計(jì)算機(jī)組成原理-考研輔導(dǎo)(嚴(yán)軍勇)-06-2003

1、計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理一、總線概述總線的基本概念總線的分類(lèi)總線的組成及性能指標(biāo)二、總線仲裁集中仲裁方式分布仲裁方式三、總線操作和定時(shí) 同步定時(shí)方式異步定時(shí)方式四、總線標(biāo)準(zhǔn)總線計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理2 * *部件之間的連接方式：部件之間的連接方式： 有分散連接和總線連接兩種形式。有分散連接和總線連接兩種形式。 分散連接的特點(diǎn)分散連接的特點(diǎn)通信性能好、可擴(kuò)展性差；通信性能好、可擴(kuò)展性差； 總線連接的特點(diǎn)總線連接的特點(diǎn)可擴(kuò)展性好可擴(kuò)展性好、易產(chǎn)生、易產(chǎn)生通信瓶頸通信瓶頸。一、總線的基本概念一、總線的基本概念I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備1 1I/OI/O設(shè)備設(shè)備n nCPUCPU主存主存輸入設(shè)備輸

2、入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備(a)(a)分散連接方式分散連接方式(b)(b)總線連接方式總線連接方式CPUCPU主存主存 * *總線定義：總線定義： 模塊或設(shè)備間模塊或設(shè)備間用于用于傳輸信息傳輸信息的的一組公共信號(hào)線一組公共信號(hào)線?？偩€概述計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理32 2、按信號(hào)線功能分類(lèi)、按信號(hào)線功能分類(lèi) * *數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線：用于傳輸用于傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，雙向總線雙向總線， 數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度= =每次傳送的二進(jìn)制位數(shù)；每次傳送的二進(jìn)制位數(shù)； * *地址總線：地址總線：用于傳輸用于傳輸目標(biāo)設(shè)備及數(shù)據(jù)地址目標(biāo)設(shè)備及數(shù)據(jù)地址，單向總線單向總線， 地址總線寬度地址總線寬度=log=log2

3、2設(shè)備及數(shù)據(jù)地址空間；設(shè)備及數(shù)據(jù)地址空間；二、總線的分類(lèi)二、總線的分類(lèi) * *控制總線：控制總線：用于用于傳輸過(guò)程控制傳輸過(guò)程控制，單向總線單向總線， 有有控制信號(hào)線控制信號(hào)線和和狀態(tài)信號(hào)線狀態(tài)信號(hào)線兩種形式。兩種形式。 ( (主動(dòng)方主動(dòng)方發(fā)出發(fā)出) () (被動(dòng)方被動(dòng)方發(fā)出發(fā)出) )1 1、按數(shù)據(jù)傳送方式分類(lèi)、按數(shù)據(jù)傳送方式分類(lèi) * *并行傳輸總線：并行傳輸總線：同時(shí)傳送同時(shí)傳送多位二進(jìn)制數(shù)據(jù)多位二進(jìn)制數(shù)據(jù)( (多根數(shù)據(jù)線多根數(shù)據(jù)線) )； * *串行傳輸總線：串行傳輸總線：同時(shí)傳送同時(shí)傳送1 1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(1(1根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線) )。總線概述計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理43

4、 3、按總線功能分類(lèi)、按總線功能分類(lèi) * *內(nèi)部總線：內(nèi)部總線：又稱(chēng)又稱(chēng)片內(nèi)總線片內(nèi)總線，用于，用于芯片內(nèi)芯片內(nèi)/ /模塊內(nèi)部件間模塊內(nèi)部件間的信息傳輸，如的信息傳輸，如CPUCPU內(nèi)部?jī)?nèi)部的數(shù)據(jù)通路；的數(shù)據(jù)通路； * *系統(tǒng)總線：系統(tǒng)總線：用于用于系統(tǒng)內(nèi)各模塊間系統(tǒng)內(nèi)各模塊間的信息傳輸，如的信息傳輸，如CPUCPU與主存、與主存、I/OI/O模塊之間的總模塊之間的總線；線； * *通信總線：通信總線：又稱(chēng)又稱(chēng)外部總線外部總線，用于，用于系統(tǒng)間系統(tǒng)間/ /系統(tǒng)與外部設(shè)備間系統(tǒng)與外部設(shè)備間的信息傳輸，如的信息傳輸，如RS-RS-232/485232/485、USBUSB等總線。等總線。 總線標(biāo)準(zhǔn)

5、化：總線標(biāo)準(zhǔn)化： 為提高模塊和設(shè)備的為提高模塊和設(shè)備的通用性通用性，系統(tǒng)總線，系統(tǒng)總線/ /局部總線局部總線/ /通信總線常采用通信總線常采用總線標(biāo)總線標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)形式形式( (如如ISAISA、PCIPCI、USBUSB總線標(biāo)準(zhǔn)等總線標(biāo)準(zhǔn)等) )。 系統(tǒng)總線的發(fā)展：系統(tǒng)總線的發(fā)展： CPUCPU總線總線系統(tǒng)內(nèi)部分模塊間系統(tǒng)內(nèi)部分模塊間( (與與CPUCPU直接連接直接連接) )的總線；的總線； 局部總線局部總線系統(tǒng)內(nèi)部分模塊間系統(tǒng)內(nèi)部分模塊間( (不與不與CPUCPU直接連接直接連接) )的總線，如的總線，如I/OI/O模塊與主存模塊與主存之間的總線。之間的總線。總線概述計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原

6、理5三、總線特性及性能指標(biāo)三、總線特性及性能指標(biāo)1 1、總線的特性、總線的特性 * *物理特性：物理特性：指總線上模塊或設(shè)備指總線上模塊或設(shè)備約定的約定的物理連接方式物理連接方式，包括線寬、線間距離、，包括線寬、線間距離、插頭插頭/插座形狀等插座形狀等。(總線標(biāo)準(zhǔn)化所需總線標(biāo)準(zhǔn)化所需) ) * *功能特性：功能特性：指按傳輸功能及方式需求，指按傳輸功能及方式需求，約定的約定的信號(hào)線數(shù)量、各信號(hào)線功能、傳信號(hào)線數(shù)量、各信號(hào)線功能、傳輸方向等；輸方向等；功能功能表示表示( (信號(hào)線數(shù)、作用信號(hào)線數(shù)、作用) )信息信息表示表示( (邏輯值與電壓值邏輯值與電壓值) )主動(dòng)方主動(dòng)方被動(dòng)方被動(dòng)方 * *電

7、氣特性：電氣特性：指信號(hào)線上表示邏輯信息的電壓值及功率等；指信號(hào)線上表示邏輯信息的電壓值及功率等； * *時(shí)間特性：時(shí)間特性：又稱(chēng)又稱(chēng)邏輯特性邏輯特性，指，指?jìng)鬏斶^(guò)程中各信號(hào)線上信號(hào)有效的時(shí)傳輸過(guò)程中各信號(hào)線上信號(hào)有效的時(shí)長(zhǎng)及前后順序關(guān)系長(zhǎng)及前后順序關(guān)系( (時(shí)序特性時(shí)序特性) )。地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)命令與狀態(tài)命令與狀態(tài)CLKCLK地址線地址線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線控制線控制線總線概述計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理62 2、總線性能指標(biāo)、總線性能指標(biāo)(1)(1)性能參數(shù)性能參數(shù) * *總線寬度：總線寬度：又稱(chēng)又稱(chēng)總線位數(shù)總線位數(shù)，指，指數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線每次可傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)每次可傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)( (通常通

8、常1 1根線對(duì)根線對(duì)應(yīng)應(yīng)1 1位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)) )，常用，常用bitbit表示；表示； * *時(shí)鐘同步時(shí)鐘同步/ /異步：異步：同步總線同步總線總線上數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步，總線上數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步， 異步總線異步總線總線上數(shù)據(jù)與時(shí)鐘不同步；總線上數(shù)據(jù)與時(shí)鐘不同步； * *總線工作頻率：總線工作頻率：指同步總線的時(shí)鐘頻率，常用指同步總線的時(shí)鐘頻率，常用MHzMHz表示；表示； * *總線復(fù)用：總線復(fù)用：指同一信號(hào)線上是否分時(shí)傳送指同一信號(hào)線上是否分時(shí)傳送2 2種信號(hào)，種信號(hào)， 如地址線如地址線/ /數(shù)據(jù)線常采用復(fù)用方式；數(shù)據(jù)線常采用復(fù)用方式； * *總線工作模式：總線工作模式：指總線傳輸過(guò)程的傳輸模式指總線

9、傳輸過(guò)程的傳輸模式( (稍后討論稍后討論) )。回下頁(yè)總線概述計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理7(2)(2)總線性能指標(biāo)總線性能指標(biāo) * *最大傳輸率：最大傳輸率：又稱(chēng)又稱(chēng)總線帶寬總線帶寬，指總線上每秒最大可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，常用，指總線上每秒最大可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，常用MB/s(MB/s(或或MBpsMBps) )表示；表示； 最大傳輸率最大傳輸率=(=(總線寬度總線寬度/8/8位位) )最大傳輸次數(shù)最大傳輸次數(shù)/ /秒秒 例例11PCPC總線總線數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)寬度8 8位、總線工作頻率位、總線工作頻率4MHz4MHz，每次總線傳輸需，每次總線傳輸需4 4個(gè)總線時(shí)鐘個(gè)總線時(shí)鐘；其總線帶寬；其總線帶寬=

10、(8/8)=(8/8)(4/4)=1MB/s(4/4)=1MB/s。 例例22PCIPCI總線總線數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)寬度3232位、總線工作頻率位、總線工作頻率33.3MHz33.3MHz，支持突發(fā)傳輸模式支持突發(fā)傳輸模式( (連續(xù)連續(xù)傳輸時(shí)每次傳輸需傳輸時(shí)每次傳輸需1 1個(gè)總線時(shí)鐘個(gè)總線時(shí)鐘) )， 其總線帶寬其總線帶寬=(32/8)=(32/8)(33.3/1)=133MB/s(33.3/1)=133MB/s。 * *總線負(fù)載能力：總線負(fù)載能力：指總線上保持邏輯電平在正常范圍內(nèi)的所能連接的模塊或設(shè)備指總線上保持邏輯電平在正常范圍內(nèi)的所能連接的模塊或設(shè)備數(shù)量，常用個(gè)數(shù)表示。數(shù)量，常用個(gè)數(shù)表示。 注

11、注通常不關(guān)注該指標(biāo)通常不關(guān)注該指標(biāo)( (可用相關(guān)電路擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能力可用相關(guān)電路擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能力) )轉(zhuǎn)上頁(yè)總線概述計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理8總線傳輸與控制 * *相關(guān)術(shù)語(yǔ)：相關(guān)術(shù)語(yǔ)： 主設(shè)備主設(shè)備能夠能夠發(fā)起發(fā)起總線傳輸?shù)哪K總線傳輸?shù)哪K/ /設(shè)備；設(shè)備； 從設(shè)備從設(shè)備只能只能響應(yīng)響應(yīng)總線傳輸?shù)哪K總線傳輸?shù)哪K/ /設(shè)備；設(shè)備； 總線周期總線周期一次總線傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)。一次總線傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)。 * *主要討論內(nèi)容：主要討論內(nèi)容：總線周期的操作總線周期的操作包含包含哪些步驟？哪些步驟？ 有哪些有哪些方法方法確定總線歸某主設(shè)備使用？確定總線歸某主設(shè)備使用？ 如何如何表示表示傳輸各步驟的開(kāi)始及結(jié)束？傳輸各

12、步驟的開(kāi)始及結(jié)束？ 如何如何提高提高總線傳輸?shù)墓δ芑蛐阅?？總線傳輸?shù)墓δ芑蛐阅?？回下?yè)主設(shè)主設(shè)備備1 1總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu)從設(shè)從設(shè)備備1 1從設(shè)從設(shè)備備2 2主設(shè)主設(shè)備備2 2t tR11R11從設(shè)備從設(shè)備2 2從設(shè)備從設(shè)備1 1主設(shè)備主設(shè)備2 2主設(shè)備主設(shè)備1 1W12W12總線周期總線周期 總線周期總線周期W12W12R11R11W22W22R11R11W22W22計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理9一、總線操作步驟一、總線操作步驟 總線操作步驟通常由總線操作步驟通常由4 4個(gè)階段組成。個(gè)階段組成。 總線請(qǐng)求與仲裁階段：總線請(qǐng)求與仲裁階段： 主設(shè)備信號(hào)線配置主設(shè)備信號(hào)線配置 各主設(shè)備均有各

13、主設(shè)備均有“總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求”及及“總線允許總線允許”信號(hào)線；信號(hào)線； 主設(shè)備主設(shè)備有操作需求時(shí)，有操作需求時(shí)，發(fā)出發(fā)出“總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求”信號(hào)；信號(hào)； 總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu)根據(jù)各根據(jù)各“總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求”信號(hào)，信號(hào)，確定確定可使用總線的可使用總線的主設(shè)備，向該主設(shè)備主設(shè)備，向該主設(shè)備發(fā)出發(fā)出“總線允許總線允許”信號(hào)；信號(hào)；轉(zhuǎn)上頁(yè)主設(shè)備主設(shè)備1 1請(qǐng)求請(qǐng)求主設(shè)備主設(shè)備2 2請(qǐng)求請(qǐng)求總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu)主設(shè)備主設(shè)備1 1允許允許主設(shè)備主設(shè)備2 2允許允許總線使用者總線使用者t t空閑空閑總線周期總線周期仲裁仲裁主設(shè)備主設(shè)備1 1空閑空閑總線周期總線周期仲裁仲裁主設(shè)備主設(shè)備2 2空閑空閑總

14、線傳輸與控制計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理10 尋址階段：尋址階段： 已獲得總線使用權(quán)已獲得總線使用權(quán)的主設(shè)備的主設(shè)備發(fā)出發(fā)出目標(biāo)地址目標(biāo)地址和和操作命令操作命令; ; 注：注：a)a)已取得已取得指指總線周期開(kāi)始前總線周期開(kāi)始前就已知道就已知道 b)b)目標(biāo)地址目標(biāo)地址包括從設(shè)備地址及其數(shù)據(jù)空間的地址包括從設(shè)備地址及其數(shù)據(jù)空間的地址 從設(shè)備從設(shè)備根據(jù)目標(biāo)地址和操作命令根據(jù)目標(biāo)地址和操作命令判斷判斷是否為目標(biāo)設(shè)備是否為目標(biāo)設(shè)備, , 目標(biāo)設(shè)備目標(biāo)設(shè)備( (一般只有一般只有1 1個(gè)個(gè)) )進(jìn)行操作進(jìn)行操作響應(yīng)響應(yīng)；回下頁(yè)t t總線周期總線周期主設(shè)備主設(shè)備1 1響應(yīng)并啟動(dòng)響應(yīng)并啟動(dòng)發(fā)地址發(fā)地址x x

15、不響應(yīng)不響應(yīng)不能使用總線不能使用總線x(x(主設(shè)備主設(shè)備1 1所發(fā)所發(fā)) )R/W(R/W(主設(shè)備主設(shè)備1 1所發(fā)所發(fā)) )總線總線空閑空閑總線使用者總線使用者主設(shè)備主設(shè)備1 1主設(shè)備主設(shè)備2 2從設(shè)備從設(shè)備x x從設(shè)備從設(shè)備y y地址總線地址總線控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線空閑空閑計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理11 數(shù)據(jù)傳送階段：數(shù)據(jù)傳送階段： 主設(shè)備主設(shè)備根據(jù)操作類(lèi)型根據(jù)操作類(lèi)型(R(R或或W)W)，接收或發(fā)送接收或發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)； 目標(biāo)從設(shè)備目標(biāo)從設(shè)備根據(jù)操作類(lèi)型根據(jù)操作類(lèi)型(R(R或或W)W)，發(fā)送或接收發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)； 結(jié)束階段：結(jié)束階段： 主設(shè)備和從設(shè)備主設(shè)備和從設(shè)備將將所

16、控制總線信號(hào)所控制總線信號(hào)恢復(fù)恢復(fù)為原始狀態(tài)。為原始狀態(tài)。轉(zhuǎn)上頁(yè)t t總線周期總線周期主設(shè)備主設(shè)備1 1響應(yīng)響應(yīng)/ /啟動(dòng)啟動(dòng)發(fā)地址發(fā)地址x x不響應(yīng)不響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸不能使用總線不能使用總線x(x(主設(shè)備主設(shè)備1 1所發(fā)所發(fā)) )R/W(R/W(主設(shè)備主設(shè)備1 1所發(fā)所發(fā)) )DataData總線總線空閑空閑總線使用者總線使用者主設(shè)備主設(shè)備1 1主設(shè)備主設(shè)備2 2從設(shè)備從設(shè)備x x從設(shè)備從設(shè)備y y地址總線地址總線控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線空閑空閑信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)地址期地址期 數(shù)據(jù)期數(shù)據(jù)期空閑空閑總線總線空閑空閑響應(yīng)響應(yīng)/ /啟動(dòng)啟動(dòng)發(fā)地址發(fā)地址y

17、y不響應(yīng)不響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)不能使用總線不能使用總線y(y(主設(shè)備主設(shè)備2 2所發(fā)所發(fā)) )R/W(R/W(主設(shè)備主設(shè)備2 2所發(fā)所發(fā)) )DataData總線周期總線周期地址期地址期 數(shù)據(jù)期數(shù)據(jù)期主設(shè)備主設(shè)備2 2計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理12二、總線仲裁二、總線仲裁 * *仲裁策略：仲裁策略：考慮優(yōu)先級(jí)、保證公平性。考慮優(yōu)先級(jí)、保證公平性。1 1、集中式仲裁、集中式仲裁 -通過(guò)集中的總線仲裁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)通過(guò)集中的總線仲裁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)(1)(1)菊花鏈查詢(xún)方式菊花鏈查詢(xún)方式 ( (又稱(chēng)串行鏈查詢(xún)方式又稱(chēng)串行鏈查詢(xún)方式) ) * *仲裁信號(hào)線數(shù)量：仲

18、裁信號(hào)線數(shù)量：3 3根根(BR(BR、BGBG、BS)BS)； * *仲裁信號(hào)線連接：仲裁信號(hào)線連接：各主設(shè)備的各主設(shè)備的“總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求”線線BRiBRi及及“總線忙總線忙”線線BSiBSi用用“線或線或”方式方式連接，連接，“總線允許總線允許”線線BGiBGi串行連接；串行連接；總線總線仲裁仲裁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)BGBG主設(shè)備主設(shè)備0 0主設(shè)備主設(shè)備1 1主設(shè)備主設(shè)備n nBSBSBRBRDBDBABABCBCB注：注：BRBR總線請(qǐng)求線，總線請(qǐng)求線，BR=BR=BRiBRi，有效時(shí)表示有總線使用請(qǐng)求；，有效時(shí)表示有總線使用請(qǐng)求； BGBG總線允許線，總線允許線，BG(i+1)BG(i+1)ini

19、n= =BGiBGioutout； BSBS總線忙線，總線忙線，BS=BS=BSiBSi，無(wú)效時(shí)表示總線空閑，無(wú)效時(shí)表示總線空閑回下頁(yè)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理13 * *仲裁原理：仲裁原理：采用輪詢(xún)方式進(jìn)行仲裁采用輪詢(xún)方式進(jìn)行仲裁 總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu) BR=1BR=1且且BS=0BS=0時(shí)開(kāi)始仲裁時(shí)開(kāi)始仲裁( (使使BG=1)BG=1)， BS=1BS=1時(shí)仲裁完成時(shí)仲裁完成( (BSiBSi=1=1的主設(shè)備獲勝的主設(shè)備獲勝) )； 主設(shè)備主設(shè)備被詢(xún)問(wèn)被詢(xún)問(wèn)且且有請(qǐng)求時(shí)有請(qǐng)求時(shí)獲得獲得下個(gè)周期總線下個(gè)周期總線使用權(quán)，使用權(quán)， 即即BSiBSi= =BGiBGiinin&BRi

20、&BRi、BGiBGioutout= =BGiBGiinin& &BRiBRi； * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：靜態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁，某主設(shè)備異常將導(dǎo)致靜態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁，某主設(shè)備異常將導(dǎo)致BGBG鏈斷開(kāi)。鏈斷開(kāi)。轉(zhuǎn)上頁(yè)回下頁(yè) BRiBRi BRBR BR0 BR0 BR1 BR1 BR&BS# BR&BS# BGBG BGBG0 BGBG0inin BG0 BG0inin&BR0#=BG0&BR0#=BG0outoutBG1BG1inin BSiBSi BSBS BG0 BG0inin&BR0BS0&BR0BS0 BG1 BG1inin&am

21、p;BR1BS1&BR1BS1總線空閑總線空閑總線周期總線周期總線周期總線周期計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理14(2)(2)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式 ( (又稱(chēng)計(jì)數(shù)器查詢(xún)方式又稱(chēng)計(jì)數(shù)器查詢(xún)方式) ) * *仲裁信號(hào)線數(shù)量：仲裁信號(hào)線數(shù)量：2 2根根(BR(BR、BS)+logBS)+log2 2n n根根(BG)(BG)； * *仲裁信號(hào)線連接：仲裁信號(hào)線連接：各主設(shè)備各主設(shè)備“設(shè)備號(hào)設(shè)備號(hào)”信號(hào)線并行連接；信號(hào)線并行連接； * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：靜態(tài)靜態(tài)+ +循環(huán)優(yōu)先級(jí)仲裁，某主設(shè)備異常不影響仲裁。循環(huán)優(yōu)先級(jí)仲裁，某主設(shè)備異常不影響仲裁?？偩€總線仲裁仲裁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)備號(hào)設(shè)備號(hào)主設(shè)

22、備主設(shè)備0 0主設(shè)備主設(shè)備1 1主設(shè)備主設(shè)備n nBSBSBRBRDBDBABABCBCB轉(zhuǎn)上頁(yè)回下頁(yè) * *仲裁原理：仲裁原理：采用定時(shí)查詢(xún)方式進(jìn)行仲裁采用定時(shí)查詢(xún)方式進(jìn)行仲裁 總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu) BR=1 BR=1且且BS=0BS=0時(shí)，開(kāi)始仲裁時(shí)，開(kāi)始仲裁( (使使“設(shè)備號(hào)設(shè)備號(hào)”定時(shí)定時(shí)、循環(huán)變化循環(huán)變化) )，BS=1BS=1時(shí)仲裁時(shí)仲裁結(jié)束結(jié)束( (BSiBSi=1=1的主設(shè)備獲勝的主設(shè)備獲勝) )； 響應(yīng)延遲響應(yīng)延遲 主設(shè)備主設(shè)備有請(qǐng)求有請(qǐng)求且且設(shè)備設(shè)備ID=ID=“設(shè)備號(hào)設(shè)備號(hào)”時(shí)時(shí)獲得總線使用權(quán)，獲得總線使用權(quán)， 即即BSiBSi= =BRiBRi&(&

23、(設(shè)備設(shè)備ID=ID=“設(shè)備號(hào)設(shè)備號(hào)”信號(hào)信號(hào)?)?)；計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理15(3)(3)獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式 * *仲裁信號(hào)線數(shù)量：仲裁信號(hào)線數(shù)量：2n2n根根(BR(BR、BG)BG)； * *仲裁信號(hào)線連接：仲裁信號(hào)線連接：各主設(shè)備的各主設(shè)備的BRiBRi及及BGiBGi線獨(dú)立連接；線獨(dú)立連接；轉(zhuǎn)上頁(yè)總線總線仲裁仲裁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)主設(shè)備主設(shè)備0 0主設(shè)備主設(shè)備1 1主設(shè)備主設(shè)備n nBRnBRnBGnBGnDBDBABABCBCBBR1BR1BG1BG1BR0BR0BG0BG0 * *仲裁原理：仲裁原理： 總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu) 仲裁時(shí)機(jī)：仲裁時(shí)機(jī)：BRiBRi=1=1、總線空

24、閑、總線空閑/ /總線周期結(jié)束前總線周期結(jié)束前， 仲裁算法：仲裁算法：可為考慮優(yōu)先級(jí)、公平性的算法，可為考慮優(yōu)先級(jí)、公平性的算法， 仲裁延遲：仲裁延遲：固定延遲固定延遲( (不需要主設(shè)備參加不需要主設(shè)備參加) )； 主設(shè)備主設(shè)備不參與仲裁不參與仲裁；回下頁(yè)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理16 * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁，算法靈活性大；動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁，算法靈活性大； 仲裁不需要設(shè)備參與，仲裁速度快仲裁不需要設(shè)備參與，仲裁速度快。 現(xiàn)在均采用獨(dú)立請(qǐng)求仲裁方式！現(xiàn)在均采用獨(dú)立請(qǐng)求仲裁方式！主設(shè)備主設(shè)備1 1請(qǐng)求請(qǐng)求主設(shè)備主設(shè)備2 2請(qǐng)求請(qǐng)求總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu)主設(shè)備主設(shè)備1 1允許允許主設(shè)備主

25、設(shè)備2 2允許允許總線使用者總線使用者t t空閑空閑總線周期總線周期主設(shè)備主設(shè)備2 2仲裁仲裁主設(shè)備主設(shè)備1 1仲裁仲裁總線周期總線周期仲裁仲裁總線周期總線周期主設(shè)備主設(shè)備1 1仲裁仲裁注：總線仲裁可與總線周期注：總線仲裁可與總線周期重疊重疊( (因總線周期、仲裁延遲時(shí)長(zhǎng)固定因總線周期、仲裁延遲時(shí)長(zhǎng)固定) )； 總線仲裁機(jī)構(gòu)總線仲裁機(jī)構(gòu)需偵測(cè)總線狀態(tài)需偵測(cè)總線狀態(tài)( (與各設(shè)備間無(wú)與各設(shè)備間無(wú)BSBS線線) )。轉(zhuǎn)上頁(yè)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理17回下頁(yè)回22頁(yè)三、總線定時(shí)三、總線定時(shí) 指指主從設(shè)備間主從設(shè)備間傳輸過(guò)程的時(shí)間及控制方法，又稱(chēng)傳輸協(xié)議。傳輸過(guò)程的時(shí)間及控制方法，又稱(chēng)傳輸協(xié)議。

26、* *協(xié)議種類(lèi)：協(xié)議種類(lèi)：同步、異步、半同步、分離式同步、異步、半同步、分離式1 1、同步方式協(xié)議、同步方式協(xié)議 * *信號(hào)線需求：信號(hào)線需求：“時(shí)鐘時(shí)鐘”信號(hào)線信號(hào)線CLK(CLK(用于操作控制及定時(shí)用于操作控制及定時(shí)) ) * *協(xié)議原理：協(xié)議原理： 主從設(shè)備傳輸過(guò)程的主從設(shè)備傳輸過(guò)程的步驟約定以步驟約定以CLKCLK為單位為單位( (控制控制) )； 主從設(shè)備必須主從設(shè)備必須在在1 1個(gè)個(gè)CLKCLK內(nèi)完成約定的動(dòng)作內(nèi)完成約定的動(dòng)作( (定時(shí)定時(shí)) )。 * *協(xié)議特點(diǎn)：協(xié)議特點(diǎn)：要求各設(shè)備要求各設(shè)備速度相近速度相近、距離短距離短( (否則有漂移否則有漂移) )。CLKCLK地址線地址線

27、數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線讀讀操作線操作線地址地址T T1 1 T T2 2 T T3 3 T T4 4CLKCLK地址線地址線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線寫(xiě)寫(xiě)操作線操作線地址地址T T1 1 T T2 2 T T3 3 T T4 4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理182 2、異步方式協(xié)議、異步方式協(xié)議 ( (又稱(chēng)應(yīng)答協(xié)議或握手協(xié)議又稱(chēng)應(yīng)答協(xié)議或握手協(xié)議) ) * *信號(hào)線需求：信號(hào)線需求：“請(qǐng)求請(qǐng)求”信號(hào)信號(hào)線線REQREQ、“應(yīng)答應(yīng)答”信號(hào)信號(hào)線線ACKACK； * *協(xié)議原理：協(xié)議原理：傳輸過(guò)程的傳輸過(guò)程的下一步驟在雙方同意時(shí)下一步驟在雙方同意時(shí)進(jìn)行。進(jìn)行。 協(xié)議步驟協(xié)議步驟請(qǐng)求、響應(yīng)、撤消請(qǐng)求、撤消響應(yīng)

28、請(qǐng)求、響應(yīng)、撤消請(qǐng)求、撤消響應(yīng)4 4個(gè)階段；個(gè)階段；轉(zhuǎn)上頁(yè)回下頁(yè)讀操作例讀操作例地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址線地址線AddrAddr命令線命令線ReadRead請(qǐng)求線請(qǐng)求線REQREQ數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線DataData應(yīng)答線應(yīng)答線ACKACK下一個(gè)下一個(gè)總線周期總線周期( (主設(shè)備主設(shè)備) )請(qǐng)求線請(qǐng)求線REQREQ ( (從設(shè)備從設(shè)備) )應(yīng)答線應(yīng)答線ACKACK請(qǐng)求請(qǐng)求響應(yīng)響應(yīng)撤消撤消請(qǐng)求請(qǐng)求撤消撤消響應(yīng)響應(yīng) 注：請(qǐng)求條件注：請(qǐng)求條件從設(shè)備準(zhǔn)備好從設(shè)備準(zhǔn)備好( (空閑空閑) )、主設(shè)備有傳輸需求時(shí)；、主設(shè)備有傳輸需求時(shí)； 響應(yīng)階段響應(yīng)階段指從設(shè)備接收到命令及地址后，指從設(shè)備接收到命令及地址后，內(nèi)部?jī)?nèi)部數(shù)

29、據(jù)操作延遲；數(shù)據(jù)操作延遲； 撤消請(qǐng)求撤消請(qǐng)求指主設(shè)備接收指主設(shè)備接收ACKACK延遲及延遲及( (讀操作讀操作) )接收數(shù)據(jù)延遲；接收數(shù)據(jù)延遲； 傳輸結(jié)束標(biāo)志傳輸結(jié)束標(biāo)志指主從設(shè)備指主從設(shè)備自身控制信號(hào)自身控制信號(hào)已撤消為標(biāo)志。已撤消為標(biāo)志。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理19 * *協(xié)議子類(lèi)型：協(xié)議子類(lèi)型：全互鎖、半互鎖、不互鎖方式；全互鎖、半互鎖、不互鎖方式； * *協(xié)議特點(diǎn)：協(xié)議特點(diǎn)：對(duì)設(shè)備速度、距離無(wú)要求，但對(duì)設(shè)備速度、距離無(wú)要求，但傳輸周期長(zhǎng)傳輸周期長(zhǎng)； 如何如何減少握手次數(shù)？減少握手次數(shù)？轉(zhuǎn)上頁(yè)( (主設(shè)備主設(shè)備) )請(qǐng)求請(qǐng)求 ( (從設(shè)備從設(shè)備) )應(yīng)答應(yīng)答* *(a)(a)全互鎖方

30、式全互鎖方式請(qǐng)求請(qǐng)求 應(yīng)答應(yīng)答* *(b)(b)半互鎖方式半互鎖方式注：注：-從設(shè)備估計(jì)從設(shè)備估計(jì)的主設(shè)備接收延遲的主設(shè)備接收延遲( (傳輸及主設(shè)備接收數(shù)據(jù)延遲傳輸及主設(shè)備接收數(shù)據(jù)延遲) )；請(qǐng)求請(qǐng)求 應(yīng)答應(yīng)答* *(c)(c)不互鎖方式不互鎖方式 -主設(shè)備估計(jì)主設(shè)備估計(jì)的從設(shè)備響應(yīng)延遲的從設(shè)備響應(yīng)延遲( (傳輸及從設(shè)備處理數(shù)據(jù)延遲傳輸及從設(shè)備處理數(shù)據(jù)延遲) )； * *-主設(shè)備主設(shè)備撤消請(qǐng)求信號(hào)后撤消請(qǐng)求信號(hào)后可進(jìn)行其它工作可進(jìn)行其它工作( (如如CPUCPU進(jìn)行進(jìn)行REGREG間操作間操作) )， 主設(shè)備主設(shè)備觀察到響應(yīng)信號(hào)無(wú)效時(shí)觀察到響應(yīng)信號(hào)無(wú)效時(shí)方可進(jìn)行方可進(jìn)行下次傳輸下次傳輸。計(jì)算機(jī)

31、組成原理計(jì)算機(jī)組成原理20五、總線標(biāo)準(zhǔn)五、總線標(biāo)準(zhǔn) 指設(shè)備與總線連接及傳輸時(shí)，指設(shè)備與總線連接及傳輸時(shí)，應(yīng)遵守的協(xié)議與規(guī)范應(yīng)遵守的協(xié)議與規(guī)范。 不同時(shí)期流行的總線標(biāo)準(zhǔn)不同，總線標(biāo)準(zhǔn)與器件技術(shù)有關(guān)。不同時(shí)期流行的總線標(biāo)準(zhǔn)不同，總線標(biāo)準(zhǔn)與器件技術(shù)有關(guān)。1 1、ISAISA總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn) -IndusryIndusry Standard Architecture Standard Architecture 兼容并擴(kuò)展了兼容并擴(kuò)展了PCPC總線總線(20(20位位A A及及8 8位位D)D)的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。 * *特性：特性：2424根地址線、根地址線、1616根與地址分時(shí)復(fù)用的數(shù)據(jù)

32、線；根與地址分時(shí)復(fù)用的數(shù)據(jù)線； 支持半同步方式傳輸，支持半同步方式傳輸，CLK8MHzCLK8MHz； 支持常規(guī)讀寫(xiě)、塊傳輸支持常規(guī)讀寫(xiě)、塊傳輸及特殊操作及特殊操作模式。模式。CLKCLKA A2323A A1616ADAD1515ADAD0 0MEM/IOMEM/IO讀讀地址地址T T1 1 T T2 2 T T3 3 T T4 4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址地址CLKCLKA A2323A A1616ADAD1515ADAD0 0MEM/IOMEM/IO寫(xiě)寫(xiě)地址地址T T1 1 T T2 2 T T3 3 T T4 4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址地址回下頁(yè)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理212 2、PCIPCI總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)

33、準(zhǔn) -Peripheral Component Interconnect-Peripheral Component Interconnect * *特性：特性：3232根分時(shí)復(fù)用的地址根分時(shí)復(fù)用的地址/ /數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線( (可擴(kuò)展至可擴(kuò)展至6464根根) )； 采用半同步方式傳輸，采用半同步方式傳輸，CLK66MHzCLK66MHz； 支持多主設(shè)備的支持多主設(shè)備的常規(guī)、特殊及塊傳輸常規(guī)、特殊及塊傳輸模式。模式。地址地址2 2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2 2CLKCLK幀周期線幀周期線地址線地址線讀操作線讀操作線主設(shè)備就緒主設(shè)備就緒數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線從設(shè)備就緒從設(shè)備就緒數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)3 3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)4 4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)5 5注：塊傳

34、輸周期長(zhǎng)度由注：塊傳輸周期長(zhǎng)度由“幀周期幀周期”信號(hào)決定；信號(hào)決定； 設(shè)備內(nèi)部不停地將首地址遞增設(shè)備內(nèi)部不停地將首地址遞增/ /遞減。遞減。轉(zhuǎn)上頁(yè) 總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)：總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)：交換機(jī)式的點(diǎn)交換機(jī)式的點(diǎn)- -點(diǎn)互連總線標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)互連總線標(biāo)準(zhǔn)， 如如USBUSB、PCI-ExpressPCI-Express、InfiniBandInfiniBand等。等。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理22總線互連結(jié)構(gòu)總線互連結(jié)構(gòu)一、總線互連結(jié)構(gòu)一、總線互連結(jié)構(gòu)1 1、單總線結(jié)構(gòu)、單總線結(jié)構(gòu) * *單總線結(jié)構(gòu)：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中只有系統(tǒng)中只有的互連結(jié)構(gòu)。的互連結(jié)構(gòu)。 指總線標(biāo)準(zhǔn)指總線標(biāo)準(zhǔn) * *系統(tǒng)總線定義

35、：系統(tǒng)總線定義：系統(tǒng)中系統(tǒng)中各模塊間相互連接各模塊間相互連接的總線。的總線。 * *特征：特征：控制簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)；控制簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)； 但但傳輸性能較差傳輸性能較差( (最慢部件的傳輸性能最慢部件的傳輸性能) )?；叵马?yè)CPUCPUMEMMEM顯卡顯卡System BusSystem Bus早期早期( (如如PC/XT)PC/XT)的單總線結(jié)構(gòu)的單總線結(jié)構(gòu)注注擴(kuò)展總線與系統(tǒng)總線為擴(kuò)展總線與系統(tǒng)總線為同一總線標(biāo)準(zhǔn)同一總線標(biāo)準(zhǔn)，僅，僅所在位置不同所在位置不同I/OI/OI/OI/OCPUCPUMEMMEM顯卡顯卡System BusSystem BusI/OI/OI/OI/O擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展

36、總線接口I/OI/O插槽插槽I/OI/O插槽插槽擴(kuò)展總線擴(kuò)展總線計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理232 2、多總線結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu) * *提高傳輸性能的方法：提高傳輸性能的方法：MEMMEMCPUCPU顯卡顯卡集成外圍控制器集成外圍控制器擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線接口IOIO插槽插槽IOIO插槽插槽System BusSystem Bus 采用采用多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)，不同速度模塊連接到不同總線上；，不同速度模塊連接到不同總線上； 改變改變I/OI/O方式方式，使，使MEMMEM可與可與IOIO模塊直接通信。模塊直接通信。注：注：系統(tǒng)以系統(tǒng)以MEMMEM為核心為核心，多數(shù)模塊均需要與，多數(shù)模塊均需要與M

37、EMMEM通信；通信； 中斷控制器為從設(shè)備中斷控制器為從設(shè)備，是中斷傳送方式的中斷請(qǐng)求管理機(jī)構(gòu)；，是中斷傳送方式的中斷請(qǐng)求管理機(jī)構(gòu)； DMADMA控制器是主設(shè)備控制器是主設(shè)備，直接控制，直接控制MEMMEM與與I/OI/O模塊間的數(shù)據(jù)傳送。模塊間的數(shù)據(jù)傳送。MEMMEMCPUCPU顯卡顯卡中斷控制器中斷控制器磁盤(pán)控制器磁盤(pán)控制器音頻部件音頻部件DMADMA控制器控制器擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線接口System BusSystem Bus轉(zhuǎn)上頁(yè) 采用采用集成電路技術(shù)集成電路技術(shù)，關(guān)聯(lián)模塊關(guān)聯(lián)模塊盡量集成在同一芯片中盡量集成在同一芯片中 模塊間傳輸模塊間傳輸不受總線標(biāo)準(zhǔn)限制不受總線標(biāo)準(zhǔn)限制計(jì)算機(jī)組成原理

38、計(jì)算機(jī)組成原理24 * *多總線結(jié)構(gòu)：多總線結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有系統(tǒng)中有的互連結(jié)構(gòu)；的互連結(jié)構(gòu)； 總線標(biāo)準(zhǔn)、總線性能不同總線標(biāo)準(zhǔn)、總線性能不同 不同總線間不同總線間通過(guò)通過(guò)“橋橋”進(jìn)行連接進(jìn)行連接。(1)(1)雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) 增加增加MEMMEM總線總線(CPU(CPU訪存性能有較大提高訪存性能有較大提高) )； * *系統(tǒng)內(nèi)總線命名：系統(tǒng)內(nèi)總線命名：常稱(chēng)為常稱(chēng)為CPUCPU總線及總線及局部總線局部總線。 常用總線標(biāo)準(zhǔn)命名常用總線標(biāo)準(zhǔn)命名MEMMEMCPUCPU顯卡顯卡集成外圍集成外圍控制器控制器擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線接口IOIO插槽插槽IOIO插槽插槽System BusSystem BusM

39、EM BusMEM Bus雙總線模型圖雙總線模型圖MEMMEMCPUCPU顯卡顯卡集成外圍集成外圍控制器控制器擴(kuò)展總線接口擴(kuò)展總線接口IOIO插槽插槽IOIO插槽插槽局部局部BusBusCPU BusCPU Bus雙總線結(jié)構(gòu)圖雙總線結(jié)構(gòu)圖( (如如8038680386微機(jī)微機(jī)) )BridgeBridge * *“橋橋”的作用：的作用：所連上級(jí)總線的所連上級(jí)總線的操作傳遞機(jī)構(gòu)操作傳遞機(jī)構(gòu)； 所連下級(jí)總線的所連下級(jí)總線的操作控制結(jié)構(gòu)操作控制結(jié)構(gòu)( (總線控制器總線控制器) ). .回下頁(yè)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理25(2)(2)三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu) 再增加再增加I/OI/O總線總線(進(jìn)一步提高

40、訪問(wèn)進(jìn)一步提高訪問(wèn)IOIO設(shè)備的速度設(shè)備的速度) )； * *系統(tǒng)內(nèi)總線命名：系統(tǒng)內(nèi)總線命名：有有CPUCPU總線、局部總線及總線、局部總線及IOIO總線總線3 3種。種。MEMMEMCPUCPU顯卡顯卡集成外圍集成外圍控制器控制器IOB BridgeIOB BridgeIOIO插槽插槽IOIO插槽插槽System BusSystem BusMEM BusMEM Bus三總線模型圖三總線模型圖MEMMEMCPUCPU顯卡顯卡集成外圍集成外圍控制器控制器PCI/ISA BridgePCI/ISA BridgeISAISA插槽插槽ISAISA插槽插槽PCI BusPCI BusCPU BusCPU Bus三總線結(jié)構(gòu)圖三總線結(jié)構(gòu)圖( (如如PentiumP