计算机组成原理第3章

第三章系统总线第一节总线的基本概念第二节总线的分类第三节总线特性及性能指标第四节总线结构第五节总线控制小结作业第一节总线的基本概念一、计算机总线二、总线的优点三、总线的劣势四、总线的一般组成五、总线上信息的传送六、总线结构的计算机举例分散连接存储器输入设备运算器控制器输出设备计算机总线总线连接用于连接计算机多个子系统（部件）共享的信息通道总线也是连接复杂巨系统的一种基本工具某一时刻只允许一个部件向总线发送信息，但是多个部件可以同时接收相同信息存储器CPUI/OI/OI/O解决外部设备“杂”的问题：容易增添新的设备使用相同总线标准的外设容易在不同计算机间兼容降低成本：总线可供多个设备共享简化设计存储器CPUI/OI/OI/O总线的优点容易成为信息通道的瓶颈总线带宽限制了整条总线的吞吐量总线的最高速度主要由下列因素决定：总线长度总线负载的设备数负载设备的特性延迟是否差异较大？数据传输率差异较大？存储器CPUI/OI/OI/O总线的劣势控制线总线请求信号及数据接收信号指明数据线上传输信息的类型数据线

在源设备和目标设备间传送信息数据和地址复杂的命令数据线控制线总线的一般组成串行并行总线上信息的传送1.面向CPU的双总线结构框图

中央处理器

CPUI/O总线M总线主存

I/O接口

I/O

设备1

I/O

设备2……I/O接口I/O接口

I/O

设备n总线结构的计算机举例单总线（系统总线）2.单总线结构框图CPU

主存I/O接口

I/O

设备1

I/O

设备2I/O接口…

I/O

设备nI/O接口…3.以存储器为中心的双总线结构框图系统总线

主存CPUI/O接口

I/O

设备1…

I/O

设备nI/O接口…存储总线第二节总线的分类1.片内总线2.系统总线芯片内部

的总线数据总线地址总线控制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远距离数千公里并行通信总线近距离小于30m传输方式

用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信第三节总线特性及性能指标一、总线物理实现二、总线特性三、总线的性能指标四、总线标准CPU插板主存

插板I/O

插板BUS主板总线物理实现1.机械特性2.电气特性3.功能特性4.时间特性尺寸、形状、管脚数

及

排列顺序传输方向

和有效的电平范围每根传输线的功能信号的时序

关系地址数据控制总线特性1.总线宽度2.总线带宽3.时钟同步/异步4.总线复用5.信号线数6.总线控制方式7.其他指标数据线的根数总线的数据传输速率MBps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负载能力、电源电压、可扩展性突发、自动、仲裁、逻辑、计数总线的性能指标思考题：总线工作频率32MHZ，总线宽度16位，计算总线带宽？32×(16/8)=64MBps总线标准总线标准接口系统的总线标准设备总线标准ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准系统模块标准界面总线标准接口CPU和内存、外设、或两种外设、或两种机器之间通过总线进行连接的逻辑部件。六种基本功能：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、关闭等；缓冲器，补偿各设备速度差异；转换，完成任何要求的数据转换；状态，监视外设的工作状态并保存状态；整理，完成一些特别功能，如在需要时修改字计数器；程序中断，发中断请求至CPU。系统总线标准总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）16MBpsEISA328MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3233MHz（CPU）132MBpsPCI326433MHz（独立）64MHz（独立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（独立）133MHz（独立）266MBps533MBps设备总线标准RS-232（RecommendedStandard-232C）由美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustriesAssociation）推荐的一种串行通信总线标准。USB（UniversalSerialBus）接口基于通用的连接技术，可实现外设的简单快速连接，已达到方便用户、降低成本、扩展微机连接外设范围的目的。IDE（IntegratedDriveElectronics）它是一种在主机处理器和磁盘驱动器之间广泛使用的集成总线。绝大部分PC的硬盘和相当数量的CD-ROM驱动器都是通过这种接口和主机连接的。SCSI（SmallComputerSystemInterface）现在这种接口不再局限于将各种设备与小型计算机直接连接起来，它已经成为各种计算机（包括工作站、小型机、甚至大型机）的系统接口。小结总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。总线特性有机械/物理特性、电气特性、功能特性、时间特性。总线标准从ISA总线（16位，带宽15MB/s）发展到EISA总线（32位，带宽33MB/s）和VESA总线（32位，带宽133MB/s），又进一步发展到PCI总线（64位，带宽266MB/s）。衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率。第四节总线结构一、单总线结构二、多总线结构三、总线结构举例单总线（系统总线）CPU

主存I/O接口

I/O

设备1

I/O

设备2I/O接口…

I/O

设备nI/O接口…一、单总线结构单总线结构特点使用一条总线处理器和主存储器之间通信主存储器和输入/输出设备之间通信优点简单、成本低缺点速度慢，总线将成为系统瓶颈二、多总线结构1、双总线结构2、三总线结构13、三总线结构24、四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

设备n

……I/O接口

设备0

CPU主存主存总线I/O总线双总线结构双总线结构特点输入/输出总线通过适配器和主存总线相连主存总线用于处理器和主存储器之间的通信输入/输出总线为输入/输出设备提供信息三总线结构1主存总线DMA总线I/O总线CPU

主存设备1设备n高速外设I/O接口I/O接口I/O接口……主存总线主要用于CPU和主存之间数据交换I/O总线供CPU与各类I/O设备之间传递信息DMA总线用于高速I/O设备与主存之间交换信息优点：大大减少处理器-主存总线负载三总线结构2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I/O控制器主存用于CPU与Cache或与更多的局部设备之间数据交换与主存、Cache直接相连，并且通过扩展总线接口和扩展总线相连优点：系统的工作效率明显提高四总线结构多媒体Modem主存扩展总线接口局域网SCSICPU串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥三、总线结构举例1.、传统微型机总线结构2、VL-BUS局部总线结构3、PCI总线结构4、多层PCI总线结构传统微型机总线结构存储器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位数据通路标准总线控制器33MHz的32位数据通路系统总线多媒体高速局域网高性能图形CPU……ModemVL-BUS局部总线结构33MHz的32位数据通路系统总线ISA、EISA多媒体高速局域网高性能图形图文传真8MHz的16位数据通路标准总线控制器CPU主存控制器存储器局部总线控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……ModemCPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISA、EISA标准总线控制器SCSIⅡ

控制器存储器ModemPCI总线结构PCI总线2存储器桥0桥4PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第二级桥第三级桥PCI总线4PCI总线5PCI总线3PCI总线1PCI总线0存储器总线

标准总线CPU多层PCI总线结构第五节总线控制一、总线判优控制二、总线通信控制一、总线判优控制1、基本概念2、链式查询方式3、计数器定时查询方式4、独立请求方式总线事务发起命令（和地址），传输数据主设备总线事务的发起者发出命令（和地址）基本概念从设备若主设备发出的是读命令，则将数据发送到主设备否则，接收主设备发来的写入数据总线事务的响应者

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总线主设备总线从设备主设备发起传输动作数据可双向传输总线控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG数据线地址线BS

－总线忙BR－总线请求BG－总线同意I/O接口1链式查询方式优点只需2根线就能按一定优先次序实现总线控制容易扩充设备缺点对电路故障很敏感如第i个设备的接口中有关链的电流有故障，那么i个以后的设备都不能进行工作；查询链的优先级是固定的当优先级高的设备出现频繁请求时，离总线控制器远，优先级别低的设备很难获得请求。0BS

－总线忙BR－总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址I/O接口1

计数器设备地址1计数器定时查询方式优点设备的优先次序可变对电路故障没那么敏感缺点增加了控制线数log2n根控制线控制也较复杂排队器排队器总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG－总线同意BR－总线请求独立请求方式优点响应速度快不用一个个设备查询优先次序可由程序控制比较灵活缺点控制线数量多2n根控制线总线控制更复杂二、总线通信控制1.目的2.总线周期3.总线通信的四种方式解决通信双方协调配合

问题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

和命令主模块和从模块交换数据主模块撤消有关信息

申请分配阶段寻址阶段传数阶段结束阶段总线周期同步通信异步通信

半同步通信

分离式通信

当前主、从模块完全占有整个总线传输周期各模块在准备数据的过程中不占用总线，总线占用时都在做有效工作总线通信的四种方式同步通信

由统一时标

控制数据传送(1)同步式数据输入(2)同步式数据输出(3)同步通信特点

读命令同步式数据输入(读）T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

数据(1)同步式数据输入完成一次完整信息传输的时间T1主模块发地址T2主模块发读命令T3从模块提供数据T4主模块撤销读命令，从模块撤销数据

数据同步式数据输出（写）T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令(2)同步式数据输出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，从模块接到命令后在规定时间内将数据总线上的数据写到地址总线所指明的单元中。T4主模块撤销写命令和数据等信号。同步通信优点规定明确、统一，模块间的配合简单一致；同步通信缺点主、从模块时间配合属于强制性“同步”，严重影响总线的工作效率；设计缺乏灵活性；同步通信适用范围总线长度较短，各部件存取时间比较一致的场合。(3)同步通信特点异步通信联络方式数据传输方式异步通信特点应答信号在通信总线上传输（2011研）采用应答方式

，没有公共时钟标准不互锁半互锁全互锁主设备从设备请求回答应答方式联络方式数据字命令字命令字01101000起始位终止位9.09ms2×

9.09ms异步通信数据传输的并行和串行方式“Ready”“Strobe”I/O

接口I/O

设备CPU并行串行起始位终止位9.09ms2×

9.09ms数据传输方式异步通信优点允许各模块速度的不一致性，给设计者充分的灵活性和选择余地；异步通信缺点增加两条应答线传送速度低，50～19200波特波特率：单位时间内传送二进制的位数，单位bps，记做波特；比特率：单位时间内传送有效二进制位数，单位bps，记做比特；异步通信特点思考题2：在异步串行传输系统中，假设每秒传输160个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位，8位数据位，1个偶校验位，1个终止位，试计算波特率和比特率。解：

1+8+1+1=11位

160*11=1760bps=1760波特

160*8=1280bps=1280比特半同步通信（同步、异步

结合）

以输入数据为例的半同步通信时序

半同步通信特点

同步、异步和半同步三种通信的共同点同步发送方用系统时钟前沿

发信号

接收方

用系统时钟后沿

判断、识别异步允许不同速度的模块和谐工作

增加一条“等待”响应信号

WAIT（同步、异步

结合）T1主模块发地址T2主模块发命令…T3从模块提供数据T4从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw

当为低电平时，等待一个TWAITTw

当为低电平时，等待一个TWAIT以输入数据为例的半同步通信时序

读

命令WAIT

地址

数据

时钟总线传输周期T1T2TWTWT3T4半同步通信半同步通信优点允许各模块速度的不一致性；控制方式比异步简单；全系统各模块在统一系统时钟控制下同步工作，可靠型高；半同步通信缺点系统工作速度不高；

适用于系统工作速度不高但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。半同步通信特点一个总线传输周期（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占用总线不占用总线占用总线同步、异步和半同步三种通信的共同点总线使用权在传输周期被主从设备完全占有充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力主模块

申请占用总线，使用完后即放弃总线

的使用权从模块

申请占用总线，将各种信息送至总线上一个总线传输周期子周期1子周期2主模块分离式通信1.各模块有权申请占用总线分离式通信特点充分提高了总线的有效占用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，无空闲小结总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。总线特性有机械/物理特性、电气特性、功能特性、时间特性。总线标