计算机组成原理唐朔飞-第3章-系统总线教材课件.ppt（38页）

1、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3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制一、为什么要用总线（一、为什么要用总线（BUS）二、什么是总线二、什么是总线三、总线上信息的传送三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线总线是连接各个部件的信息传输线是是 各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介质串行串行并行并行四、总线结构计算机举例四、总线结构计算机举例1.面向面向 CPU 的双总线结构框图的双总线结构框图中央处理中央处理 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

2、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n单总线（系统总线）单总线（系统总线）2.单总线结构框图单总线结构框图 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.以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线系统总线 M.M 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1.片内总线片内总线2.系统总线系统总线芯片内部芯片内部 的总线的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

3、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3.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 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CPU 插件板插件板M.M 插件板插件板I/O插件板插件板一、总线物理实

4、现一、总线物理实现BUS1.机械特性机械特性2.电气特性电气特性3.功能特性功能特性4.时间特性时间特性二、总线特性二、总线特性尺寸尺寸 形状形状传输方向传输方向 和有效的和有效的 电平电平 范围范围每根传输线的每根传输线的 功能功能信号的信号的 时序时序 关系关系地址地址数据数据控制控制三、总线的性能指标三、总线的性能指标1.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.总线复用总线复用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

5、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ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块模块系统系统总总线线标标准准 四、总线标准四、总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面 系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。由标准化组织制定或行业、大公司提出，而成为行业标准。由标准化组织制定或行业、大公司提出，而成为行业标准。总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽ISA(工业标准

6、结构工业标准结构)168 MHz（独立）（独立）16 MBpsEISA(扩充、开放扩充、开放)328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)(视频电子标准协会视频电子标准协会)3233 MHz（CPU）133 MBpsPCI（外围部件互连）（外围部件互连）326433 MHz（独立）（独立）66 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP(加速图形端口加速图形端口)3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 MBpsRS-232(recommended standard)串行通信串行通信总线标准总线标准数据终

7、端设备（计算机）和数据通信设备（数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口调制解调器）之间的标准接口USB(Universal Serial Bus)串行接口串行接口总线标准总线标准USB1.0：1.5Mbps;USB1.1：12MbpsUSB2.0：480Mbps;USB3.0：5Gbps一、单总线结构一、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1.双总线结构双总线结构具有特殊功能的处理器具有特殊功能的处理器由通道对由通道对I/O统一管理

8、统一管理通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存主存总线主存总线I/O总线总线二、多总线结构二、多总线结构2.三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3.三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式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SCSI:小型计算机小型计算机系统接口，一种系统接口，一种用于计算机和智

9、用于计算机和智能设备之间能设备之间(硬盘、硬盘、软驱、光驱、打软驱、光驱、打印机、扫描仪等印机、扫描仪等)系统级接口的独系统级接口的独立处理器标准。立处理器标准。SCSI是一种智能是一种智能的通用接口标准。的通用接口标准。4.四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1.传统微型机总线结构传统微型机总线结构三、总线结构举例三、总线结构举例存储器存储器SCSI II控制器控制器主存控制器主存控制器ISA EISA8 MH

10、z16 6位数据通路位数据通路标准总线控制器标准总线控制器33 MHz3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线调制解调器调制解调器多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU2.VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的3232位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA EISA多媒体多媒体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8 MHz的的1616位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存储器存储器局部总线局部总线 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS3.PCI 总线结构总线结构

11、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

12、线CPU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-总线同意总线同意I/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

13、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1 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主模块申请主模块申请，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

14、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，让出总线，让出总线使用权使用权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 问题问题由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 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(1)同步式数据输入同步式数据输入T1总

15、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(2)同步式数据输出同步式数据输出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 数据数据不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(3)异步通信异步通信主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答(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（同步同步、异步异步 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

16、 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T1 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 TWAIT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占用总线占

17、用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线(5)分离式通信分离式通信充分挖掘系统总线每瞬间的潜力充分挖掘系统总线每瞬间的潜力主模块主模块 申请申请 占用总线占用总线，使用完后，使用完后即即 放弃总线放弃总线 的使用权的使用权从模块从模块 申请申请 占用总线占用总线，将各种信，将各种信息送至总线上息送至总线上一个总线传输周期一个总线传输周期子周期子周期1子周期子周期2主模块主模块1.各模块有权申请占用总线各模块有权申请占用总线分离式通信特点分离式通信特点充分发挥了总线的有效占用充分发挥了总线的有效占用2.采用同步方式通信，不等对方回答采用同步方式通信，不等对方回答3.各模块准备数据时，不占用总线

18、各模块准备数据时，不占用总线4.总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲 主板芯片组通常包含南桥芯片和北桥芯片，但有的主板芯片也包含一块或三块芯片。计算机主板的南桥和北桥计算机主板的南桥和北桥 北桥芯片主要决定主板的规格、对硬件的支持、以及系统的性能，它连接着 CPU、内存、AGP 总线。主板支持什么 CPU，支持 AGP 多少速的显卡，支持何种频率的内存，都是北桥芯片决定的。北桥芯片往往有较高的工作频率，所以发热量颇高，我们在主板上，可以在 CPU 插槽附近找到一个散热器，下面的就是北桥芯片。同北桥芯片的主板，性能差别微乎其微。南桥芯片主要决定主板的功能，主板上的各种接口（如串口、USB）、PCI 总线（接驳电视卡、内猫、声卡等）、IDE（接硬盘、光驱）、以及主板上的其他芯片（如集成声卡、集成 RAID 卡、集成网卡等），都归南桥芯片控制。南桥芯片通常裸露在 PCI 插槽旁边，块头比较大。南北桥间随时进行数据传递，需要一条通道，这条通道就是南北桥总线。南北桥总线越宽，数据传输越便捷。各厂商的主板芯片组中，南北桥总线都被各自起了名字。，比方说 Intel 的 Hublink,VIA 的 V-Link,Sis 的 MuTIOL 等。作业：作业：1、2、4、8、13、14、15