第3章-系统总线

计算机组成原理唐朔飞第２版高等教育出版社高等教育电子音像出版社1第１章计算机系统概论第３章系统总线第４章存储器第５章输入输出系统第６章计算机的运算方法第７章指令系统第８章CPU的结构和功能第９章控制单元的功能第10章控制单元的设计第２章计算机的发展及应用2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33.1总线的基本概念一、为什么要用总线？二、什么是总线？三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质串行并行分散连接不灵活，无法随时增添或减撤I/O设备程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算4四、总线结构的计算机举例1.面向CPU的双总线结构框图

中央处理器

CPUI/O总线M总线3.1主存

I/O接口

I/O设备1

I/O设备2……I/O接口I/O接口

I/O设备nI/O设备与主存交换信息时需要占用CPU5单总线（系统总线）2.单总线结构框图①CPU

主存I/O接口

I/O设备1

I/O设备2I/O接口…

I/O设备nI/O接口…3.1I/O设备与主存交换信息时原则上不影响CPU工作；单总线可能成为瓶颈63.以存储器为中心的双总线结构框图系统总线

主存CPUI/O接口

I/O设备1…

I/O设备nI/O接口…存储总线3.1I/O设备与主存交换信息不需占用CPU，存储总线缓解系统总线压力。例如单车道和双车道。73.2总线的分类1.片内总线2.系统总线芯片或CPU内部的总线数据总线地址总线控制总线双向

位数与机器字长、存储字长有关单向位数与存储地址、I/O地址有关有出有入计算机各部件之间的信息传输线存储器读、存储器写总线允许、中断确认中断请求、总线请求寄存器与寄存器之间，寄存器与ALU之间83.通信总线串行通信总线，适合远距离传输并行通信总线，适合近距离传输传输方式3.2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93.2总线的分类3.3总线特性及性能指标CPU插板主存插板I/O插板一、总线物理实现示意图BUS主板101.机械特性2.电气特性3.功能特性4.时间特性二、总线特性尺寸、形状、管脚数

及

排列顺序传输方向和有效的电平范围每根传输线的功能一根线在什么时间内有效，信号的时序关系3.3地址数据控制11三、总线的性能指标1.总线宽度2.总线带宽数据线的根数，8位(根)，16位(根)，32位(根)，64位(根)等总线的数据传输速率，每秒传输的最大字节数（MBps）例：总线的工作频率为33MHz，总线宽度为32位，总线带宽为多少？33×(32÷8)=132MBps3.312思考题与习题习题3.14，P67138×(16÷8)=16MBps三、总线的性能指标3.时钟同步/异步4.总线复用5.信号线数6.总线控制方式7.其他指标总线上的数据与时钟同步/不同步地址线与数据线

分时复用一组物理总线地址线、数据线和控制线的总和负载能力，电源电压，总线宽度是否可扩展等并发、自动、仲裁、逻辑、计数3.314ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准四、总线标准系统模块3.3标准界面

I/O接口模块品种复杂，一种接口要配一种总线，需要标准化15总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）16MBpsEISA328MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3233MHz（CPU）133MBpsPCI326433MHz（独立）66MHz（独立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（独立）133MHz（独立）266MBps533MBpsRS-232串行通信总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口总线标准普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)3.3四、总线标准163.4总线结构一、单总线结构单总线（系统总线）CPU

主存I/O接口

I/O设备1

I/O设备2I/O接口…

I/O设备nI/O接口…所有I/O设备通过同一个总线与CPU通信，容易产生竞争和影响CPU效率，成为系统瓶颈。171.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，提高了CPU的工作效率通道I/O接口设备n

……I/O接口设备0

CPU主存主存总线I/O总线二、多总线结构3.4182.三总线结构主存总线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……3.4193.三总线结构的又一形式3.4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204.四总线结构多媒体Modem主存扩展总线接口局域网SCSICPU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3.4211.传统微型机总线结构三、总线结构举例3.4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……Modem高速设备和低速设备都通过ISA与系统总线相连，成为瓶颈。相当于快车与慢车在同一车道行驶，快车受限。222.VL-BUS局部总线结构3.433MHz的32位数据通路系统总线ISA、EISA多媒体高速局域网高性能图形图文传真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……Modem高速设备挂在高速总线，低速设备都通过ISA与高速总线相连。缺点：VL-BUS总线与CPU关系太紧密。233.PCI总线结构3.4CPU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ModemPCI总线通过PCI桥与CPU相连，具有灵活性，即插即用。PCI总线连接高速设备，低速设备通过ISA、EISA连接至PCI总线。244.多层PCI总线结构-驱动能力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CPU3.4253.5总线控制什么时候由哪个部件发送信息?如何给信息传送定时?如何防止信息丢失?如何避免多个部件同时发送?需要总线控制器同一管理包括判优控制和通信控制263.5总线控制一、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当多个主设备同时要使用总线时，需要判优或仲裁272.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3.5I/O接口128

链式查询方式的特点1、离总线控制器最近的设备具有最高优先级2、实现简单，需要2根线确定总线使用权3、容易扩充设备4、对电路故障很敏感5、优先级别低的设备可能很难获得请求290BS

－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13.5计数器设备地址130计数器定时查询方式的特点1、计数器从0开始时，优先级为0,1,2，…，n2、计数器从上一次计数的终止点开始，优先级均等3、计数器初始值也可由程序设置，优先次序可变4、对电路故障不敏感5、控制较为复杂，需要log2n根线确定总线使用权31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3.532独立请求方式的特点1、响应速度快2、优先次序控制灵活（通过程序改变）3、控制复杂，需用2n根线33二、总线通信控制1.目的2.总线传输周期（分时）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3.534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3.535

读命令(1)同步通信---数据输入（读）T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址数据3.536数据(1)同步通信---数据输出（写）T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令3.537同步通信的特点1、模块间的配合简单一致2、主、从模块时间配合属于强制性“同步”，必须在规定时间内完成规定的要求3、须按最慢速度的部件设计公共时钟，缺乏灵活性3839例3.1,教材第61页思考题与习题习题3.15，P67401个时钟周期为1/66M(s)总线传输周期4/66M(s)总线宽度(一个总线周期可传输的字节数)４B数据传输率4/(4/66M)=66MBps不互锁半互锁全互锁(2)异步通信（串行和并行）主设备从设备请求回答单机多机网络通信4142异步串行通信的一种字符格式43波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，单位bps(位/秒)。例3.2，P62。44例3.3，P6345比特率：单位时间内传送二进制有效数据的位数，单位bps(位/秒)。例3.4，P64思考题与习题习题3.16，P6746波特率：120x12bps比特率：120x8bps(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3.5（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