计算机组成原理第03章

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l教学目标：教学目标：了解总线的基本概念及了解总线的基本概念及其分类，了解计算机的结构从分散其分类，了解计算机的结构从分散连接发展成总线连接的原因、方式连接发展成总线连接的原因、方式及各种总线标准。及各种总线标准。l重点：重点：总线的基本概念；如何克服总线的基本概念；如何克服总线的瓶颈；如何对总线进行管理总线的瓶颈；如何对总线进行管理（判优控制和通信控制）。（判优控制和通信控制）。l难点：难点：总线的通信控制。总线的通信控制。一、为什么要用

2、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、总线结构计算机举例四、总线结构计算机举例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 M.M I/O接口

3、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 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

4、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 插件板插件板M.M 插件板插件板I/O插件板插件板一、总线物理实现一、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. 时间特性时间特性二、总线特性二、总线特性尺寸尺寸 形状形状传输方向

5、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 关系关系地址地址数据数据控制控制三、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. 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（MBs）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、

6、自动、仲裁、逻辑、计数ISAEISAVL-BUSPCI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lISA 工业标准结构工业标准结构 lEISA 增强型工业标准结构的总线增强型工业标准结构的总线 lVESA 视频电子工业协会提出的局部总线，简视频电子工业协会提出的局部总线，简称称VL总线总线 lPCI 外围部件互连总线外围部件互连总线 lPCI Express lAGP 加速图形接口加速图形接口lRS-232C 推荐串行通信总线标准推荐串行通信总线标准lUSB 通用串行总线，串行接口总线标准通用串行总线，串行接口总线标准lSCSI 小型计算机

7、接口小型计算机接口lIEEE1394 一种串行接口标准一种串行接口标准一、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 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总线主存总线DMADMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存

8、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. 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

9、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

10、 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS3. 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5PC

11、I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

12、/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nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-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，

13、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. 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

14、、异步结合同步、异步结合(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 读读命令命令 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 数据数据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(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

15、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

16、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瞬间的潜力充分挖掘系统总线每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子周期子周期2主模块主模块1. 各模块有权申请占用总线各模块有权申请占用总线分离式通信特点分离式通信特点充分发挥了总线的有效占用充分发挥了总线的有效占用2. 采用同步方

17、式通信，不等对方回答采用同步方式通信，不等对方回答3. 各模块准备数据时，不占用总线各模块准备数据时，不占用总线4. 总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲3.11画一个具有双向传送功能的总线逻辑图。画一个具有双向传送功能的总线逻辑图。3.12 设数据总线上接有设数据总线上接有A、B、C、D四个寄存器，四个寄存器，要求选用合适的要求选用合适的74系列芯片，完成下列逻辑设系列芯片，完成下列逻辑设计：计：（1）设计一个电路，在同一时间实现）设计一个电路，在同一时间实现DA、DB和和DC寄存器间的传送；寄存器间的传送；（2）设计一个电路，实现下列操作：）设计一个电路，实现下列操作：lT0时刻完成时

18、刻完成D总线；总线；lT1时刻完成总线时刻完成总线A；lT2时刻完成时刻完成A总线；总线；lT3时刻完成总线时刻完成总线B。3.14 设总线的时钟频率为设总线的时钟频率为8MHz，一个总，一个总线周期等于一个时钟周期。如果一个总线线周期等于一个时钟周期。如果一个总线周期中并行传送周期中并行传送16位数据，试问总线的带位数据，试问总线的带宽是多少？宽是多少？3.16 在异步串行传送系统中，字符格式为：在异步串行传送系统中，字符格式为：1个起始位、个起始位、8个数据位、个数据位、1个校验位、个校验位、2个个终止位。若要求每秒传送终止位。若要求每秒传送120个字符，试求个字符，试求传送的波特率和比特

19、率。传送的波特率和比特率。1. 信息只用一条传输线信息只用一条传输线 ，且采用脉冲传输的方，且采用脉冲传输的方式称为式称为_。A.串行传输串行传输 B.并行传输并行传输 C.并串行传输并串行传输 D.分时传输分时传输答案：答案：A2.系统总线中地址线的功能是系统总线中地址线的功能是_。A. 用于选择主存单元地址用于选择主存单元地址 B. 用于选择进行信息传输的设备用于选择进行信息传输的设备C. 用于选择外存地址用于选择外存地址 D. 用于指定主存和用于指定主存和I/O设备接口电路的地址设备接口电路的地址答案：答案：D3. PCI总线采用总线采用A._仲裁方式，每一个仲裁方式，每一个PCI设备都

20、有独立的总线请求和总线授权两设备都有独立的总线请求和总线授权两条信号线与条信号线与B._相连。相连。答案：答案：A.集中式集中式 B.中央仲裁器中央仲裁器4.三种集中式总线控制中，三种集中式总线控制中，_方式对电路方式对电路故障最敏感。故障最敏感。A.链式查询链式查询 B.计数器定时查询计数器定时查询 C.独立请独立请求求 答案：答案：A5.下面叙述中，下面叙述中，_是正确的。是正确的。A.总线一定要和接口相连总线一定要和接口相连 B.接口一定要和总线相连接口一定要和总线相连C.通道可以替代接口通道可以替代接口 D.总线始终由总线始终由CPU控制和管理控制和管理答案：答案：B6.计算机使用总线

21、结构的主要优点是便于实现积木化，计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化，同时同时_。A. 减少了信息传输量减少了信息传输量B. 提高了信息传输的速度提高了信息传输的速度C. 减少了信息传输线的条数减少了信息传输线的条数答案：答案：C 7.描述描述PCI总线中基本概念不正确的是总线中基本概念不正确的是_。A. PCI总线是一个与处理器无关的高速外围总线总线是一个与处理器无关的高速外围总线B. PCI总线的基本传输机制是猝发式传输总线的基本传输机制是猝发式传输C. PCI设备不一定是主设备设备不一定是主设备D. 系统中只允许有一条系统中只允许有一条PCI总线总线答案：答案：D8.按照总线仲裁电路的位置不同，可分为按照总线仲裁电路的位置不同，可分为A._仲裁和仲裁和B._仲裁。仲裁。 答案：答案：A.集中式集中式 B.分布式分布式 9.计算机系统中，根据应用条件和硬件资源不同，计算机系统中，根据应用条件和硬件资源不同，数据传输方式可采用：数据传输方式可采用：A._传送、传送、B._传传送和送和C._传送。传送。答案：答案： A.并行并行 B.串行串行 C.复用复用10.同步控制是同步控制是_。A只适用于只适用于CPU控制的方式控制的方式 B只适用于外围设备控制的方式只适用于外围设备控制的方式C由统一时序信号控制的方式由统一时序信号控制的方式 D所有指令控制时