计算机组成原理第六章总线(含习题)

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1、第六章 总线,总线概述 总线管理 总线标准,6.1 总线概述 6.1.1 总线的基本概念 计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种: 分散连接:各部件之间使用单独的连线; 总线连接:将各部件连到一组公共信息传输线上. 总线:构成计算机系统的互联机构,是多个部件分时共享的公共信息传送线路. 共享:总线上各部件之间互换的信息,可以通过这组公共线路传送. 分时:同一时刻总线上只能传送一个部件发送的 信息.,6.1.2 总线的分类 一、按连线数量分 并行总线、串行总线 串行由低位到高位,单条1位传输线； 并行多条1位传输线； 分别适用于远距离和近距离的数据传输. 二、按并行总线传输的数据宽度分 8位总

2、线、 16位总线、 32位总线、 64位总线 三、根据允许的数据传输方向分 单向传输(单工)总线和双向传输(双工)总线 其中双工总线又分为： 全双工总线:可以在两个方向上同时传送的总线； 半双工总线：一个通信线路上允许数据双向传送,但不允许同时双向传送的总线.,四、按总线连接的部件不同分-在计算机中使用的总线按从里向外的层次,分为以下4类. 1. CPU片内总线 CPU内各部件之间的信息传送线,如RR、RALU之间的信息传送线. 2.片级总线 插板内各芯片之间互连的总线,亦称部件内总线.如显示适配卡、多功能卡等插卡均使用片级总线实现芯片一级的互连. 3. 系统总线 指计算机系统内各功能部件(C

3、PU、主存、I/O接口) 之间相互连接的总线.,系统总线又按其上传输信息的不同分成三类: 数据总线:用来传输各功能部件之间的数据信息. 双向； 位数称为数据总线宽度. 地址总线:用来指出CPU要访问的存储单元或I/O端口的地址. 单向； 位数与存储单元个数有关.,控制总线:用来发出各种控制信号,实现对设备的监视与控制. 就任一控制信号而言,传输是单向的; 对于控制总线总体而言,可看作双向的; 故,从CPU的角度看,控制信号既有输入,又有输出; 控制信号例存储器读/写、I/O读/写、总线请求、总线允许、中断请求、中断响应、复位、时钟 4.通信总线(外总线) 用于计算机系统之间或计算机系统与其他系

4、统(如控制仪表、远程通信设备等)之间通信.,6.1.3 总线的组成与性能指标 一、总线组成 总线结构的物理结构示意图如下：,CPU插板,主存插板,I/O插板,将CPU及其它一些电路(如基本I/O设备控制电路)安装在主板上； 将由许多导线组成的总线,按照总线标准直接印制在电路板上,通过各插槽的相应点与各部件相连.,主板,图6.1 总线物理结构示意图,BUS,二、总线的性能指标 1.总线宽度 通常指数据总线的根数； 单位是bit,如8位、16位、32位(即8根、16根、32根) 2.总线时钟频率 单位MHZ. 3.总线带宽 总线数据传输率,即单位时间内总线上传输数据的位数; 单位是MBps(兆字节

5、每秒).,例:(教材P.213)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据,假设一个总线周期等于一个时钟周期,总线时钟频率是33MHz,总线带宽是多少? 解答:用Dr表示总线带宽,总线时钟周期为T=1/f,一个总线周期传送的数据量表示为D;依据定义有: Dr=D/T=Df=4B33106/s =132MB/s (若一个总线周期由4个T构成,总线带宽是多少?),6.1.4 总线结构 一般分为单总线结构和多总线结构； 单机系统中常分为单总线、双总线和三总线三种结构； 采用总线结构的优点:便于故障诊断与维修,便于模块化结构设计,简化系统设计,便于系统的扩展和升级. 一、单总线结构 将CPU、主存和

6、I/O设备(通过I/O接口)都挂接到一组总线上,称为单总线结构. 单总线结构框图如下:,图6.2 单总线结构框图,CPU,主存,I/O接口,I/O接口,I/O接口,I/O设备1,I/O设备2,I/O设备n,单总线(系统总线),单总线结构的特点： 1.结构简单、易于扩充； 2.允许部件之间直接交换信息,总线负载重； 3.共享传输介质极易形成系统瓶颈 某时刻只允许一对部件之间传送信息； 4.适用于小型微型计算机系统.,二、双总线结构 双总线:一条为内存总线-用于CPU、内存和通道之间进行数据传送;另一条是I/O总线,用于多个外设与通道之间进行数据传送.,CPU,主存,I/O接口,IOP (通道),

7、I/O接口,I/O设备1,I/O设备n,内存总线,I/O总线,图6.3 双总线结构框图,通道:是一台具有特殊功能的处理器, CPU将部分功能下放给通道,使其对I/O设备具有统一管理的功能.以完成外设与主存之间的数据传送. 增加硬件代价;在大中型计算机中使用。,CPU,主存,I/O接口,IOP (通道),I/O接口,I/O设备1,I/O设备n,内存总线,I/O总线,图6.3 双总线结构框图,三、三总线结构 三总线指内存总线、直接内存访问(DMA)总线和I/O总线. 内存总线用于CPU和内存间传送地址、数据和控制信息; 主存主线用于主存与CPU之间的传输; I/O总线用于 CPU和各类I/O设备之

8、间传送数据; DMA总线用于内存和高速外设间直接传送数据.,CPU,主存,I/O接口,I/O接口,I/O设备1,I/O设备n,I/O总线,图6.4 三总线结构框图,DMA总线,内存总线,三总线结构特点： 一般讲,在三总线系统中,任一时刻只使用一种总线； 若使用双端口存储器,内存总线和DAM总线同时工作.此时比单总线系统运行快,吞吐量大.,CPU,主存,I/O接口,I/O接口,I/O设备1,I/O设备n,I/O总线,图6.4 三总线结构框图,DMA总线,内存总线,第六章 总线,总线概述 总线管理 总线标准,6.2 总线管理 6.2.1 总线判优与仲裁 为解决多个申请者同时竞争总线控制权,总线控制

9、机构中设置有总线判优和仲裁控制逻辑. 一、主设备和从设备的概念 总线在任一时刻只为某两个设备占用,其中： 主设备:获得总线控制权的设备； 从设备:被主设备访问的设备； 通常CPU为主设备,存储器为从设备,I/O设备可为主设备和从设备. 注意:在定义总线数据传送操作时是“输入”或“输出”时,必须以主设备为参考点,这和前面提到的以主机为参考点的输入、输出含义不同.,二、总线判优和仲裁 多个主设备同时要使用总线时,按优先顺序确定由哪一个主设备使用总线； 总线判优控制按照其仲裁控制机构的设置分为集中式和分布式两种； 集中式控制:将总线控制逻辑集中在一处(如CPU)时； 分布式控制:将总线控制逻辑分散在

10、与总线连接的各个部件上； 集中式控制又分为链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式. 1.链式查询方式 亦称串行链接方式、菊花链 方式,电路如下：,1.链式查询方式 总线控制器使用3根控制线与所有设备和部件相连,3根控制线如下:,总 线 控 制 器 (集 中 仲 裁 器),(,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,BG,总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线,总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；,总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.,图6.5 链式查询方式,1.链式查询方式 与总线连接的所有设备均可经公共

11、的BR线发出总线请求; 在BS信号未建立前,BR才能被总线控制器响应,并送出BG信号；,总 线 控 制 器 (集 中 仲 裁 器),(,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,BG,总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线,总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；,总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.,图6.5 链式查询方式,1.链式查询方式 BG信号串行地通过每个部件,如果某个部件本身没有总线请求,则将该信号传送给下一个部件,否则,停止传送BG信号,获得总线使用权.,总 线 控 制 器 (集 中 仲 裁 器),(,I

12、/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,BG,总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线,总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；,总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.,图6.5 链式查询方式,1.链式查询方式 获得总线使用权的部件建立BS信号,并撤销BR,进行数据的传送； BS信号在数据传送结束后撤销,BG信号也随之撤销.,总 线 控 制 器 (集 中 仲 裁 器),(,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,BG,总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线,总线批准(BG):

13、有效时,表示总线控制器响应总线请求；,总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.,图6.5 链式查询方式,链式查询的特点: 优先次序是由BG线上串接部件的先后位置确定,离总线控制器最近的设备具有最高优先权； 需要几根信号线可完成按既定优先次序的总线仲裁;,总 线 控 制 器 (集 中 仲 裁 器),(,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,BG,总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线,总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；,总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.,图6.5 链式查询方式,易于扩充设备； 故

14、障敏感； 优先级安排可能造成低级别设备总是用不上总线.,总 线 控 制 器 (集 中 仲 裁 器),(,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,BG,总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线,总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；,总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.,图6.5 链式查询方式,2.计数器定时查询方式 总线上的每个部件通过公共的BR线发出请求; 当BS=0时,总线控制器令其中的计数器开始计数,并且将计数值发向各个部件;当计数值与请求使用总线的设备地址一致时,该设备获得总线控制权,置BR=0,RS=1,同

15、时中止计数器的计数及查询工作,直至该设备完成数据传送之后,撤销BS信号.,总 线 控 制 器,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,图6.6 计数器定时查询方式,定时查询,地址 计数,计数器定时查询的特点:优先级次序较灵活当总线控制器因授权某设备使用总线而停止计数时,可从以下方式中选择一种来控制下一次计数的起始值: 下一次计数的起始值为0,这种方式的优先级固定不变,设备码小的设备优先级高; 下一次计数的起始值为上一次的中止值,这相当于循环检测,各设备的设备级相等; 下一次计数的起始值由程序设定,程序可灵活改变设备的优先级.,总 线 控 制 器,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR,图6.6计数器定时查询方式,定时查询,地址 计数,总 线 控 制 器,I/O接口0,I/O接口1,I/O接口n,数据线,地址线,BS,BR0,BR1,BRn,BGn,BG1,BG0,内有排队