計(jì)算機(jī)組成原理 第3章 總線

1、第三章第三章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.2 總線的分類總線的分類3.3 總線特性及性能指標(biāo)總線特性及性能指標(biāo)3.4 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)3.5 總線控制總線控制3.1 3.1 總線的基本概念總線的基本概念一、什么是總線一、什么是總線二、總線上信息的傳送二、總線上信息的傳送總線是連接各個部件的信息傳輸線總線是連接各個部件的信息傳輸線是是 各個部件共享的傳輸介質(zhì)各個部件共享的傳輸介質(zhì)串行串行并行并行三、總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)舉例三、總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)舉例1. 面向面向 CPU 的雙總線結(jié)構(gòu)框圖的雙總線結(jié)構(gòu)框圖中央處理 器 CPUI/O總線M總線主存儲器 M.MI/O接口 外部 設(shè)備1

2、 外部 設(shè)備2I/O接口I/O接口 外部 設(shè)備n單總線（系統(tǒng)總線）2. 單總線結(jié)構(gòu)框圖單總線結(jié)構(gòu)框圖 CPU M.M I/O接口 外部 設(shè)備1 外部 設(shè)備2 I/O接口 外部 設(shè)備n I/O接口3. 以存儲器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖以存儲器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總線 M.M CPU I/O接口 外部 設(shè)備1 外部 設(shè)備n I/O接口存儲總線存儲總線3.2 3.2 總線的分類總線的分類1. .片內(nèi)總線片內(nèi)總線2. .系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線芯片內(nèi)部芯片內(nèi)部 的總線的總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機(jī)器字長、存儲字長有關(guān)與機(jī)器字長、存儲字長有關(guān)單向單向 與存儲地址、與存儲

3、地址、 I/O地址有關(guān)地址有關(guān)有出有出 有入有入計(jì)算機(jī)各部件之間計(jì)算機(jī)各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認(rèn)中斷請求、總線請求3. .通信總線通信總線串行通信總線串行通信總線并行通信總線并行通信總線傳輸方式傳輸方式 用于用于 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間 或或 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）（如控制儀表、移動通信等）之間的通信之間的通信3.3 3.3 總線特性及性能指標(biāo)總線特性及性能指標(biāo)CPU 插件板M.M 插件板I/O插件板一、總線物理實(shí)現(xiàn)一、總線物理實(shí)現(xiàn)BUS1. 機(jī)械特性機(jī)械特性2. 電氣特性電氣特性3. 功能特性功能

4、特性4. 時(shí)間特性時(shí)間特性二、總線特性二、總線特性尺寸尺寸 形狀形狀傳輸方向傳輸方向 和有效的和有效的 電平電平 范圍范圍每根傳輸線的每根傳輸線的 功能功能信號的信號的 時(shí)序時(shí)序 關(guān)系關(guān)系地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制三、總線的性能指標(biāo)三、總線的性能指標(biāo)1. 總線寬度總線寬度2. 標(biāo)準(zhǔn)傳輸率標(biāo)準(zhǔn)傳輸率3. 時(shí)鐘同步時(shí)鐘同步/異步異步4. 總線復(fù)用總線復(fù)用5. 信號線數(shù)信號線數(shù)6. 總線控制方式總線控制方式7. 其他指標(biāo)其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 的根數(shù)的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBs）同步、不同步同步、不同步地址線地址線 與與 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 復(fù)用復(fù)用地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的地址線、

5、數(shù)據(jù)線和控制線的 總和總和負(fù)載能力負(fù)載能力并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)ISAEISAVL-BUSPCI模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)總總線線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn) 四、總線標(biāo)準(zhǔn)四、總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)系統(tǒng)模塊模塊標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn) 界界 面面3.4 3.4 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線） CPU M.M I/O接口 外部 設(shè)備1 外部 設(shè)備2 I/O接口 外部 設(shè)備n I/O接口1. 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)具有特殊功能的處理器由通道對I/O統(tǒng)一管理通道 I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備0 CPU主存主存總線I/O總線二、多總線結(jié)構(gòu)二、多總線結(jié)構(gòu)2. 三總線結(jié)構(gòu)

6、主存總線DMA總線I/O總線總線 CPU 主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口3. 三總線結(jié)構(gòu)的又一形式三總線結(jié)構(gòu)的又一形式局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線Modem串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存4. 四總線結(jié)構(gòu)四總線結(jié)構(gòu)主存擴(kuò)展總線接口局域網(wǎng)SCSI多媒體CPU調(diào)制解調(diào)器串行接口FAX系統(tǒng)總線局部總線高速總線擴(kuò)展總線圖形Cache/橋橋1. 傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)微型機(jī)總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例三、總線結(jié)構(gòu)舉例存儲器SCSI II控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器33 MHz32位數(shù)據(jù)通

7、路系統(tǒng)總線調(diào)制解調(diào)器多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形 CPU2. VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)局部總線結(jié)構(gòu)33 MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線ISA EISA多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形調(diào)制解調(diào)器圖文傳真8 MHz的的1616位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存儲器存儲器局部總線局部總線 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS3. PCI 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)CPU多媒體PCI 橋高速局域網(wǎng)高性能圖形調(diào)制解調(diào)器圖文傳真PCI 總線總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線33 MHz的的32位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路8 MHz的的16位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路ISA EISA標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線

8、控制器控制器 SCSI 控制器控制器存儲器存儲器4. 多層多層 PCI 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)PCI總線總線2存儲器橋0橋4 PCI設(shè)備橋5總線橋橋3橋1設(shè)備橋2第一級橋第一級橋第二級橋第二級橋第三級橋第三級橋PCI總線總線4PCI總線總線5PCI總線總線3PCI總線總線1PCI總線總線0存儲器總線存儲器總線 標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線CPU3.5 3.5 總線控制總線控制一、總線判優(yōu)控制一、總線判優(yōu)控制 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式分布式集中式集中式 主設(shè)備主設(shè)備(模塊模塊)對總線有對總線有 控制權(quán)控制權(quán) 從設(shè)備從設(shè)備(模塊模塊)響應(yīng)響應(yīng) 從主設(shè)備發(fā)來的總線命令從主設(shè)備發(fā)來的總線命令1. 基本概念基本概念

9、鏈?zhǔn)讲樵冩準(zhǔn)讲樵冇?jì)數(shù)器定時(shí)查詢計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請求方式獨(dú)立請求方式2. 鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞娇偩€控制部件I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS -總線忙總線忙BR-總線請求總線請求BG-總線同意總線同意I/O接口1 0BS -總線忙總線忙BR-總線請求總線請求總線控制部件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址設(shè)備地址3. 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式I/O接口1 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 1排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器4. 獨(dú)立請求方式獨(dú)立請求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口0I/O接口

10、1I/O接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意總線同意BR-總線請求總線請求鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑簝?yōu)點(diǎn)：只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線控制，并且這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)很容易擴(kuò)充設(shè)備。缺點(diǎn)：對詢問鏈的電路故障很敏感，優(yōu)先級固定。計(jì)數(shù)器定時(shí)方式：計(jì)數(shù)器的初值也可用程序來設(shè)置，這可以方便地改變優(yōu)先次序，但這種靈活性是以增加線數(shù)為代價(jià)的?？煞奖愕母淖儍?yōu)先級。獨(dú)立請求方式：優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快，即確定優(yōu)先響應(yīng)的設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間少。對優(yōu)先次序的控制也是相當(dāng)靈活的。三種總線判優(yōu)方式的比較三種總線判優(yōu)方式的比較二、總線通信控制二、總線通信控制1. 目的目的2. 總線傳輸周期總線傳輸周期主模塊申請主模塊申

11、請，總線仲裁決定，總線仲裁決定主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)主模塊主模塊 撤銷有關(guān)信息撤銷有關(guān)信息 申請分配階段申請分配階段尋址階段尋址階段傳數(shù)階段傳數(shù)階段結(jié)束階段結(jié)束階段解決通信雙方解決通信雙方 協(xié)調(diào)配合協(xié)調(diào)配合 問題問題由由 統(tǒng)一時(shí)標(biāo)統(tǒng)一時(shí)標(biāo) 控制數(shù)據(jù)傳送控制數(shù)據(jù)傳送充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每瞬間總線每瞬間 的的 潛力潛力同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 總線通信的四種方式總線通信的四種方式采用采用 應(yīng)答方式應(yīng)答方式，沒有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，沒有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合同步、異步結(jié)合(1) 同步式數(shù)據(jù)輸入同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4 時(shí)鐘時(shí)鐘 地址地址 讀讀命令命令 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(2) 同步式數(shù)據(jù)輸出同步式數(shù)據(jù)輸出T1總線傳輸周期T2T3T4 時(shí)鐘時(shí)鐘 地址地址 寫寫命令命令 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)同步定時(shí)的特點(diǎn)同步定時(shí)的特點(diǎn)：（1）由于采用統(tǒng)一時(shí)鐘定時(shí)，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率。（2）必須按最慢的功