计算机组成原理No33章剖析

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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 33.1 总线的基本概念 n一、总线的概念 n 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。 n 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） n二、总线的连接方式 n 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。 n适配器通常简称为接口。 43.1 总线的基本概念 n1. 双总线结构（以CPU为中心） 中央处理

2、器 CPU I/O总线 M 总 线 主存储器 M.M I/O接口 外部 设备1 I/O接口 外部 设备n 5 3.1 总线的基本概念 n2. 单总线结构 n 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。 n 单总线（系统总线） CPU M.M 外部 设备1 I/O接口 外部 设备n I/O接口 63.1 总线的基本概念 n3. 双总线结构（以存储器为中心） n 系统总线 M.M CPU I/O接口 外部 设备1 外部 设备n I/O接口 存储总线 7 3.2 总线的分类 n单处理器系统的总线，大致分为三类： n1.内部总线：CPU内部连接各寄存

3、器及运算部件之间的总 线 n2.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。 n分为串行通信和并行通信 n（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 n系统总线分类： n 数据总线：用来传输计算机各功能部件之间的数据信息 。 n DB，双向，与机器字长、存储字长有关 n 地址总线：用来传输数据总线上数据的地址。 n AB，单向，与存储地址、 I/O地址有关 n 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

4、态反馈信号等。 n 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 Pin #1 Pin#8 113.3 总线特性及性能指标 n五类双绞线： n标准568A：橙白-1，橙-2，绿白-3，蓝-4，蓝

5、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。 n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。 n RJ-45对双绞线的规定如下 ： n 1、2用于发送，3、6用于接收，4、5，7、8是双向线。 n 1、2线必须是双绞，3、6双绞，4、5双绞，7、8双绞。 123.3 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

6、. 总线控制方式 7. 其他指标 n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)。 n总线带宽总线传输速率吞吐率 n单位时间传输的数据量 n每秒兆字节（MB/S）或每秒位（ bps） n总线带宽传输的数据量需要的时间 n数据传输速率比特率（Bit Rate） n每秒传输的二进制位数bps n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 n进行二进制数码传输，每位时间长度相 等：比特率波特率（Baud Rate 13 3.3 总线特性及性能指标 n三、总线数据传送模式 n读数据传送：数据由从设备到主设备 n写数据传送：数据由

7、主设备到从设备 n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 n写后读（Read-After-Write） 先写后读同一个地址单元，适用于校验 n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 n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

8、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 nISA : 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存储空间寻址） 。XT总线后来又称ISA 8总线。 nISA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

9、 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 nISA总线 n16位系统总线，用于IBM PC/AT及其兼容机 n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

10、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 nISA总线的主要特性 n 数据传输速率最高为8Mbps。 n 24根地址线，可寻址16MB存储空间（000000H0FFFFFFH）。 n 64KB个可寻址的I/O端口（16根地址线，可寻址0000H0FFFFH 端口）。 n 一次可进行16位或8位数据存取。 n 15级硬中断控制（对应两片8259A级联）。 n 7个DMA通道（对应两片8237A-5级联）。 n 可产生I/O等待状态。 n 支持多个主控器（multi-master）。XT总线通常只有CPU是唯一 的主控模块，其余的都是受控模块。ISA总线中增加了一条ma

11、ster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 nPCI插槽 21 nAGP插槽 22 23 3.3 总线特性及性能指标 nRS-232C总线标准： n1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。 2电气特性 电气连接有三种不同的连接

12、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 nRS-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，平衡线路，每一条电路均用

13、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 n 26 3.3 总线特性及性能指标 n 27 3.3 总线特性及性能指标 n 28 3.3 总线特性及性能指标 n 29 3.3 总线特性及性能指标 n 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 nSCSI总线(Small Computer System Interface) SCSI小型计算

14、机系统接口 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 nSCSI-2扩充了SCSI的命令集，采用68芯电缆，提高了数据 传输率 nSCSI-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 nIEEE 1394总线 n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 n具有数据传送的高速性 数据传输率：100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s n具有数据传送

15、的实时性 保证多媒体数据（图像和声音）传送的连续 n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 n一、单总线结构 n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。 n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。 单总线（系统总线） CPU M.M 外部 设备1 I/O接口 外部 设备n I/O接口 33 3.4 总线结构 二、多总线结构 n1、双总线结构 具有特殊功能的处理器 由通道对I/O统一管理 通道 I/O接口 设备n I/O接口 设备0 CPU主存 存储总线 I/O总线 34 3.4 总线结构 n2、 三总线结构 存储总线 DMA总线 I/O总线 CPU 主存 设备1设备n高速外设 I/O接口I/O接口I/O接口