第3章-系統總線

計算機組成原理唐朔飛第２版高等教育出版社高等教育電子音像出版社1第１章計算機系統概論第３章系統總線第４章存儲器第５章輸入輸出系統第６章計算機的運算方法第７章指令系統第８章CPU的結構和功能第９章控制單元的功能第10章控制單元的設計第２章計算機的發(fā)展及應用2第３章系統總線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33.1總線的基本概念一、為什么要用總線？二、什么是總線？三、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分散連接不靈活，無法隨時增添或減撤I/O設備程序存儲器輸出設備輸入設備運算器控制器數據結果計算4四、總線結構的計算機舉例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

I/O接口

I/O設備1

I/O設備2……I/O接口I/O接口

I/O設備nI/O設備與主存交換信息時需要占用CPU5單總線（系統總線）2.單總線結構框圖①CPU

主存I/O接口

I/O設備1

I/O設備2I/O接口…

I/O設備nI/O接口…3.1I/O設備與主存交換信息時原則上不影響CPU工作；單總線可能成為瓶頸63.以存儲器為中心的雙總線結構框圖系統總線

主存CPUI/O接口

I/O設備1…

I/O設備nI/O接口…存儲總線3.1I/O設備與主存交換信息不需占用CPU，存儲總線緩解系統總線壓力。例如單車道和雙車道。73.2總線的分類1.片內總線2.系統總線芯片或CPU內部的總線數據總線地址總線控制總線雙向

位數與機器字長、存儲字長有關單向位數與存儲地址、I/O地址有關有出有入計算機各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、總線請求寄存器與寄存器之間，寄存器與ALU之間83.通信總線串行通信總線，適合遠距離傳輸并行通信總線，適合近距離傳輸傳輸方式3.2用于計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如控制儀表、移動通信等）之間的通信93.2總線的分類3.3總線特性及性能指標CPU插板主存插板I/O插板一、總線物理實現示意圖BUS主板101.機械特性2.電氣特性3.功能特性4.時間特性二、總線特性尺寸、形狀、管腳數

及

排列順序傳輸方向和有效的電平范圍每根傳輸線的功能一根線在什么時間內有效，信號的時序關系3.3地址數據控制11三、總線的性能指標1.總線寬度2.總線帶寬數據線的根數，8位(根)，16位(根)，32位(根)，64位(根)等總線的數據傳輸速率，每秒傳輸的最大字節(jié)數（MBps）例：總線的工作頻率為33MHz，總線寬度為32位，總線帶寬為多少？33×(32÷8)=132MBps3.312思考題與習題習題3.14，P67138×(16÷8)=16MBps三、總線的性能指標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.其他指標總線上的數據與時鐘同步/不同步地址線與數據線

分時復用一組物理總線地址線、數據線和控制線的總和負載能力，電源電壓，總線寬度是否可擴展等并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數3.314ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊系統總線標準四、總線標準系統模塊3.3標準界面

I/O接口模塊品種復雜，一種接口要配一種總線，需要標準化15總線標準數據線總線時鐘帶寬ISA168MHz（獨立）16MBpsEISA328MHz（獨立）33MBpsVESA(VL-BUS)3233MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（獨立）66MHz（獨立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（獨立）133MHz（獨立）266MBps533MBpsRS-232串行通信總線標準數據終端設備（計算機）和數據通信設備（調制解調器）之間的標準接口USB串行接口總線標準普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)3.3四、總線標準163.4總線結構一、單總線結構單總線（系統總線）CPU

主存I/O接口

I/O設備1

I/O設備2I/O接口…

I/O設備nI/O接口…所有I/O設備通過同一個總線與CPU通信，容易產生競爭和影響CPU效率，成為系統瓶頸。171.雙總線結構具有特殊功能的處理器，由通道對I/O統一管理，提高了CPU的工作效率通道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3.4182.三總線結構主存總線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……3.4193.三總線結構的又一形式3.4局域網系統總線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204.四總線結構多媒體Modem主存擴展總線接口局域網SCSICPU串行接口FAX系統總線局部總線高速總線擴展總線圖形Cache/橋3.4211.傳統微型機總線結構三、總線結構舉例3.4存儲器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位數據通路標準總線控制器33MHz的32位數據通路系統總線多媒體高速局域網高性能圖形CPU……Modem高速設備和低速設備都通過ISA與系統總線相連，成為瓶頸。相當于快車與慢車在同一車道行駛，快車受限。222.VL-BUS局部總線結構3.433MHz的32位數據通路系統總線ISA、EISA多媒體高速局域網高性能圖形圖文傳真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……Modem高速設備掛在高速總線，低速設備都通過ISA與高速總線相連。缺點：VL-BUS總線與CPU關系太緊密。233.PCI總線結構3.4CPU多媒體PCI橋高速局域網高性能圖形圖文傳真PCI總線系統總線33MHz的32位數據通路8MHz的16位數據通路ISA、EISA標準總線控制器SCSIⅡ

控制器存儲器ModemPCI總線通過PCI橋與CPU相連，具有靈活性，即插即用。PCI總線連接高速設備，低速設備通過ISA、EISA連接至PCI總線。244.多層PCI總線結構-驅動能力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CPU3.4253.5總線控制什么時候由哪個部件發(fā)送信息?如何給信息傳送定時?如何防止信息丟失?如何避免多個部件同時發(fā)送?需要總線控制器同一管理包括判優(yōu)控制和通信控制263.5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當多個主設備同時要使用總線時，需要判優(yōu)或仲裁272.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128

鏈式查詢方式的特點1、離總線控制器最近的設備具有最高優(yōu)先級2、實現簡單，需要2根線確定總線使用權3、容易擴充設備4、對電路故障很敏感5、優(yōu)先級別低的設備可能很難獲得請求290BS

－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130計數器定時查詢方式的特點1、計數器從0開始時，優(yōu)先級為0,1,2，…，n2、計數器從上一次計數的終止點開始，優(yōu)先級均等3、計數器初始值也可由程序設置，優(yōu)先次序可變4、對電路故障不敏感5、控制較為復雜，需要log2n根線確定總線使用權31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3.532獨立請求方式的特點1、響應速度快2、優(yōu)先次序控制靈活（通過程序改變）3、控制復雜，需用2n根線33二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期（分時）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消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3.534由統一時標控制數據傳送充分挖掘系統總線每個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3.535

讀命令(1)同步通信---數據輸入（讀）T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址數據3.536數據(1)同步通信---數據輸出（寫）T1總線傳輸周期T2T3T4

時鐘

地址

寫命令3.537同步通信的特點1、模塊間的配合簡單一致2、主、從模塊時間配合屬于強制性“同步”，必須在規(guī)定時間內完成規(guī)定的要求3、須按最慢速度的部件設計公共時鐘，缺乏靈活性3839例3.1,教材第61頁思考題與習題習題3.15，P67401個時鐘周期為1/66M(s)總線傳輸周期4/66M(s)總線寬度(一個總線周期可傳輸的字節(jié)數)４B數據傳輸率4/(4/66M)=66MBps不互鎖半互鎖全互鎖(2)異步通信（串行和并行）主設備從設備請求回答單機多機網絡通信4142異步串行通信的一種字符格式43波特率：單位時間內傳送二進制數據的位數，單位bps(位/秒)。例3.2，P62。44例3.3，P6345比特率：單位時間內傳送二進制有效數據的位數，單位bps(位/秒)。例3.4，P64思考題與習題習題3.16，P6746波特率：120x12bps比特率：120x8bps(3)半同步通信同步發(fā)送方用系統時鐘前沿發(fā)信號

接收方用系統時鐘后沿判斷、識別3.5（同步、異步結合）異步允許不同速度的模塊和諧工作

增加一條“等待”響