計算機組成原理第03章

1、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(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)3.5 總線控制總線控制l教學(xué)目標：教學(xué)目標：了解總線的基本概念及了解總線的基本概念及其分類，了解計算機的結(jié)構(gòu)從分散其分類，了解計算機的結(jié)構(gòu)從分散連接發(fā)展成總線連接的原因、方式連接發(fā)展成總線連接的原因、方式及各種總線標準。及各種總線標準。l重點：重點：總線的基本概念；如何克服總線的基本概念；如何克服總線的瓶頸；如何對總線進行管理總線的瓶頸；如何對總線進行管理（判優(yōu)控制和通信控制）。（判優(yōu)控制和通信控制）。l難點：難點：總線的通信控制。總線的通信控制。一、為什么要用

2、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(zhì)各個部件共享的傳輸介質(zhì)串行串行并行并行四、總線結(jié)構(gòu)計算機舉例四、總線結(jié)構(gòu)計算機舉例1. 面向面向 CPU 的雙總線結(jié)構(gòu)框圖的雙總線結(jié)構(gòu)框圖中央處理中央處理 器器 CPUI/O總線總線M總總線線主存儲器主存儲器 M.MI/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備1 外部外部 設(shè)備設(shè)備2I/O接口接口I/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備n單總線（系統(tǒng)總線）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

3、接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備1 外部外部 設(shè)備設(shè)備2 I/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口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)總線系統(tǒng)總線 M.M CPU I/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備1 外部外部 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口存儲總線存儲總線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 與機器字長、存儲字長有關(guān)與機器字長、存儲字長有關(guān)單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 I/O地址有關(guān)地址有關(guān)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

4、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 計算機系統(tǒng)之間計算機系統(tǒng)之間 或或 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CPU 插件板插件板M.M 插件板插件板I/O插件板插件板一、總線物理實現(xiàn)一、總線物理實現(xiàn)BUS1. 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 形狀形狀傳輸方向

5、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(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(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. 其他指標其他指標數(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、數(shù)據(jù)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(shù)并發(fā)、

6、自動、仲裁、邏輯、計數(shù)ISAEISAVL-BUSPCI模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)總總線線標標準準 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lISA 工業(yè)標準結(jié)構(gòu)工業(yè)標準結(jié)構(gòu) lEISA 增強型工業(yè)標準結(jié)構(gòu)的總線增強型工業(yè)標準結(jié)構(gòu)的總線 lVESA 視頻電子工業(yè)協(xié)會提出的局部總線，簡視頻電子工業(yè)協(xié)會提出的局部總線，簡稱稱VL總線總線 lPCI 外圍部件互連總線外圍部件互連總線 lPCI Express lAGP 加速圖形接口加速圖形接口lRS-232C 推薦串行通信總線標準推薦串行通信總線標準lUSB 通用串行總線，串行接口總線標準通用串行總線，串行接口總線標準lSCSI 小型計算機

7、接口小型計算機接口lIEEE1394 一種串行接口標準一種串行接口標準一、單總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線）單總線（系統(tǒng)總線） CPU M.M I/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備1 外部外部 設(shè)備設(shè)備2 I/O接口接口 外部外部 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口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(shè)備設(shè)備n I/O接口接口 設(shè)備設(shè)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(jié)構(gòu)二、多總線結(jié)構(gòu)2. 三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)主存總線主存總線DMADMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存

8、設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備n高速外設(shè)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)局域網(wǎng)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串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存4. 四總線結(jié)構(gòu)四總線結(jié)構(gòu)主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網(wǎng)局域網(wǎng)SCSI多媒體多媒體CPU調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器串行接口串行接口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1. 傳統(tǒng)微型機總線結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)微型機總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例三、總線結(jié)構(gòu)舉例存儲器存

9、儲器SCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISA8 MHz16 6位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路標準總線控制器標準總線控制器33 MHz3232位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器多媒體多媒體高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形 CPU2. VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)局部總線結(jié)構(gòu)33 MHz的的3232位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)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(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器圖文傳真圖文傳真8 MHz的的1616位數(shù)據(jù)通路位數(shù)據(jù)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

10、 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多媒體多媒體PCI 橋橋高速局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)高性能圖形高性能圖形調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器圖文傳真圖文傳真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存儲器存儲器橋橋0橋橋4 PCI設(shè)備設(shè)備橋橋5總線橋總線橋橋橋3橋橋1設(shè)備設(shè)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5PC

11、I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. 基本概念基本概念鏈式查詢鏈式查詢計數(shù)器定時查詢計數(shù)器定時查詢獨立請求方式獨立請求方式2. 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(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

12、/O接口接口1 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(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設(shè)備地址設(shè)備地址3. 計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)器定時查詢方式I/O接口接口1 計數(shù)器計數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 1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(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)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nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意總線同意BR-總線請求總線請求二、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，

13、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)一時標統(tǒng)一時標 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，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準同步

14、、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總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 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總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)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(shè)備主設(shè)備從設(shè)備從設(shè)備請請求求回回答答(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 結(jié)合）結(jié)合）異步異步 允許不同速度的模塊和諧工作允

15、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(yīng)信號響應(yīng)信號 WAIT以輸入數(shù)據(jù)為例的半同步通信時序以輸入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)從模塊提供數(shù)據(jù)T4 從模塊撤銷數(shù)據(jù)，主模塊撤銷命令從模塊撤銷數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)為例）一個總線傳輸周期（以輸入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)從模塊

16、準備數(shù)據(jù) 從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)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(5) 分離式通信分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力充分挖掘系統(tǒng)總線每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(quán)的使用權(quán)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一個總線傳輸周期一個總線傳輸周期子周期子周期1子周期子周期2主模塊主模塊1. 各模塊有權(quán)申請占用總線各模塊有權(quán)申請占用總線分離式通信特點分離式通信特點充分發(fā)揮了總線的有效占用充分發(fā)揮了總線的有效占用2. 采用同步方

17、式通信，不等對方回答采用同步方式通信，不等對方回答3. 各模塊準備數(shù)據(jù)時，不占用總線各模塊準備數(shù)據(jù)時，不占用總線4. 總線被占用時，無空閑總線被占用時，無空閑3.11畫一個具有雙向傳送功能的總線邏輯圖。畫一個具有雙向傳送功能的總線邏輯圖。3.12 設(shè)數(shù)據(jù)總線上接有設(shè)數(shù)據(jù)總線上接有A、B、C、D四個寄存器，四個寄存器，要求選用合適的要求選用合適的74系列芯片，完成下列邏輯設(shè)系列芯片，完成下列邏輯設(shè)計：計：（1）設(shè)計一個電路，在同一時間實現(xiàn)）設(shè)計一個電路，在同一時間實現(xiàn)DA、DB和和DC寄存器間的傳送；寄存器間的傳送；（2）設(shè)計一個電路，實現(xiàn)下列操作：）設(shè)計一個電路，實現(xiàn)下列操作：lT0時刻完成時

18、刻完成D總線；總線；lT1時刻完成總線時刻完成總線A；lT2時刻完成時刻完成A總線；總線；lT3時刻完成總線時刻完成總線B。3.14 設(shè)總線的時鐘頻率為設(shè)總線的時鐘頻率為8MHz，一個總，一個總線周期等于一個時鐘周期。如果一個總線線周期等于一個時鐘周期。如果一個總線周期中并行傳送周期中并行傳送16位數(shù)據(jù)，試問總線的帶位數(shù)據(jù)，試問總線的帶寬是多少？寬是多少？3.16 在異步串行傳送系統(tǒng)中，字符格式為：在異步串行傳送系統(tǒng)中，字符格式為：1個起始位、個起始位、8個數(shù)據(jù)位、個數(shù)據(jù)位、1個校驗位、個校驗位、2個個終止位。若要求每秒傳送終止位。若要求每秒傳送120個字符，試求個字符，試求傳送的波特率和比特

19、率。傳送的波特率和比特率。1. 信息只用一條傳輸線信息只用一條傳輸線 ，且采用脈沖傳輸?shù)姆?，且采用脈沖傳輸?shù)姆绞椒Q為式稱為_。A.串行傳輸串行傳輸 B.并行傳輸并行傳輸 C.并串行傳輸并串行傳輸 D.分時傳輸分時傳輸答案：答案：A2.系統(tǒng)總線中地址線的功能是系統(tǒng)總線中地址線的功能是_。A. 用于選擇主存單元地址用于選擇主存單元地址 B. 用于選擇進行信息傳輸?shù)脑O(shè)備用于選擇進行信息傳輸?shù)脑O(shè)備C. 用于選擇外存地址用于選擇外存地址 D. 用于指定主存和用于指定主存和I/O設(shè)備接口電路的地址設(shè)備接口電路的地址答案：答案：D3. PCI總線采用總線采用A._仲裁方式，每一個仲裁方式，每一個PCI設(shè)備都

20、有獨立的總線請求和總線授權(quán)兩設(shè)備都有獨立的總線請求和總線授權(quán)兩條信號線與條信號線與B._相連。相連。答案：答案：A.集中式集中式 B.中央仲裁器中央仲裁器4.三種集中式總線控制中，三種集中式總線控制中，_方式對電路方式對電路故障最敏感。故障最敏感。A.鏈式查詢鏈式查詢 B.計數(shù)器定時查詢計數(shù)器定時查詢 C.獨立請獨立請求求 答案：答案：A5.下面敘述中，下面敘述中，_是正確的。是正確的。A.總線一定要和接口相連總線一定要和接口相連 B.接口一定要和總線相連接口一定要和總線相連C.通道可以替代接口通道可以替代接口 D.總線始終由總線始終由CPU控制和管理控制和管理答案：答案：B6.計算機使用總線

21、結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是便于實現(xiàn)積木化，計算機使用總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是便于實現(xiàn)積木化，同時同時_。A. 減少了信息傳輸量減少了信息傳輸量B. 提高了信息傳輸?shù)乃俣忍岣吡诵畔鬏數(shù)乃俣菴. 減少了信息傳輸線的條數(shù)減少了信息傳輸線的條數(shù)答案：答案：C 7.描述描述PCI總線中基本概念不正確的是總線中基本概念不正確的是_。A. PCI總線是一個與處理器無關(guān)的高速外圍總線總線是一個與處理器無關(guān)的高速外圍總線B. PCI總線的基本傳輸機制是猝發(fā)式傳輸總線的基本傳輸機制是猝發(fā)式傳輸C. PCI設(shè)備不一定是主設(shè)備設(shè)備不一定是主設(shè)備D. 系統(tǒng)中只允許有一條系統(tǒng)中只允許有一條PCI總線總線答案：答案：D8.按照總線仲裁電路的位置不同，可分為按照總線仲裁電路的位置不同，可分為A._仲裁和仲裁和B._仲裁。仲裁。 答案：答案：A.集中式集中式 B.分布式分布式 9.計算機系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用條件和硬件資源不同，計算機系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用條件和硬件資源不同，數(shù)據(jù)傳輸方式可采用：數(shù)據(jù)傳輸方式可采用：A._傳送、傳送、B._傳傳送和送和C._傳送。傳送。答案：答案： A.并行并行 B.串行串行 C.復(fù)用復(fù)用10.同步控制是同步控制是_。A只適用于只適用于CPU控制的方式控制的方式 B只適用于外圍設(shè)備控制的方式只適用于外圍設(shè)備控制的方式C由統(tǒng)一時序信號控制的方式由統(tǒng)一時序信號控制的方式 D所有指令控制時