计算机组成原理 第三章系统总线

计算机组成原理计算机组成原理 第三章第三章 系统总线系统总线重点：重点：有关总线的基本概念有关总线的基本概念如何克服总线的瓶颈如何克服总线的瓶颈如何对总线进行管理，包括判优控制和通信控制如何对总线进行管理，包括判优控制和通信控制难点：难点：总线的通信控制，既要解决通信双方如何获知总线的通信控制，既要解决通信双方如何获知传输的开始和结束，又要使通信双方按规定的协传输的开始和结束，又要使通信双方按规定的协议互相协调来完成通信任务。议互相协调来完成通信任务。3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念一、为什么要用总线一、为什么要用总线？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，是各个部总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。件共享的传输介质。串行串行并并行行随着计算机的发展，应用领域的随着计算机的发展，应用领域的不断扩大，不断扩大，I/OI/O设备的种类和数量设备的种类和数量也越来越多。人们希望随时增添也越来越多。人们希望随时增添或减撤设备，用或减撤设备，用分散连接简直是分散连接简直是一筹莫展，由此出现了总线连接。一筹莫展，由此出现了总线连接。注意：某一个时刻，只允许一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时注意：某一个时刻，只允许一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。从总线上接收相同的信息。四、总线结构的计算机举例（四、总线结构的计算机举例（P42）1.1.面向面向 CPU CPU 的的双总线结构双总线结构框图框图 中央处理器中央处理器 CPU CPUI/OI/O总线总线M M总总线线主存主存 I/OI/O接口接口 I/OI/O 设备设备1 1 I/OI/O 设备设备2 2I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口 I/OI/O 设备设备n n特点：便于增减外设，但I/O设备与主存交换信息时仍要占用CPU，影响CPU工作效率。单总线（系统总线）单总线（系统总线）2.2.单总线结构单总线结构框图框图 CPU 主存主存 I/OI/O接口接口 I/OI/O 设备设备1 1 I/O 设备设备2 I/OI/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口特点：特点：I/OI/O设备与主存交换信息时，设备与主存交换信息时，原则上不影响原则上不影响CPUCPU的工作，的工作，CPUCPU仍可仍可继续处理不访问主存或继续处理不访问主存或I/OI/O设备的设备的操作，操作，CPUCPU效率有所提高，效率有所提高，但某一但某一时刻各部件都要占用总线时，就会时刻各部件都要占用总线时，就会冲突。要设总线判优逻辑，影响整冲突。要设总线判优逻辑，影响整机的速度。机的速度。3.3.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 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 设备设备1 1 I/O 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线现代计算机大现代计算机大多数采用此总多数采用此总线结构线结构特点：保留了特点：保留了I/OI/O设备与存储器交换信息时不经过设备与存储器交换信息时不经过CPUCPU特点，因为增加了快速的存储总线，提高了传输效率，特点，因为增加了快速的存储总线，提高了传输效率，减轻了系统总线的负担。减轻了系统总线的负担。一一.按数据传送方式按数据传送方式 并行传输总线、串行传输总线并行传输总线、串行传输总线二二.按总线使用范围划分按总线使用范围划分计算机（包括外设）总线、测控总线、计算机（包括外设）总线、测控总线、网络通信总线等网络通信总线等三三.按连接部件不同划分按连接部件不同划分3.2 3.2 总线的分类总线的分类1.1.片内总线片内总线2.2.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 I/O地址地址有关有关有出有出 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CPU芯片内部、芯片内部、RegisterRegister、RALUCPU、主存、I/O设备之间（板级总线或板间总线）3.3.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。注意：由低位向高位逐位传送。特点：串行远距离，代价低（或借助电话网），并行近距离（特点：串行远距离，代价低（或借助电话网），并行近距离（30mCPU传输数据 数据数据 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CPU传输数据-外设同步通信的优、缺点优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。缺点：主、从模块时间配合属于强制性“同步”，必须按最慢的部件来设置公共时钟，严重影响了总线的工作效率，设计带来局限性，缺乏灵活性。(P(P6161)例例3.1 3.1 假设总线的时钟频率为假设总线的时钟频率为100MHz100MHz，总线的传输周期为，总线的传输周期为4 4 个时钟周期，总线的宽度为个时钟周期，总线的宽度为32 32 位，试求总线的数据传输率。若位，试求总线的数据传输率。若想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？想提高一倍数据传输率，可采取什么措施？解：(1)根据总线时钟频率为100MHz，得 1 个时钟周期为 1/100MHz=0.01s 总线传输周期为 0.01s4=0.04s 由于总线的宽度为32 位=4B（字节）故总线的数据传输率为4B/（0.04s）=100MBps (1/100M*4:32/8s:x x=100MBps)(2)若想提高一倍数据传输率，可以在不改变总线时钟频率的前提下，使数据线宽度改为64 位，也可以仍保持数据宽度为32 位，但使总线的时钟频率增加到200MHz。不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁(2)(2)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异步通信中的相关概念异步通信：可用于并行或串行传送。异步通信：可用于并行或串行传送。异步并行：使用异步并行：使用“Ready”和和“Strobe”联络信号。联络信号。异步串行：没有同步时钟，也不需要在数据传送过程中传送同步信号。异步串行：没有同步时钟，也不需要在数据传送过程中传送同步信号。为了确认被传送的字符，约定为了确认被传送的字符，约定字符格式字符格式为：为：1个起始位（低电平），个起始位（低电平），5 58 8个个数据位，数据位，1个奇偶校验位、个奇偶校验位、1或或1.5或或2个终止位（高电平）个终止位（高电平）传送时起始位后面紧跟要传送字符的传送时起始位后面紧跟要传送字符的最低最低位，每个字符结束是一位，每个字符结束是一个个高电平的终止位。高电平的终止位。起始位至终止位构成起始位至终止位构成1帧。两帧之间的间隔可以是任意长度的。帧。两帧之间的间隔可以是任意长度的。异步串行通信的数据传输速率用波特率来衡量。异步串行通信的数据传输速率用波特率来衡量。波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，用波特率：单位时间内传送二进制数据的位数，用bps(位位/秒秒)表示，记作表示，记作波特。波特。P P6262例例3.2 3.2 在异步串行传输系统中，假设每秒传输在异步串行传输系统中，假设每秒传输120120个数据帧，个数据帧，其字符格式规定包含其字符格式规定包含1 1 个起始位，个起始位，7 7 个数据位，个数据位，1 1 个奇校验位，个奇校验位，1 1个终止位，试计算波特率。个终止位，试计算波特率。解：根据题目给出的字符格式，一帧包含1+7+1+1=10 位 故波特率为（1+7+1+1）120=1200bps=1200 波特例3.3 3.3 画图说明用异步串行传输方式发送8 位二进制数据（十六进制表示为95H）。要求字符格式为：1 位起始位，8 位数据位，1 位偶校验位，1 位终止位。解：异步串行传送在起始位之后传输的是数据位的最低位（95H 的最低位D0=1），而且数据位的最高位（95H 的最高位D7=1）传输之后传输校验位，最后是终止位。数据95H 的偶校验位为0，其波形图如P63图3.20 所示。例例3.4 3.4 在异步串行传输系统中，若字符格式为：在异步串行传输系统中，若字符格式为：1 1 位起始位，位起始位，8 8 位数据位，位数据位，1 1 位奇校验位，位奇校验位，1 1 位终止位，假设波特率为位终止位，假设波特率为1200bps1200bps，求这时的，求这时的比特率比特率。解：根据题目给出的字符格式，有效数据位为8 位，而传送一个字符需:1+8+1+1=11 位，故比特率为：1200（8/11）=872.72 bps单位时间内传送有效数单位时间内传送有效数据的位数即是比特率，据的位数即是比特率，单位用单位用 bps bps表示。表示。(3)(3)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、异步同步、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 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T T3 3 从模块提供数据从模块提供数据T T4 4 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 T TWAITTw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 T TWAIT 读读 命令命令WAIT 地址地址 数据数据 时钟时钟总线传输周期总线传输周期T1T2TWTWT3T4 半同步通信（同步、异步半同步通信（同步、异步 结合）时序图结合）时序图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用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线(4)(4)分离式通信分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力充分挖掘系统总线每个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从模块模块 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 1子周期子周期2 2主模块主模块1.1.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:充分提高了总线的有效占用充分提高了总线的有效占用2.2.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3.3.各模块准备数据时，不占用总线各模块准备数据时，不占用总线4.4.总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！47