計算機組成原理唐朔飛第3章系統(tǒng)總線

計算機組成原理唐朔飛第3章系統(tǒng)總線第一頁，共38頁。3.1總線的基本概念一、為什么要用總線（BUS）二、什么是總線三、總線上信息的傳送總線是連接各個部件的信息傳輸線是各個部件共享的傳輸介質(zhì)串行并行第二頁，共38頁。四、總線結(jié)構(gòu)計算機舉例1.面向CPU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

外部設(shè)備2……I/O接口I/O接口

外部設(shè)備n3.1總線的基本概念第三頁，共38頁。單總線（系統(tǒng)總線）2.單總線結(jié)構(gòu)框圖CPUM.MI/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2I/O接口…

外部設(shè)備nI/O接口…3.1總線的基本概念第四頁，共38頁。3.以存儲器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總線M.MCPUI/O接口

外部設(shè)備1…

外部設(shè)備nI/O接口…存儲總線3.1總線的基本概念第五頁，共38頁。3.2總線的分類1.片內(nèi)總線2.系統(tǒng)總線芯片內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線雙向與機器字長、存儲字長有關(guān)單向與存儲地址、I/O地址有關(guān)有出有入計算機各部件之間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、總線請求第六頁，共38頁。3.通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式用于計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）之間的通信3.2總線的分類第七頁，共38頁。3.3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、總線物理實現(xiàn)BUS第八頁，共38頁。1.機械特性2.電氣特性3.功能特性4.時間特性二、總線特性尺寸形狀傳輸方向和有效的電平范圍每根傳輸線的功能信號的時序關(guān)系地址數(shù)據(jù)控制3.3總線特性及性能指標(biāo)第九頁，共38頁。三、總線的性能指標(biāo)1.總線寬度2.標(biāo)準(zhǔn)傳輸率3.時鐘同步/異步4.總線復(fù)用5.信號線數(shù)6.總線控制方式7.其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MB／s）同步、不同步地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和負(fù)載能力并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù)3.3總線特性及性能指標(biāo)第十頁，共38頁。ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)四、總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模塊標(biāo)準(zhǔn)界面3.3總線特性及性能指標(biāo)系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標(biāo)準(zhǔn)界面。由標(biāo)準(zhǔn)化組織制定或行業(yè)、大公司提出，而成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第十一頁，共38頁。3.3總線特性及性能指標(biāo)總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線總線時鐘帶寬ISA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))168MHz（獨立）16MBpsEISA(擴充、開放)328MHz（獨立）33MBpsVESA(VL-BUS)(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)3233MHz（CPU）133MBpsPCI（外圍部件互連）326433MHz（獨立）66MHz（獨立）132MBps528MBpsAGP(加速圖形端口)3266.7MHz（獨立）133MHz（獨立）266MBps533MBpsRS-232(recommendedstandard)串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計算機）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標(biāo)準(zhǔn)接口USB(UniversalSerialBus)串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)USB1.0：1.5Mbps;USB1.1：12MbpsUSB2.0：480Mbps;USB3.0：5Gbps第十二頁，共38頁。3.4總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu)單總線（系統(tǒng)總線）CPUM.MI/O接口

外部設(shè)備1

外部設(shè)備2I/O接口…

外部設(shè)備nI/O接口…第十三頁，共38頁。1.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接口設(shè)備n

……I/O接口設(shè)備0

CPU主存主存總線I/O總線二、多總線結(jié)構(gòu)3.4總線結(jié)構(gòu)第十四頁，共38頁。2.三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線I/O總線CPU

主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口I/O接口I/O接口……3.4總線結(jié)構(gòu)第十五頁，共38頁。3.三總線結(jié)構(gòu)的又一形式局域網(wǎng)系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴展總線接口擴展總線Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存3.4總線結(jié)構(gòu)SCSI:小型計算機系統(tǒng)接口，一種用于計算機和智能設(shè)備之間(硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機、掃描儀等)系統(tǒng)級接口的獨立處理器標(biāo)準(zhǔn)。SCSI是一種智能的通用接口標(biāo)準(zhǔn)。第十六頁，共38頁。4.四總線結(jié)構(gòu)主存擴展總線接口局域網(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展總線圖形Cache/橋3.4總線結(jié)構(gòu)第十七頁，共38頁。1.傳統(tǒng)微型機總線結(jié)構(gòu)三、總線結(jié)構(gòu)舉例存儲器SCSIII控制器主存控制器ISAEISA8MHz16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器33MHz32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線調(diào)制解調(diào)器多媒體高速局域網(wǎng)高性能圖形CPU…3.4總線結(jié)構(gòu)第十八頁，共38頁。2.VL-BUS局部總線結(jié)構(gòu)33MHz的32位數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)總線ISAEISA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8MHz的16位數(shù)據(jù)通路標(biāo)準(zhǔn)總線控制器CPU主存控制器存儲器局部總線控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……3.4總線結(jié)構(gòu)第十九頁，共38頁。3.PCI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總線系統(tǒng)總線33MHz的32位數(shù)據(jù)通路8MHz的16位數(shù)據(jù)通路ISAEISA標(biāo)準(zhǔn)總線控制器SCSIⅡ

控制器存儲器3.4總線結(jié)構(gòu)第二十頁，共38頁。4.多層PCI總線結(jié)構(gòu)PCI總線2存儲器橋0橋4PCI設(shè)備橋5總線橋橋3橋1設(shè)備橋2第一級橋第二級橋第三級橋PCI總線4PCI總線5PCI總線3PCI總線1PCI總線0存儲器總線

標(biāo)準(zhǔn)總線CPU3.4總線結(jié)構(gòu)第二十一頁，共38頁。3.5總線控制一、總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式集中式主設(shè)備(模塊)對總線有控制權(quán)從設(shè)備(模塊)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來的總線命令1.基本概念鏈?zhǔn)讲樵冇嫈?shù)器定時查詢獨立請求方式第二十二頁，共38頁。2.鏈?zhǔn)讲樵兎绞娇偩€控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線地址線BS

-總線忙BR-總線請求BG-總線同意I/O接口13.5總線控制第二十三頁，共38頁。0BS

-總線忙BR-總線請求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址3.計數(shù)器定時查詢方式I/O接口1計數(shù)器設(shè)備地址13.5總線控制第二十四頁，共38頁。排隊器排隊器4.獨立請求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意BR-總線請求3.5總線控制第二十五頁，共38頁。二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請，總線仲裁決定主模塊向從模塊給出地址和命令主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)主模塊撤銷有關(guān)信息，讓出總線使用權(quán)申請分配階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段解決通信雙方協(xié)調(diào)配合問題3.5總線控制第二十六頁，共38頁。由統(tǒng)一時標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線通信的四種方式采用應(yīng)答方式，沒有公共時鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合3.5總線控制第二十七頁，共38頁。(1)同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期T2T3T4時鐘地址讀命令數(shù)據(jù)3.5總線控制第二十八頁，共38頁。(2)同步式數(shù)據(jù)輸出T1總線傳輸周期T2T3T4時鐘地址寫命令數(shù)據(jù)3.5總線控制第二十九頁，共38頁。不互鎖半互鎖全互鎖(3)異步通信主設(shè)備從設(shè)備請求回答3.5總線控制第三十頁，共38頁。(4)半同步通信同步發(fā)送方用系統(tǒng)時鐘前沿發(fā)信號

接收方用系統(tǒng)時鐘后沿判斷、識別（同步、異步結(jié)合）異步允許不同速度的模塊和諧工作

增加一條“等待”響應(yīng)信號

WAIT3.5總線控制第三十一頁，共38頁。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T2主模塊發(fā)命令…T3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Tw

當(dāng)為低電平時，等待一個TWAITTw

當(dāng)為低電平時，等待一個TWAIT3.5總線控制第三十二頁，共38頁。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）主模塊發(fā)地址、命令從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)從模塊向主模塊發(fā)數(shù)據(jù)總線空閑占用總線不占用總線占用總線3.5總線控制第三十三頁，共38頁。(5)分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每瞬間的潛力主模塊申請占用總線，使用完后即放棄總線的使用權(quán)從模塊申請占用總線，將各種信息送至總線上一個總線傳輸周期子周期1子周期2主模塊3.5總線控制第三十四頁，共38頁。1.各模塊有權(quán)申請占用總線分離式通信特點充分發(fā)揮了總線的有效占用2.采用同步方式通信，不等對方回答3.各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時，不占用總線4.總線被占用時，無空閑3.5總線控制第三十五頁，共38頁。

主板芯片組通常包含南橋芯片和北橋芯片，但有的主板芯片也包含一塊或三塊芯片。計算機主板的南橋和北橋北橋芯片主要決定主板的規(guī)格、對硬件的支持、以及系統(tǒng)的性能，它連接著CPU、內(nèi)存、AGP總線。主板支持什么CPU，支持AGP多少速的顯卡，支持何種頻率的內(nèi)存，都是北橋芯片決定的。北橋芯片往往有較高的工作頻率，所以發(fā)熱量頗高，我們在主板上，可以在CPU插槽附近找到一個散熱器，下面的就是北橋芯片。同北橋芯片的主板，性能差別微乎其微。3.5總線控制第三十六頁，共38頁。南橋芯片主要決定主板的功能，主板上的各種接口（如串口、USB）、PCI總線（接駁電視卡、內(nèi)貓、聲卡等