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1、计算机组成原理简明教程 第七章系统总线第7章 总线系统计算机组成原理简明教程 清华大学出版社教学目标教学重点教学过程Date1计算机组成原理简明教程 第七章系统总线教学目标l掌握总线概念、系统总线基本结构l了解总线的控制、数据传输和接口Date2计算机组成原理简明教程 第七章系统总线教学重点l总线的概念、系统总线的结构l总线的控制、数据传输和接口 Date3计算机组成原理简明教程 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计算机组成原理简明教程 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
2、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： 灵活性：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计算机组成原理简明教程 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
3、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计算机组成原理简明教程 第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念 （1/5）1. 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计算机组成原理简明教程 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指总线中每根传输
4、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）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计算机组成原理简明教程 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 内部总线：芯片内部连接各元件的总线。如CPU芯片内部 ，在各个寄存器、ALU、指令部件等各元件之间有总线相连 。 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，主板式总线
5、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，种类很多。Date9计算机组成原理简明教程 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带宽。它们是
6、： 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计算机组成原理简明教程 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、一组数据线和
7、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计算机组成原理简明教程 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
8、单总线Date12计算机组成原理简明教程 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：存储总线用于CPU与主存储器的信息交换。I/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计算机组成原理简明教程 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
9、高 速度地与主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 高速I/O总线（DMA总线），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计算机组成原理简明教程 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：例如在一元化总线系统中，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
10、所决 定的可能的地址总数。 指令系统：在非统一编址的总线系统中，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，所以在这类总线系统中，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16PC机总线的发展l16位PC机：单总线结构 IBM PC机和IBM PC/XT机的IBM PC总线 IBM PC/
11、XT机的IBM AT总线，即ISA总线l早期32位PC机 与MCA总线竞争的EISA总线（扩展 ISA总线） 32位局部总线VESAl当前32位PC机：多总线结构 存储总线 系统总线：外设部件互连PCI 显示总线：图形加速接口AGP 外设接口：键盘接口、鼠标接口、并行打印机接口、串行 通信接口，通用串行接口USB，IEEE 1394接口计算机组成原理简明教程 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
12、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。Date17计算机组成原理简明教程 第七章系统总线7.2.1 总线的控制 （1/3）l最简单的系统可
13、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 部件或设备中。 Date18计算机组成原理简明教程 第七章系统总线7.2.1 总线的
14、控制 （2/3）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Date19计算机组成原理简明教程 第七章系统总线7.2.1 总线的控制 （3/3）1. 集中裁决方式 （1）菊花链查询方式 （2）计数器定时查询方式 （3）独立请求方式 2. 分布式裁决方式Date
15、20集中裁决：链式查询方式总 线 控 制 部 件I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG数据线地址线BS -总线忙 BR-总线请求 BG-总线同意I/O接口1210BS -总线忙 BR-总线请求总 线 控 制 部 件数据线地址线I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址集中裁决：计数器定时查询方式I/O接口1计数器设备地址122排队器排队器集中裁决：独立请求方式总 线 控 制 部 件数据线 地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意 BR-总线请求23分布式裁决中央 处理器设备接口 0设备接口 1设备接口 N312Date24计算机组成原理简明教程 第七章系统总线7.2.2 总线的数据传输方式 （1/2）1.
