第二篇：硬件结构-bus

1、LogoLogo计算机组成原理主讲人：张海英时 间：2013-2014学年第二学期厦门大学国家示范性软件学院目录 概论 1 硬件结构 2 中央处理器 3控制单元 4厦门大学厦门大学 软件学院软件学院第二篇 硬件结构第三章Diagram 2系统总线 Diagram 2第五章存储器 第四章输入输出系统厦门大学厦门大学 软件学院软件学院第三章 总线的基本概念3.1Diagram 2总线的基本概念 总线的分类 总线特性及性能指标 Diagram 23.23.33.4总线结构 3.5总线控制 厦门大学厦门大学 软件学院软件学院厦门大学厦门大学 软件学院软件学院3.1 总线的基本概念一、为什么要用总线一、

2、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3.1厦门大学厦门大学 软件学院软件学院四、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n3.1厦门大学厦门大学 软件学院软件学院2. 单总线结构框图单总线结构框图单总

3、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3.1厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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厦门大学厦门大学 软件学院软件学院3.2 总线的分类1. .片内总线片内总线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

4、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3.2厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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厦门大学厦门大学 软件学院软件学院3.3 总线

5、特性及性能指标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3.3厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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、二、 总线特性总线特性尺寸尺寸、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 关系关系3.3厦门大学厦门大学 软件学院软件学院三、总线的性能指标三、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3. 时钟同步时钟同步/异步异步4.

6、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）同步同步、不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3.3厦门大学厦门大学 软件学院软件学院ISAEISAVESA(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3.3厦门大学厦门大学 软件学院

7、软件学院名称ISA(PC-AT)EISASTDVESA(VL-BUS)MCAPCI适用机型80286、386、486系列机386、486、586、IBM系列机Z-80、V20、V40、IBM PC系列机i486、PC-AT兼容机IBM个人机与工作站P5个人机、PowerPC、Alpha工作站最大传输率15MBps33MBps2MBps266MBps40MBps133MBps或266MBps总线宽度16位32位8位32位32位32位总线工作频率8MHz8.33MHz2MHz66MHz10MHz33MHz66MHz同步方式同步异步同步仲裁方式集中集中集中集中地址宽度24322032/64负载能力8

8、6无限制6无限制3信号线数143901094964位扩展不可无规定不可可可可并发工作可可引脚使用非多路复用非多路复用非多路复用非多路复用多路复用三、总线的性能指标三、总线的性能指标厦门大学厦门大学 软件学院软件学院3.4 总线结构一、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3.4厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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 I/O接口接口 设备设备n I

9、/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3.4厦门大学厦门大学 软件学院软件学院2. 三总线结构三总线结构主存总线主存总线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3.4厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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厦门大学厦门大学 软件学院软件学院4

10、. 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速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥3.4厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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

11、 BUS Modem3.4厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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 Modem3.4厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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

12、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厦门大学厦门大学 软件学院软件学院3.5 总线控制一、总线判优控制一、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3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院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0

13、BSBRI/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3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院BS 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方式 计数器计数器 13.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院排队器排队器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 BG0BR1BG1BRnBGn

14、BG总线同意总线同意BR总线请求总线请求3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院二、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3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院由由 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

15、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3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院 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 数据数据3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院 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3.5厦门大学厦门大学 软件学院软

16、件学院l例3.1：假设总线的时钟频率为100MHz，总线的传输周期为4个时钟周期，总线的宽度为32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？l解：解：(1)根据总线时钟频率为100MHz，得 1个时钟周期为1/100MHz=0.01us 总线传输周期为0.01us4=0.04us 由于总线的宽度为32位=4B（字节） 故总线的数据传输率为4B/（0.04us）=100MBps(2)若想提高一倍数据传输率方法一：方法一：在不改变总线时钟频率的前提下，将数据线的宽度改为64位方法二：方法二：保持数据宽度为32位，使总线的时钟频率增加到200MHz3.5厦门大学厦门大学 软件

17、学院软件学院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从设备从设备请请求求回回答答3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院l例3.2：在异步串行传输系统中，假设每秒传输120个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位、7个数据位、1个奇校验位、1个终止位，试计算波特率。l解：根据题目给出的字符格式，一帧包含1+7+1+1=10位故波特率为(1+7+1+1)120=1200 bps =1200波特3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院l例3.3：画图说明用异步串行传输方式发送8位十六进制数据95H。要求字符格式为：1位起始位，8位数据位，1位偶校验位，1位终止位。l解

18、：异步串行在起始位之后传输的是数据位的最低位（95H 的最低位D0=1),而且数据的最高位（ 95H的最低位 D7=1）传输之后传输校验位，最后是终止位。数据 95H的偶校验位为0，其波形图如图3.20所示。起始位校验位停止位D0D1D2D3D4D5D6D7图3.20 数据95H的传送波形3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院 由于异步串行通信字符格式中包含若干附加位，如起始位、终止位、校验位，而且终止位有1位、1.5位、2位之分，若只考虑有效数据位，可用比特率来衡量异位串行通信的数据传输速率，即单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位用bps表示。 为了提高速度，将异步串行传送中这些附加位

19、去掉，就可以采用同步传送，在同步传送时，据块开始处要用同步字符SYN来指明，如图3.21所示。 SYN字符1 SYN字符2 数据 图3.21 同步串行传送格式同步传送速度高于异步传送速度，可达500千波特，而异步通信传送一般为5019200 波特3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院l例3.4：在异步串行传输系统中，若字符格式为：1位起始位、8位数据位、1位奇校验位、1位终止位。假设波特率为1200bps,求这时的比特率。l解：根据题目给出的字符格式，有效数据位为8位，而传送一个字符需要1+8+1+1=11位，故比特率为 1200（8/11）= 872.72 bps3.5厦门大学厦门大学 软

20、件学院软件学院(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 WAIT3.5厦门大学厦门大学 软件学院软件学院以输入数据为例的半同步通信时序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