第7章总线技术

作业讲解：6.5CPU结构如图所示，其中有一个累加器AC、一个状态条件寄存器和其他四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。要求：(1)标明图中a、b、c、d四个寄存器的名称(2)简述指令从主存取到控制器的数据通路(3)简述数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路解答：(1)a=MDR(DR)b=IRc=MAR(AR)d=PC解答：(2)PC→MAR→MM→IR→控制器解答：(3)取数：数据地址→MAR→MM→MDR→ALU存数：数据地址→MARALU→AC→

MDR→MMMDRMARIRPC6.6设某计算机运算控制器逻辑图如图6-5，GR为通用寄存器，数据通路中的控制信号意义见表6-1示出，ADS为表示AB上地址有效控制信号。设机器指令的指令格式为(1)写出LOAD指令（从（RS/RD）+DISP指示的内存单元取数，送RS保存）的执行步骤和每步所需控制信号。（2）若采用微程序控制，控存容量为512*32位，微指令采用水平格式，设计微指令格式并给定实现LOAD指令的各微指令编码。解答：（1）（2）微指令共32位，其中下址位有9位，微操作有23位。1、若流水线把一条指令分为取指、分析和执行三个部分，且三部分的时间分别是t取指=2ns，t分析=2ns，t执行=1ns，则100条指令全部执行完毕需____ns。A、163B、183C、192D、2032、若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。己知取指时间t取指＝4△t，分析时间t分析＝3△t，执行时间t执行＝5△t。如果按串行方式执行完100条指令需要（1）△t。如果按照流水方式执行，执行完100条指令需要（2）△t。加速比？吞吐率？最大吞吐率？供选择的答案（1）A.1190B.1195C.1200D.1205（2）A.504B.507C.508D.5103、以下叙述中______是正确的。

A．RISC机一定采用流水技术；B．采用流水技术的机器一定是RISC机；C．CISC机一定不采用流水技术。4、在二地址指令中

是正确的。

A．指令的地址码字段存放的一定是操作数；

B．指令的地址码字段存放的一定是操作数地址；

C．运算结果通常存放在其中一个地址码所提供的地址中；

D．指令的地址码字段存放的一定是操作码。2.有一段线性流水线如下图所示：ABCD入出△t△t2△t△t画出流水线连续流入5条指令的时空图，并求TP、Sp和η。第7章总线技术7.1总线概述基本概念、分类、性能指标7.2总线仲裁方式7.3总线数据传输过程和传输方式7.4常用标准总线简介7.1总线概述1.什么是总线用来连接多个功能部件并为之提供信息交换的公共通路。是构成计算机系统的互联机构；一组能为多个部件分时共享的信息传送线；借助总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础进行工作。为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。主要特征：分时性共享性内部总线：CPU芯片内部的总线，连接各寄存器及运算部件之间的总线。系统总线：计算机系统各部件之间的信息传输线数据总线地址总线控制总线双向与机器字长、存储字长有关单向与存储地址、I/O地址有关有出有入存储器读、存储器写总线允许、中断确认中断请求、总线请求（1）按照总线在系统中所处的位置：内部总线、系统总线、I/O总线和通信总线2.总线分类I/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线。通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等之间的通信）（2）根据总线上信息的传送串行并行3.总线的特性物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座形状，引脚排列方式）功能特性：每根线的功能(地址、数据或控制)电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。对总线信号组成、信号引脚含义、信号电平等作统一规定。为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等。采用标准总线的优点简化系统设计简化系统结构，提高系统可靠性便于系统的扩充和更新4.总线的标准5.总线的性能指标总线宽度：数据线的根数总线带宽（标准传输率）：指单位时间内总线上可传送的数据量，用每秒多少兆字节（MB/S）表示。总线周期：指一次总线操作所用的时间。信号线类型：指信号线是专用还是分时复用。仲裁方法：指集中式裁决还是分布式裁决。时钟：指同步方式还是异步方式。【例】（1）某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，总线时钟频率为33MHz，总线带宽是多少?（2）如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，总线带宽是多少?6.总线的连接方式单机系统中总线结构：单总线系统双总线系统多总线系统单总线（系统总线）1.单总线结构框图

CPU

主存

I/O接口

I/O设备1

I/O设备2

I/O接口…

I/O设备n

I/O接口…单总线：使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。特点:结构简单，容易扩充当I/O与主存交换信息时，原则上不影响CPU的工作，CPU仍可继续处理不访问主存或I/O的操作，这就使CPU工作效率有所提高。单总线结构容易扩展成多CPU系统：只要在系统总线上挂接多个CPU即可.但是，因只有一组总线，当某一时刻各部件都要占用时，就会出现争夺现象。总线冲突比较严重，这也会影响整机的工作速度。2.双总线结构存储器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位数据通路标准总线控制器33MHz的32位数据通路系统总线多媒体高速局域网高性能图形

CPU……

Modem3.PCI总线结构CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISA、EISA标准总线控制器

SCSIⅡ

控制器存储器

Modem一、基本概念连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。总线上可以挂很多设备，但任一时刻都只能由一个设备控制和使用总线，此设备称为主设备响应从主设备发来的总线命令的设备称为从设备总线占用期：主方持续控制总线的时间。当多个设备同时提出使用总线的请求时，必须由总线控制器按事先规定的原则进行仲裁，确定使用总线的先后次序，从而决定由哪一个设备控制总线，称为总线仲裁。7.2总线仲裁方式总线仲裁分布式集中式链式查询计数器定时查询独立请求方式根据总线仲裁电路的位置不同，总线仲裁方式可分为：1、集中式仲裁将总线访问的控制逻辑做在一个控制器（仲裁控制器）中，通过将所有总线请求集中起来，采用一个特定的仲裁算法来进行仲裁。该总线控制器可能是处理器中的部件，也可能是一个独立的控制单元。系统中每个设备至少有两条控制线连接到总线控制器上

1.一条是送往总线控制器的总线请求信号BR；

2.另一条是总线控制器送出的总线授权信号BG；

3.（可能）还有一条送往总线控制器的总线忙信号BS。常用的集中式总线仲裁方式重要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式。链式查询方式：通过优先级排队电路来实现，离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。缺点：1.是对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备接口中有关链的电路出现故障，则该设备后的设备都不能工作.2.优先级固定,假如优先级高的设备出现繁忙的总线请求，则优先级低的设备可能长期得不到总线的使用权。。（1）链式查询方式（1）链式查询方式总线控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG数据线地址线BS

－总线忙BR－总线请求BG－总线同意I/O接口1总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询，该I/O接口获得了总线控制权。（2）计数器定时查询方式：为总线上的每个设备分配一个总线地址，各设备的总线地址按连续值分配，并且在总线控制器中设置一个计数器，若设备数为N，计数器的位数n应满足。总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。总线仲裁电路判断：当BS=0时，开始计数；计数值经地址线送各设备：计数值=某设备，该设备或总线授权；当计数从0开始时，谁的地址号越小越优先，当计数值从终止点开始，所有设备优先级相同。每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开发始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优级相等。0BS

－总线忙BR－总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址（2）计数器定时查询方式I/O接口1计数器设备地址1计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。可方便的改变优先级。(3)独立请求方式在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。优点：响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1次之…BRn最低；也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。缺点：电路结构复杂。排队器排队器(3)独立请求方式总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0

BG0BR1BG1BRnBGnBG－总线同意BR－总线请求2、分布式仲裁分布式仲裁方式没有独立的总线控制器。每个主设备都有自己的仲裁号和控制器，当某个设备有总线请求时，把它的仲裁号发送到共享的仲裁线上，每个设备的控制器将仲裁线上接收到的号与自己的仲裁号进行比较，如果比自己的仲裁号大，则在仲裁线上撤销自己的仲裁号。最后，竞争获胜者的仲裁号被保留在仲裁线上。显然，这种方案中仲裁号越大，优先级越高。分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。中央处理器设备接口0设备接口1设备接口N3127.3总线数据传输过程和传输方式1.通过总线完成一次数据传输的过程。2.总线传输周期主模块申请，总线仲裁决定主模块向从模块给出地址和命令主模块和从模块交换数据主模块撤消有关信息总线请求和仲裁阶段寻址阶段传数阶段结束阶段由统一时标控制数据传送充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力同步通信异步通信

半同步通信

分离式通信

3.总线通信的四种方式采用应答方式

，没有公共时钟标准同步、异步结合

读命令(1)同步式数据传输(输入)T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址数据不互锁半互锁全互锁(2)异步通信主设备从设备请求回答(3)半同步通信同步发送方用系统时钟前沿发信号

接收方用系统时钟后沿判断、识别（同步、异步结合）异步允许不同速度的模块和谐工作

增加一条“等待”响应信号

WAIT以输入数据为例的半同步通信时序T1主模块发地址T2主模块发命令…T3从模块提供数据T4从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw

当为低电平时，等待一个TWAITTw

当为低电平时，等待一个TWAIT

读

命令WAIT

地址

数据

时钟总线传输周期T1T2TWTWT3T4(3)半同步通信（同步、异步结合）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）主模块发地址、命令从模块准备数据从模块向主模块发数据总线空闲占用总线不占用总线占用总线(4)分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上一个总线传输周期子周期1子周期2主模块1.各模块有权申请占用总线分离式通信特点充分提高了总线的有效占用2.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4.总线被占用时，无空闲7.4常用标准总线简介1、内部总线主要用于连接计算机主机系统内部的主要功能部件，它们一般位于机箱内部。2、外部总线主要用于计算机系统的主机与外部设备之间的互联，有时又称为设备总线。由于外部设备多种多样，因此外部总线在形式上与系统总线存在很大的差异。外部总线一般位于计算机机箱的外部，外形千差万别，通常互不兼容。1、ISA总线和EISA总线2、PCI总线3、RS-232C/RS-485接口总线4、USB接口总线5、IEEE1394接口总线7.4常用标准总线简介1、ISA(IndustryStandardArchitecture）工业标准结构总线，又称为AT总线。它的数据宽度8/16位，地址线为24位，工作频率8MHz，最大数据传输率16.67MB/S。ISA总线最早是在IBMPC机为了系统扩充而使用的系统总线。ISA主要是用来匹配速度较慢的接口卡，如串/并行口卡、大多数网络卡等等。通常PC内ISA插槽用黑塑料制作。为了充分利用市场上的一些低速设备，目前的一些PC机上还有ISA总线，通过PCI/ISA桥对ISA总线控制。工业标准总线(ISA总线)由于ISA兼容性好，它在上个世纪80年代是最广泛采用的系统总线，不过它的弱点也非常明显，如不能动态地分配系统资源、数据传输速率低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。EISA总线(ExtendedISA)(EnhancedIndustryStandardArchitecture)

增强型工业标准结构的总线，ISA总线的增强版，它的数据和地址总线都是32位，工作频率仍是8.33MHz，直接寻址范围为4GB，最大传输率为33MB/S。EISA插槽通常用褐色塑料制作。

随着32位微处理器的出现，原有的16位微机要向高性能的32位微机发展。而IBM公司的32位微通道总线结构与PC／XT／AT又不兼容，为了发展ISA同时又继承ISA结构，1988年，以Compaq为首的9家PC／XT／AT兼容机厂商联合起来，为32位PC机设计了～个新的工业标准，即“扩展工业标准结构”——EISA标准。它与ISA由良好的兼容性，同时充分发挥和利用了32位处理器的功能，使之在图形技术、网络和数据处理等需要高速处理能力的地方发挥作用。VESA总线(VidioElectronicsStandardsAssociation)

PC总线发展到EISA时，系统性能得到了较大提高，但仍然没有充分发挥高性能CPU的强大处理能力，跟不上软件和CPU的发展速度。在主机与外设交换信息的过程中，CPU在大部分时间内仍处于等待状态。为了支持早期高性能WINDOWS图形显示卡和存储设备而设计此总线。速度高达40MHz，但是超过33MHz后稳定性较差。最大传输率为133MB/S，数据线可扩展到64位。但没有流行多久就被PCI总线所代替。2、PCI(PeriperalComponentInterconnect)总线PCI总线由Intel公司1991年提出，很快为IBM，DEC，Compaq，Apple公司接受。后成立PCI集团。目前PC计算机都以PCI为主的系统总线。

PCI总线是一个与处理器无关的高速外围总线。又是至关重要的层间总线数据线宽度为32/64位，数据最大传输率为132～533Mb/s；地址线宽度为32/64位。采用同步传送方式和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。地址线和数据线分时复用，支持无限猝发式数据传输。在该模式下，PCI能在极短的时间内发送大量的数据。PCI总线支持即插即用技术，当配置PCI适配器时，配置带有即插即用功能的BIOS，即可由软件自动识别插卡。3、RS-232C/RS-485接口总线RS－232C通常应用于数据终端设备（计算机）和数据通信设备之间的连接。如果要在两台计算机之间直接用RS-232-C连接进行串行通信，其最长距离约为15米（在满足最高速度误码率<109前提下，在低速和误码率要求低的情况下，传送距离可达300米）。RS-232C/RS-485接口总线RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-9插头座，与PC机连接的RS-232接口，因为不使对方的传送控制信号，只需要三条接口线，即“发送数据TXD”、“接收数据RXD”和“信号地GND”。RS-232传输线采用屏蔽双绞线。在RS-232-C中信号线的电压均为负逻辑。RS-232-C总线传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。远距离串行通信必须使用Modem。如果要求通信距离在几十米到上千米时，可以采用RS-485串行总线标准。RS－485总线收发器具有较高的灵敏度，能检测最低200mV的电压，因此可以使超过千米的传输信号得到恢复。RS－485采用半双工通信，任何时候只能有一点处于发送状态，所以，发送电路必须由允许信号来控制。RS-485标准符合真正多点通信网络要求，并且该标准规定在一条单总线（2线）上支持32个驱动器和32个接收器。RS-485最常见的总线接口。RS-232C/RS-485接口总线

4、USB总线1、通用串型总线——USB概述USB(UniversalSerialBus)的中文名叫“通用串行总线”。由IBM、Intel等七大公司共同推出的新一代总线标准，严格意义上讲只是与计算机外设相连的I/O接口标准。现在电脑系统连接外围设备的接口并无统一的标准，如键盘用PS/2接口，连接打印机要用25针的并行接口，鼠标则要用串行或PS/2接口。USB则将这些不同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。2、USB的特点(1)随插即用(plug-and-play):USB具自动侦测功能，所以无须顾虑计算机系统资源是否有冲突的情形，可随时安装使用。(2)热插拔(hotattachanddetach):也就是周边的插入及拔除无需再关闭电源，节省了关机再架设时间。

(3)可扩充性:也就是在前面有提到的，一个USB控制器在集线器的搭配下，可扩充高达127个外部周边USB装置。

(4)安装简易:不需拆卸PC，使用更为简易。

(5)高速的传输:在USB2.0提出后，速度可高达480Mbps，这样的传送速度已能满足大部份周边装备的传输使用。

(6)总线供电(buspower):在USB上的装置可选择自我供电(selfpower)或总线供电，因此USB装置本身基本上是可以不需额外的电源供应器，（5V,500mA）。

(7)电源管理:当USB装置没有使用时，会自动进入到省电的模式。(8)支持多媒体；一个USB最多可以连结127个设备。USB接口提供了极高的传输速度，如果使用USB的鼠标或者键盘之类等不需要高速的设备时，它就采用1.5Mbps的传输速率。如果使用USB的MODEM，音箱、打印机等需要高速传输数据的设备时，则采用高速的同步传输速率。3、USB的应用

USB接口：在计算机上添加设备时不必再打开机箱，安装板卡，甚至都不必重新启动，就可以使用新的设备，使计算机更易使用。一个USB控制器可以连结多达127个外设。常见的产品有USB鼠标、USB键盘、USB游戏杆、USB喇叭、USB打印机、USB扫描仪、USB调制解调器、USB摄像头、USBHub以及USB显示器等等。USB的发展USB1.01.5MB/S（12Mbps）USB2.060MB/S(480Mbps)1、地址总线用

表示，数据总线用

表示，控制总线用

表示。2、位于集成电路内部的总线被称为

总线。3、总线总裁的方法有

和

。4、总线上完成一次数据传输一般要经历

阶段、

阶段、

阶段和

阶段。5、衡量总线性能的重要指标是______，它定义为总线本身所能达到的最高______。6、如果总线的频率为88MHz，总线的位宽为8位，则总线的带宽应为

。7、假设微指令的操作控制字段共18位，若采用直接控制，则一条微指令最多可同时启动

个微操作命