计算机组成原理第3章zy

1、3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 总线的分类总线的分类3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制l计算机系统中存储器、计算机系统中存储器、CPUCPU等功能部件之间必须互等功能部件之间必须互联，才能组成计算机系统。联，才能组成计算机系统。l部件之间的互联方式部件之间的互联方式: :分散连接：各部件之间通过单独的连线互联分散连接：各部件之间通过单独的连线互联总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输线上。总线结构的两个主要优点是线上。总线结构的两个主要优点是l灵活：体现在新加部件可以很容易地加到

2、总线灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统之间互换之间互换l低成本。低成本。l现代计算机普遍使用的是总线互联结构。现代计算机普遍使用的是总线互联结构。一、什么是总线一、什么是总线二、总线上信息的传送二、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串行串行并行并行v总线通常由许多传输线或通路构成，在并行传输总线通常由许多传输线或通路构成，在并行传输条件下，每条线可传输一位二进制信息，若干条线条件下，每条线可传输一位二进制信息，若干条线

3、可同时传输多位二进制信息。可同时传输多位二进制信息。三、总线结构计算机举例三、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中央处理 器器 CPUI/O总线总线M总总线线主存储器主存储器 M.MI/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 外部外部 设备设备n单总线（系统总线）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接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2 I/O接口接口 外部外部 设备设备n I/O接口接口3. 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

4、框图系统总线系统总线 M.M CPU I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线3.2.1片内总线片内总线3.2.2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 有入有入计算机各大部件之间计算机各大部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求3. .2.32.3通信总线通信总线串

5、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适于远距离传送，可适于远距离传送，可从几米到达数千米。从几米到达数千米。适于近距离传送，通适于近距离传送，通常小于常小于30米。米。CPU 插件板插件板M.M 插件板插件板I/O插件板插件板总线物理实现总线物理实现BUS1. 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3.3.1总线特性总线特性尺寸尺寸 形状形状传输方向传输方向 和有效的

6、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是指总线在机械物理连接上的特性。包括连线类型、数量、接插件的是指总线在机械物理连接上的特性。包括连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列等。几何尺寸和形状以及引脚线的排列等。指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。通常指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。通常规定由规定由CPU发出的信号为输出信号，送入发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号。的信号为输入信号。不同的控制线功能不同，如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输

7、不同的控制线功能不同，如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输数据信息，控制线用来发出控制信息。数据信息，控制线用来发出控制信息。指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间的时序关系。的时序关系。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. 标准传输率标准传输率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）指总线在单位指总线在单位时间

8、内所能达到的最高传输速率，单位是时间内所能达到的最高传输速率，单位是MB/S。它是衡量总线性能的重要技术指标。它是衡量总线性能的重要技术指标。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 总和总和负载能力即驱动能力、电源电压、负载能力即驱动能力、电源电压、总线宽度能否扩展等。总线宽度能否扩展等。突发工作、自动配置、仲裁方式、突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。逻辑方式、计数方式等。例例1 某网络每秒发出某网络每秒发出30次访问请求，每次请求的数据量为次访问请求，每次请求的数据量为64KB。问。问100M的网络

9、能否承受该访问？的网络能否承受该访问？解：解： 30*64K*8 = 15360Kb= 15Mb 100MbISAEISAVL-BUSPCI模块模块系统系统总总线线标标准准 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lISA总线是IBM公司为286计算机制定的工业标准总线。该总线的总线宽度是16位，总线频率为8MHz。 lEISA（Extended Industry Standard Architecture即扩展工业标准结构总线）是为32位中央处理器（386、486、586等等）设计的总线扩展工业标准。EISA总线包括ISA总线的所有性能外，还把总线宽度从16位扩展到32

10、位、总线频率从8.3MHz提高到16MHzISA总线1）VESA总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线 2）该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。3)数据、地址总线宽度均为32位。寻址空间为4GB。总线最高传输率为132MB/S. 4)是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。 lPCI（Peripheral Component Interconnect

11、即连接外部设备的计算机内部总线 ）是美国SIG （即美国计算机协会专业集团）推出的新一代64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mbyte/s(峰值传输率为132Mbyte/s)。 l早期的486系列计算机主板采用ISA总线和EISA总线，而奔腾（Pentium）或586系列计算机主板采用了PCI总线和EISA总线。l支持总线主控技术，允许智能设备在适当的时候取得总线控制权以加速数据传输和对高度专门化任务的支持。l支持猝发传输模式.PCI能在极短时间内发送大量数据。l不受CPU速度和结构的限制。l与 ISAEISAMCA兼容。l预留扩展空间，支持64b数据和地址。l设有特

12、别的缓存，实现外设与CPU隔离，外设或CPU的单独升级都不会带来问题。l数据宽度32b，时钟频率33MHz时，最大数据传输速率为133MB/s。l同步时序、集中式仲裁l多PCI设备共享总线的带宽。 l多PCI设备共享一组信号线， 因此受插板插入位置的影响， 会产生微妙的信号畸变。实际上在33MHz的PCI总线情况下，只能用到4个插 槽；在66MHz 下，只能用到2个插 槽。 l在PCI 总线中是采用内存映射I/O，这也影响了系统的整体性能。CPU读写动作频率要与PCI总线的动作频率同步，所以就延缓了CPU指令的执行速度。 AGP总线就是局部总线的一种。AGP（Accelerated Graph

13、ics Port）即高速图形接口。专用于连接主板上的控制芯片和AGP显示适配卡，为提高视频带宽而设计的总线规范。lAGP不但可以带来更快的视频性能，而且还允许AGP显卡直接访问系统内存大大缓解了对于显存容量的需要，有效的控制了显卡的制造成本。 一、单总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线） CPU M.M I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2 I/O接口接口 外部外部 设备设备n I/O接口接口la.访内和访外指令相同访内和访外指令相同,由地址来处分由地址来处分,减减少了一类少了一类I/O指令指令lb.总线简单，使用灵活，易于扩展总线简单，使用灵活，易于

14、扩展lc. 所有设备分时工作，适用于慢速的小所有设备分时工作，适用于慢速的小型或微型计算机系统中型或微型计算机系统中ld.适用于高速外设的情况适用于高速外设的情况le.任意两外设之间可以直接交换信息任意两外设之间可以直接交换信息(其其中主设备需有总线控制能力中主设备需有总线控制能力)1. 双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器具有特殊功能的处理器由通道对由通道对I/O统一管理统一管理通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存主存总线主存总线I/O总线总线二、多总线结构二、多总线结构在单总线结构的基础上增加主存总线组成在单总线结构的基础上增加主存总线组成l

15、a.由于外设和内存分处与不同总线，分访由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。内和访外指令。lb.主存总线的增加减轻了系统总线的负主存总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性。担，提高了并行性。lc.仍然保持了单总线结构的系统简单、易仍然保持了单总线结构的系统简单、易于扩充的优点。于扩充的优点。2. 三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMADMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口在双总线结构的基础上增加在双总线结构的基础上增加I/O总线组成总线组成la.由于外设和内存分处与不同总线，分访由于外设和

16、内存分处与不同总线，分访内和访外指令。内和访外指令。lb. 并行性进一步提高，通道处理机分担并行性进一步提高，通道处理机分担了部分了部分CPU的的I/O功能。功能。3. 三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存小型计算机接口小型计算机接口4. 四总线结构四总线结构主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSI多媒体多媒体CPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线

17、扩展总线图形图形Cache/桥桥1. 传统微型机总线结构传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存储器SCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16 6位数据通路位数据通路标准总线控制器标准总线控制器33 MHz3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线调制解调器调制解调器多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA EISA多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真8 MHz的

18、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 BUS3. PCI 总线结构总线结构CPU多媒体多媒体PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz的的32位数据通路位数据通路8 MHz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4. 多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器桥桥0桥桥4 PCI设备设备桥桥5总线桥总

19、线桥桥桥3桥桥1设备设备桥桥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当代流行的总线其内部结构如图北桥南桥一、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2. 链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件

20、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工作过程分析工作过程分析:设备设备N向总线控制器发总线使用请求向总线控制器发总线使用请求 总线控制器检查总线控制器检查BS信信号号 若若BS=0 总线控制器发总线控制器发BG信号信号 BG按照设备的物理按照设备的物理连接次序查询连接次序查询,直到找到第一个发出直到找到第一个发出BR的设备的设备 置置BS=1. 如果有如果有2个设备都发出了总线使用请求个设备都发出了总线使用请求,此时响应哪一个设备此时响应哪一个设备?离总线控制器近的设

21、备离总线控制器近的设备.优点优点:a. 设备扩充容易。设备扩充容易。b.控制器简单控制器简单缺点缺点:a.优先级由设备的物理位置确定，设置不灵活，优先级低的设优先级由设备的物理位置确定，设置不灵活，优先级低的设备很难获得请求。备很难获得请求。b.单点故障明显单点故障明显c.响应速度慢响应速度慢 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3. 计数器定时查询方式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工作过程分析工作过程分析:设备设备N向总线控制器

22、发总线使用请求向总线控制器发总线使用请求 总线控制器检查总线控制器检查BS信信号号 若若BS=0 计数器开始计数计数器开始计数 当计数值等于发出当计数值等于发出BR请请求的设备号时，设备得到总线使用权求的设备号时，设备得到总线使用权 置置BS=1 设备的优先级别能否改变，若能，则如何改变设备的优先级别能否改变，若能，则如何改变?改变计数器的计数初始值改变计数器的计数初始值.优点优点:a. 不存在单点故障不存在单点故障b.优先级改变灵活优先级改变灵活 ( 如何体现如何体现 ？)缺点缺点:a. 设备扩充较困难设备扩充较困难(增加计数线数量增加计数线数量) ，。b.响应速度较慢响应速度较慢排队器排队

23、器排队器排队器4. 独立请求方式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/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求工作过程分析工作过程分析:所有设备通过各自独立的所有设备通过各自独立的BR线向控制器发总线使用请求线向控制器发总线使用请求 总总线控制器经过裁决线控制器经过裁决 通过独立的通过独立的BG线响应请求线响应请求 设备的优先级如何确定设备的优先级如何确定 ?由控制器中的裁决器按照一定的策略确定由控制器中的裁决器按照一定的策略确定(可编程可编程)优点优点:a. 不存在单点故障不存在单点

24、故障b.优先级改变灵活优先级改变灵活c.响应速度快响应速度快缺点缺点:a. 线数与设备的数量有关，设备扩充较困难。线数与设备的数量有关，设备扩充较困难。b.控制器的设计复杂控制器的设计复杂二、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，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 撤销有关信息撤销有关信息 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 问题问题由由 统一时标统

25、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，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l实现方式 方式1:总线控制器中设置统一的时钟系统， 并发给所有部件。 方式2:各部件自配时钟发生器，但须与中央时钟同步。(1) 同步式数据输入同步式数据输入T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 读读命令命令 数据数据(2) 同步式数据输出同步式数据输出T1总线传输

26、周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令 数据数据例例1 设一个设一个32位的处理器有位的处理器有16位外部数据总线位外部数据总线,时钟频率为时钟频率为50MHZ,若总线传输的最短周期为若总线传输的最短周期为4个时钟周期个时钟周期,问处理器的最大问处理器的最大数据传输率是多少数据传输率是多少?若想提高一倍数据传输率若想提高一倍数据传输率,可采用什么措施可采用什么措施?解解:数据传输率即单位时间内数据传输率即单位时间内(1秒秒)传输的数据量传输的数据量 数据传输率数据传输率= 2B * 50MHz/ 4 = 25MBps要把总线的数据传输率提高一倍要把总线的数据传输率提高一

27、倍,可采取的方法有三种可采取的方法有三种:1)数据总线的宽度提高到数据总线的宽度提高到32位位,此时此时: 数据传输率数据传输率= 4B * 50MHz/ 4 = 50MBps2)将总线的时钟频率提高到将总线的时钟频率提高到100MHZ,此时此时: 数据传输率数据传输率= 2B * 100MHz/ 4 = 50MBps3)将传输的最短时间缩短为将传输的最短时间缩短为2个时钟周期个时钟周期,此时此时: 数据传输率数据传输率= 2B * 50MHz/ 2 = 50MBps优点优点:1.1.时序关系简单，实现简单，模块间的配合简单一致。时序关系简单，实现简单，模块间的配合简单一致。2.2.规定明确、

28、统一。规定明确、统一。缺点：缺点：1.1.主、从模块时间配合属于强制性主、从模块时间配合属于强制性“同步同步”2.2.设备速度不一致时按最坏情况确定，传输线不能太长设备速度不一致时按最坏情况确定，传输线不能太长( (时钟相移时钟相移) )，严重影响总线工作效率。严重影响总线工作效率。3.3.设计有局限性，不灵活设计有局限性，不灵活不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(3) 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单机单机多机多机网络通信网络通信 起止式异步串行通信协议起止式异步串行通信协议面向字符串行、不互锁方式面向字符串行、不互锁方式0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1 0/10/1一个字符一个字符或空闲或空闲停止位