计算机组成原理3 第三章 总线(2).ppt

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1、第三章第三章 系统总线系统总线3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 总线的分类总线的分类3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制3.1 总线的基本概念总线的基本概念 总线是连接各个部件的总线是连接各个部件的公共信息传输线公共信息传输线，是，是 各个各个部件共享的传输介质，它能分时地发送与接收各部件部件共享的传输介质，它能分时地发送与接收各部件的信息。的信息。l总线特点：总线特点：分时共享。分时共享。vv总线总线总线总线按功能和规范可分为三大类型：按功能和规范可分为三大类型：按功能和规范可分为三大类型：按功能和规范可分为三大类型：vv(1)(1)(1)(1)片级总线片级总线片级总线

2、片级总线把各种不同芯片连接在把各种不同芯片连接在把各种不同芯片连接在把各种不同芯片连接在一起构成特定功能模块一起构成特定功能模块一起构成特定功能模块一起构成特定功能模块(如如如如CPUCPUCPUCPU模块模块模块模块)的信息传输通路。的信息传输通路。的信息传输通路。的信息传输通路。vv(2)(2)(2)(2)系统总线系统总线系统总线系统总线微机系统中各插件微机系统中各插件微机系统中各插件微机系统中各插件(模模模模块块块块)之间的信息传输通路。例如之间的信息传输通路。例如之间的信息传输通路。例如之间的信息传输通路。例如CPUCPUCPUCPU模模模模块和存储器模块或块和存储器模块或块和存储器模

3、块或块和存储器模块或I/OI/OI/OI/O接口模块之间接口模块之间接口模块之间接口模块之间的传输通路。的传输通路。的传输通路。的传输通路。（PCIPCIPCIPCI总线总线总线总线 AGPAGPAGPAGP总线）总线）总线）总线）n n(3)(3)(3)(3)外总线外总线外总线外总线微机系统之间或微机系统微机系统之间或微机系统微机系统之间或微机系统微机系统之间或微机系统与其他系统与其他系统与其他系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置仪器、仪表、控制装置仪器、仪表、控制装置仪器、仪表、控制装置等等等等)之间信息传输的通路，如之间信息传输的通路，如之间信息传输的通路，如之间信息传输的通路，如EIA

4、 RS-EIA RS-EIA RS-EIA RS-232C232C232C232C、IEEE-488IEEE-488IEEE-488IEEE-488等。等。等。等。（ISAISAISAISA总线）总线）总线）总线）3.2 总线的分类总线的分类 AGP图形总线：图形总线：Accelerated Graphics Port加加速图形端口速图形端口 PCI总线：总线：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group外部设备互连总线外部设备互连总线 ISA总线：总线：Industry Standard Architecture工工业标准结

5、构业标准结构系统总线：系统总线：数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、I/O地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求提问：提问：1、数据总线的条数为、数据总线的条数为数据总线宽度数据总线宽度，若，若数数据总线宽度据总线宽度8位位,指令字长指令字长16位位,则在则在CPU取取指阶段指阶段,需要访存几次需要访存几次?2、地址线的位数跟存储单

6、元的个数有关吗、地址线的位数跟存储单元的个数有关吗？3、如果地址线为、如果地址线为20根，则存储单元个数为根，则存储单元个数为多少？多少？常见控制信号常见控制信号l时钟时钟CLKl复位复位RESETl总线请求总线请求HOLDl总线允许总线允许HLDAl中断请求中断请求INTRl中断确认中断确认INTAl存储器写存储器写WR+M/IOl存储器读存储器读RD+M/IOlI/O读读RD+M/IOlI/O写写WR+M/IO通信总线通信总线串行通信总线串行通信总线并行通信总线并行通信总线传输方式传输方式3.2 用于用于 计算机系统之间计算机系统之间 或或 计算机系统计算机系统与其他系统与其他系统（如控制

7、仪表、移动通信等）（如控制仪表、移动通信等）之间的通信之间的通信1.双总线结构双总线结构:面向面向 CPU 的的3.4中央处理中央处理 器器 CPUI/O总线总线M总总线线主存储器主存储器 M.MI/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 外部外部 设备设备n3.4 总线结构总线结构2.单总线结构单总线结构单总线（系统总线）单总线（系统总线）CPU M.M I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2 I/O接口接口 外部外部 设备设备n I/O接口接口3.43.双总线结构双总线结构:以存储器为中心以存储器为中心系统总线系统总线 M.M

8、 CPU I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线3.44.三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMADMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口3.45.三总线结构三总线结构:又一形式又一形式3.4局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存6.四总线结构四总线结构主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSI多媒体多媒体CPU调制解调

9、器调制解调器串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥3.4例举：例举：PCI 总线结构总线结构CPU多媒体多媒体PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz的的32位数据通路位数据通路8 MHz的的16位数据通路位数据通路ISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存储器存储器3.4PentiumPentium处理器处理器局部总线局部总线(66MHz或或100MHz)CPU/PCICPU/PCI北桥芯片北桥芯片(

10、440LX(440LX或或440BX)440BX)存储器存储器AGPAGP视频视频控制卡控制卡AGP接口接口(66MHz)局部帧局部帧缓冲区缓冲区PCI/ISAPCI/ISA南桥芯片南桥芯片PCIPCI卡卡PCIPCI卡卡ISAISA卡卡ISAISA卡卡ISA总线总线(8MHz)USB总线总线(12MB/s)PCI总线总线(22MHz或或66MHz)Pentium系统系统4.多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器桥桥0桥桥4 PCI设备设备桥桥5总线桥总线桥桥桥3桥桥1设备设备桥桥2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCI总线总线4PCI总线总线5PCI总

11、线总线3PCI总线总线1PCI总线总线0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPU3.43.5 总线控制总线控制一、总线判优控制一、总线判优控制 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式 主设备主设备(模块模块)对总线有对总线有 控制权控制权 从设备从设备(模块模块)响应响应从主设备发来的总线命令从主设备发来的总线命令1.基本概念基本概念链式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式2.链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG

12、-总线同意总线同意3.5I/O接口接口1 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址3.计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/O接口接口13.5 计数器计数器设备地址设备地址 1排队器排队器排队器排队器4.独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求3.5系统总线：系统总线：数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制

13、总线双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关单向单向 与存储地址、与存储地址、I/O地址有关地址有关有出有出 有入有入计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线存储器读、存储器写存储器读、存储器写总线允许、中断确认总线允许、中断确认中断请求、总线请求中断请求、总线请求内容回顾：内容回顾：四总线结构四总线结构主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSI多媒体多媒体CPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥3.4总线控制总线控制总线控制总线控制-链式查询方式链式查

14、询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG-总线同意总线同意3.5I/O接口接口1 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址总线控制总线控制总线控制总线控制-计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/O接口接口13.5 计数器计数器设备地址设备地址 1排队器排队器排队器排队器总线控制总线控制总线控制总线控制-独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数

15、据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求3.5二、总线通信控制二、总线通信控制1.目的目的2.总线传输周期总线传输周期多主模块申请多主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤销有关信息撤销有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题3.5由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数

16、据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每瞬间总线每瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3.总线通信的四种方式总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步、异步结合同步、异步结合3.5(1)同步式数据输入同步式数据输入到总线到总线（读命令）（读命令）T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 读读命令命令 数据数据3.5同步式数据同步式数据从总线从总线输出（写命令）输出（写命令）T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令 数据数据3.5例例3

17、.1 假设总线的时钟频率为假设总线的时钟频率为100MHz,总总线的传输周期为线的传输周期为4个时钟周期个时钟周期,总线的宽度总线的宽度为为32位位,试求总线的数据传输率试求总线的数据传输率.若想提高若想提高一倍的数据传输率一倍的数据传输率,可采取什么措施可采取什么措施?例例3.1 假设总线的时钟频率为假设总线的时钟频率为100MHz,总总线的传输周期为线的传输周期为4个时钟周期个时钟周期,总线的宽度总线的宽度为为32位位,试求总线的数据传输率试求总线的数据传输率.若想提高若想提高一倍的数据传输率一倍的数据传输率,可采取什么措施可采取什么措施?答答:数据传输率数据传输率=传输的数据量传输的数据

18、量/传送的时间传送的时间 f=100MHZ T=1/f=1*10-8秒秒 数据传输率数据传输率=4B/(4*10-8)=100MBps若想提高一倍数据传输率若想提高一倍数据传输率,或者将数据总线或者将数据总线宽度改为宽度改为64位位,或者将总线的时钟频率增加或者将总线的时钟频率增加为为200MHZ不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(2)异步通信（异步通信（Handshaking）3.5主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答例例3.2 在异步串行传输系统中，假设每秒在异步串行传输系统中，假设每秒传输传输20个数据帧，其字符格式规定包含个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位、个起始位、7个数据

19、位、个数据位、1个奇校验位、一个奇校验位、一个终止位，试计算波特率个终止位，试计算波特率,比特率。比特率。例例3.2 在异步串行传输系统中，假设每秒在异步串行传输系统中，假设每秒传输传输20个数据帧，其字符格式规定包含个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位、个起始位、7个数据位、个数据位、1个奇校验位、一个奇校验位、一个终止位，试计算波特率个终止位，试计算波特率,比特率。比特率。波特率：单位时间内传送的二进制数据的位波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，单位用数，单位用bps（位（位/秒）表示，记作波特。秒）表示，记作波特。比特率：单位时间内传送二进制有效数据的比特率：单位时间内传送二进制

20、有效数据的位数，单位用位数，单位用bps表示。表示。例例3.2 在异步串行传输系统中，假设每秒在异步串行传输系统中，假设每秒传输传输120个数据帧，其字符格式规定包含个数据帧，其字符格式规定包含1个起始位、个起始位、7个数据位、个数据位、1个奇校验位、一个奇校验位、一个终止位，试计算波特率个终止位，试计算波特率,比特率。比特率。波特率：（波特率：（1+7+1+1）*120=1200bps比特率：比特率：7*120=840bps 或者或者1200*（7/10）=840bps例例3.3 画图说明用异步串行传输方式发送画图说明用异步串行传输方式发送十六进制数据十六进制数据95H。要求字符格式为：。要

21、求字符格式为：1位位起始位，起始位，8位数据位，位数据位，1位偶校验位，位偶校验位，1位位终止位。终止位。例例3.3 说明用异步串行传输方式发送十六说明用异步串行传输方式发送十六进制数据进制数据95H。要求字符格式为：。要求字符格式为：1位起始位起始位，位，8位数据位，位数据位，1位偶校验位，位偶校验位，1位终止位终止位。位。起始位起始位,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,校验位校验位,停止位停止位(4)半同步通信半同步通信同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别3.5（同步同步、异步

22、异步 结合）结合）异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAIT以输入数据为例的半同步通信时序以输入数据为例的半同步通信时序P65T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模块提供数据T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAITTw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAIT3.5上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点一个总线传输周期（以输入数据为例）一个总线传输周期（以输入数据

23、为例）主模块发地址主模块发地址、命令、命令 从模块准备数据从模块准备数据 从模块向主模块发数据从模块向主模块发数据总线空闲总线空闲3.5占用总线占用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线总线的性能指标总线的性能指标p461.总线宽度：总线宽度：2.标准传输率：标准传输率：3.时钟同步时钟同步/异步：异步：4.总总线线复复用用：5.信号线数：信号线数：6.总线控制方式：总线控制方式：7.其他指标：其他指标：数据线数据线 的根数的根数每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBs）同步、不同步同步、不同步地址线地址线 与与 数据线数据线 复用复用地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和负载能力负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数