《计算机组成原理第七章课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理第七章课件（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机组成原理 第七章系统总线第7章 系统总线计算机组成原理教学目标教学重点教学过程Date1计算机组成原理 第七章系统总线教学目标l了解系统总线的结构l了解总线的控制、数据传输和接口Date2计算机组成原理 第七章系统总线教学重点l系统总线的结构l总线的控制、数据传输和接口 Date3计算机组成原理 第七章系统总线教学过程l7.1 系统总线的结构l7.2 总线的控制、数据传输和接口l7.3 常用总线举例Date4计算机组成原理 第七章系统总线7.1系统总线的结构l计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互联，才 能组成计算机系统。l部件之间的互联方式: 分散连接：各部件之间通过单独的连线
2、互联 总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输 线上。总线结构的两个主要优点是 灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总 线上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统之 间互换 低成本。l现代计算机普遍使用的是总线互联结构。Date5计算机组成原理 第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念l总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信 息传输线，它的主要特征就是多个部件共享传输介 质。一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其 他所有部件所接收。总线通常由许多传输线或通路 构成，在并行传输条件下，每条线可传输一位二进 制信息，若干条线可同时传输多位二进制信息。Date6计算机组成原理 第七章系统总线
3、7.1.1 总线的基本概念 （1/5）l总线的特性和分类（1）物理特性总线的物理特性是指总线在机械物理连接上的特性。包括 连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排 列等。 （2）电气特性总线的电气特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向 、信号的有效电平范围。通常规定由CPU发出的信号为输出 信号，送入CPU的信号为输入信号。Date7计算机组成原理 第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念 （2/5）1. 总线的特性和分类（3）功能特性总线功能特性是指总线中每根传输线的功能。不同的控制 线功能不同，如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输 数据信息，控制线用来发出控制信息。 （4
4、）时间特性总线时间特性是指总线中任一根传输线在什么时间内有效 ，以及每根线产生的信号之间的时序关系。Date8计算机组成原理 第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念 （3/5）1. 总线的特性和分类 计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件之间连接和信息交 换的通路。根据所连接部件的不同，总线通常被分成三种类型： 内部总线：指芯片内部连接各元件的总线。例如CPU芯片内 部，在各个寄存器、ALU、指令部件等各元件之间也有总线相连 。 系统总线：指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件 的总线。由于这些部件通常制作在插件板卡上，所以连接这些部 件的总线一般是主板式或底板式总线，主板式
5、总线是一种板级总 线，主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等部件，因此 也被称为处理器主存总线，有的系统把它称为局部总线或处理 器总线。底板式总线通常用于连接系统中的各个功能模块，实现 系统中的各个电路板的连接。典型的有PCI总线、VME总线等。 I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计算机系统之 间的通信。由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速 度快慢、工作方式等，差异很大，所以I/O总线的种类很多。 Date9计算机组成原理 第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念 （4/5）2.系统总线的带宽尽管一个总线的带宽主要由总线定时方式所用的协议决定，但其他几 个因素也影响
6、带宽。它们是： 数据总线宽度。增加数据总线的宽度可使总线一 次传输更多数据位。 信号线是专用还是分时复用。将地址线和数据线 单独设置可使写操作的性能更高，因为地址和数据可 在同一个总线周期内传送出去。总线周期指总线上两 个设备进行一次信息传输所需要的时间。 是否允许大数据块传送。如果允许总线以背靠背 总线周期连续传送多个字而不发送地址信息或释放总 线，那么可以减少传送一个大数据块所需的时间，提 高总线带宽。这就是前面讲的串并结合的方式，也称 突发数据传送方式。Date10计算机组成原理 第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念 （5/5）3.系统总线的组成一个系统总线通常由一组控制线、一组数据
7、线和 一组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线， 地址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线 和地址线复用。 数据线用来承载在源部件和目的部件之问传输的 信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如果数 据线和地址线复用的话）。 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单 元或I/O端口的地址。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用 。Date11计算机组成原理 第七章系统总线7.1.2 总线的连接方式 （1/4）1. 连接方式 （1）单总线结构在许多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。外设存储器CPU图7-1 单总线的组成结构单
8、总线Date12计算机组成原理 第七章系统总线7.1.2 总线的连接方式 （2/4）1. 连接方式 （2）双总线结构在双总线结构中，存在两种总线：l存储总线用于CPU与主存储器的信息交换。lI/O总线用于外设与主机的信息交换。（a）以CPU为中心存储总线I/O总线外设 存储器CPU（c）采用通道形式（b）以存储器为中心存储总线I/O总线I/O总线外设存储器CPU存储总线外设外设CPU图7-2 双总线的组成结构存储器通道Date13计算机组成原理 第七章系统总线7.1.2 总线的连接方式 （3/4）1. 连接方式 （3）多总线结构在双总线结构的基础之上，为了使高速外设（如磁盘机） 能高速度地与主
9、存储器进行数据交换，在高速外设与主存储 器之间可以增设直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）方式的高速I/O总线（DMA总线），从而形成多总 线结构。存储总线DMA总线I/O总线存储器CPU图7-3 多总线的组成结构外设外设Date14计算机组成原理 第七章系统总线7.1.2 总线的连接方式 （4/4）2. 总线结构对计算机系统性能的影响 最大存储容量：例如在单总线系统中，对主存和外设进行 存取的差别，仅仅在于出现总线上的地址不同，为此必须为外 围设备保留某些地址。由于某些地址必须用于外围设备，所以 在单总线系统中，最大主存容量必须小于计算机字长所决定的 可能的地址
10、总数。 指令系统：在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必 须有不同的指令系统，这是因为操作码规定了要使用哪一条总 线，所以在双总线系统中，访存操作和输入输出操作各有不同 的指令。 吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出的信 息的速率。它取决于信息输入内存的速度、CPU取指、存取数据 的速度，以及所得结果从内存送给一台外围设备的速度。这些 步骤中每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主 存的存取周期。Date15计算机组成原理 第七章系统总线7.2 总线的控制、数据传输和接口l总线的信号线类型有专用和复用两种。 专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一种信息。例如，使 用
11、分立的数据线和地址线。 复用信号线就是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。例如 ，采用数据、地址线分时复用的方式，用一组数据线在地址阶段传送地 址信息，在数据阶段传送数据信息。这样就使得地址和数据通过同一组 数据线进行传输。从而实现了复用。l信号线的分时复用的优点：可以使用较少的线传输更多的信息，从而 节省了空间和成本。l信号线的分时复用的缺点： 挂接的每个部件的电路变得更复杂了。 因为共享同一线路的事件不能同时发生，所以它还潜在地降低了性 能。 例如，存储器写事务中，如果采用数据和地址专用线的话，主存单 元地址和数据可以同时送到总线上，而数据和地址线分时复用的情况下 就不能这样。Date
12、16计算机组成原理 第七章系统总线7.2.1 总线的控制 （1/6）l最简单的系统可以只有一个总线主控设备：处理器。在一 个单主控设备系统中，所有总线操作都必须由处理器控制， 所以无需总线裁决。 l另一种选择是采用多个总线主控设备，每个主控设备都能 启动数据传送。 l决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权的过程被 称为总线裁决。进行总线裁决有多种方案。从大的方面来讲 ，有两类总线裁决方式：集中式和分布式。前者将控制逻辑 做在一个专门的总线控制器或总线裁决器中，通过将所有的 总线请求集中起来利用一个特定的裁决算法进行裁决。而在 分布式的裁决方式中，没有专门的总线控制器，其控制逻辑 分散在各个
13、部件或设备中。 Date17计算机组成原理 第七章系统总线7.2.1 总线的控制 （2/6）l在选择哪个设备获得总线使用权时，一般的裁决 方案通常试图平衡两个因素。（1）“等级性”即每个主控设备有一个总线优先级，具有最高优 先级的设备应该先被服务：（2）“公平性”即任何设备，即使是具有最低优先权的设备也不 能永远得不到总线使用权。这种“公平性”保证了想 使用总线的每个设备最终总能得到总线。除了上述 因素外，更复杂的方案考虑怎样缩短总线裁决时间 。 图10-3 阵列处理机结构Date18计算机组成原理 第七章系统总线7.2.1 总线的控制 （3/6）1. 集中裁决方式 （1）菊花链查询方式总 线 控 制 部 件设备0设备1设备nBGBRBS数据线地址线图7-4 菊花链查询方式Date19计算机组成原理
