計(jì)算機(jī)組成技術(shù)第5章學(xué)習(xí)專業(yè)課件

第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.3總線的控制

5.4總線的性能指標(biāo)5.5總線的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)：(P170)3,4,6,7,8,12,13.第5章總線技術(shù)5.1總線概述

總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間（甚至各個(gè)系統(tǒng)之間）傳遞信息的一組共享的電導(dǎo)線。每一根導(dǎo)線負(fù)責(zé)傳輸一個(gè)電脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就代表一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。若干根導(dǎo)線就可以同時(shí)傳輸若干位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

總線一般由傳輸線、接口和總線控制器組成。傳輸線包括信息線、電源線、地線等。由于總線與其上所掛的部件是物理相連的，但是從邏輯上有輸入、輸出、斷開三種狀態(tài)，所以總線上的部件需要通過由一些三態(tài)門和緩沖寄存器組成的接口與總線連接。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能

按照所傳輸信息的性質(zhì)分，總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。按照連接的部件分，總線分為系統(tǒng)總線（也叫處理器總線）和輸入/輸出總線（即I/O總線）。按照在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置分總線分為片內(nèi)總線、底板總線、板間總線和通信總線。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能對(duì)于通信總線，根據(jù)所傳數(shù)據(jù)的位數(shù)又可以將其分為串行總線和并行總線。2.物理特性：又稱機(jī)械特性，指總線的物理連接標(biāo)準(zhǔn)，包括插頭和插座的幾何形狀與尺寸、引腳的數(shù)量與排列方式、固定方式等。串行并行第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性按照允許信息傳輸?shù)姆较蚍?，總線分為單向總線和雙向總線。雙向總線又分為全雙工和半雙工。全雙工是指同一時(shí)刻允許信息分別沿兩個(gè)方向傳輸，半雙工是指同一時(shí)刻只允許信息沿一個(gè)方向傳輸而另一個(gè)方向的信息傳輸要等到下一時(shí)刻。2.物理特性3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號(hào)的傳遞方向和有效電平范圍。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性通常規(guī)定送入微處理器的信號(hào)為輸入信號(hào)（IN），從微處理器發(fā)出的信號(hào)為輸出信號(hào)（OUT）。例如，地址總線為輸出信號(hào)線，數(shù)據(jù)總線為雙向信號(hào)線，控制總線中既有輸出信號(hào)線，又有輸入信號(hào)線，但都是單向的。2.物理特性3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號(hào)的傳遞方向和有效電平范圍。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性將總線中高電平定義為“邏輯1”，稱為正邏輯；將低電平定義為“邏輯1”，稱為負(fù)邏輯。大多數(shù)總線信號(hào)采用正邏輯，但是也有個(gè)別總線信號(hào)采用負(fù)邏輯。2.物理特性3.電氣特性：定義每根傳輸線上信號(hào)的傳遞方向和有效電平范圍。第5章總線技術(shù)5.1總線概述總線具有以下4方面特性1.功能特性規(guī)定了每一根傳輸線上的信號(hào)在什么時(shí)間內(nèi)才是有效的，即總線上各種信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。時(shí)間特性可以用信號(hào)時(shí)序圖來表示。2.物理特性3.電氣特性4.時(shí)間特性第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要關(guān)注的是采用何種總線結(jié)構(gòu)，選擇總線結(jié)構(gòu)需要綜合考慮通信帶寬、成本及可靠性等因素。典型的總線結(jié)構(gòu)有單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)。

CPUM.MI/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2I/O接口…

外部設(shè)備nI/O接口…單總線（系統(tǒng)總線）主存總線I/O總線I/O接口設(shè)備n

……I/O接口設(shè)備0

CPU主存通道雙總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線系統(tǒng)總線CPU

主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口I/O接口I/O接口……層次結(jié)構(gòu)的三總線三總線結(jié)構(gòu)的另一形式局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線Modem串行接口SCSI主存四總線結(jié)構(gòu)主存擴(kuò)展總線接口局域網(wǎng)SCSI多媒體CPU調(diào)制解調(diào)器串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴(kuò)展總線圖形Cache/橋第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.3總線的控制

5.3.1總線仲裁電子計(jì)算機(jī)的總線具有兩個(gè)特性：發(fā)送的互斥性和接受的共享性。為了協(xié)調(diào)總線上各個(gè)部件對(duì)總線的爭用、避免發(fā)生總線沖突，必須有一個(gè)總線控制器來對(duì)總線的使用進(jìn)行分配和管理。擁有總線控制權(quán)的總線部件，稱為總線的主部件。被主部件訪問的部件稱為從部件。第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

當(dāng)總線上有多個(gè)候選的主部件同時(shí)申請(qǐng)使用總線時(shí)，必須有一個(gè)總線控制機(jī)構(gòu)按照某種策略（優(yōu)先次序）對(duì)申請(qǐng)進(jìn)行裁決，這就叫做總線仲裁。如果總線仲裁邏輯基本上集中在一處，就稱為集中式總線仲裁。如果總線仲裁邏輯分散在總線上的各個(gè)部件中，則稱為分布式總線仲裁。

第5章總線技術(shù)5.3.1總線仲裁

1.

集中式控制串行鏈接/鏈?zhǔn)讲樵兌〞r(shí)查詢/計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請(qǐng)求串行鏈接方式總線控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線地址線BS

-總線忙BR-總線請(qǐng)求BG-總線可用I/O接口1

0BS

-總線忙BR-總線請(qǐng)求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址定時(shí)查詢方式I/O接口1計(jì)數(shù)器設(shè)備地址

1排隊(duì)器排隊(duì)獨(dú)立請(qǐng)求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線可用BR-總線請(qǐng)求第5章總線技術(shù)5.3總線的控制5.3.1總線仲裁5.3.2總線通信控制

總線通信中，發(fā)出數(shù)據(jù)的部件稱為源部件，接收數(shù)據(jù)的部件稱為目的部件。為了完成一次有效的通信，源部件與目的部件之間需要進(jìn)行一系列有時(shí)序限制的操作。為此，通信雙方需要“感知”對(duì)方的操作及操作效果，這個(gè)“感知”由總線通信控制來實(shí)現(xiàn)的。第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制總線通信控制的方法只要分兩大類：無須感知和需要感知。無須感知表示通信雙方是相互信任的、是心有靈犀的，每一個(gè)通信步驟都會(huì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正確完成。如果通信雙方不能完全相互信任，那么就需要感知了?；凇盁o須感知”觀點(diǎn)進(jìn)行總線通信控制的通信稱為同步通信，基于“需要感知”觀點(diǎn)進(jìn)行總線通信控制的通信稱為異步通信。第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制同步通信是指參與通信的兩個(gè)部件之間的信息傳送是由定寬、定距的時(shí)標(biāo)來控制的。每隔一個(gè)時(shí)標(biāo)，源部件就向總線發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，而不去對(duì)目的部件是否收到數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)；同樣地，目的部件每隔一個(gè)時(shí)標(biāo)就對(duì)總線進(jìn)行采樣來獲取數(shù)據(jù)，而不去確認(rèn)數(shù)據(jù)是否已發(fā)出，也不向源部件確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)是正確的。同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4

時(shí)鐘

地址

讀命令數(shù)據(jù)第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制異步通信是指參與通信的兩個(gè)部件需要“感知”對(duì)方的操作，這個(gè)“感知”是通過“握手”信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。異步通信主要應(yīng)用于工作速率不同的部件之間相互通信或者通信線路受到干擾的場(chǎng)合。異步通信的“握手”協(xié)議分為單邊控制和雙邊控制單邊控制是指通信過程是由源部件或目的部件控制雙邊控制是指通信過程由源部件和目的部件共同控制第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制異步單邊控制第5章總線技術(shù)5.3.2總線通信控制異步雙邊控制3.半同步通信（同步、異步

結(jié)合）

增加一條“就緒(READY)”響應(yīng)信號(hào)

宏觀上按同步通信組織通信過程，局部上用異步應(yīng)答方式實(shí)現(xiàn)通信雙方速度的配合。每個(gè)操作只能在固定時(shí)鐘確定的一定時(shí)刻發(fā)生（這是同步通信的特征），控制信號(hào)的時(shí)間間隔卻是可變長的（這是異步通信的特征）。當(dāng)然時(shí)間間隔的長度必須是時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，這樣就兼顧了同步通信和異步通信的優(yōu)點(diǎn)

半同步通信時(shí)序T1主模塊發(fā)地址T2主模塊發(fā)命令…T3主模塊檢測(cè)“READY”信號(hào)T4從模塊撤銷數(shù)據(jù)，主模塊撤銷命令Tw

若“READY”為低電平，插入一個(gè)等待周期TWTw

若“READY”為低電平，插入一個(gè)等待周期TW第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.3總線的控制

5.4總線的性能指標(biāo)總線的位寬總線的工作時(shí)鐘頻率總線的負(fù)載能力總線的數(shù)據(jù)傳輸速率

總線一次同時(shí)傳送的信息位數(shù)或所需的線數(shù)。例如，ISA總線的數(shù)據(jù)總線位寬是16位，地址總線的位寬是24位?？刂瓶偩€中的時(shí)鐘信號(hào)線所提供的時(shí)鐘頻率。如ISA和EISA總線為8MHz，PCI總線為33.3MHz。

第5章總線技術(shù)5.4總線的性能指標(biāo)總線的位寬總線的工作時(shí)鐘頻率

總線的負(fù)載能力總線的數(shù)據(jù)傳輸速率

總線上所能連接部件的最大個(gè)數(shù)。例如，ISA總線的負(fù)載能力是8，PCI總線的的負(fù)載能力是3?？偩€在一秒鐘內(nèi)所能穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，單位為KB/s或MB/s。

總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率稱為總線帶寬?？偩€帶寬＝總線位寬×總線工作頻率/8

例如，ISA總線的帶寬為16.66MB/s。例題：設(shè)某系統(tǒng)總線在一個(gè)總線周期內(nèi)并行傳送4字節(jié)信息，總線時(shí)鐘頻率為10MHz，求總線帶寬?答：總線帶寬=4B×10MHz=40MB/s。第5章總線技術(shù)5.1總線概述5.2總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.3總線的控制

5.4總線的性能指標(biāo)5.5總線的標(biāo)準(zhǔn)5.5.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)5.5.2微型計(jì)算機(jī)局部總線標(biāo)準(zhǔn)5.5.3I/O總線標(biāo)準(zhǔn)舉例請(qǐng)同學(xué)們自行閱讀學(xué)習(xí)。2010年碩士研究生入學(xué)考試計(jì)算機(jī)專業(yè)試題下列選項(xiàng)中的英文縮寫均為總線標(biāo)準(zhǔn)的是

。A.PCI、CRT、USB、EISA

B.ISA、CPI、VESA、EISAC.ISA、SCSI、RAM、MIPS

D.ISA、EISA、PCI、PCI-Express答：A中的