chapter03 作业题

1、3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 总线的分类总线的分类3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制一、计算机五大部件间的连接一、计算机五大部件间的连接1.计算机五大部件间的连接方式计算机五大部件间的连接方式分散连接：分散连接：各部件使用单独连线各部件使用单独连线总线连接：将总线连接：将各部件连接到一组公共信号传输线各部件连接到一组公共信号传输线存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备一、计算机五大部件间的连接一、计算机五大部件间的连接1.计算机五大部件间的连接方式计算机五大部件间的连接方式总线连接：将总线连接

2、：将各部件连接到一组公共信号传输线各部件连接到一组公共信号传输线中央处理中央处理 器器 CPUI/O总线总线M总总线线主存储器主存储器 M.MI/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 外部外部 设备设备n一、计算机五大部件间的连接一、计算机五大部件间的连接1.计算机五大部件间的连接方式计算机五大部件间的连接方式分散连接：分散连接：各部件使用单独连线各部件使用单独连线总线连接：将总线连接：将各部件连接到一组公共信号传输线各部件连接到一组公共信号传输线2.总线连接的优点总线连接的优点灵活：灵活：便于添加便于添加新部件，且部件可在使用相同总线新部件，且部

3、件可在使用相同总线的计算机系统间互换的计算机系统间互换低成本：低成本： 一组信号传输线可被多部件共享一组信号传输线可被多部件共享3.总线连接的缺点总线连接的缺点 产生产生通信瓶颈通信瓶颈 现代计算机采用总线连接现代计算机采用总线连接二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送方式三、总线上信息的传送方式1.总线的定义总线的定义 共享的传输介质共享的传输介质 总线是连接各个部件的信息传输线总线是连接各个部件的信息传输线2.两个关键点两个关键点一个部件发出的信号可被连接到总线上的其他所有部件一个部件发出的信号可被连接到总线上的其他所有部件所接收所接收某一时刻只允许一个部件向总线发送信息，多个部

4、件可某一时刻只允许一个部件向总线发送信息，多个部件可同时从总线接受相同信息同时从总线接受相同信息串行串行并行并行四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1. 面向面向 CPU 的双总线结构的双总线结构中央处理中央处理 器器 CPUI/O总线总线M总总线线主存储器主存储器 M.MI/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 外部外部 设备设备n I/O设备与主存无法直设备与主存无法直接信息交换接信息交换单总线（系统总线）单总线（系统总线）2. 单总线结构单总线结构 CPU M.M I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2 I/O

5、接口接口 外部外部 设备设备n I/O接口接口四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例 I/O设备与主存可直接设备与主存可直接信息交换信息交换3. 以存储器为中心的双总线结构以存储器为中心的双总线结构系统总线系统总线 M.M CPU I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1. .片内总线片内总线2.系统总线系统总线指芯片内部连接各元件的总线。指芯片内部连接各元件的总线。如如CPU芯片内部，在寄存器、芯片内部，在寄存器、ALU、指令部、指令部件等各元件间的总线件等各元件间的总线数据总线数据

6、总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、 I/O地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件间计算机各部件间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求3. .通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式用于用于 计算机系统间计算机系统间 或或 计算机系统与其他系统计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）间的通信（如控制仪表、移动通信等）间的通信CPU 插件板插件板M.M 插

7、件板插件板I/O插件板插件板3.3.1 总线物理实现总线物理实现BUS1. 机械特性机械特性2. 电气特性电气特性3. 功能特性功能特性4. 时间特性时间特性3.3.2 总线特性总线特性规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等座的规格及位置等规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等能力等给出各总线信号的名称及给出各总线信号的名称及功能定义功能定义信号的信号的 时序时序 关系关系地址地址数据数据控制控制3.3.3 总线的性能指标总线的性能指标1. 总线宽度总线宽度2. 标准传输率标准传输率 （总线带宽）（总

8、线带宽）3. 时钟同步时钟同步/异步异步4. 总线复用总线复用5. 信号线数信号线数6. 总线控制方式总线控制方式7. 其他指标其他指标数据线数据线 的位数的位数每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBps）同步、不同步同步、不同步地址线地址线 与与 数据线数据线 复用复用地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和负载能力负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数模块模块系统系统 3.3.4 总线标准总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面1.总线标准的形成途径总线标准的形成途径由流行形成标准由流行形成标准 例：例：IBMPC-AT总线总线为

9、解决共性问题由多个制造商合作提出标准为解决共性问题由多个制造商合作提出标准标准化组织制定标准化组织制定 ANSI IEEE等组织等组织PCI总线标准由总线标准由Intel发起、由一个工业委员会发展而来发起、由一个工业委员会发展而来l标准总线规范越来越复杂标准总线规范越来越复杂包含信号分类、数据宽度、地址空间、传输速率、总线仲裁、包含信号分类、数据宽度、地址空间、传输速率、总线仲裁、握手协议、总线定时、事务类型等内容。握手协议、总线定时、事务类型等内容。 3.3.4 总线标准总线标准2.常用的总线标准常用的总线标准lISA 总线总线 IBM 推出推出 16位数据位数据 、24位地址、位地址、 时

10、钟时钟8MHZ 、 最大传输速率最大传输速率16MBPslEISA 总线总线32位数据位数据 、32位地址、位地址、 时钟时钟8MHZ 、 最大传输速率最大传输速率33MBPslVL-BUS 总线总线 局部总线局部总线32位数据位数据 （可扩展至（可扩展至64位）位） 、 时钟时钟33MHZ 、 最大传输速率最大传输速率133MBPslPCI 总线总线 外围部件互联总线外围部件互联总线 局部总线局部总线32位数据位数据 、 时钟时钟33MHZ 、 最大传输速率最大传输速率132MBPs64位数据位数据 、 时钟时钟66MHZ 、 最大传输速率最大传输速率528MBPslAGP总线总线 加速图形

11、端口加速图形端口 显卡显卡lRS-232C 总线总线 串行通信标准串行通信标准lUSB 总线总线 3.3.4 总线标准总线标准3.4.1 单总线结构单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线） CPU M.M I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2 I/O接口接口 外部外部 设备设备n I/O接口接口1. 双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器具有特殊功能的处理器由通道对由通道对I/O统一管理统一管理通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存主存总线主存总线I/O总线总线3.4.2 多总线结构多总线结构2. 三总线结构三总线结构主存

12、总线主存总线DMADMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口3.4.2 多总线结构多总线结构3. 三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存3.4.2 多总线结构多总线结构4. 四总线结构四总线结构主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSI多媒体多媒体CPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高

13、速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥3.4.2 多总线结构多总线结构1. 传统微型机总线结构传统微型机总线结构3.4.3 总线结构举例总线结构举例存储器存储器SCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16 6位数据通路位数据通路标准总线控制器标准总线控制器33 MHz3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线调制解调器调制解调器多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA EISA多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图

14、形调制解调器调制解调器图文传真图文传真8 MHz的的1616位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存储器存储器局部总线局部总线 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS3.4.3 总线结构举例总线结构举例3. PCI 总线结构总线结构CPU多媒体多媒体PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz的的32位数据通路位数据通路8 MHz的的16位数据通路位数据通路ISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存储器存储器3.4.3 总线结构举例

15、总线结构举例4. 多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器桥桥0桥桥4 PCI设备设备桥桥5总线桥总线桥桥桥3桥桥1设备设备桥桥2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCI总线总线4PCI总线总线5PCI总线总线3PCI总线总线1PCI总线总线0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPU3.4.3 总线结构举例总线结构举例3.5.1 总线判优控制总线判优控制总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式主设备主设备(模块模块)对总线有对总线有 控制权控制权从设备从设备(模块模块)响应响应 从主设备发来的总线命令从主设备发来的总线命令1. 基本概念基本概念链

16、式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式2. 链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG-总线同意总线同意I/O接口接口13.5.1 总线判优控制总线判优控制优点优点:易扩充设备易扩充设备缺点缺点:不能保证安全和公平不能保证安全和公平 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址3. 计数器定时查询方式计数器定时查询

17、方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1比链式查询多一组设备地址线，少一根总线允许线比链式查询多一组设备地址线，少一根总线允许线BGu总线上的任一设备要使用总线，通过总线上的任一设备要使用总线，通过BR线发总线请求线发总线请求u总线控制部件接到总线控制部件接到BR请求后，若请求后，若BS=0，计数器加，计数器加1计数，并计数，并将计数值通过设备地址线发向各设备将计数值通过设备地址线发向各设备u各设备接口都有设备地址判别电路，当设备地址线上的计数各设备接口都有设备地址判别电路，当设备地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致，该设备置值与请求总线的设备地址一致，该设备置“1”BS线，

18、获得总线，获得总线使用权，中止计数线使用权，中止计数u可从可从 0/中止点中止点 始计数始计数u0开始，与链式查询相同，优先级顺序固定开始，与链式查询相同，优先级顺序固定u从中止点开始，各设备使用总线的优先级相等从中止点开始，各设备使用总线的优先级相等u计数器初值用程序设置，方便改变优先次序计数器初值用程序设置，方便改变优先次序缺点：增加了连线数量缺点：增加了连线数量l计数器定时查询的优点计数器定时查询的优点:3. 计数器定时查询方式计数器定时查询方式排队器排队器排队器排队器4. 独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口

19、接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求每个共享总线的设备均有一对每个共享总线的设备均有一对BRi和和BGi。l 分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个主模块都有自己的唯一分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个主模块都有自己的唯一仲裁号和仲裁器。仲裁号和仲裁器。l 有总线请求时，把仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲有总线请求时，把仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上仲裁号与自己的号进行比较。裁器将仲裁总线上仲裁号与自己的号进行比较。l 如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应。5.分布式控制分

20、布式控制中央中央处理器处理器设备接口设备接口0 0设备接口设备接口1 1设备接口设备接口N N0213.5.1 总线判优控制总线判优控制3.5.2 总线通信控制总线通信控制1. 目的目的2. 总线周期总线周期: 完成一次总线操作的时间完成一次总线操作的时间 总线传输周期总线传输周期主模块申请主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤销有关信息撤销有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问

21、题总总线线周周期期由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每瞬间总线每瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3.四种总线通信方式四种总线通信方式采用采用 应答方式应答方式，无公共时钟标准，无公共时钟标准同步、异步结合同步、异步结合3.5.2 总线通信控制总线通信控制总线判优控制方式：集中、分布控制方式总线判优控制方式：集中、分布控制方式集中控制方式：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式集中控制方式：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式(1) 同步式数据输入同步式数据输入T1总线传输周期总

22、线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 读命令读命令 数据数据主模块主模块发地址发地址主模块发主模块发读命令读命令从模块提从模块提供数据供数据主模块获主模块获取数据取数据主模块撤销读命令，主模块撤销读命令，从模块撤销数据从模块撤销数据3.四种总线通信方式四种总线通信方式(2) 同步式数据输出同步式数据输出T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写命令写命令 数据数据主模主模块发块发地址地址主模块发主模块发写命令写命令从模块在规从模块在规定时间内将定时间内将数据写入指数据写入指定的单元定的单元主模块撤销写主模块撤销写命令和数据命令和数据主模块主模块提供数提供数据据3.四

23、种总线通信方式四种总线通信方式例例3.1 设总线时钟频率设总线时钟频率100MHz，传输周期为，传输周期为4 个时钟周个时钟周期，总线宽度期，总线宽度32 位，试求总线的数据传输率。若想提高位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？一倍数据传输率，可采取什么措施？解：根据总线时钟频率，得解：根据总线时钟频率，得 时钟周期时钟周期 T= 1/100MHz = 0.01s 总线传输周期总线传输周期= 4T= 0.01s4 = 0.04s 总线宽度总线宽度32 位位 = 4B 总线的数据传输率为总线的数据传输率为 4B/4T= 4B/0.04s= 100MBps 若想提高一倍

24、数据传输率，措施为：若想提高一倍数据传输率，措施为： 措施措施1：总线时钟频率不变，数据线宽度为：总线时钟频率不变，数据线宽度为64 位位 措施措施2:数据宽度不变，时钟频率增加到数据宽度不变，时钟频率增加到200MHz3.5.2 总线通信控制总线通信控制不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(3) 异步通信异步通信主设备主设备请求请求从设备从设备回答回答举举例例采取应答方式通信采取应答方式通信主模块发请求，从模块发应答主模块发请求，从模块发应答不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁异步通信的应答方式异步通信的应答方式单机系统中单机系统中CPU向主存写信息向主存写信息多机系统中，多机系统中，CPU

25、对对共享存储器的访问共享存储器的访问网络通信的双方网络通信的双方3.5.2 总线通信控制总线通信控制异步串行通信字符的格式异步串行通信字符的格式以字符为传送单位，用起始位和停止位标识每个字符的开始和结以字符为传送单位，用起始位和停止位标识每个字符的开始和结束，字符间隔不固定。例：束，字符间隔不固定。例：D0D1D2D3D4D5D6D7停止位停止位起始位起始位一个字符称为一帧数据一个字符称为一帧数据数据以字符数据以字符(字节字节)为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线由接收设备逐帧接收逐帧发送，通过传输线由接收设备逐帧接收发送端和接收端可有各

26、自的时钟控制数据的发送和接收发送端和接收端可有各自的时钟控制数据的发送和接收这两个时钟源彼此独立，互不同步这两个时钟源彼此独立，互不同步(3) 异步通信异步通信3.5.2 总线通信控制总线通信控制字符帧（数据帧）由起始、数据、奇偶校验和停止位组成字符帧（数据帧）由起始、数据、奇偶校验和停止位组成两两种种传传送送字字符符格格式式3.5.2 总线通信控制总线通信控制异步串行通信字符的格式异步串行通信字符的格式l波特率波特率(位位/秒秒)对传送速率的规定对传送速率的规定异步通讯双方需约定：字符格式和传送速率异步通讯双方需约定：字符格式和传送速率波特率波特率:每秒钟传送二进制数的位数每秒钟传送二进制数

27、的位数(比特数比特数)，单位，单位bps波特率越高，数据传输速度越快波特率越高，数据传输速度越快例例3.2 在异步串行传输系统中，设每秒传输在异步串行传输系统中，设每秒传输120 数据帧，字符格数据帧，字符格式：式：1 个起始位、个起始位、7 个数据位、个数据位、1 个奇校验位、个奇校验位、1 个终止位，试个终止位，试计算波特率。计算波特率。 解：根据题目给出的字符格式，一帧包含解：根据题目给出的字符格式，一帧包含 1+7+1+1=10 位位 波特率为波特率为 （1+7+1+1）120bps=1200bps=1200 波特波特3.5.2 总线通信控制总线通信控制波特率波特率例例3.3 画图说明用异步串行传输方式发送画图说明用异步串行传输方式发送8