计算机组成原理第三章2014-2015.ppt

第三章系统总线,3.1总线的基本概念,3.2总线的分类,3.3总线特性及性能指标,3.4总线结构,3.5总线控制,冯诺依曼计算机硬件框图,存储器为中心的计算机硬件框图,3.1总线的基本概念,一、为什么要用总线,二、什么是总线,三、总线上信息的传送,串行,并行,四、总线结构计算机举例,1.面向CPU的双总线结构框图,中央处理器CPU,3.1,2.单总线结构框图,3.1,3.以存储器为中心的双总线结构框图,M.M,3.2总线的分类,1.片内总线,2.系统总线,芯片内部的总线,双向与机器字长、存储字长有关,单向与存储地址、I/O地址有关,有出有入,计算机各部件之间的信息传输线,存储器读、存储器写总线允许、中断确认,中断请求、总线请求,3.通信总线,串行通信总线,并行通信总线,传输方式,3.2,3.3总线特性及性能指标,一、总线物理实现,二、总线特性,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。,传输方向和有效的电平范围,每根传输线的功能,信号的时序关系，在什么时间内有效,地址数据控制,三、总线的性能指标,数据线的根数,每秒传输的最大字节数（MBs）,与时钟同步、不同步,地址线与数据线复用,地址线、数据线和控制线的总和,ISAEISAVL-BUSPCI,总线标准,四、总线标准,不同厂家生产的各功能部件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。,总线标准：系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。1.ISA总线独立CPU的总线时钟，不支持多台设备系统，数据传输必须经过CPU或DMA，最大传输速率16MBps，数据线16位，地址线24位。,2.EISA总线在ISA基础上扩充开放的总线标准，分离出总线控制权，支持多台设备系统，数据传输必须经过CPU或DMA，支持多主控制器和突发方式，最大传输速率33MBps，数据线32位，地址线32位。,3.PCI总线1)高性能不依附于具体处理器，支持33MHz和66MHz的总线时钟，数据线为32位，可扩展到64位，传输速率132MBps可升级到528Mbps。支持突发工作模式。2）良好的兼容性3）支持即插即用4）支持多主设备，允许主设备和从设备之间实现点对点对等存取。,PCIExpress是新一代的总线接口。早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。,5）具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力。PCI总线可视为CPU与外设之间的一个中间层，通过PCI桥路（PCI控制器）与CPU连接。PCI具有数据缓冲器。6）提供数据和地址校验能力7）可扩充性好，总线驱动能力不足，可采用多层结构等。,4.AGP总线加速图形端口，显示卡专用局部总线，采用点对点通道方式，直接与主存联系，以主存作帧缓冲器，实现高速存取。最大数据传输率为266Mbps。,5.USB总线计算机串行接口总线标准，实现外设的快速简单连接1）具有真正的即插即用特征。2）具有很强的连接能力，使用USBHUB最多可链式连接127个外设到同一系统。3）数据传输速率USB1.0：1.5Mbps，12Mbps。USB2.0数据传输速率可达480Mbps，USB3.0理论带宽达到5Gbps。,4）标准统一，减少了PC主板插槽需求。5）连接电缆轻巧，电源体积小。4芯电缆，6）生命力强。,大多数计算机采用分层次的多总线结构。在这种结构中，速差异较大的设备使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。,25,大多数计算机采用了分层次的多总线结构。右图一个三层次的多总线结构即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。,26,Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。,总线控制由总线控制器控制，负责决定哪个部件发送信息，如何传送定时等。总线控制包括判优控制和通信控制。,3.5总线控制,3.5总线控制,一、总线判优控制,1.基本概念,总线上的信息传送是由主设备发起的，若多个设备同时使用总线时，就由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定总线使用权。,总线判优控制,分布式,集中式,链式查询,计数器定时查询,独立请求方式,2.链式查询方式,3.5,I/O接口1,3.计数器定时查询方式,I/O接口1,3.5,设备地址,4.独立请求方式,3.5,5.三种总线控制方式比较：1)链式查询方式，只需要几根线就能按照一定次序实现总线控制，并且容易扩展设备，对电路故障敏感，且优先级别低的设备可能很难获得请求。3根线2）计数器定时查询方式，对电路故障不如链式查询方式敏感，但增加了控制线，控制也比较复杂。Log2n根线3）独立请求方式，响应速度快，优先次序控制灵活，但控制线数量多，总线控制复杂。2n根线,6.分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有请求的时候，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上。,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，撤销它的总裁号。最后获胜的仲裁号保留在总线上。分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。,二、总线通信控制（分时控制）,1.目的,2.总线周期：完成一次总线操作的时间,主模块申请，总线仲裁决定,主模块向从模块给出地址和命令启动从模块,主模块和从模块交换数据,主模块撤销有关信息，让出总线使用权。,解决通信双方协调配合问题,由统一时标控制数据传送,一般由总线控制部件发出。,充分挖掘系统总线每瞬间的潜力,3.总线通信的四种方式,采用应答方式，没有公共时钟标准,同步、异步结合。,总线通信控制主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调如何配合。,(1)同步式输入设备向CPU传输数据,总线传输周期是连接在总线上的两个部件完成一次完整且可靠的信息传输时间。包含4个时钟周期T1，T2，T3，T4,对于读命令,传输周期如下:1）T1主模块发地址2）T2主模块发读命令3）T3从模块提供数据4）T4主模块撤销读命令，从模块撤销数据,(2)同步式数据输出传输,对于写命令，传输周期如下：T1主模块发地址T1.5主模块提供数据T2主模块发出写命令，从模块接收命令后，必须在规定时间内将数据总线上的数据写到地址总线指明的单元中。T4主模块撤销写命令和数据等信号,优点：规定明确、统一、模块间配合简单一致。缺点：主从模块之间的配合属于强制“同步”，必须在规定时间内完成，对不同速度的部件，必须按照最慢速度的部件设计公共时钟。一般用于：总线周期较短，各部件存取周期比较一致的场合。,例3.1假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传输周期为4个时钟周期，总线的宽度为32位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？,例1：(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线传输周期等于4个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?(2)如果一个总线传输周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?,(3)异步通信,异步通信允许多模块的速度不一致性，没有公共的时钟标准，不要求所有部件严格的统一操作时间，而是采用应答式（握手方式）。主模块发出请求信号时，一直等待从模块反馈回来响应信号后，才开始通信。主从模块之间增加两条应答线。,1）不互锁方式主模块发出请求信号，不必等待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间，确认从模块已经收到请求信号后，便撤除其请求信号。从模块接收到请求信号，在条件允许时发出回答信号，而且是经过一段时间，确认主模块已收到回答信号后，主动撤销回答信号。,半互锁方式主模块发出请求信号，必须待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号，有互锁关系。从模块在接到请求信号后发出回答信号，但不必等待获知主模块的请求信号已经撤销，而是过段时间自动撤销其回答信号，无互锁关系。,3）全互锁方式,主模块发出请求信号，必须待接到从模块的回答信号后再撤销其请求信号，有互锁关系。从模块发出回答信号，必须等待获知主模块的请求信号已经撤销，再撤销其回答信号。,不互锁,半互锁,全互锁,3.5,异步通信可用于并行传送和串行传送。串行异步没有时钟信号，不需传送同步信号，1）约定字符格式：1个起始位（低电平），58个数据位，一个校验位，1或1.5或2个终止位（高电平），起始位至终止位构成一帧，两帧之间的间隔可以是任意长度。2）波特率：单位时间传送二进制数据的位数，用bps（位/秒）表示，记作波特率。,例3.2在异步串行通信系统中，假设每秒传送120个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位，7个数据位，1个奇校验位，1个终止位，计算波特率。,例3.3画图说明用异步串行传输方式发送8位十六进制数据95H。要求字符格式为：1位起始位、8位数据位、1位偶校验位、1位终止位。,3）比特率异步通信字符格式包含若干附加位，只考虑有效数字位。用比特率来衡量异步串行通信的数据传输速率，即单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位bps。例3.4在异步串行传输系统中，若字符格式为:1位起始位、8位数据位、1位奇校验位、1位终止位。假设波特率1200bps，求此时的比特率。,(4)半同步通信,3.5,（同步、异步结合）,以输入数据为例的半同步通信时序,T1主模块发地址,T2主模块发读命令,T3从模块提供数据,T4从模块撤销数据，主模块撤销命令,3.5,T1,总线传输周期,T2,Tw,Tw,时钟,地址,WAIT,读,T3,数据,半同步通信适合于系统工作速度不高又包含了许多工作速度差异较大的各类设备组成的简单系统。优点：比异步通信简单，在全系统内各模块在统一的系统个时钟控制下同步工作，可靠性较高，同步结构方便。缺点:对系统时钟频率不能要求太高，故从整体上来看，系统工作的速度还不是很高。,总线传输周期（以输入数据为例）,主模块发地址、命令,从模块准备数据,从模块向主模块发数据,总线空闲,3.5,占用总线,不占用总线,占用总线,(5)分离式通信,(5)分离式通信,充分挖掘系统总线每瞬间的潜力,一个总线传输周期,子周期1,子周期2,3.5,(5)分离式通信,从模块B准备好数据，申请总线使用权，将主模块A地址、从模块B地址、主模块A所需要的数据，送到总线上，由A模块接收。,一个总线传输周期,子周期1,子周期2,3.5,主模块,1.各模块占用总线，先申请占用总线,分离式通信特点,充分发挥了总线的有效占用。,2.采用同步方式通信，不等对方回答,3.各模块准备数据时，不占用总线,4.总线被占用时，无空闲,3.5,1冯诺伊曼机工作方式的基本特点是_。A多指令流单数据流；B按地址访问并顺序执行指令；C堆栈操作；D存储器按内容选择地址。,2总线复用方式可以_。A提高总线的传输带宽；B增加总线的功能；C减少总线中信号线的数量；D提高CPU利用率。,3三种集中式总线控制中，_方式对电路故障最敏感。A链式查询；B计数器定时查询；C独立请求；D以上都不对。,4在各种异步通信方式中，_速度最快。A全互锁；B半互锁；C不互锁。,5在三种集中式总线控制中，_方式响应时间最快。A链式查询；B计数器定时查询；C独立请求；D以上都不是。,6.系统总线是指_。A运算器、控制器和寄存器之间的信息传送线B运算器、寄存器和主存之间的信息传送线C运算器、寄存器和外围设备之间的信息传送线DCPU、主存和外围设备之间的信息传送线,7在计数器定时查询方式下，若计数从0开始，则_。A设备号小的优先级高；B每个设备使用总线的机会相等；C设备号大的优先级高。,8.总线中的地址线的作用是_。A.只用于选择存储器单元B.由设备向主机提供地址C.用于选择指定存储器单元和I/O设备接口电路的地址。,9.系统总线中的数据线、地址线和控制线是根据_来划分的。A.总线所处的位置B.总线的传输方向C.总线的传输内容,10.总线中数据信号和地址信号分别用一组线路传输，这种传输方式称为_。A.串行通信B.并行通信C.复用通信,考研考点：(一)总线概述1)总线的基本概念2）总线的分类3）总线的组成及其性能指标（二）总线仲裁1）集中仲裁方式2）分布仲裁方式（三）总线操作和定时1）同步定时方式2）异步定时方式（四）总线标准,1.假设某计算机的CPU主频为80MHz，CPI为4。该计算机的MIPS数是多少？,2.设总线频率为100MHz，数据总线和地址总线共用一组总线，32宽，存储字长也是32位，传送一次地址或者一次数据需要一个时钟周期，采用突发式发送，则传送128位数据需要的时间是：A.20nsB.40nsC.50nsD.80ns,3.下列关于USB总线的说法中，错误的是：A.支持热拔插，即插即用B.可以连接多级外部设备C.可以扩展接口D.速度快，可以同时传输两位数据,4.冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是()A.指令操作码的译码结果B.指令和数据的寻址方式C.指令周期的不同阶段D.指令和数据所在的存储单元,5.下列选项中的英文缩写均为总线标准的是()A.PCI、CRT、USB、EISAB.ISA、CPI、VESA、EISAC.ISA、SCSI、RAM、MIPSD.ISA、EISA、PCI、PCI-Express,6.下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是()A.MIPSB.CPIC.IPCD.MFLOPS,7.在系统总线的数据线上，不可能传输的是()A.指令B.操作数C.握手（应答）信号D.中断类信号,8.假设某系统总线在一个总线周期中并行传输4字节信息，一个总线周期占用2个时钟周期，总线时钟频率为10MHz，则总线带宽是()A10MB/sB.20MB/SC.40MB/SD.80MB/S,USB2.0的最高传输速率为480Mbps（即60MB/s），而USB3.0的最大传输带宽高达5.0Gbps（即640MB/s）,为理论传输值，如果几台设备共用一个USB通道，主控制芯片会对每台设备可支配的带宽进行分配、控制。极大提高了带宽高达5Gbps全双工（USB2.0则为480Mbps半双工）实现了更好的电源管理能够使主机为器件提供更多的功率，从而实现USB充电电池、LED照明和迷你