計算機組成原理課件chap3-系統(tǒng)總線

1、計算機科學與工程系1第章 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總線特性及性能指標3.4 總線結構總線結構3.5 總線控制總線控制計算機科學與工程系23.1 總線的基本概念一、為什么要用總線一、為什么要用總線二、什么是總線二、什么是總線三、總線上信息的傳送三、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各個部件共享的傳輸介質串行串行并行并行計算機科學與工程系3四、總線結構的計算機舉例四、總線結構的計算機舉例1. 面向面向 CPU 的雙總線結構框圖的雙總線結構框圖 中央處理

2、器中央處理器 CPUI/O總線總線M總總線線主存主存 I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 設備設備n計算機科學與工程系4單總線（系統(tǒng)總線）單總線（系統(tǒng)總線）2. 單總線結構框圖單總線結構框圖 CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備2 I/O接口接口 I/O 設備設備n I/O接口接口計算機科學與工程系53. 以存儲器為中心的雙總線結構框圖以存儲器為中心的雙總線結構框圖系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備n I/O接口接口存儲總線存儲總線計算機科學與工程系6

3、3.2 總線的分類1. .片內總線片內總線2. .系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線芯片內部芯片內部 的總線的總線數據總線數據總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關與機器字長、存儲字長有關單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 I/O地址有關地址有關有出有出 有入有入計算機各部件之間計算機各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求中斷請求、總線請求計算機科學與工程系73. .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 計算機系統(tǒng)之間計算機系統(tǒng)之間 或或

4、計算機系統(tǒng)計算機系統(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計算機科學與工程系83.3 總線特性及性能指標CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、總線物理實現(xiàn)一、總線物理實現(xiàn)BUS主板主板計算機科學與工程系91. 機械特性機械特性2. 電氣特性電氣特性3. 功能特性功能特性4. 時間特性時間特性二、總線特性二、總線特性尺寸尺寸、形狀、形狀、管腳數管腳數及及排列順序排列順序傳輸方向傳輸方向 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 時序時序 關系關系地址地址數據數據控制控制計算機科學與工程

5、系10三、總線的性能指標三、總線的性能指標1. 總線寬度總線寬度2. 標準傳輸率標準傳輸率3. 時鐘同步時鐘同步/異步異步4. 總線復用總線復用5. 信號線數信號線數6. 總線控制方式總線控制方式7. 其他指標其他指標數據線數據線 的根數的根數每秒傳輸的最大字節(jié)數（每秒傳輸的最大字節(jié)數（MBps）同步同步、不同步不同步地址線地址線 與與 數據線數據線 復用復用地址線、數據線和控制線的地址線、數據線和控制線的 總和總和負載能力負載能力并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數計算機科學與工程系11ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)總

6、總線線標標準準 四、總線標準四、總線標準系統(tǒng)系統(tǒng)模塊模塊標標 準準 界界 面面計算機科學與工程系12總線標準總線標準數據線數據線總線時鐘總線時鐘帶寬帶寬ISA168 MHz（獨立）（獨立）33 MBpsEISA328 MHz（獨立）（獨立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3232 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（獨立）（獨立）64 MHz（獨立）（獨立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（獨立）（獨立）133 MHz（獨立）（獨立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信總線標準總線標準數據終端設備（計算機）和數據通

7、信設備數據終端設備（計算機）和數據通信設備（調制解調器）之間的標準接口（調制解調器）之間的標準接口USB串行接口串行接口總線標準總線標準普通無屏蔽雙絞線普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0) 四、總線標準四、總線標準計算機科學與工程系133.4 總線結構一、單總線結構一、單總線結構單總線（系統(tǒng)總線）單總線（系統(tǒng)總線） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備2 I/O接口接口 I/O 設備設備n I/O接口接口計算機科學與工程系141. 雙總線結構雙總線結

8、構具有特殊功能的處理器，具有特殊功能的處理器，由通道對由通道對I/O統(tǒng)一管理統(tǒng)一管理通道通道 I/O接口接口 設備設備n I/O接口接口 設備設備0 CPU主存主存主存總線主存總線I/O總線總線二、多總線結構二、多總線結構計算機科學與工程系152. 三總線結構三總線結構主存總線主存總線DMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設備設備1設備設備n高速外設高速外設I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口計算機科學與工程系163. 三總線結構的又一形式三總線結構的又一形式局域網局域網系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCache局部總線局部總線擴展總線接口擴展總線接口擴展總線擴展總線Modem串行接口串行

9、接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存計算機科學與工程系174. 四總線結構四總線結構多媒體多媒體 Modem主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網局域網SCSICPU串行接口串行接口FAX系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線局部總線局部總線高速總線高速總線擴展總線擴展總線圖形圖形Cache/橋橋計算機科學與工程系181. 傳統(tǒng)微型機總線結構傳統(tǒng)微型機總線結構三、總線結構舉例三、總線結構舉例存儲器存儲器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的的16位數據通路位數據通路標準總線控制器標準總線控制器33 MHz的的32位數據通路位數據通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線多媒體多媒體高速局域網高

10、速局域網高性能圖形高性能圖形 CPU Modem計算機科學與工程系192. VL-BUS局部總線結構局部總線結構33 MHz的的32位數據通路位數據通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線ISA、EISA多媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形圖文傳真圖文傳真8 MHz的的16位數據通路位數據通路標準總線標準總線 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 BUS Modem計算機科學與工程系203. PCI 總線結構總線結構CPU多媒體多媒體PCI 橋橋高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形圖文傳真圖文傳真PCI 總線總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)

11、總線33 MHz的的32位數據通路位數據通路8 MHz的的16位數據通路位數據通路ISA、EISA標準總線標準總線 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存儲器存儲器 Modem計算機科學與工程系214. 多層多層 PCI 總線結構總線結構PCI總線總線2存儲器存儲器橋橋0橋橋4 PCI設備設備橋橋5總線橋總線橋橋橋3橋橋1設備設備橋橋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 標準總線標準總線CPU計算機科學與工程系223.5 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

12、優(yōu)控制分布式分布式集中式集中式 主設備主設備(模塊模塊)對總線有對總線有 控制權控制權 從設備從設備(模塊模塊)響應響應 從主設備發(fā)來的總線命令從主設備發(fā)來的總線命令1. 基本概念基本概念鏈式查詢鏈式查詢計數器定時查詢計數器定時查詢獨立請求方式獨立請求方式計算機科學與工程系232. 鏈式查詢方式鏈式查詢方式總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數據線數據線地址線地址線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接口接口1計算機科學與工程系24 0BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址

13、線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設備地址設備地址3. 計數器定時查詢方式計數器定時查詢方式I/O接口接口1 計數器計數器設備地址設備地址 1計算機科學與工程系25排隊器排隊器排隊器排隊器4. 獨立請求方式獨立請求方式總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG總線同意總線同意BR總線請求總線請求計算機科學與工程系26二、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

14、給出地址 和和 命令命令主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數據交換數據主模塊主模塊 撤消有關信息撤消有關信息 申請分配階段申請分配階段尋址階段尋址階段傳數階段傳數階段結束階段結束階段解決通信雙方解決通信雙方 協(xié)調配合協(xié)調配合 問題問題計算機科學與工程系27由由 統(tǒng)一時標統(tǒng)一時標 控制數據傳送控制數據傳送充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每個瞬間總線每個瞬間 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 應答方式應答方式 ，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準同步同步、異步結合異步結合計算機科學與工

15、程系28 讀讀命令命令(1) 同步式數據輸入同步式數據輸入T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 數據數據計算機科學與工程系29 數據數據(2) 同步式數據輸出同步式數據輸出T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令計算機科學與工程系30不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖(3) 異步通信異步通信主設備主設備從設備從設備請請求求回回答答計算機科學與工程系31(4) 半同步通信半同步通信同步同步 發(fā)送方發(fā)送方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘前沿時鐘前沿 發(fā)信號發(fā)信號 接收方接收方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘后沿時鐘后沿 判斷、識別判斷、識別（同步同步、異步異步

16、結合）結合）異步異步 允許不同速度的模塊和諧工作允許不同速度的模塊和諧工作 增加一條增加一條 “等待等待”響應信號響應信號 WAIT計算機科學與工程系32以輸入數據為例的半同步通信時序以輸入數據為例的半同步通信時序T1 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址T2 主模塊發(fā)命令主模塊發(fā)命令T3 從模塊提供數據從模塊提供數據T4 從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令Tw 當當 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 TWAITTw 當當 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 TWAIT計算機科學與工程系33 讀讀 命令命令WAIT 地址地址 數據數據 時鐘時鐘總線傳輸周期總線傳輸周

17、期T1T2TWTWT3T4(4) 半同步通信半同步通信 （同步同步、異步異步 結合）結合）計算機科學與工程系34上述三種通信的共同點上述三種通信的共同點一個總線傳輸周期（以輸入數據為例）一個總線傳輸周期（以輸入數據為例） 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址 、命令、命令 從模塊準備數據從模塊準備數據 從模塊向主模塊發(fā)數據從模塊向主模塊發(fā)數據總線空閑總線空閑占用總線占用總線不占用總線不占用總線占用總線占用總線計算機科學與工程系35(5) 分離式通信分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力主模塊主模塊 申請申請 占用總線占用總線，使用完后，使用完后即即 放棄總線放棄總線 的使用權的使用權從模塊從模塊 申請申請 占用總線占用總線，將各種信，將各種信息送至總線上息送至總線上