华东师范大学_计算机组成原理8

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1、8 总线系统8 总线系统8.1 总线的概念和结构形态 8.2 总线接口 8.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式 8.4 PCI总线8 总线系统8.1 总线的概念和结构形态8.1 总线的概念和结构形态一、总线的基本概念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 包括： 控制线路遵循总线协议，传输请求和确认信号，并指出数据线上的数据类型 数据线路在源和目的间传递数据包括数据、地址和复杂指令一、 总线的基本概念1.总线的特性 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 功能特性：描述总线中每一根线的功能 电气特性：定

2、义每一根线上信号的传递方向以及有效电平范围 时间特性：定义了各信号的时序关系一、总线的基本概念2.总线的标准化 为了使各厂家生产的相同功能部件可以互 换使用，必须制订统一的系统总线的标准 微型计算机系统采用的典型系统总线标准ISA总线（16位，带宽8MB/s） EISA总线（32位，带宽33.3MB/s） PCI总线（64位，带宽100MB/s）2. 总线的标准化 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) 带宽受到总线布线长度、总线驱动器/接 收器性能、连接在总线上的模块数等诸 多因素的影响 总线带宽例1） (1)某总线在一个总线周期中并行

3、传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?(2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少? 总线带宽解： (1) 设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得：Dr =D/T = D1/T = Df =4B331000000/s=132MB/s (2) 64位=8B，Dr= Df =8B661000000/s=528MB/s8.1 总线的概念和结构形态二、总线的连接方式 总线可分为： 处理器-内存总线长度短，速度快I/O总线扩展外设，往往采

4、用标准总线例：USB、RS-232、1394、ATA等特殊功能总线例：图形总线二、总线的连接方式单总线结构 使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存 和I/O设备CPU主存设备 适配器设备 适配器系统总线二、总线的连接方式 特点： 各部件分时使用总线交换信息 要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便需要使用总线时能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权 优点：易于扩充 缺点：总线由多设备共用，可能导致较大的时间延迟二、总线的连接方式多总线结构CPU主存IOP （通道）背板总线处理器-内存总线I/O适配器I/O适配器I/O总线通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为

5、 IOP(I/O处理器)，它分担了一部分CPU的功能，以 实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传 送。显然，由于增加了IOP，使整个系统的效率大 大提高优点：各种不同性能的部件通过各自的总线传输信息，效率高 缺点：增加了硬件代价二、总线的连接方式大多数计算机采用了分层次的多总线结构 ，在这种结构中，速度差异较大的设备模 块使用不同速度的总线，而速度相近的设 备模块使用同一类总线优点：充分发挥总线效能6.1 总线结构实例Pentium计算机主板的总线结构框图 CPU总线也称CPU存储器总线是一个64位数据线和32位地址线的同步总线 CPU是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制权 Pen

6、tium机使用该总线与低速I/O设备连接 ISA总线控制逻辑还通过主板上的片级总线与实时钟/日历、ROM、键盘和鼠标控制器(8042微处理器)等芯片相连接Pentium计算机主板总线结构框图是一个三层次的多总线结构： CPU总线、PCI总线、ISA总线 Pentium机总线系统中有一个核心逻辑芯片组，简称PCI芯片组，包括主存控制器、cache控制器芯片、北桥芯片和南桥芯片 CPUPCI总线的桥称为北桥；PCI总线ISA总线的桥称为南桥 桥的功能：信号缓冲、电平转接、控制协议转换 PCI总线用于连接高速的I/O设备模块。通过“桥”芯片，上面与更高速的CPU总线相连，下面与低速的ISA总线相接

7、PCI总线采用集中式仲裁方式，有专用的PCI总线仲裁器二、总线的连接方式Pentium 4 PC机的I/O系统的组织结构处理器通过两块主要芯片与外设连接： 北桥（DMA控制器）：连接处理器、内存、 AGP图像总线和南桥芯片。 南桥：与多种I/O总线相连。8.1 总线的概念和结构形态三、总线结构对计算机系统性能的影响1.最大存储容量最大存储容量取决于地址总线的位数有两种编址方式： 统一编址：利用同一个地址空间编址主存单元和I/O端口 独立编址：主存和I/O为两个独立的地址空间三、总线结构对计算机系统性能的影响2.指令系统 采用独立编址时，需设置I/O指令 在多总线系统中，指令系统必须要有I/O指

8、令，以区分访问是使用哪条总线三、总线结构对计算机系统性能的影响3.吞吐量 计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出 系统的信息速率 系统吞吐率主要取决于主存的存取周期（非 流水线方式） 采用双端口存储器，分别连于不同的总线， 以增加主存的有效速度 在多总线系统中，I/O工作由通道完成，所 以系统的吞吐率要高于单总线8 总线系统8.1 总线的概念和结构形态 8.2 总线接口8.2 总线接口一、信息的传递方式 计算机系统中，信息传输采用二种方式： 串行传送 并行传送一、信息的传递方式1.串行传送 当信息以串行方式传送时，只有一条传 输线，且采用脉冲传送 在串行传送时，按顺序来传送表示一个 数码的所有

9、二进制位(bit)的脉冲信号， 通常以第一个脉冲信号表示数码的最低 有效位，最后一个脉冲信号表示数码的 最高有效位1. 串行传送 传送控制方式： 以“位时间”区别每一个二进制位； 每个“位时间”内包含一个同步脉冲，以控 制发送和接受数据并-串 转换串-并 转换传送数据 00000101发送部件接收部件00000101高位低位T8T7T6T5T4T3T2T1位时间传送 脉冲1. 串行传送 在串行传送时，被传送的数据需要在发 送部件中进行并-串转换，这称为拆卸； 而在接收部件又需要进行串-并转换，这 称为装配 串行传送的主要优点是只需要一条传输 线，这一点对长距离传输显得特别重要 ，不管传送的数据

10、量有多少，只需要一 条传输线，成本比较低廉一、信息的传递方式2. 并行传送信息的各位通过各自的传输线并行传输发送 部件接收 部件高位低位1 0 11 1 0 008.2 总线接口二、接口的基本概念 外设的功能和特性差异很大I/O设备连接主机存在以下主要问题： 工作速度的匹配问题； 时序的配合问题； 信息表示格式的一致性问题； 信息类型及信号电平的匹配问题二、接口的基本概念为了协调这些差异，在设备和主机的连接处 增加一个逻辑部件接口 接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主 存、外围设备之间通过总线进行连接的 逻辑部件 接口部件在它动态连接的两个部件之间 起着“转换器”的作用，以便实现彼此之 间

11、的信息传送二、接口的基本概念1. 接口的典型功能 控制：接口靠程序的指令信息来控制外 围设备的动作，如启动、关闭设备等 缓冲：接口在外围设备和计算机系统其 他部件之间起到一个缓冲器的作用，以 补偿速度上的差异 状态：接口监视外围设备的工作状态并 保存状态信息。状态信息包括数据“准备 就绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU查询1. 接口的典型功能 转换：接口可以完成任何要求的数据转换 ，例如并-串转换或串-并转换，因此数据 能在外围设备和CPU之间正确地进行传送 整理：接口可以完成一些特别的功能，例 如在需要时可以修改字计数器或当前内存 地址寄存器 程序中断：每当外围设备向CPU请求某种 动作时

12、，接口即产生一个中断请求信号送 CPU二、接口的基本概念2.一个适配器通常有两个接口界面： 和系统总线的接口，CPU和适配器的数据交换一定是并行方式 和外设的接口，适配器和外设的数据交换可以是并行方式，也可以是串行方式根据外围设备采用串行数据或并行数据的方式不同，适配器分为串行数据接口和并行数据接口两大类二、接口的基本概念3.异步串行通信方式每传送一个字符均要附加一些同步信息， 常以一个起始位表示字符的开始，用停止 位表示字符的结束，称为一帧。通信双方应约定： 波特率（bps）：每秒传送的代码位数通信波特率标准一般为：1200、2400、4800、9600和19200等二、接口的基本概念例2）

13、 利用串行方式传送字符，每秒钟传送 的比特(bit)位数常称为波特率。假设数据 传送速率是120个字符/秒，每一个字符格 式规定包含10个bit(起始位、停止位、8个 数据位)，问传送的波特率是多少?每个bit 占用的时间是多少?解：波特率为：10位120/秒=1200波特每个bit占用的时间Td是波特率的倒数：Td=1/1200=0.83310-3s=0.833ms3.异步串行通信方式 帧格式 1个起始位： 低电平 58个数据位： 低位在前；高位在后 1个校验位： 奇校/偶校/不校验 1/1.5/2位停止位：高电平 空闲位： 高电平相邻两个字符间加入，可任意长 3.异步串行通信方式例3）用异

14、步通信方式传送字符“4”，设帧格 式为数据位7位；偶校验；1位停止位，请 画出传输波形图。解：“4”的ASCII字符=34H=0110100B0 0 1 0 1 1 0 起始位校验位停止位空闲位8 总线系统8.1 总线的概念和结构形态 8.2 总线接口 8.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式8.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式一、总线的仲裁 连接到总线上的功能模块有主动和被动两 种形态 主设备：主方可以启动一个总线周期 从设备：从方只能响应主方的请求每次总线操作，只能有一个主方占据总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方一、总线的仲裁总线仲裁部件：解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题仲

15、裁策略： 优先级公平策略 总线占用期：主方持续控制总线的时间 仲裁方式：按照总线仲裁电路的位置不同分为 ：集中式仲裁分布式仲裁一、总线的仲裁1.集中式仲裁 集中式仲裁中每个功能模块至少有两条线 连到中央仲裁器 送往仲裁器的总线请求信号线BR 仲裁器送出的总线授权信号线BG 有三种方式：链式查询方式计数器定时查询方式独立请求方式1.集中式仲裁 链式查询方式中央仲裁器设备接口 0设备接口 1设备接口 nD ABGBRBS需有三根控制线： BS（忙）：有效，表示总线正被使用； BR（总线请求）：有效，表示至少有一部件要求使用总线； BG（总线授权）：有效，表示总线控制部件响应总线请求主要特点： 总线授权信号BG串行地从一个接口传送到下一个接口 假如BG到达的接口无总线请求，则继续下传；假如BG到达的接口有总线请求，该设备撤消BR请求，并置位BS，该接口获得了总线控制权。裁决器感知BS有效，撤消BG信号。 离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级 优点: 链路简单，易于扩充 缺点: 电路故障敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作了 优先级固定，如果优先级高的设备出现频繁的请求，优先级较低的设备则可能长期不能使用总线。 计数器定时查询方式1. 集中式仲裁 总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求 中央仲裁器接到请求信号后，若此时BS