第六章总线（含练习题）

1、第六章总线第六章总线 主要内容： 总线概述 总线的基本概念、分类、特性与性能指标 总线结构 单总线结构与多总线结构 总线控制 判优控制(集中仲裁方式、分布仲裁方式) 和通信控制(同步通信和异步通信) 总线标准。 史岚 6.1 总线概述 6.1.1 总线的基本概念 一、分散连接还是总线连接 分散连接 各部件两两之间使用单独的连线，见下 面两个框图： 总线连接 各部件连到一组公共信息传输线上。 第六章 总线 运算器 控制器 存储器 输入设备输出设备 典型的冯诺依曼计算机结构图：以运算器为中心 -非总线连接 6.1 总线概述 控制器 主存输出设备输入设备 运算器 辅存 指令 数据 I/O 数据 数据

2、 数据 计算机硬件组成框图：以主存储器为中心 -非总线连接 6.1 总线概述 二、总线的概念(定义) 比较以下两个定义的说法： 1.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。 2.总线是构成计算机系统的互联机 构，是多个系统功能部件之间进行数 据传送的公共通路。 总线的重要作用。 6.1 总线概述 史岚 6.1.2 总线的分类 一、按数据传送方式分 并行传输总线、串行传输总线 二、按并行总线传输的数据宽度分 8位总线、 16位总线、 32位总线、 64 位总线 三、按总线连接的部件不同分(重要了 解的分类) 片内总线、系统总线、通信总线- 6.1 总线概述 1.片内总线 芯片内

3、部如CPU内用于连接R-R、R- ALU 2.系统总线 指CPU、主存、I/O设备(确切说是I/O 接口)各大部件之间的信息传输线。 系统总线又按其上传输信息的不同分 成三类： 数据总线、地址总线、控制总线- 6.1 总线概述 数据总线 用来传输各功能部件之间的数据信息； 双向； 位数称为数据总线宽度。 地址总线 用来指出CPU要访问的存储单元或I/O 端口的地址； 单向； 位数与存储单元个数有关。 6.1 总线概述 控制总线 用来发出(传出)各种控制信号； 就任一控制信号而言，传输是单向的； 对于控制总线总体而言，可看作双向的； 故，从CPU的角度看，控制信号既有输 入，又有输出； 控制信号

4、举例 存储器读/写、I/O读/写、总线请求、总线 允许、中断请求、中断响应、复位、时 钟 6.1 总线概述 3.通信总线 用于计算机系统之间、计算机系统与 其他系统之间通信； 按传输方式分为串行通信和并行通信 的总线； 串行-由低位到高位，单条1位传输线； 并行-多条1位传输线； 串、并行分别适用于远距离和近距离 的数据传输。 6.1 总线概述 6.1.3 总线的特性与性能指标 一、总线特性 总线结构的物理实现如下图所示： CPU插板 主存插板I/O插板 由此可知总线特性应包括以下几项： 6.1 总线概述 1.机械特性 总线在机械连接方式上的一些性能。 2.电气特性 指总线的每一根传输线上信号

5、的传递方 向和有效的电平范围。 3.功能特性 指总线中每一根传输线的功能。 4.时间特性 指总线中的任一条传输线什么时间有效 (一般采用信号时序图来表示)。 6.1 总线概述 例题：选择一个正确答案 数据总线的宽度由总线的( )特性决 定。 A.物理特性；B.功能特性； C.电气特性；D.时间特性。 B 6.1 总线概述 史岚 二、总线的性能指标 1.总线宽度 通常指数据总线的条数； 单位是bit。 2.总线带宽 总线本身能达到的数据传输率，即单 位时间内总线上传输数据的位数； 单位是MB/s。 带宽计算的一个例题： 6.1 总线概述 教材P.213/185【例1】( 1 )某总线在一个总 线

6、周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个时钟周期，总 线时钟频率是33MHz，总线带宽是多 少？ 解答：用Dr表示总线带宽；总线时钟周期 为T=1/f；一个总线周期传送的数据量表 示为D；依据定义有： Dr=D/T=Df=4B33106/s =132MB/s (若一个总线周期由4个T构成，总线带宽 是多少？) 6.1 总线概述 3.时钟同步/异步 总线上的数据传输与时钟同步的称为同 步总线；否则为异步总线。 4.总线复用 一条信号线上分时传送两种信号(提高总 线利用率)。 5.信号线数 地址线、数据线、控制线三种总线数的 总和。 6.总线控制方式 仲裁方式、是否支持突发工作等。

7、 7.其他指标(负载能力、电源电压) 6.1 总线概述 6.2 总线结构 一般分为单总线结构和多总线结构； 单机系统中常分为单总线、双总线和 三总线三种结构。 6.2.1 单总线结构 将CPU、主存和I/O设备(通过I/O接口) 都挂接到一组总线上，称为单总线结 构。 单总线结构框图如下： 第六章 总线 史岚 单总线结构框图 CPU 主存 I/O接口I/O接口I/O接口 I/O设备 1 I/O设备 2 I/O设备 n 单总线(系统总线) 6.2 总线结构 单总线结构的特点： 1.结构简单、易于扩充； 2.允许部件之间直接交换信息； 3.共享传输介质极易形成系统瓶颈 某时刻只允许一对部件之间传送

8、信息； 4.适用于小型微型计算机系统。 6.2 总线结构 6.2.2 双总线结构 双总线指系统总线和存储总线； 在上述单总线结构的基础上，在CPU 和主存之间专门设置一组高速的存储 总线； 保留了单总线结构简单、易于扩充的 优点，又减轻了系统总线的负担； 结构框图如下： 6.2 总线结构 双总线结构框图(以存储器为中心) CPU主存 I/O接口I/O接口I/O接口 I/O设备 1 I/O设备 2 I/O设备 n 系统总线 存储 总线 6.2 总线结构 史岚 6.2.3 三总线结构 指系统总线、存储总线和I/O总线- 在双总线结构的基础上增加了I/O总线； I/O总线专门用于多个外设与通道之间进

9、 行数据传送； 关于通道-一台专用处理器( IOP )； 存储总线的作用同双总线的情况； 其中系统总线在CPU、主存和I/O通道之 间进行数据传送； 结构框图如下： 6.2 总线结构 三总线结构框图 CPU主存 I/O接口 IOP (通道) I/O接口 I/O设备 1 I/O设备 n 系统总线 存储 总线 I/O总线 多用于大、中型计算机系统； 系统吞吐能力强；以硬件为代价。 可发展为多总线结构。 6.2 总线结构 6.3 总线控制 解决总线结构必须面对的两个问题 一是总线争用时的仲裁； 二是通信的双方如何在时间上协调。 具体完成这些任务的是总线控制器。 6.3.1 总线判优控制 一、主设备和

10、从设备的概念 按总线上所连接的设备对总线有无控 制功能分 主设备(主方、主模块)： 第六章 总线 对总线有控制权，可以启动一个总线周期 (即启动总线上的信息传送)； 从设备(从方、从模块)： 只能响应主设备发来的总线命令，对总线 没有控制权； 主设备和从设备的例子。 二、总线判优（仲裁） 多个主设备同时要使用总线时，按优先 顺序确定由哪一个主设备使用总线； 判优控制分为集中式和分布式两种； 6.3 总线控制 区别在于总线仲裁电路的位置 将控制逻辑集中在一处(如CPU中)为集中 式仲裁； 将控制逻辑分散在与总线连接的各个可能 成为主设备的部件上，为分布式仲裁； 主要了解的是集中式仲裁。 三、集中

11、式总线仲裁的三种方式 1.链式查询方式 2.计数器定时查询方式 3.独立请求方式 6.3 总线控制 史岚 1.链式查询 ( 1 )链式查询(菊花链查询)的示意图 总 线 控 制 部 件 集 中 仲 裁 器 ( I/O接口0I/O接口1I/O接口n 数据线 地址线 BS BR BG BR：总线请求信号线 BG：总线授权信号线(允许、同意) BS：总线忙信号 6.3 总线控制 ( 思考：链式查询中控制线的条数- ( 2 )链式查询中总线仲裁的过程 优先次序体现在距离集中仲裁器的远 近； 具体的查询电路略(见第八章)。 ( 3 )链式查询的特点 需要很少的信号线可以完成按既定优 先次序的总线仲裁；

12、易于扩充设备； 故障敏感； 优先级安排可能造成低级别设备总是 用不上总线。 6.3 总线控制 2.计数器定时查询 ( 1 )计数器定时查询的示意图 总 线 控 制 部 件 集 中 仲 裁 器 I/O接口0I/O接口1I/O接口n 数据线 地址线 BS BR BR：总线请求信号线 BS：总线忙信号 设备地址线 设备地址 ( ( ( 2 )计数器定时查询的仲裁过程 设备地址线的条数：由I/O设备数量决定。 内有 计数器 与之对应，接口里有 I/O地址判别电路 (设备地址译码线路) 6.3 总线控制思考：计数器定时查询 方式中控制线的条数- ( 3 )计数器定时查询的特点 优先级次序较灵活- 计数可

13、以从0开始，也可从上一次计数的 终点开始，还可以编程设置初值； 灵活是以增加控制线为代价的； 不像链式查询那样故障敏感。 3.独立请求方式 ( 1 )示意图如下- 6.3 总线控制 总 线 控 制 部 件 集 中 仲 裁 器 I/O接口0I/O接口1I/O接口n 数据线 地址线 BS BR ( ( BR0 BGn BG1 BG0 独立请求方式示意图 BR1 BRn BRi、BGi： 第i个设备 的总线 请求线和 总线授权 (允许)线。 内有排队电路 6.3 总线控制 思考：独立请求方式中控制线的条数- ( 2 )独立请求方式的特点 响应速度快； 优先次序控制灵活(可以编程改变)； 控制线数量多

14、，总线控制复杂。 6.3.2 总线通信控制 一、总线周期的概念 完成一次总线操作的时间，分为4个 阶段： 申请寻址传数结束。 6.3 总线控制 1.申请分配阶段 需要使用总线的主设备提申请，仲 裁机构决定下一传输周期总线使用 权授予某一申请者。 2.寻址阶段 被授权的主设备通过总线发出本次 要访问的从设备地址及相关命令， 启动该设备。 6.3 总线控制 3.传数阶段 主、从设备经数据总线进行数据交换。 4.结束阶段 主设备信息从总线撤除，让出总线使用 权。 二、总线通信控制的两种方式 -同步和异步方式。 6.3 总线控制 史岚 1.同步通信 定义： 通信双方由统一时标控制数据传送，该 时标来自

15、统一的时钟信号； 特点： 每个时钟周期的任务明确；主从设备之 间配合简单一致； 属于强制性同步，影响总线工作效率， 缺乏灵活性； 适用：线路短、部件速度接近。 6.3 总线控制 2.异步通信 定义： 没有公共的时钟标准，采用“请求-应答”方 式通信； 主设备发出Request信号，等待从设备反 馈回来Acknowledge信号后，才开始通 信。 分类： 不互锁、半互锁、全互锁(略)。 特点： 设计灵活，允许各模块速度不一致。 6.3 总线控制 适用与并行和串行传送。 关于异步串行通信的数据传输率 波特率和比特率： ( 1 )异步串行通信的数据传输率用波特率 来衡量指单位时间内传送二进制数据 的

16、位数，单位bps，记作波特。 ( 2 )由于异步串行通信字符格式中包含若 干附加位(起始位、终止位、校验位)， 若只考虑有效数据位，则可用比特率衡 量其数据传输率单位时间里传送二进 制有效数据的位数( bps )。 6.3 总线控制 波特率和比特率的两个例题- 例1：在异步串行传输系统中，设每秒传 输120个数据帧（一个字符由起始位至 终止位构成一帧，含有效位与附加 位），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， 试计算波特率。 解答： 本题的1个帧含1+7+1+1=10bit； 波特率为 10120=1200bps=1200波特 6.3 总线控制 例2：在异步串

17、行传输系统中，若字符格 式为：1个起始位、8个数据位、1个奇 校验位、1个终止位，假设波特率为 1200bps，求这时的比特率。 解答： 比特率为 1200（8/11）=872.73比特 6.3 总线控制 史岚 6.4 总线标准 6.4.1 何谓总线标准 系统与各功能模块、模块和模块之间互 连的标准界面； 国际公布或推荐的互连各个模块的标 准，提供系统与各功能模块、模块和模 块之间互连的标准界面； 该界面对其两端的模块而言都是透明 的，即界面的一方只需根据总线标准的 要求来完成自身一方接口功能的设计， 不必考虑对方于界面的接口方式。 第六章 总线 6.4.2 标准化的好处 为计算机接口的软硬件

18、设计提供方便。 制定总线标准使系统设计简化，便于模 块生产批量化，确保性能稳定，质量可 靠，便于维护，较好解决了设备与总线 之间不通用、不匹配的问题。 6.4 总线标准 6.4.3 流行的总线标准 一、ISA总线 二、EISA总线 三、VESA总线 四、PCI总线 五、AGP总线 六、RS-232C总线 七、UAB总线 具体标准内容略。 6.3 总线控制 史岚 第六章 总线-练习题 一、选择题 1.三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。 2.三种集中式总线控制中，( )方式响 应最快。 A.B.C.同1题。 3.连接计算机与计

19、算机之间的总线属 于( )总线。 A.内；B.系统 ；C.通信。 第六章 总线-练习题 4.计算机中使用总线结构便于增减外 设，同时( )。 A.减少了信息传输量； B.提高了信息传输速度； C.减少了信息传输线的条数； D.三者均正确。 5.串行总线与并行总线比，( )。 A.串行总线成本高，速度快； B.串行总线成本高，速度慢； C.并行总线成本高，速度快； D.并行总线成本低，速度快； 第六章 总线-练习题 6.总线接口的功能不包括( )。 A.匹配外设与主机的速度差异； B.实现数据格式的转换； C.交换主机与外设的状态信息； D.完成算术及逻辑运算。 7.总线的独立请求方式的缺点是(

20、 )。 A.线路简单； B.响应速度慢； C.对优先级的控制不灵活； D.所需控制线多。 第六章 总线-练习题 8.在链式查询方式下，( )。 A.总线设备的优先级可变； B.越靠近总线控制器的设备优先级越高； C.各设备的优先级相等； D.各设备获得总线使用权的机会均等。 9.总线复用可以( )。 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。 第六章 总线-练习题 10.在同步通信中，一个总线周期的传 输过程是( )。 A.先传送数据，再传输地址； B.先传送地址，再传输数据； C.只传输数据。 11.总线的异步通信方式( )。 A.不采用时钟信号，只采用握手

21、信号； B.既采用时钟信号，又采用握手信号； C.既不采用时钟信号，又不采用握手信 号。 第六章 总线-练习题 12.不同的信号，共用一组信号线，分 时传送，这种总线传输方式是( )。 A.猝发； B.并行； C.复用。 13.在总线接口中，设备地址译码线路 的作用是( )。 A.区分总线上的地址是访存地址还是 I/O地址； B.区分总线上的地址是哪一个接口的 地址； C.判断总线上的地址是否为本接口的 地址； D.判断本接口的地址是多少。 第六章 总线-练习题 14.在总线接口中，设备状态字寄存器 的作用是( )。 A.存放CPU的工作状态； B.存放接口的工作状态； C.存放外设的工作状态

22、； D.存放中断状态。 第六章 总线-练习题 15.系统中的数据线、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.总线传输的内容。 16.总线通信中的同步控制是( )。 A.只适合于CPU的控制方式； B.由统一时序控制的方式； C.只适合于外设控制的方式。 17.总线中地址线的作用( )。 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。 第六章 总线-练习题 史岚 18.在计数器查询方式下，若每一次计数从 上一次计数的终止点开始，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。 第六章 总线-