计算机组成原理no3 3章

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1、,三、系统总线,内容,3.1 总线的基本概念 3.2 总线分类 3.3 总线特性及性能指标 3.4 总线结构 3.5 总线控制,2,3,3.1 总线的基本概念,一、总线的概念 总线是连接各个部件的信息传输线，是 各个部件共享的传输介质。 总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路（白中英） 二、总线的连接方式 通过适配器将外围设备同计算机连接起来，实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。 适配器通常简称为接口。,4,3.1 总线的基本概念,1. 双总线结构（以CPU为中心）,5,3.1 总线的基本概念,2.

2、 单总线结构 在单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。,6,3.1 总线的基本概念,3. 双总线结构（以存储器为中心）,7,3.2 总线的分类,单处理器系统的总线，大致分为三类： 1.内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线 2.系统总线： CPU、主存和I/O设备（通过接口）各大部件之间的互相连接的总线 3. 通信总线： 用于 计算机系统之间 或 计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信。 分为串行通信和并行通信 （I/O总线：中低速I/O设备间互相连接的总线）,8,7.2 总线的分类,系统总线分类： 数据总线：

3、用来传输计算机各功能部件之间的数据信息。 DB，双向，与机器字长、存储字长有关 地址总线：用来传输数据总线上数据的地址。 AB，单向，与存储地址、 I/O地址有关 控制总线：用来传送CPU对各个设备部件的控制信号及各个设备部件状态反馈信号等。 CB，单向/双向,9,3.3 总线特性及性能指标,一、总线特性 1、机械特性：物理连接方式，包括总线的根数、排列方式，总线的插头、插座的形状等 2、电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。送入CPU的信号叫输入信号(IN)，从CPU发出的信号叫输出信号(OUT) 3、功能特性：描述总线中每一根线的功能 4、时间特性：定义了每根线在什么时间有

4、效，即总线上各信号有效的时序关系,10,3.3 总线特性及性能指标,举例：RJ-45头,11,3.3 总线特性及性能指标,五类双绞线： 标准568A：橙白-1，橙-2，绿白-3，蓝-4，蓝白-5，绿-6，棕白-7，棕-8； 标准568B：绿白-1，绿-2，橙白-3，蓝-4，蓝白-5，橙-6，棕白-7，棕-8。 双绞线的顺序与RJ45头的引脚序号-对应。10M以太网的网线使用1，2，3，6编号的芯线传递数据，100M以太网的网线使用4，5，7，8编号的芯线传递数据。 RJ-45对双绞线的规定如下 ： 1、2用于发送，3、6用于接收，4、5，7、8是双向线。 1、2线必须是双绞，3、6双绞，4、5

5、双绞，7、8双绞。,12,3.3 总线特性及性能指标,二、总线的性能指标 1. 总线宽度 2. 传输率（带宽） 3. 时钟同步/异步 4. 总线复用 5. 信号线数 6. 总线控制方式 7. 其他指标,总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率，是衡量总线性能的重要指标，单位兆字节每秒(MB/s)。 总线带宽总线传输速率吞吐率 单位时间传输的数据量 每秒兆字节（MB/S）或每秒位（bps） 总线带宽传输的数据量需要的时间,数据传输速率比特率（Bit Rate） 每秒传输的二进制位数bps 字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为数据传输速率的倒数 进行二进制数码传输，每位时间长度相等：比特率波

6、特率（Baud Rate,13,3.3 总线特性及性能指标,三、总线数据传送模式 读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送） 给出起始地址，将固定块长的数据一个接一个地从相邻地址读出或写入 写后读（Read-After-Write） 先写后读同一个地址单元，适用于校验 读修改写（Read-Modify-Write） 先读后写同一个地址单元，适用于共享数据保护 广播（Broadcast） 一个主设备对多个从设备的写入操作,14,3.3 总线特性及性能指标,四、总线标准 总线标准：系统与各个模块、模块与模块之间的连接标准。,ISA : 工业标准体系结

7、构 EISA: 扩展的工业标准体系结构 VESA（VL-BUS）: 局部总线标准 PCI： 外设部件互连标准 AGP：图形加速端口 RS-232C：串行接口标准 SCSI：小型计算机系统接口 USB：通用串行总线 IEEE 1394总线：高速串行总线标准接口,15,3.3 总线特性及性能指标,ISA : ISA（Industrial Standard Architecture）总线指IBM公司为适配PC/AT而于1984年推出的16位系统总线标准，它是当初PC/XT使用的XT总线的扩展，XT总线共62线，其插卡/插座分A、B两面，每面31线，其中数据线宽8位，地址线宽20位（可对1MB存储空间

8、寻址）。XT总线后来又称ISA 8总线。 ISA总线在原XT总线62引线的基础上再延长出独立的一段，新增加36线（A、B两面各18线），数据线扩至16位，地址线扩至24位。ISA总线适配8/16位数据总线传输要求，与XT总线兼容。ISA总线插槽长138.5mm，相邻引脚距离2.54mm，基本部分与扩展部分相距10.16mm。,16,3.3 总线特性及性能指标,ISA总线 16位系统总线，用于IBM PC/AT及其兼容机 由前62引脚（A和B面）和后36引脚（C和D接面）两个插槽组成： IBM PC机和IBM PC/XT机的IBM PC总线 前62个信号，其中8位数据总线、20位地址总线 时钟频

9、率4.77MHz，最快4个时钟周期传送8位数据 IBM AT机增加部分 后36个信号，16位数据引脚和24位地址引脚 8MHz总线频率，2个时钟周期传送16位数据,ISA总线的主要特性 数据传输速率最高为8Mbps。 24根地址线，可寻址16MB存储空间（000000H0FFFFFFH）。 64KB个可寻址的I/O端口（16根地址线，可寻址0000H0FFFFH端口）。 一次可进行16位或8位数据存取。 15级硬中断控制（对应两片8259A级联）。 7个DMA通道（对应两片8237A-5级联）。 可产生I/O等待状态。 支持多个主控器（multi-master）。XT总线通常只有CPU是唯一的

10、主控模块，其余的都是受控模块。ISA总线中增加了一条master信号引脚，可使CPU释放总线（CPU处于高阻状态）而由其他主控器（诸如DMA控制器、DRAM刷新控制器、带处理器的智能接口控制卡等）占用总线。但ISA只支持CPU以外的一个主控器接口卡工作。,17,18,19,20,PCI插槽,21,AGP插槽,22,23,3.3 总线特性及性能指标,RS-232C总线标准： 1机械特性 机械特性对接插件的几何尺寸、引线排列等作了详细规定。 DTE和DCE是通过接插件连接的。例如EIA RS-232C标准为25芯插头座。规定DCE用母插座DTE用公插座，它还可以与公用数据网接口、电报网接口相连。

11、2电气特性 电气连接有三种不同的连接方式，分别有三种不同的标准。 （1）RS-232C，每一条电路采用单端工作方式，所有接口电路都共用一条信号接地线。因此，通过地线的串音干扰大。为了提高该标准的抗干扰能力，规定了较高的信号电平。,24,3.3 总线特性及性能指标,RS-232C标准规定驱动器的输出电压为5V15V，采用负逻辑定义。RS-232C的逻辑0电平是+3V+15V，逻辑1电平是-3V-15V。 （2）RS-423A，非平衡线路，每一路为单端输出（发送）；接收为差分平衡输入。发送通路有两根线，接收通路也有两根线，每一个方向共用一条信号回线。从而使串音干扰减小。 （3）RS-422A，平衡

12、线路，每一条电路均用两条导线，成各自的信号回线。电路的发送与接收分别为差分输出和差分输入（均平衡），因而有较强的抗串音干扰能力。 3功能特性 RS-232C标准规定采用25芯的D型插头座，这25个引脚安排都是标准的，也就是说每个引脚都规定了其特殊用途。,25,3.3 总线特性及性能指标,26,3.3 总线特性及性能指标,27,3.3 总线特性及性能指标,28,3.3 总线特性及性能指标,29,3.3 总线特性及性能指标,9针连接器和25针连接器间的对应关系,30,3.3 总线特性及性能指标,SCSI总线(Small Computer System Interface) SCSI小型计算机系统接

13、口 高速、智能、并行总线接口 使用50芯电缆，由8条数据线、一条奇偶校验线、9条控制线等组成 以菊花链形式最多可连接8台设备 采用分布式总线仲裁策略，每个SCSI设备有唯一设备号ID07 SCSI-2扩充了SCSI的命令集，采用68芯电缆，提高了数据传输率 SCSI-3标准允许总线上连接的设备由8个提高到16个，可支持16位数据传输,31,3.3 总线特性及性能指标,IEEE 1394总线 高速串行总线标准接口，适合视频等家电消费类设备的连接，俗称火线Fire Wire 具有数据传送的高速性 数据传输率：100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s 具有数据传送的实时性 保证多媒体数据（图像

14、和声音）传送的连续 体积小易安装，连接方便 使用6芯电缆 支持热插入（带电插拔）,32,3.4 总线结构,一、单总线结构 在单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。 要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。,33,3.4 总线结构,二、多总线结构 1、双总线结构,34,3.4 总线结构,2、 三总线结构,35,3.4 总线结构,2、总线的内部结构 早期简单总线的内部结构,36,3.4 总线结构,简单总线结构的不足： 第一：CPU是总线上惟一的主控者。 第二

15、：总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。 当代总线追求与结构、CPU、技术无关的开发标准。,37,3.4 总线结构,当代总线构成： 总线控制器：完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。 数据传送总线：地址线、数据线、控制线。 仲裁总线：总线请求线、总线授权线。 中断和同步总线：中断请求线和中断认可线。 公用线：时钟信号线、电源线、地线、系统复位线等。,38,3.4 总线结构,当代流行的总线内部结构,39,3.5 总线控制,主设备(Master)：控制总线完成数据传输 从设备(Slave)：被动实现数据交换 总线控制又称总线仲裁。包括判优控制和通信控制。 一、总线判

16、优控制 判优控制：决定当前控制总线的主设备 集中式：中央判优器负责 分布式：由各个主设备仲裁号决定,40,3.5 总线控制,某一时刻，只能有一个主设备控制总线，其它设备此时可以作为从设备。 某一时刻，只能有一个设备向总线发送数据，但可以有多个设备从总线接收数据。 集中式判优（仲裁）：链式查询、计数器定时查询、独立请求三种方式。,41,3.5 总线控制,1、链式查询方式,I/O接口1,42,3.5 总线控制,特点: 离总线控制部件最近的设备优先权最高 控制线路简洁 设备扩充容易 对电路故障敏感度高 优先权低的设备获取总线控制权难度大,43,3.5 总线控制,2. 计数器定时查询方式,I/O接口1,设备地址,44,3.5 总线控制,特点: 计数可以从0开始，按设备优先级0,1.n顺序固定降序排列 计数可以从上次计数终点开始开始,即可以采用循环方式，各个设备的优先级相同 计数器处值可设置，即优先级次序可以