计算机组成原理第三章

1、本章重点本章重点1、掌握总线的基本概念，总线的类型、结、掌握总线的基本概念，总线的类型、结构。构。2、掌握集中式总线控制方式及其特点。、掌握集中式总线控制方式及其特点。3、了解总线的控制方式和通信方式。、了解总线的控制方式和通信方式。结结果果数数据据指令指令计算步骤和计算步骤和开始数据开始数据计算结果计算结果计算结果计算结果数数据据结结果果地地址址指指令令思考：为何引入总线结构？思考：为何引入总线结构？总线的总线的主要组成部分主要组成部分为连接计算机各功能部件的为连接计算机各功能部件的逻辑电逻辑电路路，包括管理信息传输规则的电路，因此决不能把总线理，包括管理信息传输规则的电路，因此决不能把总线

2、理解为解为单纯的单纯的连接线连接线。 在任何时刻，只可以有在任何时刻，只可以有一个部件一个部件向总线上发送信息，向总线上发送信息，但却可以有但却可以有一个或多个部件一个或多个部件同时接收信息。同时接收信息。二、系统总线：二、系统总线：计算机单机系统中各大部件间信息传输的计算机单机系统中各大部件间信息传输的公共通路。公共通路。 包括：包括：3种种用于用于传输数据传输数据，双向双向传输线传输线用于指明用于指明CPU欲访问的存储单欲访问的存储单元或元或I/O端口的端口的地址地址，由，由CPU输出，所以为输出，所以为传输线。传输线。用于用于控制信号控制信号（输（输出出）及其他部件发给）及其他部件发给C

3、PU的状态反馈信的状态反馈信号（输号（输入），整体双向，单个单向。入），整体双向，单个单向。地址总线中信号线的根数决定了主地址总线中信号线的根数决定了主存可达到的存可达到的最大容量最大容量。例：例： 20位（根）地址线：位（根）地址线： 00000000000000000000：0 11111111111111111111：220-1 存储容量存储容量=220 Bn数据总线的宽度隐含给出了机器字长。数据总线的宽度隐含给出了机器字长。控制总线上的常见信号控制总线上的常见信号：通常：通常：地址总线的宽度地址总线的宽度表示出系统总线的表示出系统总线的寻址寻址范围范围； 数据总线的宽度数据总线的宽度表

4、示出系统总线能同时表示出系统总线能同时传送的传送的数据位数数据位数； 控制总线所给出的控制总线所给出的控制信号类型控制信号类型决定了决定了系统总线所系统总线所支持的控制方式支持的控制方式。 3.3 总线特性及性能指标：总线特性及性能指标：一、总线特性：一、总线特性：1. 物理特性：物理特性：以电路板上的一组以电路板上的一组导线导线、总线、总线插插槽槽、插头插头、电缆电缆等形式给出。如下图等形式给出。如下图 特点：特点：具有严格的物理定位规则具有严格的物理定位规则，不能乱接。不能乱接。插件板插件板主板主板接插件2. 机械特性：机械特性：3. 电气特性：电气特性：4. 功能特性：功能特性： 5.

5、时间特性时间特性：二、总线的性能指标：二、总线的性能指标：总线带宽总线带宽1. 总线宽度：总线宽度：2. 总线带宽（标准传输率）：总线带宽（标准传输率）：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. 其它指标：其它指标： 负载能力负载能力电源电压电源电压扩展能力扩展能力三、总线标准：（总线为什么要有标准）三、总线标准：（总线为什么要有标准）132MB/s246MB/s PCI总线的总线的缺点缺点：1、不能热插拔；、不能热插拔；2、总线负载较少，不能超过总线负载较少，不能超过7个，难以扩展个，难以扩展I/O接口；接

6、口；3、PCI总线的插座为槽式结构，总线的插座为槽式结构，不坚固，散热不良；不坚固，散热不良；4、采用共享总线机、采用共享总线机制，会出现总线竞争问题。制，会出现总线竞争问题。4、AGP总线总线AGP（加速图像接口）（加速图像接口）,是英特尔推出是英特尔推出的一种的一种3D标准图像接口，它能够提供四倍标准图像接口，它能够提供四倍于于PCI的效率。的效率。5、USB总线（通用串行总线）总线（通用串行总线）优点：优点：1、系统总线供电；、系统总线供电；2、支持设备众多；、支持设备众多；3、扩展容易，最多可扩扩展容易，最多可扩127个；个；4、高速数据传输，、高速数据传输，USB1.1是是12Mb/

7、s，USB2.0高达高达480Mb/S；5、方、方便的设备互连。便的设备互连。缺点：缺点：1、供电能力有限；、供电能力有限；2、传输距离短，、传输距离短，USB总总线的连线长度最大为线的连线长度最大为5m。二、多总线结构：二、多总线结构： CPUMMI/O1I/O2I/OnCPU内存内存通道通道I/O0I/On2. 三总线结构：三总线结构：CPU主存主存通道通道I/O0I/OnCPUMM高速高速I/OI/O1I/OnCPUCache局部局部I/O控制器控制器MM局域网局域网SCSI扩展总线接口扩展总线接口Modem串行接口串行接口MMCPUCache桥桥SCSI图形图形多媒体多媒体局域网局域网

8、FAX扩展总线接口扩展总线接口调制解调器调制解调器串行接口串行接口总线结构对系统性能的影响：总线结构对系统性能的影响：3.5 总线控制总线控制 对总线的工作进行控制管理的对总线的工作进行控制管理的部件。部件。 总线控制方式：主要分两种总线控制方式：主要分两种 ： 总线控制所需的逻辑电路总线控制所需的逻辑电路集中集中在一起，放在在一起，放在CPU中中，或专设总线控制器。，或专设总线控制器。 1. 总线的控制权：总线的控制权： （主方）（主方） 申请、启动总线操作的申请、启动总线操作的部件。当申请成功时主设备部件。当申请成功时主设备享有总线控制权享有总线控制权。 （从方）（从方） 被动响应被动响应

9、主设备发来的主设备发来的总线操作命令的部件。配合主设备完成一次总线总线操作命令的部件。配合主设备完成一次总线传送操作。传送操作。 通常，通常，主设备由能够发出总线请求的部件承主设备由能够发出总线请求的部件承担担（举出几个？）。（举出几个？）。典型的从设备是典型的从设备是MM，为什，为什么？么？I/O设备呢？设备呢？ 2. 总线判优：总线判优： 目的：目的：当有多个主设备同时申请总线时，当有多个主设备同时申请总线时， 思路：思路：为每个主设备按照为每个主设备按照轻重缓急轻重缓急程度程度设置设置优先级别优先级别，同时总线控制器中，同时总线控制器中设置仲裁机构设置仲裁机构。当。当多个主设备同时要求使

10、用总线时，总线仲裁机构多个主设备同时要求使用总线时，总线仲裁机构依据其优先级的高低确定谁先获得总线控制权。依据其优先级的高低确定谁先获得总线控制权。 集中式总线控制常用判优方法：集中式总线控制常用判优方法：三种三种 （菊花）链式查询；（菊花）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。（菊花）链式查询：（菊花）链式查询：通过一条判优链路对所有主设备通过一条判优链路对所有主设备逐个串行逐个串行进行进行查询。查询。 优先权的分配：优先权的分配：，反之最低。，反之最低。 查询方法：查询方法：从离总线控制部件最近的设从离总线控制部件最近的设备开始查起。首先查到的一定是所有

11、提出请备开始查起。首先查到的一定是所有提出请求的设备中优先权最高的一个。求的设备中优先权最高的一个。 该设备通过相该设备通过相应信号应信号卡断卡断判优链路，判优链路，这样他就可以独霸总这样他就可以独霸总线与从设备之间进行操作而无后顾之忧了。线与从设备之间进行操作而无后顾之忧了。链式查询方式结构框图，如图：链式查询方式结构框图，如图：I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口n数据线数据线地址线地址线链式查询方式控制信号线定义：三根链式查询方式控制信号线定义：三根公用线公用线公用线公用线链式查询方式的特点：链式查询方式的特点： 查询查询，查询链路查询链路；优先级固定不变，；优先级固定不变，；

12、优先级低的设备可能长期得；优先级低的设备可能长期得不到响应，不到响应，。、计数器定时查询：、计数器定时查询：I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口n数据线数据线地址线地址线设备地址设备地址结构特点：与链式查询相比，增加一组设备地址线，少了结构特点：与链式查询相比，增加一组设备地址线，少了 一根一根BG线。线。计数器定时查询过程示意：计数器定时查询过程示意：I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口n数据线数据线地址线地址线设备地址设备地址 00000I/O接口接口1I/O接口接口0I/O接口接口n数据线数据线地址线地址线设备地址设备地址 00001计数器定时查询的特点：计数器定时查

13、询的特点： 优先级设置优先级设置灵活灵活，对电路故障不如链式查询敏对电路故障不如链式查询敏感感； 但控制线（设备地址线）根数但控制线（设备地址线）根数增加增加，控制过程，控制过程复杂性增加。复杂性增加。、独立请求方式：、独立请求方式：独立请求方式结构框图：图独立请求方式结构框图：图3.13（c）I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口n数据线数据线地址线地址线结构特点：每个设备都有一对独立的结构特点：每个设备都有一对独立的BR、BG线。线。I/O接口接口n独立请求查询过程示意：图独立请求查询过程示意：图3.13（c）I/O接口接口0I/O接口接口1数据线数据线地址线地址线三种判优方式控制

14、线数的比较：三种判优方式控制线数的比较： 常用总线通信方式：常用总线通信方式：4种种1. 同步通信同步通信2. 异步通信异步通信3. 半同步通信半同步通信4. 分离式通信分离式通信总线读周期时序：总线读周期时序：总线读周期时序：总线读周期时序：总线写周期时序：总线写周期时序：总线写周期时序：总线写周期时序：总线写周期时序：总线写周期时序：2. 异步通信：异步通信：特点：特点：总线周期的总线周期的长短可长短可随主随主/从模块从模块的实际工作时间的实际工作时间变化变化，因而当系统中各部，因而当系统中各部件速度差异较大时，总线工作效率比同步件速度差异较大时，总线工作效率比同步通信通信高得多高得多，但

15、，但控制复杂控制复杂，比同步通信难，比同步通信难实现。实现。异步通信分类：异步通信分类： 异步通信根据应答信号配合的异步通信根据应答信号配合的完善程完善程度度，常分为三种类型：，常分为三种类型： 1） 不互锁不互锁方式方式 2） 半互锁半互锁方式方式 3） 全互锁全互锁方式方式1） 不互锁方式：不互锁方式： 一种一种不完善不完善的应答方式，其通信过程如的应答方式，其通信过程如下：下： 主设备向从设备发出请求信号，主设备向从设备发出请求信号，不等待不等待从设备的回答信号从设备的回答信号，经过一段时间后，默认，经过一段时间后，默认从设备已收到请求信号，并自动撤消请求信从设备已收到请求信号，并自动撤

16、消请求信号。号。 从设备在接到请求信号后，在条件允许时向从设备在接到请求信号后，在条件允许时向主设备发出回答信号，但不要求主设备在接收到主设备发出回答信号，但不要求主设备在接收到回答信号后发出确认信号，而是经过一段时间后，回答信号后发出确认信号，而是经过一段时间后，自动撤消回答信号自动撤消回答信号。 缺点：应答过程实际上是缺点：应答过程实际上是单方面单方面的，彼此之的，彼此之间并间并无相互制约机制，因此可靠性差无相互制约机制，因此可靠性差。2） 半互锁方式：半互锁方式： 这种方式的通信过程如下：这种方式的通信过程如下： 主模块发出请求信号，然后等待，主模块发出请求信号，然后等待，直到接收到从模

17、块直到接收到从模块的回答信号后才撤消请求信号的回答信号后才撤消请求信号。 从模块发送回答信号的过程还从模块发送回答信号的过程还和不互锁方式一样和不互锁方式一样，不，不等主模块的确认信号，因此称为半互锁方式。等主模块的确认信号，因此称为半互锁方式。 这种方式下交换双方之间的相互制约机制还不完善，这种方式下交换双方之间的相互制约机制还不完善，但与不互锁方式相比但与不互锁方式相比可靠性有所提高可靠性有所提高。3） 全互锁方式：全互锁方式： 这是一种这是一种最完善最完善的应答方式。其通信的应答方式。其通信过程如下：过程如下： 主模块向从模块发出请求信号后，主模块向从模块发出请求信号后，一一直等到直等到接收到从模块的