第04讲-第3章系统总线(34-35)

第04讲——第3章系统总线(34-35)第一页，共35页。第3章系统总线3.1总线的基本概念3.2总线的分类3.3总线特性及性能指标3.4总线结构3.5总线控制本课学习第二页，共35页。教学目标：让学生对系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用有所了解，掌握总线判优、仲裁、总线定时、总线数据传送模式。

重点：判优控制和通信控制

。难点：总线的判优控制

。教学要求第三页，共35页。复习旧课计算机五大组成部件靠总线连接起来后，看不见、摸不着的各类信息是怎么样“各行其道”的呢？

第四页，共35页。引入新课计算机中数据、地址、控制等信息流在总线上传输时如何保证不“碰撞”、“不拥塞”（如高速公路多车道、各走各道、单向车道、双向车道等例子）呢？

第五页，共35页。3.4总线结构（1）单总线结构单总线（系统总线）CPUM.MI/O接口

外部设备1

外部设备2I/O接口…

外部设备nI/O接口…特点：结构简单、便于扩充，所有传送都通过这组共享总线，容易形成计算机系统的瓶颈，多被小型机或微型机所采用。第六页，共35页。双总线结构具有特殊功能的处理器由通道对I/O统一管理通道I/O接口设备n

……I/O接口设备0

CPU主存主存总线I/O总线（2）多总线结构3.4总线结构特点：将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。这种结构大多用于大中型计算机系统。第七页，共35页。主存总线DMA总线I/O总线CPU

主存设备1设备n高速外设I/O接口I/O接口I/O接口……（2）多总线结构3.4总线结构三总线结构特点：主存总线用于CPU与主存之间的传输；I/O总线供CPU与各类I/O设备之间传递信息；DMA总线用于高速I/O设备与主存之间交换信息。这种三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。

第八页，共35页。局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存（2）多总线结构3.4总线结构三总线结构的又一形式第九页，共35页。主存扩展总线接口局域网SCSI多媒体CPU调制解调器串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥（2）多总线结构3.4总线结构四总线结构特点：增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线，对于高性能设备与CPU来说，各自的效率将获得更大的提高。

第十页，共35页。存储器SCSIII控制器主存控制器ISAEISA8MHz16位数据通路标准总线控制器33MHz32位数据通路系统总线调制解调器多媒体高速局域网高性能图形CPU…3.4总线结构（3）总线结构举例传统微型机总线结构第十一页，共35页。VL-BUS局部总线结构33MHz的32位数据通路系统总线ISAEISA多媒体高速局域网高性能图形调制解调器图文传真8MHz的16位数据通路标准总线控制器CPU主存控制器存储器局部总线控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……3.4总线结构第十二页，共35页。PCI总线结构CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形调制解调器图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISAEISA标准总线控制器SCSIⅡ

控制器存储器3.4总线结构第十三页，共35页。多层PCI总线结构PCI总线2存储器桥0桥4PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第二级桥第三级桥PCI总线4PCI总线5PCI总线3PCI总线1PCI总线0存储器总线

标准总线CPU3.4总线结构第十四页，共35页。3.5总线控制3.5.1总线判优控制

总线判优控制分布式集中式

主设备(模块)对总线有控制权

从设备(模块)响应从主设备发来的总线命令（1）基本概念链式查询计数器定时查询独立请求方式第十五页，共35页。（2）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13.5.1总线判优控制特点：只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏感，且优先级别低的设备可能很难获得请求。

第十六页，共35页。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（3）计数器定时查询方式I/O接口1计数器设备地址13.5.1总线判优控制特点：计数可以从“0”开始，设备的优先级就按0，1，2…，n顺序降序排列；计数也可以从上次计数的终止点开始，此时优先级相等；计数器的初始值还可由程序设置，故优先次序可以改变。这种方式对电路故障不如链式查询方式敏感，但增加了控制线数，控制也较复杂。第十七页，共35页。排队器排队器（4）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…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意BR-总线请求3.5.1总线判优控制特点：响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序改变），但控制线数量很多，总线控制更复杂。第十八页，共35页。（1）目的（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销有关信息申请分配阶段寻址阶段传数阶段结束阶段解决通信双方协调配合问题3.5总线控制3.5.2总线通信控制众多部件共享总线，在争夺总线使用权时，应按各部件的优先等级分时占用总线。第十九页，共35页。由统一时标控制数据传送充分挖掘系统总线每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3.5.2总线通信控制第二十页，共35页。同步通信方式——数据输入T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

读命令数据3.5.2总线通信控制（3）总线通信的四种方式第二十一页，共35页。T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令数据同步通信方式——数据输出3.5.2总线通信控制（3）总线通信的四种方式优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。缺点：主、从模块间时间配合属于强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求。同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。问题1：为什么在同步通信的总线系统中，总线传输周期越短，数据线的位数越多，越直接影响总线的数据传输率？第二十二页，共35页。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？例3.1解：根据总线时钟频率为100MHz，得1个时钟周期为1/100MHz=0.01μs总线传输周期为0.01μs×4=0.04μs

由于总线的宽度为32位=4B（字节）

故总线的数据传输率为4B/（0.04μs）=100MBps

若想提高一倍数据传输率，可以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，或数据宽度不变，但使总线的时钟频率增加到200MHz。第二十三页，共35页。不互锁半互锁全互锁主设备从设备请求回答异步通信方式3.5.2总线通信控制（3）总线通信的四种方式特点：异步通信克服了同步通信的缺点，允许各模块速度的不一致性，它没有公共的时钟标准，采用应答方式（握手方式）。应答方式又可分为：不互锁、半互锁和全互锁三种类型。

如CPU向主存写入如多机系统的访存如网络通信中第二十四页，共35页。异步通信方式3.5.2总线通信控制（3）总线通信的四种方式异步通信可用于并行传送或串行传送。前者需要“Ready”和“Strobe”这样的联络信号；后者没有同步时钟，需约定字符格式：1个起始位（低电平）、5~8个数据位（低位先传）、1个奇偶校验位、1或1.5或2个终止位（高电平）。帧之间可以有空闲位（高电平）或没有空闲位。异步串行通信的数据传送速率用波特率。波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位用bps（位/秒），记作波特。第二十五页，共35页。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。例3.2解：根据给出的字符格式，1帧包含1+7+1+1=10位故波特率为（1+7+1+1）×120=1200bps=1200波特问题2：比特率与波特率有什么区别？例3.3在异步串行传输系统中，若字符格式为1个起始位、8个数据位、1个奇校验位、1个终止位，设波特率为1200

bps，求这时的比特率。解：根据给出的字符格式，有效数据位为8位，而传送1个字符需1+8+1+1=11位，故比特率为1200×（8/11）

=872.72bps第二十六页，共35页。全国硕士研究生入学考试题：在系统总线的数据线上，不可能传输的是：A．指令B．操作数C．握手（应答）信号D．中断类型号答案：C解析：握手（应答）信号在通信总线上传输第二十七页，共35页。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半同步通信方式（同步、异步结合）3.5.2总线通信控制（3）总线通信的四种方式第二十八页，共35页。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半同步通信方式——以输入数据为例3.5.2总线通信控制（3）总线通信的四种方式第二十九页，共35页。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上述三种通信的共同点小结：第三十页，共35页。充分挖掘系统总线每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主模块分离式通信方式3.5.2总线通信控制（3）总线通信的四种方式第三十一页，共35页。各模块有权申请占用总线这种方式充分发挥了总线的有效占用，对大型计算机系统极为重要。采用同步方式通信，不等对方回答各模块准备数据时，不占用总线总线被占用时，无空闲分离式通信的特点：第三十二页，共35页。课堂练习题：1.PCI总线采用A.______仲裁方式，每一个PCI设备都有独立的总线请求和总线授权两条信号线与B.______相连。答案：A.集中式B.中央仲裁器2.三种集中式总线控制中，______方式