计算机组成原理 第3章.ppt

1、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,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,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

2、设计,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？,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,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,总线结构的计算机举例,2. 单总线结构框图,3. 以存储器为中心的双总线结构框图,主存,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,双向 与机器字长、存储字长有

3、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,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,总线物理实现,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,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、

4、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,ISA EISA VESA(LV-BUS) PCI AGP RS-232 USB,总 线 标 准,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

5、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,设备总线标准,RS-232（Recommended Standard-232C） 由美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）推荐的一种串行通信总线标准。 USB（Universal Serial Bus） 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（Integrated Drive Electronics） 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

6、的CD-ROM驱动器都是通过这种接口和主机连接的。 SCSI（Small Computer System Interface） 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

7、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,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1 3、三总线结构2 4、四总线结构,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,主存总线主要用于CPU和主存之间数据交换 I/O总线供CPU与各类I/

8、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,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,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,VL-BUS局部总线结构,PCI 总线结构,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

9、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 控 制 部 件,I/O接口0,BS,BR,I/O接口1,I/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

10、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。,I/O接口1,设备地址,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,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

11、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,总线周期,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,同步式数据输入(读）,(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,同步式数据输出（写）,(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

12、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,应答方式,联络方式,异步通信数据传输的并行和串行方式,并行,串行,数据传输方式,异步通信优点 允许

13、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，5019 200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

14、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、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,以输入数据为例的半同步通信时序,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

15、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,一个总线传输周期,子周期1,子周期2,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。,总线判优控制 解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题。采用优先级策略或公平策略，选择其中一个主设备作为总线的下一次主方，接管总线控制权。 集中式控制 将控制逻辑集中在一块，必有一个中央控制器或仲裁器，它受理所有功能模块的总线请求，按优先原则或公平原则。包括链式、计数器和独立请求三种方式。 分布式控制 将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上，不需要