插座的形状 引脚线的排列方式等 2 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 3 功能特性 描述总线中每一根线的功能 有DB AB和CB 4 时间特性 定义了每根线在什么时间有效 规定了总线上各信号有效的时序关系 CPU才能正确无误地使用 2 总线的性能指标 计算机总线技术包括通路控制性能 使用方法 仲裁方法和传输方式等 2 总线的性能指标 1 总线宽度 即传送宽度 指一次总线操作中通过总线传送的数据位数 bit 常用8 16 32 64等 2 总线周期 指一次总线操作中所用的时间 3 总线带宽 标准传输率 指总线上每秒传输的最大字节数 用MB S表示 带宽计算公式 Dr D T D f 式中T是时钟周期T 1 f D为一个总线周期传送的数据量 4 总线工作的时钟频率 总线工作的频率越高 带宽越宽 5 多路 分时 复用技术 即地址和数据线共用一物理线路 6 总线控制方式 含突发传输 并发工作 自动配置 仲裁方式 逻辑方式和计数方式等 7 其它 如同步方式 信号线数 负载能力和电源电压等 3 总线的标准化 相同的指令系统 相同的功能 不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的 但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用 其原因在于它们都遵守了相同的系统总线的要求 这就是系统总线的标准化问题 1 即插即用 plugandplay 功能 简称PnP 即背后设备只需简单插入便可运行 无需用户拨动开关或安装软件等 PnP功能主要取决于微机的系统总线结构 有的总线提供较完善的功能 4 1 4总线分类 无统一的分类方法 但可从不同角度分类 1 按照总线传递的内容分类 地址总线 AB 数据总线 DB 和控制总线 CB 2 按总线所处位置分类 1 片内总线 位于CPU芯片内部用于寄存器 ALU及各控制部件间传输信号的总线 2 片外总线 位于CPU芯片外部用于连接CPU MM和I O设备的总线 3 按总线在系统中连接的主要部件分类 存储总线 DMA总线 系统总线 设备总线 4 按系统中使用的总线数量分类 1 单总线结构 特点 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 主存和I O设备 叫做单总线结构 即所有的模块都挂在同一组总线上 优点 连接灵活 便于扩充 缺点 因所有信息公用一总线 信息传输吞吐量受限制 2 双总线结构 形成以存储器为中心的双总线结构 优点 保持了单总线系统简单 易于扩充的优点 但又在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 并减轻了系统总线的负担 同时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 缺点 以增加硬件为代价 3 三总线和多总线结构 结构 它是在双总线系统的基础上增加DMA总线形成的 此举是为了在主存与高速设备 如磁盘 间进行高速成批的数据传送 这种结构的硬件代价更大 分级的三总线结构 一般用于I O设备性能相差不大的情况 四总线结构 在高速设备间设立一条单独的高速总线 见图4 9 4 2几种系统总线标准 系统总线 连接同一台计算机系统各部件的总线 4 2 1ISA IndustryStandardArchitecture 工业标准体系结构 总线ISA 8 XT总线 ISA 16 AT总线 ISA 16总线的每个插槽由一个长槽和一个短槽组成 长槽与XT兼容的62个引脚 每列有31个引脚 编号为A1 A31和B1 B31 短槽每列有18个引脚 编号为C1 C18和D1 D18 引脚定义见表4 2 4 4 2微通道结构MCA和EISA1 MCA 1987年由IBM推出PS 2系统时 采用的32位的微机总线 因采用封闭策略 没把技术公开 且与ISA不兼容 2 EISA ExtendedIndustryStandardArchitecture 扩充工业标准体系结构 总线32位总线 与ISA完全兼容 最大数据传输频率可达33Mb s 4 2 3PCI PeripheralComponentInterconnect 外设部件互连总线 PCI总线位于高速外设与CPU之间 是由INTEL公司提出的局部总线标准 版本从V1 0 V2 1到V2 2 其中 V2 2的性能 1 性能 位宽总线工作频率最大带宽PCI2 232位3M 66M133 266MB S 是ISA的33倍 主流 64位3M 66M266 533MB S2 特点 见P159 3 插座形状和引脚 为白色矩形插座 总引线数120条 基本引脚50根可选引脚51根 4 2 4AGP AcceleratedGraohicPort 总线 AGP总线PCI总线ISA总线1 概述 AGP是一种为提高视频带宽而设计的总线规范 目的是为大幅度提高高档微机处理图形 尤其是3D 的能力 2 性能特点 见P160 3 形状和引线 褐色插座 一块主板只有一个 只能插显卡 CPU L2 北桥 显卡 主存 纹理数据 南桥 PCI卡 PCI卡 ISA卡 ISA卡 ISA卡 CPU总线 4 3几种设备总线标准 总线技术 是用于连接部件或设备 接口技术 是主机与某外设的适配器 解决两者间的电压等级 信号形式和速度匹配 不同的接口是不通用的 4 3 1EIA RS232D RS 449串行接口标准1 EIA RS232 1 概述 RS 232是美国电子工业协会EIA于20世纪60年代正式公布的串行总线标准 也是目前最常用的串行接口标准 用于实现计算机间 计算机与外设间的数据通信 2 性能指标 最高传输速率 19 2kb s Dmax 15m 使用DB 25连接器 主信道 15条 带 者 3 标准接口信号 共三组辅信道 5条 低速未使用和备份 5根 设备或部件的连接技术 不全用常用8根 4 3 1EIA RS232D RS 449串行接口标准 2 RS 449接口标准 1 概述 是EIA于1977年制定的串行接口标准 于1980年成为美国标准 电气标准由RS 422A或RS 423A定义 2 机械性能 规定37和9脚两种接口连接器 3 电气性能 依据RS 422A 平衡方式 和RS 423A 非平衡方式 及RS 485电气标准 4 性能指标 最高传输速率 100kb s Dmax 2000m 4 3 2IDE接口与SCSI接口总线 常用硬盘和IDE 用于微机 光驱接口SCSI 用于工作站 服务器或小型机 1 IDE和EIDE接口 1 IDE IntegratedDeviceElectronics 集成设备电子部件 于1989年被ANSI 美国标准协会 认可为ATA AdvancedTechnologyAttachment 高级技术配件 IDE和ATA实际上是硬盘接口技术的不同描述 最大特点 是把控制器集成到驱动器内 三点限制 数据传输率 1 5MB s 最多接2个硬盘 支持的硬盘最大容量为528MB 4 3 2IDE接口与SCSI接口总线 2 EIDE ATA 2 或称FASTSCSI 它将最高传输率提高至132 8Mb s 同时引进了LBA LogicalBlockArrdess 地址转换方式 突破了528MB的限制 可支持高达8 1GB的硬盘 3 UitraDMA 33 66 100 133 最高传输率达133Mb s 硬盘容量达137GB 2 SCSI SmallComputerSystemInterface 总线 即小型计算机系统接口 是系统级基于通道的接口 其设计思想来源于IBM大型机系统的I O通道结构 广泛用于服务器和图形工作站 可连接硬盘 光驱 扫描仪 打印机等 3 版本 SCSI 1 5MB SSCSI 2 FASTSCSI 10MB SSCSI 2 WIDESCSI 20MB SSCSI 3UltraWideSCSI 16位 40MB S 2 SCSI总线 SCSI 3UltraWideSCSI 32位 80MB SSCSI 3Ultra2SCSI 16位 80MB SSCSI 3Ultra3SCSIUltra160 m 160MB S4 主要特性 1 SCSI是系统级的标准输入 出总线接口由8条数据线 一条奇偶校验线 9条控制线组成 使用50芯电缆 以菊花链形式最多可连接8台设备 2 支持多任务并行操作 有总线仲裁功能 3 可以同步 异步方式工作 4 有两种输出方式 单端 Dmax 6m 和差分 Dmax 25m 5 SCSI设备之间是一种对等关系 而不是主从关系 SCSI设备分为启动设备 发命令的设备 和目标设备 接受并响应命令的设备 它们用高级命令通信 方便 灵活 4 3 3USB UniversalSerialBus 总线 1 概述 USB总线由IBM Intel Microsoft等7家公司联合开发 版本由USB0 9 1995年 USB1 1 1998年 USB2 0USB1 1与USB2 0的性能比较2 特点 1 使用方便 可连多个设备 且热插拔 软件可自动启动 不涉及IRQ冲突 2 速度快 可高达480Mb s 3 连接灵活 用HUB可最多可连127个 4 独立供电 5 支持多媒体 3 拓扑结构 存在问题 理论上能连127个设备 实际只能连3 4个 串联时 会出现电力不足的问题 3 拓扑结构 主控器具有根集线器功能 具有2 4个USB端口 采用 级联 方式连接 最大串接能力为5个HUB级联 最长扩展连接能力为30m 4 USB的接口接头USB用矩形插座和插头 有4针和9针两种 目前常用4针 其中 引脚1 5V电源引脚 引脚2 数据输入 数据同步引脚RD 引脚3 信号接地引脚GND 引脚4 数据输出 时钟同步引脚TD 5 USB系统总线结构 客户驱动程序 与特定USB设备通信 由USB设备商或作为操作系统一部分提供 USB驱动程序 作为OS中支持USB设备的驱动程序 通用主控制器驱动程序