计算机组成原理(白中英)第6章

1、计算机组成原理 第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器 第三章第三章 存储系统存储系统 第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统 第九章第九章 操作系统支持操作系统支持目录计算机组成原理计算机组成原理第6章 总线系统6.1 6.1 总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态6.2 6.2 总线接口总线接口6.3 6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式总线的仲裁、定时和数据传送模式 6 6.4 .4 PCIPCI总线总

2、线6.5 ISA6.5 ISA总线和总线和Futurebus+Futurebus+总线总线6.1总线的概念 总线是构成计算机系统的总线是构成计算机系统的互连机构互连机构，是多，是多个系统功能部件之间进行数据传送的个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路公共通路 单处理器系统的总线，大致分为三类：单处理器系统的总线，大致分为三类：内部总线内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件内部连接各寄存器及运算部件之间的总线之间的总线系统总线系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能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部件，如存储器、通道等互相连接的总线I/O总线总线：中低速：中

3、低速I/O设备间互相连接的总线设备间互相连接的总线总线特性 物理特性物理特性：物理连接方式，包括总线的根数、：物理连接方式，包括总线的根数、排列方式，总线的插头、插座的形状等排列方式，总线的插头、插座的形状等功能特性功能特性：描述总线中每一根线的功能：描述总线中每一根线的功能电气特性电气特性：定义每一根线上信号的传递方向：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。送入及有效电平范围。送入CPU的信号叫输入信号的信号叫输入信号(IN)，从，从CPU发出的信号叫输出信号发出的信号叫输出信号(OUT)时间特性时间特性: 定义了每根线在什么时间有效，即定义了每根线在什么时间有效，即总线上各信号有效的

4、时序关系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，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，通过适配器将外围设备同计算机连接起来，实现高速实现高速CPUCPU与低速外设之间工作速度上的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匹配和同步，

5、完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。有数据传送和控制。 适配器通常简称为适配器通常简称为接口接口。 1. 1.单总线结构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在单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接来连接CPUCPU、主存和、主存和I/OI/O设备，叫做单总线结构。设备，叫做单总线结构。要求连接到总线上的逻辑部件必须要求连接到总线上的逻辑部件必须高速高速运行，以便运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；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。当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。CPU主存主存设备设

6、备接口接口设备设备接口接口 单总线结构单总线结构系统总线 (1)取指令取指令 (2)传送数据传送数据 (3)I/O操作操作 (4)DMA操作操作 (5)单总线结构容易扩展成多单总线结构容易扩展成多CPU系统系统 2.双总线结构双总线结构在在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，减轻了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系统总线的负担，主存仍可通过系统总线与外设之间实现间实现DMA操作，而不必经过操作，而不必经过CPUCPU主存设备适配器设备适配器双总线结构双总

7、线结构存储总线系统总线3.3.三总线结构三总线结构CPU主存设备适配器设备适配器IOPI/O总线三总线结构三总线结构系统总线存储总线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。6.1.46.1.4总线的内部结构总线的内部结构-早期总线的内部结构早期总线的内部结构 CPU存储器模块存储器

8、模块输入设备输入设备接口接口输出设备输出设备接口接口数据线数据线地址线地址线控制线控制线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。CPU-CACHE模块模块存储器存储器模块模块I/O接口接口总线控制器总线控制器数据传送总线（数据线、地址线、控制线）数据传送总线（数据线、地址线、控制线）仲裁总线（仲裁总线（BR、BG）中断和同步总线中断和同步总线公用线（时钟信号、电源公用线（时钟信号、电源/地线、地线、）当代流行的总线内部结构当代流行的总线内部结构当代总线

9、构成 总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。 数据传送总线数据传送总线：地址线、数据线、控制线。 仲裁总线仲裁总线：总线请求线、总线授权线。 中断和同步总线中断和同步总线：中断请求线和中断认可线。 公用线公用线：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总线总线 用于与低速I/O设备连接。南北桥芯片将南北桥芯片将CPU总线、总线、PCI总总线、线、ISA总线连成整体。桥芯片总线连成整体。

10、桥芯片起到了信号速度缓冲、电平转换、起到了信号速度缓冲、电平转换、控制协议的转换作用。控制协议的转换作用。6.2 总线接口 1.1.串行传送串行传送只有一条传输线，每次一位，按顺序来传送表示只有一条传输线，每次一位，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位一个数码的所有二进制位(bit)(bit)。2.2.并行传送并行传送 每个数据位都需要单独一条传输线。二进制数每个数据位都需要单独一条传输线。二进制数“0”0”或或“1”1”在不同的线上同时进行传送。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

11、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（Bit Rate） 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（Baud

12、Rate）【例【例2 2】 利用串行方式传送字符，每秒钟传送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的数据位数常称为波特。假设数据传送速率是120120个字符个字符/ /秒，每一个字符格式规定包含秒，每一个字符格式规定包含1010个个数据位数据位( (起始位、停止位、起始位、停止位、8 8个数据位个数据位) )，问传送，问传送的波特数是多少？每个数据位占用的时间是多的波特数是多少？每个数据位占用的时间是多少？少？【解】：波特数为：【解】：波特数为：10位位120/秒秒=1200波特波特 每个数据位占用的时间每个数据位占用的时间Td是波特数的倒数：是波特数的倒数：

13、 Td=1/1200=0.8330.001s=0.833ms发送发送8位数据：位数据：59H01011001B，偶校验、两个停止位，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，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，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但可以有多个

14、设备从总线接收数据集中仲裁：链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口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接口接口1 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址集中仲裁：计数器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1排队器排队器排队器排队器集中仲裁：独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I

15、/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求分布式仲裁中央中央处理器处理器设备接口设备接口0设备接口设备接口1设备接口设备接口N3126.3.2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T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟

16、 地址地址 读读命令命令 数据数据同步式数据输出T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令 数据数据异步时序不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁异步时序的互锁关系主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答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（Br

17、oadcast） 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。 PCI 1.0版：32位数据总线、33MHz时钟频率，传输速率132MB/S。 PCI 2.0版：64位数据总线、33MHz时钟频率 PCI 2.1版：64位数据总线、66MHz时钟频率PCI总线结构PCIPCI总线控总线控制器制器桥的功能 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

18、多条总线并行工作。6.5ISA总线16位系统总线，用于IBM PC/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：1. IBM PC机和IBM PC/XT机的IBM PC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2. IBM AT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

19、、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ID07SCSI-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Fire Wire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

20、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、系统总线和理解内部总线、系统总线和I/O总线（芯片总线、内总线（芯片总线、内总线和外总线）的分类总线和外总线）的分类 理解总线的理解总线的4个方面特性，掌握总线带宽以及计算个方