计算机组成原理第六章总线(含习题)课件

第六章总线总线概述总线管理总线标准第六章总线总线概述16.1总线概述6.1.1总线的基本概念

计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种:分散连接:各部件之间使用单独的连线;总线连接:将各部件连到一组公共信息传输线上.总线:构成计算机系统的互联机构,是多个部件分时共享的公共信息传送线路.共享:总线上各部件之间互换的信息,可以通过这组公共线路传送.分时:同一时刻总线上只能传送一个部件发送的信息.

6.1总线概述26.1.2总线的分类一、按连线数量分并行总线、串行总线串行—由低位到高位,单条1位传输线；并行—多条1位传输线；分别适用于远距离和近距离的数据传输.二、按并行总线传输的数据宽度分8位总线、16位总线、32位总线、64位总线……三、根据允许的数据传输方向分单向传输(单工)总线和双向传输(双工)总线其中双工总线又分为：全双工总线:可以在两个方向上同时传送的总线；半双工总线：一个通信线路上允许数据双向传送,但不允许同时双向传送的总线.6.1.2总线的分类3四、按总线连接的部件不同分----在计算机中使用的总线按从里向外的层次,分为以下4类.1.CPU片内总线CPU内各部件之间的信息传送线,如R—R、R—ALU之间的信息传送线.2.片级总线插板内各芯片之间互连的总线,亦称部件内总线.如显示适配卡、多功能卡等插卡均使用片级总线实现芯片一级的互连.3.系统总线指计算机系统内各功能部件(CPU、主存、I/O接口)之间相互连接的总线.四、按总线连接的部件不同分----在计算机中使用的总线按从里4系统总线又按其上传输信息的不同分成三类:①数据总线:用来传输各功能部件之间的数据信息.双向；位数称为数据总线宽度.②地址总线:用来指出CPU要访问的存储单元或I/O端口的地址.单向；位数与存储单元个数有关.系统总线又按其上传输信息的不同分成三类:5③控制总线:用来发出各种控制信号,实现对设备的监视与控制.就任一控制信号而言,传输是单向的;对于控制总线总体而言,可看作双向的;故,从CPU的角度看,控制信号既有输入,又有输出;控制信号例—存储器读/写、I/O读/写、总线请求、总线允许、中断请求、中断响应、复位、时钟……4.通信总线(外总线)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、远程通信设备等)之间通信.③控制总线:用来发出各种控制信号,实现对设备的监视与控制.66.1.3总线的组成与性能指标一、总线组成总线结构的物理结构示意图如下：CPU插板主存插板I/O插板将CPU及其它一些电路(如基本I/O设备控制电路)安装在主板上；将由许多导线组成的总线,按照总线标准直接印制在电路板上,通过各插槽的相应点与各部件相连.主板图6.1总线物理结构示意图

BUS6.1.3总线的组成与性能指标CPU插板主存插板I/O插7二、总线的性能指标1.总线宽度通常指数据总线的根数；单位是bit,如8位、16位、32位(即8根、16根、32根)2.总线时钟频率单位MHZ.3.总线带宽总线数据传输率,即单位时间内总线上传输数据的位数;单位是MBps(兆字节每秒).二、总线的性能指标8例:(教材P.213)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据,假设一个总线周期等于一个时钟周期,总线时钟频率是33MHz,总线带宽是多少?解答:用Dr表示总线带宽,总线时钟周期为T=1/f,一个总线周期传送的数据量表示为D;依据定义有:Dr=D/T=D×f=4B×33×106/s=132MB/s(若一个总线周期由4个T构成,总线带宽是多少?)例:(教材P.213)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节96.1.4总线结构一般分为单总线结构和多总线结构；单机系统中常分为单总线、双总线和三总线三种结构；采用总线结构的优点:便于故障诊断与维修,便于模块化结构设计,简化系统设计,便于系统的扩展和升级.一、单总线结构将CPU、主存和I/O设备(通过I/O接口)都挂接到一组总线上,称为单总线结构.单总线结构框图如下:6.1.4总线结构10图6.2单总线结构框图CPU主存I/O接口I/O接口I/O接口I/O设备1I/O设备2I/O设备n单总线(系统总线)……单总线结构的特点：1.结构简单、易于扩充；2.允许部件之间直接交换信息,总线负载重；3.共享传输介质极易形成系统瓶颈—某时刻只允许一对部件之间传送信息；4.适用于小型微型计算机系统.图6.2单总线结构框图CPU主存I/O接口I/O接口I/11二、双总线结构双总线:一条为内存总线----用于CPU、内存和通道之间进行数据传送;另一条是I/O总线,用于多个外设与通道之间进行数据传送.CPU主存I/O接口IOP(通道)I/O接口I/O设备1I/O设备n内存总线……I/O总线图6.3双总线结构框图二、双总线结构CPU主存I/O接口IOPI/O接口I/O设备12通道:是一台具有特殊功能的处理器,CPU将部分功能下放给通道,使其对I/O设备具有统一管理的功能.以完成外设与主存之间的数据传送.增加硬件代价;在大中型计算机中使用。CPU主存I/O接口IOP(通道)I/O接口I/O设备1I/O设备n内存总线……I/O总线图6.3双总线结构框图通道:是一台具有特殊功能的处理器,CPU将部分功能下放给通13三、三总线结构

三总线指内存总线、直接内存访问(DMA)总线和I/O总线.内存总线用于CPU和内存间传送地址、数据和控制信息;主存主线用于主存与CPU之间的传输;I/O总线用于CPU和各类I/O设备之间传送数据;DMA总线用于内存和高速外设间直接传送数据.

CPU主存I/O接口I/O接口I/O设备1I/O设备nI/O总线……图6.4三总线结构框图DMA总线内存总线三、三总线结构CPU主存I/O接口I/O接口I/O设备1I/14三总线结构特点：一般讲,在三总线系统中,任一时刻只使用一种总线；若使用双端口存储器,内存总线和DAM总线同时工作.此时比单总线系统运行快,吞吐量大.CPU主存I/O接口I/O接口I/O设备1I/O设备nI/O总线……图6.4三总线结构框图DMA总线内存总线三总线结构特点：CPU主存I/O接口I/O接口I/15第六章总线总线概述总线管理总线标准第六章总线总线概述166.2总线管理6.2.1总线判优与仲裁

为解决多个申请者同时竞争总线控制权,总线控制机构中设置有总线判优和仲裁控制逻辑.一、主设备和从设备的概念总线在任一时刻只为某两个设备占用,其中：主设备:获得总线控制权的设备；从设备:被主设备访问的设备；通常CPU为主设备,存储器为从设备,I/O设备可为主设备和从设备.注意:在定义总线数据传送操作时是“输入”或“输出”时,必须以主设备为参考点,这和前面提到的以主机为参考点的输入、输出含义不同.计算机组成原理第六章总线(含习题)课件17二、总线判优和仲裁多个主设备同时要使用总线时,按优先顺序确定由哪一个主设备使用总线；总线判优控制按照其仲裁控制机构的设置分为集中式和分布式两种；集中式控制:将总线控制逻辑集中在一处(如CPU)时；分布式控制:将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件上；集中式控制又分为链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式.

1.链式查询方式

亦称串行链接方式、菊花链方式,电路如下：二、总线判优和仲裁181.链式查询方式总线控制器使用3根控制线与所有设备和部件相连,3根控制线如下:总线控制器(集中仲裁器)(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数据线地址线BSBRBG总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.图6.5链式查询方式1.链式查询方式总(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……191.链式查询方式与总线连接的所有设备均可经公共的BR线发出总线请求;在BS信号未建立前,BR才能被总线控制器响应,并送出BG信号；总线控制器(集中仲裁器)(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数据线地址线BSBRBG总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.图6.5链式查询方式1.链式查询方式总(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……201.链式查询方式BG信号串行地通过每个部件,如果某个部件本身没有总线请求,则将该信号传送给下一个部件,否则,停止传送BG信号,获得总线使用权.总线控制器(集中仲裁器)(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数据线地址线BSBRBG总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.图6.5链式查询方式1.链式查询方式总(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……211.链式查询方式获得总线使用权的部件建立BS信号,并撤销BR,进行数据的传送；BS信号在数据传送结束后撤销,BG信号也随之撤销.总线控制器(集中仲裁器)(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数据线地址线BSBRBG总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.图6.5链式查询方式1.链式查询方式总(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……22链式查询的特点:优先次序是由BG线上串接部件的先后位置确定,离总线控制器最近的设备具有最高优先权；需要几根信号线可完成按既定优先次序的总线仲裁;总线控制器(集中仲裁器)(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数据线地址线BSBRBG总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.图6.5链式查询方式链式查询的特点:总(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……23易于扩充设备；故障敏感；优先级安排可能造成低级别设备总是用不上总线.总线控制器(集中仲裁器)(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数据线地址线BSBRBG总线请求(BR):有效时,表示至少有一个设备要求使用总线总线批准(BG):有效时,表示总线控制器响应总线请求；总线忙(BS):有效时,表示总线正在被某个设备使用.图6.5链式查询方式易于扩充设备；总(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数242.计数器定时查询方式总线上的每个部件通过公共的BR线发出请求;当BS=0时,总线控制器令其中的计数器开始计数,并且将计数值发向各个部件;当计数值与请求使用总线的设备地址一致时,该设备获得总线控制权,置BR=0,RS=1,同时中止计数器的计数及查询工作,直至该设备完成数据传送之后,撤销BS信号.总线控制器I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR图6.6计数器定时查询方式

定时查询地址计数

2.计数器定时查询方式I/O接口0I/O接口1I/O接口n…25计数器定时查询的特点:优先级次序较灵活—当总线控制器因授权某设备使用总线而停止计数时,可从以下方式中选择一种来控制下一次计数的起始值:下一次计数的起始值为0,这种方式的优先级固定不变,设备码小的设备优先级高;下一次计数的起始值为上一次的中止值,这相当于循环检测,各设备的设备级相等;下一次计数的起始值由程序设定,程序可灵活改变设备的优先级.总线控制器I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR图6.6计数器定时查询方式

定时查询地址计数

计数器定时查询的特点:优先级次序较灵活—当总线控制26总线控制器I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR0BR1BRnBGnBG1BG0……内有排队电路3、独立请求方式每一个设备都有两根控制线:总线批准BGi和总线请求BRi;所有设备共用一条总线忙控制线BS;图6.7独立请求方式总I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR27总线控制器I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR0BR1BRnBGnBG1BG0……内有排队电路3、独立请求方式每一个设备都可以发总线请求信号BRi,总线控制器中有一排队电路,根据一定优先次序决定先响应哪个部件的请求BRi,

然后送回批准信号BGi;图6.7独立请求方式总I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR28总线控制器I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR0BR1BRnBGnBG1BG0……内有排队电路该设备接到BGi信号后,将BRi置0,并将BS置1,开始传送数据;传送完毕,将BS置0.图6.7独立请求方式总I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR29独立请求方式的特点:响应速度最快(与前述两种方式相比)；优先级策略完全由总线控制器决定,可以编程改变；控制线数量多,总线控制复杂.6.2.2总线通信控制主机与外设通过总线进行信息交换时,必然存在时间上的配合和动作的协调.一、基本概念总线周期:连接在总线上的两个部件,完成一次完整且可靠的信息传输时间.分为以下4个阶段:独立请求方式的特点:301.申请分配阶段需要使用总线的主设备提申请,仲裁机构决定下一传输周期总线使用权授予某一申请者.2.寻址阶段被授权的主设备通过总线发出本次要访问的从设备地址及相关命令,启动该设备.3.传数阶段主、从设备经数据总线进行数据交换.4.结束阶段主设备信息从总线撤除,让出总线使用权.1.申请分配阶段31二、总线通信控制两个设备传送数据时,需要提供控制数据传送的定时信号,例发送方何时将数据加载在总线上,接受方何时可以从总线上下载数据；从定时的角度出发,可将总线通信方式分为以下两种：

1.同步通信(无应答通信)定义:由一个统一的时钟给连接到总线上的所有设备提供定时信号.可由一个时钟周期(或多个时钟周期)构成一个总线周期,在一个总线周期内完成一次数据传送.二、总线通信控制32

总线周期包括4个时钟周期.对于读命令,其总线周期为:T1:主模块发地址;T2:主模块发读命令;T3:从模块提供数据;T4:主模块撤销读命令,从模块撤销数据时钟总线传输周期T1T2T3T4地址读命令数据图6.8同步式数据输入传输时钟总线传输周期T1T2T3T4地址读命令数据33

优点：总线周期固定;主从设备之间配合简单一致.缺点:主从模块时间配合属于强制性同步,按照最慢速度的部件设计公共时钟,影响总线工作效率;缺乏灵活性.适用:线路短、部件速度接近.时钟总线传输周期T1T2T3T4地址读命令数据图6.8同步式数据输入传输时钟总线传输周期T1T2T3T4地址读命令数据342.异步通信(应答通信)定义:允许各模块速度的不一致,没有公共时钟标准,从而没有统一的总线周期,靠主从设备之间的“请求-应答”(握手)方式通信；过程:主设备发出请求Request信号,等待从设备反馈回来应答Acknowledge信号后,才开始通信.特点:从“请求”到“回答”的时间是由操作的实际时间决定的,而不是由CPU的节拍硬性规定,故保证两个工作速度相差很大的设备间可靠地进行信息交换,自动完成时间的配合;成本高.2.异步通信(应答通信)352.异步通信(应答通信)分类(根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁)：不互锁、半互锁、全互锁不互锁:“请求”和“回答”信号都有一定的时间宽度，“请求”信号的结束和“回答”信号的结束不互锁，如图7.10(a)所示。请求回答图7.10(a)请求与回答信号的互锁2.异步通信(应答通信)请求回答图7.10(a)请求362.异步通信(应答通信)分类(根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁)：不互锁、半互锁、全互锁半互锁：“请求”的撤销取决于接受到“回答”信号，而“回答”信号的撤销由从设备自己决定，如图7.10(b)所示。请求回答图7.10(b)请求与回答信号的互锁2.异步通信(应答通信)请求回答图7.10(b)请求372.异步通信(应答通信)分类(根据“请求”和“回答”信号的撤销是否互锁)：不互锁、半互锁、全互锁全互锁：“请求”的撤销取决于接受到“回答”信号，而“请求”的撤销导致“回答”信号的撤销，如图7.10(c)所示。灵活性、可靠性最高。请求回答图7.10(b)请求与回答信号的互锁2.异步通信(应答通信)请求回答图7.10(b)请求386.3总线标准6.3.1何谓总线标准系统与各功能模块、模块和模块之间互连的标准界面；国际公布或推荐的互连各个模块的标准，提供系统与各功能模块、模块和模块之间互连的标准界面；该界面对其两端的模块而言都是透明的，即界面的一方只需根据总线标准的要求来完成自身一方接口功能的设计，不必考虑对方于界面的接口方式。6.3总线标准396.3.2标准化的好处为计算机接口的软硬件设计提供方便。制定总线标准使系统设计简化，便于模块生产批量化，确保性能稳定，质量可靠，便于维护，较好解决了设备与总线之间不通用、不匹配的问题。6.3.2标准化的好处406.3.3流行的总线标准一、ISA总线二、EISA总线三、VESA总线四、PCI总线五、AGP总线六、RS-232C总线七、UAB总线具体标准内容略。6.3.3流行的总线标准41第七章总线习题课一、选择题1.三种集中式总线控制中，()方式对电路故障最敏感。A.链式查询；B.计数器定时查询；C.独立请求。2.连接计算机与计算机之间的总线属于()总线。A.内；B.系统；C.通信。3.三种集中式总线控制中，()方式响应最快。A.B.C.同1题。第七章总线习题课一、选择题424.计算机中使用总线结构便于增减外设，便于实现积木化，同时()。A.减少了信息传输量；B.提高了信息传输速度；C.减少了信息传输线的条数；D.加重CPU工作量。5.信息可以在两个方向上同时传输的总线属于()。A.单工总线B.半双工总线C.全双工总线D.单向总线4.计算机中使用总线结构便于增减外设，便于实现积木化，同时(436.串行总线与并行总线比，()。A.串行总线成本高，速度快；B.串行总线成本高，速度慢；C.并行总线成本高，速度快；D.并行总线成本低，速度快；7.总线的独立请求方式的缺点是()。A.线路简单；B.响应速度慢；C.对优先级的控制不灵活；D.所需控制线多。6.串行总线与并行总线比，()。448.在链式查询方式下，()。A.总线设备的优先级可变；B.越靠近总线控制器的设备优先级越高；C.各设备的优先级相等；D.各设备获得总线使用权的机会均等。9.总线的异步通信方式()。A.不采用时钟信号，只采用握手信号；B.既采用时钟信号，又采用握手信号；C.既不采用时钟信号，又不采用握手信号。8.在链式查询方式下，()。4510.不同的信号，共用一组信号线，分时传送，这种总线传输方式是()。A.猝发；B.并行；C.复用。11.系统中的数据线、地址线和控制线是根据()来划分的。A.总线所处的位置；B.总线的传输方向；C.总线传输的内容。12.总线通信中的同步控制是（）。A.只适合于CPU的控制方式；B.由统一时序控制的方式；C.只适合于外设控制的方式。10.不同的信号，共用一组信号线，分时传送，这种总线传输方式4613.在计数器查询方式下，若每一次计数从上一次计数的终止点开始，则()。A.设备号小的优先级高；B.每个设备使用总线的机会相等；C.设备号大的优先级高。14.在计数器查询方式下，若计数从0开始，则()。A.B.C.同上题。13.在计数器查询方式下，若每一次计数从上一次计数的终止点开4715.微机中控制总线提供的完整信息是()。A.存储器和I/O设备的地址码；B.所有存储器和I/O设备的时序信号和控制信号；C.来自存储器和I/O设备的响应信号；D.上述各项；E.上述B、C两项；F.上述A、B两项。15.微机中控制总线提供的完整信息是()。4816、总线()通信方式能够适用于速度差异较大的部件之间的通信。A.同步B.全互锁C.非互锁D.半同步17、全互锁方式中，()。A.就绪信号和应答信号的上升边沿和下降边沿都相互锁定。B.就绪信号和应答信号的上升边沿相互锁定。C.就绪信号和应答信号的下降边沿相互锁定。D.就绪信号的上升和下降边沿都与应答信号的上升边沿相互锁定。16、总线()通信方式能够适用于速度差异较大的部件之4918、在各种异步通信方式中，速度最快的是（）。A.全互锁B.半互锁C.非互锁19、总线中数据信号和地址信号分别用一组线路同时传输，这种传输方式属于（）。A.串行传输B.并行传输C.复合传输D.消息传输20.总线中数据信号和地址信号分别用一组线路同时传输，这种传输方式属于（）。A.串行传输B.并行传输C.复合传输D.消息传输18、在各种异步通信方式中，速度最快的是（）。5021、为了对n个设备使用总线的请求进行仲裁，在独立请求方式中需要()根控制线。A.n条B.3条C.2n条D.(2n+1)条22、为了对n个设备使用总线的请求进行仲裁，在链式查询方式中需要()根控制线。A.n条B.3条C.2n条D.(2n+1)条23、PC机数据总线的信号状态是（）。A.单向双态B.双向双态C.单向三态D.双向三态24、PC机地址总线的信号状态是（）。A.单向双态B.双向双态C.单向三态D.双向三态21、为了对n个设备使用总线的请求进行