计算机组成原理-总线BUSnew(1)课件

1、College of Computer Science & Technology总线系统总线系统 鲁东大学鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY总线系统总线系统总线结构总线结构什么是总线什么是总线总线的相关概念总线的相关概念总线的仲裁方式总线的仲裁方式总线的通信方式总线的通信方式互连方式互连方式v计算机内各部件必须通过某种方式连接起来。计算机内各部件必须通过某种方式连接起来。 CPU（内部（内部ALU+CU） 存储器存储器 输入输入/输出设备输出设备 分散连接方式分散连接方式 总线方式总线方式互连方式互连方式分散连接方式分散连接方式输入设备输入设备Input Input Equi

2、pmentEquipment运算器运算器ALUALU控制器控制器CUCU输出设备输出设备Output Output EquipmentEquipment结果结果计算计算数据数据程序程序存储器存储器MemoryMemoryl 各器件间通过单独各器件间通过单独的连线的连线 直接相连直接相连v 信号线多信号线多v 器件多个器件多个v 不同器件，信号线不同不同器件，信号线不同 直连的实现，非常复杂直连的实现，非常复杂CPUCPU地址线地址线 n n根根数据线数据线 m m根根控制线控制线 多根多根请求信号请求信号 多根多根存储器存储器地址线地址线 n n根根数据线数据线 m m根根读信号线读信号线写信

3、号线写信号线输入输入/ /输输出模块出模块地址线地址线 n n根根数据线数据线 m m根根读信号线读信号线写信号线写信号线外部数据线外部数据线中断请求线中断请求线互连方式互连方式总线方式总线方式总线：总线：用于连接各部件用于连接各部件的的信息传输线信息传输线，是各个，是各个部件部件 共享的共享的传输介质传输介质一根线传输一根线传输1 1位二进制数位二进制数总线通常是一组线总线通常是一组线e.g. 32e.g. 32根线传输根线传输3232位二进制数位二进制数 总线示意总线示意图图总线分类总线分类总线特性总线特性总线性能指标总线性能指标l 各器件都连接到一组公共信息传输线上各器件都连接到一组公共

4、信息传输线上争争用用广广播播总线结构总线结构总线的概念总线的概念总线结构示意图总线结构示意图BUS器件器件1 1器件器件2 2器件器件n n总线的概念总线的概念总线分类总线分类v 按照总线连接的对象不同：按照总线连接的对象不同：s 片内总线片内总线s 系统总线系统总线s 通信总线通信总线片内总线片内总线用于连接芯片内用于连接芯片内各器件的总线。各器件的总线。e.g. CPU内部总线内部总线ARM芯片的芯片的AMBA总线总线系统总线系统总线连接计算机系统内的各连接计算机系统内的各大部件（大部件（CPU、存储器、存储器输入输入/输出模块）。输出模块）。数据总线双向宽度=存储字长地址线单向输出宽度决

5、定CPU直接寻址范围控制线输入or输出输入：各种请求线输出：读/写，应答通信总通信总线线用于计算机系统之间或用于计算机系统之间或计算机系统与其它系统计算机系统与其它系统之间进行通信的总线。之间进行通信的总线。根据数据传输方式分为：根据数据传输方式分为：串行总线：串行总线：e.g. USB并行总线：并行总线：IEEE-488e.g. CPU内部总线内部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串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线总线的概念总线的概念总线特性总线特性v 机械特性机械特性v 电气特性电气特性v 功能特性功能特性v 时间特性时间特性尺寸尺寸 、形状、针数等等、形状

6、、针数等等传输方向传输方向 、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 关系关系地址地址数据数据控制控制总线的概念总线的概念总线性能指标总线性能指标引脚类型引脚类型 专用专用复用复用总线宽度总线宽度 数据线根数数据线根数通信时序通信时序 同步同步 异步异步总线仲裁方式总线仲裁方式 集中式集中式 分布式分布式v总线带宽总线带宽（传输率（传输率 每秒传输的最大字节数每秒传输的最大字节数 MB/sMB/s ） = = 总线工作频率总线工作频率 总线宽度总线宽度v负载能力负载能力 能够驱动（挂接）的设备数能够驱动（挂接）的设备数数据数据/ /地址地址复用总线复用总线总

7、线的概念总线的概念总线标准与标准总线总线标准与标准总线常见标准总线：常见标准总线：ISAISA总线总线EISAEISA总线总线PCIPCI总线总线SCSISCSI总线总线总线标准总线标准 - - 系统与各模块、模块之间的一个互连的标准界面系统与各模块、模块之间的一个互连的标准界面。标准总线带来的好处：标准总线带来的好处：v系统与各模块之间透明；系统与各模块之间透明；v为软硬件设计带来方便；为软硬件设计带来方便；v利于计算机商业化发展；利于计算机商业化发展； - - 对前述总线对前述总线特性特性及各种及各种性能指标性能指标进行描述和规定。进行描述和规定。课后阅读课后阅读总线结构总线结构总线结构总

8、线结构v单总线结构单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线）CPUCPU IOIO模块模块1 1IOIO模块模块2 2IOIO模块模块n n延迟延迟争用争用系统性能瓶颈系统性能瓶颈 主存主存总线结构总线结构多总线结构多总线结构v多总线结构多总线结构 之之 二级总线二级总线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/OI/O统一管理统一管理通道通道 I/O I/O接口接口 设备设备n n I/O I/O接口接口 设备设备0 0 CPUCPU主存主存主存总线主存总线I/OI/O总线总线IOIO速度慢，使用独速度慢，使用独立的立的IOIO总线总线总线结构总线结构多总线结构多总线结

9、构v多总线结构多总线结构 之之 三级总线三级总线串行接口串行接口局域网局域网系统总线系统总线CPUCPUCacheCache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ModemModemSCSISCSI局部局部I/OI/O控制器控制器主存主存为提高系统效率为提高系统效率多级总线设计原则：多级总线设计原则：速度相近的器件挂接速度相近的器件挂接到同一条总线上到同一条总线上速度越快的总线距离速度越快的总线距离CPUCPU越近越近总线结构总线结构多总线结构多总线结构v多总线结构多总线结构 之之 四级总线四级总线主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网 SCSISCSI多媒体多媒体 C

10、PUCPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口FAX FAX 系统总线系统总线 局部总线局部总线 高速总线高速总线 扩展总线扩展总线图图 形形Cache/Cache/桥桥总线控制总线控制总线控制总线控制v 总线仲裁总线仲裁 主设备主设备 - - 具有总线控制权，能启具有总线控制权，能启动信息的传输动信息的传输 从设备从设备 - - 没有总线控制权，只能没有总线控制权，只能响应主设备的命令响应主设备的命令总线是共享的传输通路，当有多个主设备，请求使用总线时，总线是共享的传输通路，当有多个主设备，请求使用总线时，发生争用，通过仲裁方式，决定总线控制权的归属。发生争用，通过仲裁方式，决定总线控制权的

11、归属。 集中式集中式 - - 将控制逻辑集将控制逻辑集中在总线控制器中。中在总线控制器中。 分散式分散式 - - 仲裁控制逻辑仲裁控制逻辑分散在总线上的各器件中。分散在总线上的各器件中。总线结构示意图总线结构示意图总线控制总线控制集中式总线仲裁集中式总线仲裁v 总线仲裁总线仲裁 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链式查询方式特点：链式查询方式特点： 控制线少（控制线少（3 3根）；根）； 优先级由物理位置决定；优先级由物理位置决定； 电路故障敏感；电路故障敏感；计数器定时查询特点：计数器定时查询特点：增加一组设备地址线（增加一组设备地址线（n n根）；根）

12、； 控制线控制线 2+ n (n = log2+ n (n = log2 2 设备数设备数) )；电路故障不敏感；电路故障不敏感；优先级设置灵活；优先级设置灵活；独立请求方式特点：独立请求方式特点：电路故障不敏感；电路故障不敏感；优先级设置灵活；优先级设置灵活；速度快（无传输延迟速度快（无传输延迟/ /计数时间）计数时间）控制线多（控制线多（2n2n根，根，n n是设备数）；是设备数）；总线控制总线控制v 总线通信控制总线通信控制 同步通信方式同步通信方式 异步通信方式异步通信方式一次总线通信过程一次总线通信过程申请总线使用权申请总线使用权 寻址阶段寻址阶段 数据传输阶段数据传输阶段 结束阶段

13、结束阶段 半同步通信方式半同步通信方式 分离式通信方式分离式通信方式总线控制总线控制v单总线结构单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线）CPUCPU IOIO模块模块1 1IOIO模块模块2 2IOIO模块模块n n 主存主存某一时刻，只允许由一个设备控制总某一时刻，只允许由一个设备控制总线，进行信息传输。线，进行信息传输。I/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口1 1 集中式仲裁集中式仲裁 链式查询链式查询总总线线控控制制部部件件I/OI/O接口接口0 0BSBSBRBRI/OI/O接口接口n nBGBG数据线数据线地址线地址线 BS - BS - 总线忙总线忙 BR - BR

14、- 总线请求总线请求 BG - BG - 总线同意总线同意如果不忙，如果不忙，则响应则响应总线请求总线请求总线同意信号，向下传递，被第一个提出请求的设备获取总线同意信号，向下传递，被第一个提出请求的设备获取获得总线控制权后，置总线忙获得总线控制权后，置总线忙检测总线是否忙检测总线是否忙总线启动计数器计数，并将计数地址从设备地址线输出总线启动计数器计数，并将计数地址从设备地址线输出地址与计数值相同的设备，获得总线使用权地址与计数值相同的设备，获得总线使用权 集中式仲裁集中式仲裁 计数器定时查询计数器定时查询I/OI/O接口接口1 1总总线线控控制制部部件件I/OI/O接口接口0 0BSBSBRB

15、RI/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n nBGBG BR - BR - 总线请求总线请求 BG - BG - 总线同意总线同意检测总线是否忙检测总线是否忙如果不忙，如果不忙，响应响应总线请求总线请求获得总线控制权后，置总线忙获得总线控制权后，置总线忙 BS - BS - 总线忙总线忙数据线数据线地址线地址线设备地址线设备地址线计数器计数器 一组设备地址线一组设备地址线v计数器计数器 - 具有自增或自减功能的寄存器。具有自增或自减功能的寄存器。 - - 每来一个计数脉冲（时钟每来一个计数脉冲（时钟ClockClock），寄存器），寄存器+1+1或或-1-1。 - - 简单的简单的n

16、n位递增计数器，计数值在全零和全位递增计数器，计数值在全零和全1 1之间循环递增。之间循环递增。 集中式仲裁集中式仲裁 计数器定时查询计数器定时查询vv设备号设备号/ /设备地址设备地址Clock000 11011100101110111?000N N个设备，为了能够相互区别，至少需要多少位地址？个设备，为了能够相互区别，至少需要多少位地址？2 2n n =N =N地址地址位数位数 n n =log=log2 2N N向上取整向上取整v 优先级方式优先级方式 集中式仲裁集中式仲裁 计数器定时查询计数器定时查询E.g.总线上挂接了四个主设备总线上挂接了四个主设备编号分别是：编号分别是：0 0、1

17、 1、2 2、3 31st设备设备1 1和设备和设备3 3同时提出总线请求同时提出总线请求0001启动计数位置启动计数位置设备设备1 1获得总线，计数停止获得总线，计数停止2nd设备设备1 1和设备和设备3 3同时提出总线请求同时提出总线请求怎样能让设备怎样能让设备3 3获得总线使用权？获得总线使用权？1 1、固定优先级方式、固定优先级方式2 2、优先级均等方式、优先级均等方式计数起始位置固定为优先级最高的设备地址计数从本次获得总线的下一个设备开始计数000110111st起始位置起始位置1st ,设备设备1获获得总线得总线2nd起始位置起始位置2nd ,设备设备3获获得总线得总线 集中式仲裁

18、集中式仲裁 独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件I/OI/O接口接口0 0BGBG0 0BRBR0 0I/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n n BR - 总线请求总线请求 BG - 总线同意总线同意设备提出总线请求，由总线控制器决定设备提出总线请求，由总线控制器决定给哪一个设备使用。给哪一个设备使用。 BS - 总线忙总线忙数据线数据线地址线地址线排排队队器器BRBR1 1BGBG1 1BRBR2 2BGBG2 2 每个设备一组每个设备一组I/OI/O接口接口1 1通信控制通信控制同步通信方式同步通信方式- - 通信双方由通信双方由统一时标统一时标控制数据的传送控制数据

19、的传送T T1 1总线传输周期总线传输周期T T2 2T T3 3T T4 4 时钟时钟 地址地址 读读命令命令 数据数据-通信双方必须通信双方必须严格的遵守时序规定严格的遵守时序规定 在规定时间内，完成数据传送在规定时间内，完成数据传送-在规定时序时，只能以在规定时序时，只能以最慢的设备最慢的设备为准为准- - 适用于各部件适用于各部件速度相当速度相当的场合的场合通信控制通信控制异步通信方式异步通信方式- - 通信双方不需要时钟标准通信双方不需要时钟标准 一个事件的发生一个事件的发生取决于前一个事件的发生取决于前一个事件的发生- - 应答方式（应答方式（握手机制握手机制） 一对应答信号，一对

20、应答信号，Request & AcknowledgeRequest & Acknowledge - - 三种不同应答方式三种不同应答方式 应答信号的撤销是否有依赖关系应答信号的撤销是否有依赖关系 关系到通信的可靠性关系到通信的可靠性不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答通信控制通信控制异步通信方式之握手方式异步通信方式之握手方式通信控制通信控制半同步通信方式半同步通信方式同步通信方式同步通信方式 - 发送方发送方 在系统在系统 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、识别为允许速度较

21、慢的设备接入为允许速度较慢的设备接入 - 增加一条增加一条“等待等待”信号线信号线 - 如果从设备无法在规定时间内完成要求如果从设备无法在规定时间内完成要求 则发出则发出“等待等待”信号，插入等待周期信号，插入等待周期通信控制通信控制 分离式通信分离式通信上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点: : 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为充分挖掘系统总线的潜力为充分挖掘系统总线的潜力主模块主模块 申请申请 占用总线，使用完后即占用总线，使用完后即 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

22、 占用总线，将各种信息送至总线上占用总线，将各种信息送至总线上一个总线传输周期划分为一个总线传输周期划分为两个子周期：两个子周期： 子周期子周期1 1 子周期子周期2 2v各模块都需要作为主设备，能够竞争总线使用权；各模块都需要作为主设备，能够竞争总线使用权；v控制复杂；控制复杂；e.g.e.g.电平标准电平标准v RS232 RS232 即串口电平采即串口电平采用负逻辑。用负逻辑。1-3V -15V0+3V +15VvTTLTTL，及，及TTLTTL兼容电平，兼容电平，采用正逻辑，高电平代采用正逻辑，高电平代表表1 1，低电平电表，低电平电表0 0。12V5V00.8V0VTTL 电平标准电

23、平标准RS232 电平标准电平标准RS232- 9针的针的COM口口e.g.8086e.g.8086读操作时序图读操作时序图A16/S3-A19/S6AD0-AD15ALERD地址信号地址信号地址信号地址信号ALEALE有效有效RDRD有效有效数据信号数据信号状态信号状态信号CLKT1T2T3TWT4高阻高阻信号撤销信号撤销e.g.e.g.标准工业总线标准工业总线v 支持突发工作模式支持突发工作模式v兼容兼容ISAISA，EISAEISA总线总线 PCI总线总线v支持即插即用支持即插即用v总线型拓扑结构总线型拓扑结构vPCIPCI桥支持扩展及并行操作桥支持扩展及并行操作PCI Express点

24、对点拓扑点对点拓扑e.g.e.g.标准工业总线标准工业总线 PCI总线总线vPCIPCI桥接结构桥接结构CPUCPU多媒体多媒体PCI 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 PCI 总线总线系统总线系统总线33 33 MHzMHz的的3232位数据通路位数据通路8 8 MHzMHz的的1616位数据通路位数据通路ISA EISAISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI SCSI 控制器控制器存储器存储器PCIPCI总线总线2 2存储器存储器桥桥0 0桥桥4 4 PCI PCI设备设备桥桥5 5总线桥总线桥桥桥3 3桥桥1

25、 1设备设备桥桥2 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PCIPCI总线总线4 4PCIPCI总线总线5 5PCIPCI总线总线3 3PCIPCI总线总线1 1PCIPCI总线总线0 0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPUCPU系统总线系统总线地址线地址线 n n根根数据线数据线 m m根根控制线控制线 多根多根请求信号请求信号 多根多根 发送地址信号发送地址信号 至至 存储器或者存储器或者IOIO模块模块 读入或者发送数据读入或者发送数据 读入指令，执行，发出各种控制信号读入指令，执行，发出各种控制信号 接收来自外设的中断接收来自外设的中断/ /总线请求信号总线请求信号

26、系统总线系统总线地址线地址线 n n根根数据线数据线 m m根根控制线控制线 多根多根请求信号请求信号 多根多根地址线根数地址线根数 n n寻址范围寻址范围 2 2n n数据线根数数据线根数 m m数据字长数据字长 m m位位 数据字长数据字长 机器字长机器字长一次可以从存储器取出的二进制数位数一次可以从存储器取出的二进制数位数 CPUCPU一次可以进行运算的二进制数位数一次可以进行运算的二进制数位数 取决于数据线的根数取决于数据线的根数取决于取决于CPUCPU内部内部ALUALU寄存器的位数寄存器的位数总线举例总线举例 之之 片内总线片内总线 鲁东大学鲁东大学 LUDONG UNIVERSITYS3c2410S3c2410处理器处理器内部结构框图内部结