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CPU 林楠 办公室: 408 办公电话: 0371-63887293 电子邮件: [email protected] 《 计算机组成原理 第三章 系统总线 线 存储器 运算器 控制器 接口与通信 输入 / 输出设备 Cache

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Page 1: 21 总线

CPU

林楠

办公室: 408

办公电话: 0371-63887293

电子邮件: [email protected]

《 计算机组成原理 》 第三章 系统总线

系统总线

存储器

运算器

控制器

接口与通信

输入 / 输出设备

Cache

Page 2: 21 总线

总线一章不是考试的重点,需要识记的内容较多,相对的重点在于总线仲裁和定时。

了解总线标准知道有正式标准和工业标准,知道有几种不同的标准,标准规定了总线的机械结构功能结构和电气规范。

掌握总线操作和定时1 、同步定时方式2 、异步定时方式知道不同的定时方式的原理。

掌握总线仲裁1 、集中仲裁方式2 、分布仲裁方式要能说出各种不同的仲裁方式以及它们各自的原理。

了解识记

总线概述1 、总线的基本概念2 、总线的分类3 、总线的组成和性能指标注意单总线、双总线和多总线指的是有几套数据总线、控制总线以及地址总线。

第三章 系统总线

Page 3: 21 总线

3.1 、总线的概念(共享分时)3.2 、总线的分类3.3 、系统总线的组成3.4 、总线的结构3.5 、总线的仲裁3.6 、总线的标准

第三章 系统总线

Page 4: 21 总线

总线:连接计算机中的多

个部件的,一组共享信号传送线路,

它能够分时接收和发送各种信号。

共享:是指总线所连接的各部件都通过它传递信号。

分时:是指在某一时刻只允许有一个部件将信号送上总线。

分时共享是总线的主要特征。

3.1 总线的概念

总线不仅是指一组传输线,还包括相应的总线接口和总线控制器。

Page 5: 21 总线

由于总线是分时共享的,总线所连的各个部件都应有三态门器件,这是

最基本的总线接口逻辑,

有的部件为了解决速度匹配问题,设有缓冲寄存器作为总线接口寄存器。

(例如:人 – 站台(缓冲) -- 车)

为了实现分时共享,必须制定一套相应的规则,称为总线协议,连在总

线上的各个部件必须遵守这些协议,才能有序地分时共享总线。

总线控制器便是总线协议的维护者,当多个部件争用总线时,由总线控

制器进行裁决,决定由谁首先使用总线。

3.1 总线的概念

总线的基本结构一组传输线总线接口(三态门)总线接口寄存器(缓冲作用)总线控制器(维护总线协议)

Page 6: 21 总线

三态门 : 具有三种逻辑状态的门电路。

0 状态 , 1 状态 , 浮空状态

D Q

G

输入 输出

G D Q

0 0 1

0 1 ×

0 1 Z

Review :三态门电路

当控制信号 /G 为低电平( 0 )三态门的输入 D 被送到总线上,输出Q 。

Page 7: 21 总线

C

B

A

B’

A’

C’

CPA’

CPB’

CPC’

控 A

控 B

控 C

计算机总线实现举例

典型做法: 发送端:通过三态门将信号分时送入总线 接收端:靠定时打入脉冲接收信号。

3.1 总线的概念

Page 8: 21 总线

3.1 、总线的概念(共享分时)3.2 、总线的分类3.3 、系统总线的组成3.4 、总线的结构3.5 、总线的仲裁3.6 、总线的标准

第三章 系统总线

Page 9: 21 总线

1 )按总线连接的部件分为:

片内总线:连接芯片内各部件的总线。 (例: CPU 内部总线) 特点:结构简单,传输距离短,速度高。

系统总线:在一个计算机系统内连接 CPU 、主存、输入 / 输出接口 等部件的总线。 系统总线包括:地址总线、数据总线、控制总线,以及电源线。

特点:传输距离较短,速度较高。

通信总线:多台计算机之间,或计算机与一些智能设备之间的连线。 一般仅有较窄数据线和简单的控制信号线。 特点:传输距离远,速度较低。

3.2 总线的分类

重点学习

Page 10: 21 总线

2 )按传送方向分为:

单向总线:信号只能延一个方向传送,一个设备发送另一个设备接收。

双向总线:信号可以向两个方向传送,一个设备既可从总线上接收 也可向总线上发送信号。A1

A2

A8

Y1

Y2

Y8

G

A1

A2

A8

B1

B2

B8

DIRG

地址总线单向

数据总线双向

3.2 总线的分类

Page 11: 21 总线

3 )按数据传送格式分为:

并行总线:并行总线的数据线有多条,可同时传送多个二进制位, 通常数据总线上可同时传送的二进制位数称为数据通路 的宽度;

系统总线一般是并行总线,其数据通路的宽度与 CPU 一 致,并为字节的整数倍。

串性总线:串性总线中的数据线只有一条,只能串行地逐位传送数 据或有两根数据线,分别实现两个方向的数据传输。 外部总线多用串行总线,节省线路成本,实现远距离传 述,显然串行总线的传输速度低于并行总线。

3.2 总线的分类

Page 12: 21 总线

3.2 总线的分类

并行传送比串行传送速度快,系统总线都采用并行传送。

串行传送

并行传送

Page 13: 21 总线

4 )按时序控制方式分为:

同步总线:设置统一的时钟信号,数据传送时,收发双方严格遵循 这个时钟信号。 应用范围:总线上各部件间工作速度差异较小,其 控制较简单,但时间利用率可能不高。 异步总线:没有统一的时序信号,数据传送时,采用应答方式工作。 应用范围:总线上各部件工作速度差异较大,传输时间 可根据需要而定,时间利用率高,控制复杂。

准同步总线:采用同步异步相结合的方法。 在计算机系统中,总线周期包含若干时钟周期,时钟 周期数可根据需要决定,基本总线周期含有时钟的周 期数最少(通常根据 CPU 方向和内存的需要而定)。

3.2 总线的分类

Page 14: 21 总线

同步时序:时间在总线上出现的时刻由总线时钟信号来确定, 所有的事件都出现在时钟信号的前沿, 大多数时间只能占据单一时钟周期。

CPU→

主存→

CPU→

CPU→

主存→

3.2 总线的分类

Page 15: 21 总线

异步时序:后一事件的出现取决于前一事件的出现,即建立在应答式 或互锁机制基础上,这种系统中不需要统一的时钟信号, 总线周期的长度可变。

CPU→

CPU→

CPU→

主存→

主存→

3.2 总线的分类

Page 16: 21 总线

3.1 、总线的概念(共享分时)3.2 、总线的分类3.3 、系统总线的组成3.4 、总线的结构3.5 、总线的仲裁3.6 、总线的标准

第三章 系统总线

Page 17: 21 总线

系统总线包括:数据总线、地址总线、控制总线和电源线。

1 )、数据总线 DB ( Data Bus ) 数据总线用来实现数据传送,一般为双向传送。 数据总线的宽度,一般有 8位、 16位、 32位、 64位等, 它是系统总线的一个重要指标。 根据数据总线的宽度可将系统 总线分为 8位总线、 16位总线、 32位总线、 64位总线等。

2 )、地址总线 AB ( Address Bus ) 地址总线用于传送地址信号,以确定所访问的存储单元或某个 I/O 端口,地址总线一般有 16位、 20位、 24位、 32位等几种宽度标准 地址总线确定了可访问存储空间的大小。地址总线为单向总线, 只有掌管总线控制权的主控部件,如: CPU , DMA控制器、 IOP 等,才能向地址总线发地址码。 不能掌管总线控制权的部件,如存储器,不能发送地址码,只能 从地址总线上接收地址信号,进行地址译码。

3.3 系统总线的组成

Page 18: 21 总线

需要一提的是在微处理器中,由于芯片的引脚数有限,常将地址总线与数据总线复合或部分复合使用以减少芯片引脚数目。

例如:部分复合使用时,在总线周期开始,先用地址 / 数据复合线传送地址码的高位部分,将它送入一个地址锁存器,同时专用地址线传送地址码的低位部分,两部分合成为完整的地址码。然后再用地址 / 数据复合线传送数据。

3 )控制总线 CB ( Control Bus )

控制线用来传送各类控制 / 状态信号。 各种不同的总线标准其数据总线和地址总线的差别都不大,而它们的控制总线则各具特色,差别最大。

3.3 系统总线的组成

Page 19: 21 总线

3.1 、总线的概念(共享分时)3.2 、总线的分类3.3 、系统总线的组成3.4 、总线的结构3.5 、总线的仲裁3.6 、总线的标准

第三章 系统总线

Page 20: 21 总线

1 、以 CPU 为中心的双总线结构

主存

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

CPU

存储总线

I/O 总线

3.4 总线的结构

Page 21: 21 总线

1 )结构特点:两簇总线。 CPU 与内存之间交换信息的通路,即存储总线 M-BUS 。 CPU 与输入输出设备之间交换信息的通路,即 I/O-BUS 。

2 )分析与结论 根据结构特点画关系图,显而易见,内存与 I/O 设备之间交换信息

都要通过 CPU ,因此称面向 CPU 的双总线结构。

优点:是同一时间内只能进行一种传送,因此控制线路简单,时间关系

易于处理,可以采用同步控制方式。缺点:是由于 I/O 设备与存储器交换信息要有 CPU 的干预,因而当

I/O 设 备工作频繁时要占用大量的 CPU 时间,从而降低了

CPU 的工作效 率,因此,这种结构为多数低档小型机所采用。

存储器 输入 / 输出设备CPU

3.4 总线的结构

Page 22: 21 总线

2 、单总线结构

主存

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

CPU

总线使用级别:1 )外部设备的级别最高,2 ) CPU次之,3 )存储器最低。

系统总线

3.4 总线的结构

Page 23: 21 总线

2 、单总线结构 CPU 使用单总线取指令

外部设备和存储器统一编址。

例如:假设地址范围FF00~FFFF 作为外部设备的地址,其他为内存地址。

这样 CPU就会在不同的地址单元读写数据,对外部设备的输入输出操作完全与内存单元的操作方法相同。

CPU 使用单总线与外设传送数据

3.4 总线的结构

Page 24: 21 总线

2 、单总线结构

使用单总线进行 DMA 操作

在单总线结构中,某些外部设备也可以指定地址。此时,外设占用总线控制部件交换信号, CPU放弃总线控制权,让给外设,外设得到总线控制权后,向总线发出地址信号,与其他设备进行信息交换。1 )如果外设指定的地址单元是内存地址,那么内存与外设之间将进 行直接内存信息传送,这就是 DMA 传送。

3.4 总线的结构

Page 25: 21 总线

2 、单总线结构

2 )如果外设指定的地址是一个外设,则外设与外设进行数据传送。

使用单总线进行两外设间数据传送

3.4 总线的结构

Page 26: 21 总线

1 )结构特点:靠一组总线(包括地址总线、数据总线和各种控制线)

来实现 CPU 、存储器、 I/O 设备之间的信息交换。

2 )分析与结论 1 )中央处理器不再是计算机的中心, CPU 与其他设备一样,

只不过 是单总线的一个子系统。 2 )采用单总线结构后系统功能增强。 因为采用单总线传送方式允许 I/O 设备直接与存储器交换信息,

除分配总线使用权时还要与 CPU 打交道外,基本上不影响 CPU ,

外部设备和内存统一编码, CPU可以象访问内存一样访问外设。

3 )存在问题 1 )单总线的工作不允许有两个主设备同时使用总线,因此,当

I/O 设备控制总线使用权时, CPU 不能从主存中读取数

据,因而降 低了 CPU 的处理速度。 2 )由于所有设备都连在一组总线上,总线负载重。

3.4 总线的结构

Page 27: 21 总线

3 、以存储器为中心的双总线结构(当前广泛使用)

主存

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备CPU

系统总线

存储总线

3.4 总线的结构

Page 28: 21 总线

1 )结构特点 在内存上开了两个口子,一个与 CPU 相连,专供它与 CPU交换信息;

另一个口子与原来的单总线相通,实现内存与外设的信息交换。

2 )分析与结论 1 )存储器为计算机的中心,这种结构为面向存储器的双总线结

构。 2 )这种结构不是对单总线结构的否定,而是对它很好的补充。 首先, CPU 通过专用总线与主存交换信息,不仅提

高了 CPU 的 速度,而且减轻了系统总线的负担。其次,主存与 I/

O 设备交换 信息,不必经过 CPU ,因此又保持了单总线的主要优点 ----灵活。

整个计算机系统由早期以 CPU 为中心发展为以存储器为中心,

因此,这种总线结构被广泛采用。

CPU 输入 / 输出设备存储器

3.4 总线的结构

Page 29: 21 总线

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入输出总线CPU

DMA 接口

存储总线

DMA 总线:存储器与高速外部设备(磁盘)之间的总线

4 、带 DMA 的三总线结构(常用在大、中型计算机中)

3.4 总线的结构

DMA Direct Memory Access (存储器直接访问)

高速 I/O 设备

DMA 总线内存

Page 30: 21 总线

CPU

系统总线

内存

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出总线

IO处理机

5 、带 I/O处理机的三总线结构

存储总线

3.4 总线的结构

具有特殊功能的处理器,由通道对 I/O 统一管理。

Page 31: 21 总线

CPU

系统总线

内存

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

输入 / 输出接口

输入 / 输出设备

扩展总线

6 、带 Cache 总线和桥接器的总线结构

Cache局部总线

3.4 总线的结构

Page 32: 21 总线

CPU

系统总线

内存

扩展总线( ISA )

7 、带高速总线的系统总线结构

Cache局部总线

桥高速 I/O

高速总线( PCI )

高速 I/O

低速 I/O 低速 I/O低速 I/O

3.4 总线的结构

Page 33: 21 总线

总线结构举例: PCI 总线体系结构

3.4 总线的结构

Page 34: 21 总线

大多数计算机采用了分层次的多总线结构。 速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线, 速度相近的设备模块使用同一类总线。

  PCI 总线: 用于连接高速的 I/O 设备模块。 通过“桥”芯片,上与更高速的 CPU 总线相连,下与低速的 ISA 总线相接。 PCI 总线是一个 32( 或 64位 ) 的同步总线, 32位 ( 或 64位 ) 数据 / 地址线是同一组线,分时复用。

PCI 是一个与处理器无关的高速外围总线,又是至关重要的层 间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略,并具有自 动配置能力。

   系统中允许有多条 PCI 总线。

总线结构举例(续)

3.4 总线的结构

Page 35: 21 总线

ISA 总线: Pentium 机使用该总线与低速 I/O 设备连接。 主板上一般留有 3—4 个 ISA 总线扩充槽,以便使用各种 16位 /8位适配器卡,如声卡、 CD-ROM适配器、以太网卡等。 该总线支持 7 个 DMA 通道和 15级可屏蔽硬件中断。

即插即用简称 PnP 。就是说,新设备应只需简单的插入即可开始运行,不需要用户去拨动开关、插拔跳线以及复杂地安装软件来调整和重新配置系统。这意味着重新配置行为是自动完成的,并且对用户是透明的。

Intel 和 Microsoft联手提出了一个即插即用 ISA 规范,该规范定义了 ISA 总线适配器卡最小实现功能集。 PnP ISA 规范还不能做到识别什么样的适配器卡插在哪个槽的地理位置,但它已能读取和重新配置这种 PnP卡的配置信息。而且它允许 PnP ISA适配卡与老式的 ISA 总线适配器卡共存于系统中。  

总线结构举例(续)

3.4 总线的结构

Page 36: 21 总线

在 PCI 总线体系结构中有三种桥。

桥连接两条总线,使彼此间相互通信。 桥又是一个总线转换部件,可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上,从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。

以桥连接实现的 PCI 总线结构具有很好的扩充性和兼容性,允许多条总线并行工作。它与处理器无关,不论 HOST 总线上是单CPU 还是多 CPU ,也不论 CPU 是什么型号,只要有相应的HOST桥芯片 ( 组 ) ,就可与 PCI 总线相连。

Pentium 机总线系统中有一个核心逻辑芯片组,简称 PCI 芯片组,它包括主存控制器和 cache 控制器芯片、北桥芯片和南桥芯片。这个芯片组叫 Intel 430 系列、 440 系列,它们在系统中起着至关重要的作用。

3.4 总线的结构

Page 37: 21 总线

 正在发展的 Futurebus+ 总线标准是 VME国际贸易协会、 IEEE微处理机标准委员会等团体以及来自公司、大学的专家们协作开发的。其目标是开发一种真正开放的总线标准,使之能支持 64位地址空间, 64位、 128位、 256位数据传输,为下一代的多处理机系统提供一个稳定的平台。

  Futurebus+ 的重要意义在于,它很可能取代当代微处理机的总线策略。 Futurebus+ 是一个高性能的异步总线标准。

Futurebus+ 总线是迄今为止最复杂的总线标准,覆盖了物理层和逻辑层。它既可用于 CPU 总线,也可用于高速外围总线而与 PCI 总线竞争。

Futurebus+ 和 PCI 都支持很高的数据传输率,但 PCI 的总线物理范围较小,适合于低成本的小系统 ( 如 PC 机 ) ,而Futurebus+ 的目标是提供灵活和宽广的能力,以满足各类高性能系统的需求,适合于高成本的较大规模计算机系统。

3.4 总线的结构

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3.1 、总线的概念(共享分时)3.2 、总线的分类3.3 、系统总线的组成3.4 、总线的结构3.5 、总线的仲裁3.6 、总线的标准

第三章 系统总线

Page 39: 21 总线

连接到总线上的功能部件有主和从两种形态。

如: CPU 在不同的时间可以主动,也可以被动,但是存储器只能被动。

主设备可以启动一个总线周期,从设备只能响应主部件的请求。

每次总线操作,只能有一个主设备占用总线控制权,但同一时间里可以有一个或多个从设备。

为了解决多个主设备同时竞争总线控制权,必须具有总线仲裁部件,以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。

对多个主设备提出的总线请求,一般采用优先级或公平策略进行仲裁。

除 CPU外,输入输出设备也可以提出总线请求。对输入输出设备的总线请求采用优先级策略。

3.5 总线的仲裁

Page 40: 21 总线

按照总线仲裁电路的位置不同,仲裁分为集中式和分布式仲裁两类。

集中式仲裁总线控制:总线控制逻辑电路基本集中在一起。

分布式仲裁总线控制:总线控制逻辑基本分散在总线各个部件中。

1 )、集中式仲裁

集中式仲裁中每个总线上的部件有两条线连仲裁器:

一条是送往仲裁器的总线请求信号线 BR ,一条是仲裁器送出的总线授权信号线 BG 。

(1) 链式查询方式(2) 计数器定时查询方式(3) 独立请求方式

3.5 总线的仲裁

Page 41: 21 总线

(1) 链式查询方式

特点:总线授权信号 BG串行地从一个 I/O 接口传送到下一个 I/O 接口。 假如 BG 到达的接口无总线请求,则继续往下查询; 假如 BG 到达的接口有总线请求,则该 I/O 接口获得了总线控制权。

离仲裁器最近的设备具有最高优先级,通过接口的优先级排队电路来实现。

优点 : 只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁,易扩充设备。

缺点 : 询问链电路中,如果第 i 个设备接口有故障,第 i 个以后的设备不能工作。 查询链的优先级是固定的,各个设备使用总线不公平。

3.5 总线的仲裁BS -总线忙BR -总线请求BG -总线同意

Page 42: 21 总线

总线控制部件 I/O 接口 0 …

BS

BR

I/O 接口 1 I/O 接口 n

…BG

数据线

地址线

I/O 接口 1

3.5 总线的仲裁

(1) 链式查询方式(过程演示)

BS -总线忙BR -总线请求BG -总线同意

Page 43: 21 总线

( 1 )当某个设备请求使用总线时,在该设备所属的请求线上发出 BRi 信号 。( 2 ) CPU根据优先原则同意后,回答 BGi 信号。( 3 )链式查询各设备,遇到第一个请求的设备对其授权总线控制, 该设备下降自己的 BRi 信号,并上升 SACK 信号证实已收到BGi 信号。( 4 ) CPU 接到 SACK 信号后下降 BGi 作为回答。( 5 )在 BBSY 为“ 0” 时该设备上升 BBSY表示该设备获得了总线控制权。( 6 )设备用完总线后,下降 BBSY 和 SACK ,释放总线。

CPU→

外设→

3.5 总线的仲裁

外设→

BS -总线忙BR -总线请求BG -总线同意

Page 44: 21 总线

(2) 计数器定时查询方式

1 )总线上的任一设备要求使用总线时,通过 BR 线发出总线请求。 2 )中央仲裁器接到请求信号以后,在 BBSY 线为“ 0” 的情况下让计数器开 始计数,计数值通过一组地址线发向各设备。 每个设备接口都有一个设备地址判别电路,当地址线上的计数值与请求总 线的设备地址相一致时,该设备置 BBSY 线“ 1” ,获得了总线使用权,此 时中止计数查询。   每次计数可以从“ 0”开始,也可以从上次终止点开始。 如果从“ 0”开始,各设备的优先次序与链式查询法相同,顺序固定。 如果从上次终止点开始,则每个设备使用总线的优先级相等。

3.5 总线的仲裁BS -总线忙BR -总线请求总线同意 换成 设备地址线

Page 45: 21 总线

0

总线控制部件

数据线

地址线

I/O 接口 0 …

BS

BR

I/O 接口 1 I/O 接口 n

设备地址

I/O 接口 1

计数器

设备地址

1

3.5 总线的仲裁

(2) 计数器定时查询方式(动态演示)

BS -总线忙BR -总线请求总线同意 换成 设备地址线

Page 46: 21 总线

(3) 独立请求方式

  每一个共享总线的设备均有一对总线请求线 BRi 和总线授权线BGi 。 当设备要求使用总线时,便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求,给设备以授权信号 BGi 。

优点:响应速度快,确定优先响应的设备所花费的时间少,用不着一个 设备接一个设备地查询。 其次,对优先次序的控制相当灵活,可以预先固定也可以通过程 序来改变优先次序;还可以用屏蔽 (禁止 ) 某个请求的办法,不响 应来自无效设备的请求。

3.5 总线的仲裁BS -总线忙BR -总线请求BG -总线同意

Page 47: 21 总线

排队器排队器

总线控制部件

数据线

地址线

I/O 接口 0 I/O 接口 1 I/O 接口 n…

BR0

BG0

BR1

BG1

BRn

BGn

3.5 总线的仲裁 BR -总线请求BG -总线同意

(3) 独立请求方式(动态演示)

Page 48: 21 总线

2 )分布式仲裁

不需要中央仲裁器,每主动部件都有自己的仲裁号和仲裁器。

当有总线请求时,把各自唯一的仲裁号发到共享的仲裁总线上,

每个仲裁器把从仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。

如果仲裁总线上的号大,则它的总线请求不予响应。

最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

显然,分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

3.5 总线的仲裁

Page 49: 21 总线

总线传输周期(总线周期)

一次总线操作所需要的时间。(分四个阶段:申请、寻址、传输、结束)

申请分配阶段:主设备提出申请,总线仲裁机构决定授予总线使用权。

寻址阶段:主设备取得了总线使用权后,通过总线发出访问从设备的 存储地址或设备地址及有关命令,启动传输。

传输阶段:主设备和从设备之间进行数据交换。

结束阶段:主设备从系统总线上撤出有关信息,让出总线使用权。

3.5 总线的仲裁

Page 50: 21 总线

3.1 、总线的概念(共享分时)3.2 、总线的分类3.3 、系统总线的组成3.4 、总线的结构3.5 、总线的仲裁3.6 、总线的标准

第三章 系统总线

Page 51: 21 总线

早期计算机生产厂家生产的计算机系统中,其总线只供自己和少数配套厂家使用,相互间缺乏互换性,阻碍了计算机的推广。 随着微型计算机技术的发展和普及,对标准化的需求日益增强,许多厂家都采用了开放式策略,明确定义并公开了总线标准,使其他厂家也能按此标准生产各种插件与配套产品。 用户可以按照总线标准选购所需模块,组装成所需的系统。

美国电气电子工程师协会( IEEE )先后制定了许多广为流行的总线标准,这些总线标准一般是先由某些厂家开发出来,并已经得到社会较大程度的认同后,再由 IEEE 进行标准化并予以推荐。

PC 机常用的总线标准:

PC 总线( 8位)、 AT 总线( 16位,常称为工业标准 AT 总线,简称为 ISA 总线), EISA 总线( 32位,扩展工业标准 AT 总线), PCI 总线等。

3.6 总线的标准

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1.5 Mbps (USB1.0)

12 Mbps (USB1.0)

480 Mbps (USB2.0)

普通无屏蔽双绞线

带屏蔽双绞线

最高

串行接口

总线标准USB

数据终端设备(计算机)和数据通信设备(调制解调器)之间的标准接口

串行通信

总线标准RS-232

266 MBps

533 MBps

66.7 MHz (独立)

133 MHz (独立)

32AGP

132 MBps

528 MBps

33 MHz (独立)

64 MHz (独立)

32

64PCI

133 MBps32 MHz ( CPU )32VESA

(VL-BUS)

33 MBps8 MHz (独立)32EISA

33 MBps8 MHz (独立)16ISA

带宽总线时钟数据线总线标准

3.6 总线的标准

Page 53: 21 总线

PentiumPC 总线结构是一个三层次的多总线结构,即有: CPU 总线, PCI 总线, ISA 总线。CPU 总线: 64位数据线和 32位地址线的同步总线。PCI 总线:用于连接高速的 I/O 设备模块,采用集中式仲裁方式。ISA 总线:用于连接低速 I/O 设备。

3.6 总线的标准

Page 54: 21 总线

CPU 总线和 PCI 总线的桥为“北桥”,桥的作用是信号速度缓冲、电平转换和控制协议的转换。

Page 55: 21 总线

PCI 总线和 ISA 总线的桥为“南桥”,通过桥可以将两类不同的总线粘合在一起。

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小结:总线的性能指标

1. 总线宽度

2. 标准传输率

3. 时钟同步 / 异步

4. 总线复用

5. 信号线数

6. 总线控制方式

7. 其他指标

数据线 的根数

每秒传输的最大字节数( MBps )

同步、不同步

地址线 与 数据线 复用

地址线、数据线和控制线的 总和

负载能力

并发、自动、仲裁、逻辑、计数

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考研例题精选

1 、在一个 16位的总线系统中,若时钟频率为 100MHz ,总线传输周期 为 5 个时钟周期,求总线的数据传输率。

解:时钟频率为 100MHz ,所以 1 个时钟周期 =1/100=0.01 (微秒)。 5 个时钟周期 = 5 * 0.01=0.05微秒 数据传输率 = 16 bit / 0.05 微秒 = 4 * 107 B/s

2 、设一个 32位的 CPU ,配有 16位数据总线,时钟频率为50MHz ,总 线传输最短周期为 4 个时钟周期,求总线的最大数据传输率。若想 提高一倍数据传输率,可采用什么措施?

解:时钟频率为 50MHz ,所以 1 个时钟周期 =1/50 (微秒)。 4 个时钟周期 = 4 * 1/50 = 8 * 10-8 秒 最大数据传输率 = 16 bit / 8 * 10-8 秒 = 2.5 * 107 B/s

若想提高一倍数据传输率,可采用以下两种措施:1 )数据总线宽度增为 32位2 )时钟频率增为 100MHz

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考研例题精选

1 、计算机使用总线结构便于增减外设,同时() A 减少了信息传输量 B 提高了信息的传输速度 C 减少了信息传输线的条数 D 提高了信息传输的并行性2 、计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化,缺点是() A 地址信息、数据信息、控制信息不能同时出现 B 地址信息、数据信息不能同时出现 C 两种信息源的信息在总线上不能同时出现 D 数据传输的效率低

4 、计算机中控制总线上传输的信息有() A 存储器和输入、输出设备的地址码 B 存储器和输入、输出设备的时序信号和控制信号 C 来自存储器和输入、输出设备的响应信号 D B 与 C

3 、计算机中地址总线的作用是() A 只用于选择存储器单元 B 只用于选择指令的操作数地址 C 由设备向主机提供地址 D 选择指定存储单元和 I/O 设备接口地址

C C D D

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考研例题精选

1 、以下描述 PCI 总线的基本概念中,正确的是() A PCI 总线是一个与 CPU 时钟频率无关的高速外围总线 B PCI 总线需要人工方式实现系统配置 C 系统只允许有一条 PCI 总线 D PCI 总线不支持即插即用

2 、系统总线中的数据总线、地址总线、控制总线是根据()划分的。 A 总线所处的位置 B 总线传输的方向 C 总线传输的内容 D 生产商自己规定的3 、总线中数据信号和地址信号分别用一组线路传输,该传输方式为() A 串行传输 B 并行传输 C 复用传输 D 异步传输4 、总线通信中的同步控制是() A 只适合于 CPU 控制的方式 B 由统一时序控制的方式 C 只适合于外围设备控制的方式 D 既有统一的时钟,又允许速度差别大的设备自行协调工作的方式

A C B B

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考研例题精选

1 、三种集中总线仲裁控制中,()方式响应速度最快。 A 链式查询 B 计算器定时查询 C 独立请求 D 没正确选项

2 、三种集中总线仲裁控制中,()方式对电路故障最敏感。 A 链式查询 B 计算器定时查询 C 独立请求 D 没正确选项

3 、三种集中总线仲裁控制中,独立请求最快,是以()为代价。 A 增加处理机的开销 B 增加控制线条数 C 增加处理机的开销与增加控制线条数 D 增加控制线条数和更大的存储单元4 、在计数器定时查询方式下,若每次计数从上一次终止点开始则() A 设备号小的优先级高 B 每个设备使用总线的机会相等 C 设备号大的优先级高 D 无法确定设备的优先级

C A B B

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复习与作业

复习章节:

第 3 章 系统总线

作业

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