計算機組成原理第3章zy

第三章系統(tǒng)總線3.1總線的基本概念3.2總線的分類3.3總線特性及性能指標3.4總線結構3.5總線控制計算機系統(tǒng)中存儲器、CPU等功能部件之間必須互聯，才能組成計算機系統(tǒng)。部件之間的互聯方式:分散連接：各部件之間通過單獨的連線互聯總線連接：將各個部件連接到一組公共信息傳輸線上。總線結構的兩個主要優(yōu)點是靈活：體現在新加部件可以很容易地加到總線上并且部件可以在使用相同總線的計算機系統(tǒng)之間互換低成本?，F代計算機普遍使用的是總線互聯結構。3.1總線的基本概念一、什么是總線二、總線上信息的傳送總線是連接各個部件的信息傳輸線是各個部件共享的傳輸介質串行并行總線通常由許多傳輸線或通路構成，在并行傳輸條件下，每條線可傳輸一位二進制信息，若干條線可同時傳輸多位二進制信息。三、總線結構計算機舉例1.面向CPU的雙總線結構框圖中央處理器CPUI/O總線M總線3.1主存儲器

M.MI/O接口

外部設備1

外部設備2……I/O接口I/O接口

外部設備n單總線（系統(tǒng)總線）2.單總線結構框圖CPUM.MI/O接口

外部設備1

外部設備2I/O接口…

外部設備nI/O接口…3.13.以存儲器為中心的雙總線結構框圖系統(tǒng)總線M.MCPUI/O接口

外部設備1…

外部設備nI/O接口…存儲總線3.13.2總線的分類3.2.1片內總線3.2.2系統(tǒng)總線芯片內部的總線數據總線地址總線控制總線雙向與機器字長、存儲字長有關單向與存儲地址、I/O地址有關有出有入計算機各大部件之間的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求3.2.3通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式3.2用于計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）之間的通信適于遠距離傳送，可從幾米到達數千米。適于近距離傳送，通常小于30米。3.3總線特性及性能指標CPU插件板M.M插件板I/O插件板總線物理實現BUS1.機械特性2.電氣特性3.功能特性4.時間特性3.3.1總線特性尺寸形狀傳輸方向和有效的電平范圍每根傳輸線的功能信號的時序關系3.3地址數據控制是指總線在機械物理連接上的特性。包括連線類型、數量、接插件的幾何尺寸和形狀以及引腳線的排列等。指總線的每一條信號線的信號傳遞方向、信號的有效電平范圍。通常規(guī)定由CPU發(fā)出的信號為輸出信號，送入CPU的信號為輸入信號。不同的控制線功能不同，如地址線用來傳輸地址信息，數據線用來傳輸數據信息，控制線用來發(fā)出控制信息。指總線中任一根傳輸線在什么時間內有效，以及每根線產生的信號之間的時序關系。三、總線的性能指標1.總線寬度2.標準傳輸率3.時鐘同步/異步4.總線復用5.信號線數6.總線控制方式7.其他指標數據線的根數：每秒傳輸的最大字節(jié)數（MB／s）指總線在單位時間內所能達到的最高傳輸速率，單位是MB/S。它是衡量總線性能的重要技術指標。同步、不同步地址線與數據線復用地址線、數據線和控制線的總和負載能力即驅動能力、電源電壓、總線寬度能否擴展等。突發(fā)工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數方式等。3.3例1某網絡每秒發(fā)出30次訪問請求，每次請求的數據量為64KB。問100M的網絡能否承受該訪問？解：30*64K*8=15360Kb=15Mb<100MbISAEISAVL-BUSPCI模塊系統(tǒng)總線標準四、總線標準系統(tǒng)模塊3.3標準界面ISA/EISAISA總線是IBM公司為286計算機制定的工業(yè)標準總線。該總線的總線寬度是16位，總線頻率為8MHz。EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture即擴展工業(yè)標準結構總線）是為32位中央處理器（386、486、586等等）設計的總線擴展工業(yè)標準。EISA總線包括ISA總線的所有性能外，還把總線寬度從16位擴展到32位、總線頻率從8.3MHz提高到16MHzISA總線VESAvideoelectronicsstandardassociation1）VESA總線是1992年由60家附件卡制造商聯合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESAlocalbus)總線2）該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。3)數據、地址總線寬度均為32位。尋址空間為4GB?？偩€最高傳輸率為132MB/S.4)是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。PCIPCI（PeripheralComponentInterconnect即連接外部設備的計算機內部總線）是美國SIG（即美國計算機協會專業(yè)集團）推出的新一代64位總線。該總線的最高總線頻率為33MHz，數據傳輸率為80Mbyte/s(峰值傳輸率為132Mbyte/s)。早期的486系列計算機主板采用ISA總線和EISA總線，而奔騰（Pentium）或586系列計算機主板采用了PCI總線和EISA總線。PCI總線特點支持總線主控技術，允許智能設備在適當的時候取得總線控制權以加速數據傳輸和對高度專門化任務的支持。支持猝發(fā)傳輸模式.PCI能在極短時間內發(fā)送大量數據。不受CPU速度和結構的限制。與ISA／EISA／MCA兼容。預留擴展空間，支持64b數據和地址。設有特別的緩存，實現外設與CPU隔離，外設或CPU的單獨升級都不會帶來問題。數據寬度32b，時鐘頻率33MHz時，最大數據傳輸速率為133MB/s。同步時序、集中式仲裁PCI總線局限性多PCI設備共享總線的帶寬。多PCI設備共享一組信號線，因此受插板插入位置的影響，會產生微妙的信號畸變。實際上在33MHz的PCI總線情況下，只能用到4個插槽；在66MHz下，只能用到2個插槽。在PCI總線中是采用內存映射I/O，這也影響了系統(tǒng)的整體性能。CPU讀寫動作頻率要與PCI總線的動作頻率同步，所以就延緩了CPU指令的執(zhí)行速度。

AGP總線就是局部總線的一種。AGP（AcceleratedGraphicsPort）即高速圖形接口。專用于連接主板上的控制芯片和AGP顯示適配卡，為提高視頻帶寬而設計的總線規(guī)范。AGP不但可以帶來更快的視頻性能，而且還允許AGP顯卡直接訪問系統(tǒng)內存大大緩解了對于顯存容量的需要，有效的控制了顯卡的制造成本。

AGP3.4總線結構一、單總線結構單總線（系統(tǒng)總線）CPUM.MI/O接口

外部設備1

外部設備2I/O接口…

外部設備nI/O接口…單總線結構特點a.訪內和訪外指令相同,由地址來處分,減少了一類I/O指令b.總線簡單，使用靈活，易于擴展c.所有設備分時工作，適用于慢速的小型或微型計算機系統(tǒng)中d.適用于高速外設的情況e.任意兩外設之間可以直接交換信息(其中主設備需有總線控制能力)1.雙總線結構具有特殊功能的處理器由通道對I/O統(tǒng)一管理通道I/O接口設備n

……I/O接口設備0

CPU主存主存總線I/O總線二、多總線結構3.4雙總線結構特點在單總線結構的基礎上增加主存總線組成a.由于外設和內存分處與不同總線，分訪內和訪外指令。b.主存總線的增加減輕了系統(tǒng)總線的負擔，提高了并行性。c.仍然保持了單總線結構的系統(tǒng)簡單、易于擴充的優(yōu)點。2.三總線結構主存總線DMA總線I/O總線CPU

主存設備1設備n高速外設I/O接口I/O接口I/O接口……3.4三總線結構特點在雙總線結構的基礎上增加I/O總線組成a.由于外設和內存分處與不同總線，分訪內和訪外指令。b.并行性進一步提高，通道處理機分擔了部分CPU的I/O功能。3.三總線結構的又一形式3.4局域網系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴展總線接口擴展總線Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存小型計算機接口4.四總線結構主存擴展總線接口局域網SCSI多媒體CPU調制解調器串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴展總線圖形Cache/橋3.41.傳統(tǒng)微型機總線結構三、總線結構舉例存儲器SCSIII控制器主存控制器ISAEISA8MHz16位數據通路標準總線控制器33MHz32位數據通路系統(tǒng)總線調制解調器多媒體高速局域網高性能圖形CPU…3.42.VL-BUS局部總線結構33MHz的32位數據通路系統(tǒng)總線ISAEISA多媒體高速局域網高性能圖形調制解調器圖文傳真8MHz的16位數據通路標準總線控制器CPU主存控制器存儲器局部總線控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……3.43.PCI總線結構CPU多媒體PCI橋高速局域網高性能圖形調制解調器圖文傳真PCI總線系統(tǒng)總線33MHz的32位數據通路8MHz的16位數據通路ISAEISA標準總線控制器SCSIⅡ

控制器存儲器3.44.多層PCI總線結構PCI總線2存儲器橋0橋4PCI設備橋5總線橋橋3橋1設備橋2第一級橋第二級橋第三級橋PCI總線4PCI總線5PCI總線3PCI總線1PCI總線0存儲器總線

標準總線CPU3.4當代流行的總線——其內部結構如圖北橋南橋3.5總線控制一、總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式集中式主設備(模塊)對總線有控制權從設備(模塊)響應從主設備發(fā)來的總線命令1.基本概念鏈式查詢計數器定時查詢獨立請求方式2.鏈式查詢方式總線控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數據線地址線BS

-總線忙BR-總線請求BG-總線同意3.5I/O接口1?工作過程分析:設備N向總線控制器發(fā)總線使用請求總線控制器檢查BS信號若BS=0總線控制器發(fā)BG信號BG按照設備的物理連接次序查詢,直到找到第一個發(fā)出BR的設備置BS=1.?

如果有2個設備都發(fā)出了總線使用請求,此時響應哪一個設備?離總線控制器近的設備.?優(yōu)點:a.設備擴充容易。b.控制器簡單?缺點:a.優(yōu)先級由設備的物理位置確定，設置不靈活，優(yōu)先級低的設備很難獲得請求。b.單點故障明顯c.響應速度慢0BS

-總線忙BR-總線請求總線控制部件數據線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設備地址3.計數器定時查詢方式I/O接口13.5計數器設備地址1?工作過程分析:設備N向總線控制器發(fā)總線使用請求總線控制器檢查BS信號若BS=0計數器開始計數當計數值等于發(fā)出BR請求的設備號時，設備得到總線使用權置BS=1?

設備的優(yōu)先級別能否改變，若能，則如何改變?改變計數器的計數初始值.?優(yōu)點:a.不存在單點故障b.優(yōu)先級改變靈活(

如何體現？)?缺點:a.設備擴充較困難(增加計數線數量)，復雜性提高。b.響應速度較慢排隊器排隊器4.獨立請求方式總線控制部件數據線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意BR-總線請求3.5?工作過程分析:所有設備通過各自獨立的BR線向控制器發(fā)總線使用請求總線控制器經過裁決通過獨立的BG線響應請求?

設備的優(yōu)先級如何確定?由控制器中的裁決器按照一定的策略確定(可編程)?優(yōu)點:a.不存在單點故障b.優(yōu)先級改變靈活c.響應速度快?缺點:a.線數與設備的數量有關，設備擴充較困難。b.控制器的設計復雜二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請，總線仲裁決定主模塊向從模塊給出地址和命令主模塊和從模塊交換數據主模塊撤銷有關信息申請分配階段尋址階段傳數階段結束階段解決通信雙方協調配合問題3.5由統(tǒng)一時標控制數據傳送充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線通信的四種方式采用應答方式，沒有公共時鐘標準同步、異步結合3.5同步通信實現方式方式1:總線控制器中設置統(tǒng)一的時鐘系統(tǒng)，并發(fā)給所有部件。

方式2:各部件自配時鐘發(fā)生器，但須與中央時鐘同步。(1)同步式數據輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址

讀命令數據3.5(2)同步式數據輸出T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址

寫命令數據3.5例1

設一個32位的處理器有16位外部數據總線,時鐘頻率為50MHZ,若總線傳輸的最短周期為4個時鐘周期,問處理器的最大數據傳輸率是多少?若想提高一倍數據傳輸率,可采用什么措施?解:數據傳輸率即單位時間內(1秒)傳輸的數據量數據傳輸率=2B*50MHz/4=25MBps要把總線的數據傳輸率提高一倍,可采取的方法有三種:1)數據總線的寬度提高到32位,此時:

數據傳輸率=4B*50MHz/4=50MBps2)將總線的時鐘頻率提高到100MHZ,此時:

數據傳輸率=2B*100MHz/4=50MBps3)將傳輸的最短時間縮短為2個時鐘周期,此時:

數據傳輸率=2B*50MHz/2=50MBps同步通信的優(yōu)缺點?優(yōu)點:1.時序關系簡單，實現簡單，模塊間的配合簡單一致。2.規(guī)定明確、統(tǒng)一。?缺點：1.主、從模塊時間配合屬于強制性“同步”2.設備速度不一致時按最壞情況確定，傳輸線不能太長(時鐘相移)，嚴重影響總線工作效率。3.設計有局限性，不靈活不互鎖半互鎖全互鎖(3)異步通信3.5主設備從設備請求回答單機多機網絡通信

起止式異步串行通信協議—面向字符串行、不互鎖方式0/1