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1、李建廷 西安财经学院 计算机科学系计算机组成原理Constitution Principle of Computer 1http:/6.1 总线概述6.2 总线接口6.3 总线控制6.4 总线通信Ch.6 总线系统本章内容2http:/1、总线定义计算机各部件进行信息交流的公共信息通道，连接数字系统的信号线集。（实际上是处理器芯片引脚的延伸，处理器与I/O接口的通道 ）。2、总线特性v 物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、 插座的形状，引脚线的排列方式等。v 功能特性：描述总线中每一根线的功能。v 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
2、叫输入信号(IN)，从CPU发出的信号叫输出信号(OUT)。v 时间特性：定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各信号有效 的时序关系，CPU才能正确无误地使用。 6.1 总线概述3http:/3、总线上的信息传输l 串行传输l 并行传输4、总线标准化相同指令系统、相同功能，各厂家生产的各功能部件在实现上可 以不同，但却可以互换使用，这就是总线标准化问题。常见总线标准：ISA、EISA、VESA(LV-BUS)、PCI、AGP、RS-232、USB等。5、总线带宽即总线最高传输速率，单位Mbit/s，是衡量总线性能的重要指标。 6.1 总线概述4http:/6、总线分类（1）常用单处理器系统
3、总线：l 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线， 即芯片内部的总线。 l 系统总线：CPU和计算机各功能部件之间相互连接的总线。 数据总线：双向 地址总线：单向 控制总线：双向l I/O总线：CPU和I/O设备相互连接的总线 串行通信总线 并行通信总线6.1 总线概述5http:/（2）总线按信息传送方向分：l 单向传输总线l 双向传输总线（又可分为半双向、全双向两种）（3）其他分法：l 总线按用法分：专用总线、非专用总线（共享总线）l 按层次分：芯片级、板级、系统级l 按数据线宽度分：16位、32位、64位等7、总线连接方式：l 单总线结构：使用一条单一的系统总线来连接CP
4、U、内存和 I/O设备。l 双总线结构：除系统总线外，增加CPU与主存间的内存总线。l 三总线结构：再增加I/O总线。6.1 总线概述6http:/l 单总线结构6.1 总线概述单总线（系统总线）CPU 主存I/O接口I/O设备1I/O设备2I/O接口I/O设备nI/O接口7http:/l 双总线结构6.1 总线概述系统总线主存 CPUI/O接口I/O设备1I/O设备nI/O接口存储总线8http:/l 三总线结构6.1 总线概述局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存9http:/l 多总线结构6.1 总线概述10http:/l
5、 总线结构举例传统微型机总线结构6.1 总线概述存储器SCSI 控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的16位数据通路标准总线控制器33 MHz的32位数据通路系统总线多媒体高速局域网高性能图形CPUModem11http:/l 总线结构举例VL-BUS局部总线结构6.1 总线概述33 MHz的32位数据通路系统总线ISA、EISA 多媒体高速局域网高性能图形图文传真8 MHz的16位数据通路标准总线控制器CPU主存控制器存储器局部总线控制器SCSI 控制器VL BUSModem12http:/l 总线结构举例PCI 总线结构6.1 总线概述CPU多媒体PCI 桥高速局域网高性能图形图文
6、传真PCI 总线系统总线33 MHz的32位数据通路8 MHz的16位数据通路ISA、EISA标准总线控制器SCSI控制器存储器Modem13http:/一、总线的信息传送方式l 计算机使用二进制数，它们或用电位的高、低来表示，或用脉冲的 有、无来表示“1”“0”。l 计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送和分 时传送。1、串行传输 v 使用一条传输线，采用脉冲传送。 v 优点：只需要一条传输线。 v 缺点：速度慢。 6.2 总线接口14http:/2、并行传输 l 每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送 。3、分时传输 l 总线复用或是共享总线的部件分时使用总线 出于速度
7、和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传 送方式。6.2 总线接口15http:/二、总线接口l I/O接口，也叫适配器，是CPU和主存、外设之间通过系统总线进行 连接的逻辑部件。l 为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确地工作，CPU规定 了不同的信息传送控制方法。 一个标准接口可能连接一个设备，也 可能连接多个设备。l 事实上，一个适配器的两个接口：一个同系统总线相连，采用并行 方式，另外一个同设备相连，可能采用并行方式或是串行方式。6.2 总线接口16http:/l 总线的物理实现BUS主板CPU插座 内存插板I/O插板桥：总线控制芯片，实质上是 一种具有缓冲、转换、控制
8、功 能的逻辑电路。 6.2 总线接口17http:/l 总线的接口标准总线标 准数据线总线时钟带宽ISA168 MHz（独立）33 MBpsEISA328 MHz（独立）33 MBpsVESA (VL-BUS)3232 MHz（CPU）133 MBpsPCI32 6433 MHz（独立） 64 MHz（独立）132 MBps 528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立） 133 MHz（独立）266 MBps 533 MBpsRS-232串行通信 总线标 准数据终端设备 （计算机）和数据通信设备 （调制解 调器）之间的标准接口USB串行接口 总线标 准普通无屏蔽双绞线 带屏蔽双绞线 最高
9、1.5 Mbps (USB1.0) 12 Mbps (USB1.0) 480 Mbps (USB2.0)6.2 总线接口18http:/1、总线控制方式:解决非专用总线争用问题l 当采用非专用总线时，由于可能发生多个设备或部件同时申请使用总 线，就得有总线控制机构来按照某种优先次序裁决，保证在同一时间 内只能有一个高优先级的申请者取得对总线的使用权。l 分布式总线控制：总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中。l 集中式总线控制：总线控制逻辑基本上集中放在一起（放在连接到总 线的一个部件中，或放在单独的硬件中）l 目前，总线控制以集中式总线控制为主l 集中式总线控制的优先次序有三种确定方式：串行
10、链接、定时查询、 独立请求l 采用何种方式取决于控制线的数目、总线分配速度、灵活性、可靠性 等因素的综合权衡。三种方式经常综合使用。 6.3 总线控制19http:/（1）串行链接（链式查询方式）各模块的请求信号经过一条公共的请求线向总线控制器发出，各 模块根据其固定的优先级别获得总线使用的机会。 l 总线控制部件在单总线、双总线系统中常是CPU的一部分，三总线系统 中是通道的一部分。 l 除数据总线、地址总线外，主要有三根控制线：总线忙、总线请求、 总线可用 l 主要特点：总线可用信号串行的从一个I/O接口传送至下一个I/O接口 l 使用总线的优先次序由I/O部件的物理位置决定 l 优点：总
11、线控制线少、逻辑简单、选择算法简单、设备扩充容易 l 缺点：优先级控制灵活性差、对“总线可用”及相关电路故障敏感6.3 总线控制20http:/（2）计数器定时查询方式 l 总线上任一设备要求使用总线时，通过“总线请求”发出请求，总线 控制器收到请求信号后，定时查询各部件以确定请求设备：在计数器 为“0”的情况下开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备，每个 设备接口通过设备地址判别电路，当地址线计数值与请求总线的设备 地址一致时，该设备获得总线使用权，技术器停止计时。 l 每次计数从“0”开始串行链接 l 每次计数从中止点开始循环优先级，每设备优先级相等 l 每次计数从某个初值开始可变优先级
12、 l 优点：计数初值由程序确定，灵活性高，可靠性高 l 缺点：增加控制线的线数，2+log2N根6.3 总线控制21http:/（3）独立请求方式 l 这种方式中，各模块都各自有一对总线请求信号线和总线可用信号线 ，总线忙信号线则是公共的，各模块可以独立地向控制器发出总线请 求。 l 优点：总线分配速度快、确定使用总线部件灵活。 l 缺点：总线控制器复杂、控制线多，N个部件要2N+1根控制线。部件0部件N-1总线控制器总线请求0总线准许0总线请求N-1总线准许N-1总线已被分配6.3 总线控制22http:/控制方式主要特点优点缺点串行链接各模块的请求信号经过一 条公共的请求线向总线控 制器发
13、出.各模块根据其 固定的优先级别获得总线 使用的机会.总线裁决算法简单, 控制线数少,而且与 模块的数量无关,可 扩充性好灵活性差,不能由软件改变优先级.在优 先级高的部件频繁使用总路线时,优先 级低的模块可能很久得不到响应.又由 于总线可用信号串行地通过各模块,延 迟较大,总线分配的速度较低.定时 查询方式由控制器轮流对各模块进 行测试,看其是否有请求. 查询时以计数方式向各模 块发出一个计数值,根据 计数值所对应的模块是否 有请求信号来决定总线使 用权的分配.这种方式的优先级可 以用程序控制,动态 改变,灵活性较强;模 块的故障不会影响总 线的控制; 可靠性高.控制线较多 较差的扩展性.独
14、立 请求方式各模块都有各自的一对总 线请求和总线可用信号线 ,总线忙的信号是公共的. 各模块独立地向控制器发 出总线请求,总线控制器 可根据某种算法对同进送 来的请求进行裁决.总线分配的速度快, 各模块的优先级的确 定灵活.控制线数量多 总线裁决机构较复杂.6.3 总线控制23http:/ 为实现上述总线控制方式，使用了各种算法：（介绍略）l 静态优先级算法(串行链接式总线用的就是这种算法) l 固定时间片算法(定时查询式用的就是这种算法) l 动态优先级算法(包括最近最少使用算法LRU) l 先来先服务算法(这种算法较难实现) 巨、大、中型计算机：主要采用定时查询、独立请求方式小、微型计算机：主要采用串行链接方式原因：简单、便于实现，总线控制器和控制线数目与设备个数无关，各部件接口与总线的申请、获得方式相同。改进：通过设置多根具有不同优先级的“总线可用”线，弥补优先级固定的缺点。6.3 总线控制24http:/l 总线通信的实质：信息传输的定时问题，解决通信双方协调配合 问题。l 总线传输周期： 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定 寻址阶段：主模块向从模块 给出地址 和 命令 传数阶段：主模块和从模块 交换数据 结束阶段：主模块 撤消有关信息 6.4 总线通信25http
