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文档简介
1、1冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备第2页/共40页第1页/共40页2以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据数据结果结果计算计算第3页/共40页第2页/共40页33.1 总线的基本概念二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线总线是连接各个部件的信息传输线是是 各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介质同一时刻、一个部件发、同一时刻、一个部件发、 多个部件收多个部件收串行串行并行并行第4页/共40页第3页/共40页4四、总线结
2、构计算机举例四、总线结构计算机举例1. 面向面向 CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图中央处理 器 CPUI/O总线M总线主存储器 M.MI/O接口 外部 设备1 外部 设备2I/O接口I/O接口 外部 设备n第5页/共40页第4页/共40页5单总线(系统总线)2. 单总线结构框图单总线结构框图 CPU M.M I/O接口 外部 设备1 外部 设备2 I/O接口 外部 设备n I/O接口第6页/共40页第5页/共40页63. 以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线 M.M CPU I/O接口 外部 设备1 外部 设备n I/O接口存储总线存储总线第7页/共40
3、页第6页/共40页73.2 总线的分类连接部件不同划分为1. .片内总线片内总线2. .系统总线系统总线芯片内部芯片内部 的总线的总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、 I/O地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线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、总线请求第8页/共40页第7页/共40页83. .通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式 用于用于 计算机系统之间计算机系统之间 或或 计
4、算机系统计算机系统与其他系统与其他系统(如控制仪表、移动通信等)(如控制仪表、移动通信等)之间的通信之间的通信3.2 总线的分类连接部件不同划分为第9页/共40页第8页/共40页93.3 总线特性及性能指标一、总线物理实现一、总线物理实现BUSCPU 插件板MM 插件板I/O插件板第10页/共40页第9页/共40页101. 机械特性机械特性2. 电气特性电气特性3. 功能特性功能特性4. 时间特性时间特性二、总线特性二、总线特性尺寸尺寸 形状形状传输方向传输方向 和有效的和有效的 电平电平 范围范围每根传输线的每根传输线的 功能功能信号的信号的 时序时序 关系关系地址地址数据数据控制控制第11
5、页/共40页第10页/共40页11三、总线的性能指标三、总线的性能指标1. 总线宽度总线宽度2. 总线带宽总线带宽 (数据传输率)(数据传输率)3. 时钟同步时钟同步/异步异步4. 总线复用总线复用5. 信号线数信号线数6. 总线控制方式总线控制方式7. 其他指标其他指标数据线数据线 的根数的根数 每秒传输的最大字节数(每秒传输的最大字节数(MBs)总线带宽总线带宽=总线宽度总线宽度/ 8 /系统周期系统周期同步、不同步同步、不同步地址线地址线 与与 数据线数据线 复用复用地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和负载能力负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻
6、辑、计数第12页/共40页第11页/共40页12ISAEISAVL-BUSPCIAGPRS-232CUSB模块模块总总线线标标准准 四、总线标准四、总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面系统系统国际公布或推荐的互联各个模块的标准,它是把各国际公布或推荐的互联各个模块的标准,它是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。第13页/共40页第12页/共40页133.4 总线结构一、单总线结构一、单总线结构单总线(系统总线) CPU M.M I/O接口 外部 设备1 外部 设备2 I/O接口 外部 设备n I/O接口第14页/共40页第13页
7、/共40页141. 双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器由通道对I/O统一管理通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存总线I/O总线二、多总线结构二、多总线结构第15页/共40页第14页/共40页152. 三总线结构主存总线DMADMA总线I/O总线总线 CPU 主存设备1设备n高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口二、多总线结构二、多总线结构第16页/共40页第15页/共40页163. 三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存二
8、、多总线结构二、多总线结构第17页/共40页第16页/共40页174. 四总线结构四总线结构主存扩展总线接口局域网SCSI多媒体CPU调制解调器串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥桥二、多总线结构二、多总线结构第18页/共40页第17页/共40页181. 传传统微型机总线结构统微型机总线结构三、总线结构举例三、总线结构举例存储器SCSI II控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16 6位数据通路标准总线控制器33 MHz3232位数据通路系统总线调制解调器多媒体高速局域网高性能图形 CPU第19页/共40页第18页/共40页192. VL-BUS局部总线结构局
9、部总线结构33MHz的3232位数据通路系统总线ISA EISA多媒体高速局域网高性能图形调制解调器图文传真8MHz的的1616位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存储器存储器局部总线局部总线 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS第20页/共40页第19页/共40页203. PCI 总线结构总线结构CPU多媒体PCI 桥高速局域网高性能图形调制解调器图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33MHz的的32位数据通路位数据通路8MHz的的16位数据通路位数据通路ISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存储器存储器第
10、21页/共40页第20页/共40页214. 多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器桥0桥4 PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCI总线总线4PCI总线总线5PCI总线总线3PCI总线总线1PCI总线总线0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPU第22页/共40页第21页/共40页223.5 总线控制(判优、通信控制)一、总线判优控制一、总线判优控制 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式 主设备主设备(模块模块)对总线有对总线有 控制权控制权 从设备从设备(模块模块)响应响应 从主设备发来的总线命令从主设备发来
11、的总线命令1. 基本概念基本概念链式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式第23页/共40页第22页/共40页232. 链式查询方式链式查询方式总线控制部件I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG-总线同意总线同意I/O接口1串行串行 近近-高高 容易扩充容易扩充 电路故障敏感电路故障敏感第24页/共40页第23页/共40页24 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总线控制部件数据线数据线地址线地址线I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址设备地址3. 计数器定时查询方式
12、计数器定时查询方式I/O接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1 并行并行 优先权可设定优先权可设定 电路故障不是很敏感电路故障不是很敏感 增加控制线增加控制线第25页/共40页第24页/共40页25排队器排队器排队器排队器4. 独立请求方式独立请求方式总线控制部件数据线数据线地址线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求 优先次序灵活可变优先次序灵活可变 控制更复杂控制更复杂第26页/共40页第25页/共40页26二、总线通信控制二、总线通信控制1. 目的目的2. 总线传输周期总线传输周期主模块申请主模块申请,
13、总线仲裁决定,总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤消有关信息撤消有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题第27页/共40页第26页/共40页27由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每瞬间总线每瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3. 总线通信的四种方式总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式
14、,没有公共时钟标准,没有公共时钟标准同步、异步结合同步、异步结合第28页/共40页第27页/共40页28(1) 同步通信同步通信数据输入数据输入T1总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 读读命令命令 数据数据第29页/共40页第28页/共40页29(1) 同步通信同步通信数据输出数据输出T1总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令 数据数据第30页/共40页第29页/共40页30例题 假设总线的f=33MHz,且一个总线周期为一个总线传输周期,若在一个总线传输周期可并行传送4个字节的数据,求总线的带宽,并分析哪些因素 影响总线的带宽。解:解:总线带宽总线带宽=总线宽度
15、总线宽度/8/总线周期总线周期 =总线宽度总线宽度/8*时钟频率时钟频率 =4B*33MHz 132MBps 220=1,048,576 106解:解:影响影响总线带宽的因素总线带宽的因素有:总线宽度、总线时有:总线宽度、总线时 钟频率、数据传输方式、传输距离等。钟频率、数据传输方式、传输距离等。若提高一倍数据传输率若提高一倍数据传输率,可采用两种措施:,可采用两种措施:数据总线宽度增大一倍数据总线宽度增大一倍 时钟频率加大一倍时钟频率加大一倍第31页/共40页第30页/共40页31例题 在一个16位的总线系统中,若时钟频率为100MHz,总线传输周期为5个时钟周期,每一个总线传输周期可传送一
16、个字,计算总线的数据传输率。解:解:1 1个时钟周期为个时钟周期为 1/100MHz=0.011/100MHz=0.01s s 5 5个个时钟周期为时钟周期为 0.010.01s s* *5=0.055=0.05s s 数据传输率数据传输率=16/8/0.05s=40s=40* *10106 6Bps40MBpsBps40MBps第32页/共40页第31页/共40页32不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(2) 异步通信异步通信主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答异步通信可用于并行或串行中异步通信可用于并行或串行中数据传输率用波特率比特率来衡量第33页/共40页第32页/共40页33(2)
17、 异步通信异步通信异步通信可用于并行或串行中异步通信可用于并行或串行中异步串行通信:异步串行通信: 传送起始位、数据位、校验位、终止位传送起始位、数据位、校验位、终止位 波特率波特率bps:单位时间内传送二进制数据的位数单位时间内传送二进制数据的位数 比特率比特率bps: 单位时间内传送二进制单位时间内传送二进制有效数据有效数据的位数的位数异步并行通信:异步并行通信: 应答信号应答信号第34页/共40页第33页/共40页34(3) 半同步通信半同步通信同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别(同步同
18、步、异步异步 结合)结合)异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAIT第35页/共40页第34页/共40页35以输入数据为例的半同步通信时序以输入数据为例的半同步通信时序T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模块提供数据T4 从模块撤销数据,主模块撤销命令从模块撤销数据,主模块撤销命令Tw 当当 为低电平时,等待一个为低电平时,等待一个 TWAITTw 当当 为低电平时,等待一个为低电平时,等待一个 TWAIT第36页/共40页第35页/共40页36上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点一个总线传输周期(以输入数据为例)一个总线传输周期(以输入数据为例) 主模块发地址主模块发地址 、命令、命令 从模块准备数据从模块准备数据 从模块向主模块发数据从模块向主模块发数据总线空闲总线空闲占用总线占用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线第37页/共40页第36页/共40页37(4) 分离式通信分离式通信充分挖掘系统总线每瞬间的潜力充分挖掘系统总线每瞬间的潜力主模块主模块 申请申请 占用总线占用总线,使用完后,使用完后即即 放弃总线放弃总线 的使用权的使用权从模块从模块 申请申请 占用总线占用总
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