计算机组成原理 第三课

1、唐朔飞唐朔飞第版第版高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社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、为什么要用总线一、为什么要用总线二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送三、总线上信息的传送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，是是 各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介质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 的双总线结构框图的双总

2、线结构框图 中央处理器中央处理器 CPUI/O总线总线M总总线线主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 设备设备n存存储储总总线线单总线（系统总线）单总线（系统总线）2. 单总线结构框图单总线结构框图 CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口3. 以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线系统总线 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线1. .片内总线片内总线

3、2. .系统总线系统总线芯片内部芯片内部 的总线的总线数据总线数据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之间计算机各部件之间 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CPU内部，寄存器内部，寄存器与寄存器之间、寄与寄存器之间、寄存器与算术逻辑单存器与算术逻辑单元之间元之间若数据总线宽度为若数据总线宽度为8位，指令字长为位，指令字长为16位，则位，则CPU取指阶段

4、必须两次访问主存取指阶段必须两次访问主存3. .通信总线通信总线串行通信总线（远串行通信总线（远-几千公里）几千公里）并行通信总线（近并行通信总线（近-30米）米）传输方式传输方式 用于用于 计算机系统之间计算机系统之间 或或 计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）（如控制仪表、移动通信等）之间的通信之间的通信CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、总线物理实现一、总线物理实现BUS主板主板1. 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. 时间特性时间特性二、总线特性二、总线特性尺寸尺寸、形状、形状、管脚数管脚数及及排列顺序排列顺

5、序传输方向传输方向 和有效的和有效的 电平电平 范围范围每根传输线的每根传输线的 功能功能信号的信号的 时序时序 关系（何时有效）关系（何时有效）地址地址数据数据控制控制以以CPU为参考，由为参考，由CPU发出的信号为输发出的信号为输出信号，送入出信号，送入CPU的信号为输入信号的信号为输入信号数据总线：双向，高电平为数据总线：双向，高电平为“1”，低电平，低电平为为“0”控制总线：电平范围通常与数据总线相同；控制总线：电平范围通常与数据总线相同；但但RS232（串行总线接口标准）为负逻辑，（串行总线接口标准）为负逻辑，低于低于-3V 为为“1”，高于，高于+3V为为“0”三、总线的性能指标三

6、、总线的性能指标1. 总线宽度总线宽度2. 总线带宽总线带宽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 的根数的根数每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBps）同步总线同步总线、异步总线异步总线地址线地址线 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、电源电压、总线宽度负载能力、电源电压、总线宽度扩展扩展突发、自动、仲裁、逻辑、计数突发、自动、仲裁、逻辑、计数例如，总线工作频率为例如，总线工作频率为33MHz，总线宽度为总线宽度为32位

7、，则总线带宽位，则总线带宽为为33（328）=132MBpsISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块模块系统系统总总线线标标准准 四、总线标准四、总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面系统与各模块、系统与各模块、模块与模块之间模块与模块之间互联的一个标准互联的一个标准界面，对于它两界面，对于它两端的模块是透明端的模块是透明的，即界面的任的，即界面的任一方一方只需要按只需要按照总线标准完成照总线标准完成自身一方接口的自身一方接口的功能要求，无需功能要求，无需了解对方接口与了解对方接口与总线的连接要求总线的连接要求总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟

8、带宽带宽ISA168 MHz（独立）（独立）16 MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3233 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）66 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏

9、蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0) 四、总线标准四、总线标准ISA：工业标准总线，独立于：工业标准总线，独立于CPU时钟，可提高时钟，可提高CPU性能，性能，但不支持总线仲裁，无法连接多台具有申请总线控制权的但不支持总线仲裁，无法连接多台具有申请总线控制权的设备，此外设备，此外ISA上的数据传送必须通过上的数据传送必须通过CPU，浪费，浪费CPU时间时间VESA（VL-BUS）：视频电子标准协会，局部总线标准）：视频电子标准协会，局部总线标准（系统外为两个以上模块提供的高速

10、信息传输通道），可（系统外为两个以上模块提供的高速信息传输通道），可将将CPU和高速和高速I/O设备直接相连设备直接相连PCI：外围部件互连，不依附于某个具体处理器的局部总线，：外围部件互连，不依附于某个具体处理器的局部总线，与与CPU时钟频率无关，支持突发工作方式（被传输的数据时钟频率无关，支持突发工作方式（被传输的数据在主存中顺序存放，则访问此组数据时，只需给出第一个在主存中顺序存放，则访问此组数据时，只需给出第一个数据的地址，占用一个时钟周期，气候每个数据的栓送各数据的地址，占用一个时钟周期，气候每个数据的栓送各占一个时钟周期，不必每次给出各个数据的地址，可提高占一个时钟周期，不必每次给

11、出各个数据的地址，可提高传输速率）传输速率）独立于处理器，兼容性好；即插即用（独立于处理器，兼容性好；即插即用（Plug and Play），无），无需进行复杂的手动配置；扩展性好，驱动能力不足时可采需进行复杂的手动配置；扩展性好，驱动能力不足时可采用多层结构，多路复用，减少总线引脚个数用多层结构，多路复用，减少总线引脚个数AGP：加速图形端口，基于：加速图形端口，基于PCI2.1，显示卡专用局部总线，显示卡专用局部总线，“双激励双激励”传输，可在时钟的上下沿双向传输数据，速度传输，可在时钟的上下沿双向传输数据，速度最高可达最高可达2.1GBpsUSB：通用串行总线，几乎所有的外设都可通过：通

12、用串行总线，几乎所有的外设都可通过USB连接，连接，真正的即插即用，安装和删除无需重启；连接能力强，通真正的即插即用，安装和删除无需重启；连接能力强，通过集线器了连接过集线器了连接127个设备到同一系统；标准统一，减少了个设备到同一系统；标准统一，减少了PC中所有标准接口的需求；无版权（中所有标准接口的需求；无版权（USB实施者论坛）实施者论坛）一、单总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口不允许两个以上的设备同一时刻向总线传输信息；若不允许两个以上的

13、设备同一时刻向总线传输信息；若I/O设设备数量很大，总线控制信号逐个传递到第备数量很大，总线控制信号逐个传递到第n个设备时，延迟个设备时，延迟时间较大，影响工作效率时间较大，影响工作效率1. 双总线结构：双总线结构：将速度较低的将速度较低的I/OI/O设备从单总线分离设备从单总线分离具有特殊功能的处理器，对具有特殊功能的处理器，对I/O统一管理，完成主存和统一管理，完成主存和I/O的数的数据传送，吞吐能力很大据传送，吞吐能力很大通道通道 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总线总线二、多总线结构二、多总线结构2. 三总线结构三总线结构主存

14、总线主存总线DMA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接口接口将速率不同的将速率不同的I/O设备分设备分类，连接在不同的通道上类，连接在不同的通道上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4. 四总线结构四总线结构多媒体多媒体 Modem主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSICPU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

15、速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥1. 传统微型机总线结构传统微型机总线结构三、总线结构举例三、总线结构举例存储器存储器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的的16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 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线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 CPU Modem不论高速局域网、高性能图形还是低速的不论高速局域网、高性能图形还是低速的FAX和和Modem都都直接连载直接连载ISA或或EISA总线上，并通过总线上，并通过ISA或或EISA总线控制器总线控制器和系统总线

16、相连，产生瓶颈和系统总线相连，产生瓶颈2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的32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形图文传真图文传真8 MHz的的16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 BUS ModemVL-BUS从从CPU总线演化而来，与总线演化而来，与CPU关系太紧密，难以支持功能更强的关系太紧密，难以支持功能更强的CPU3. 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

17、速局域网高性能图形高性能图形图文传真图文传真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 Modem4. 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CPU一、总线判优控制一、总线判优控制 总线判

18、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1 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

19、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方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1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接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意BR总线请求总线请求二、总线通信控制二、总线通信控制1. 目的目的2. 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

20、主模块 撤消有关信息撤消有关信息 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 问题问题由由 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 总线每个瞬间总线每个瞬间 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. 总线通信的四种方式总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式 ，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步同步、异步结合异步结合 读读命令命令(1) 同步式数据输入同步式数据输入T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址

21、数据数据 数据数据(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 写写命令命令不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁异步通信异步通信主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答单机单机多机多机网络通信网络通信(4) 半同步通信半同步通信同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别（同步同步、异步异步 结合）结合）异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAIT以输入数据为例的半同步通信时序

22、以输入数据为例的半同步通信时序T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模块提供数据T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAITTw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAIT 读读 命令命令WAIT 地址地址 数据数据 时钟时钟总线传输周期总线传输周期T1T2TWTWT3T4(4) 半同步通信半同步通信 （同步同步、异步异步 结合）结合）上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点一个总线传输周期（以输入数据为例）一个总线传输周期（以输入数据为例） 主模块发地址主模块发地址 、命令、命令 从模块准备数据从模块准备数据 从模块向主模块发数据从模块向主模块发数据总线空闲总线空闲占用总线占用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线(5) 分离式通信分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力主模块主模块 申请申请 占用总线占用总线，使用完后，使用完后即即 放弃总线放弃总线 的使用权的使用权从模块从模块 申请申请 占用总线占用总线，将各种信，将各种信息送至总线上息送至总线上一个总线传输周期一个总线传输周期子周期子周期1子