课件计算机组成与系统结构

计算机组成与系统结构 上海交通大学 网络教育学院陈泽宇 博士 副教授网络教育学院第1章 计算机系统概论第2章 运算方法和运算器第3章 存储系统第4章 指令系统第5章 中央处理器（CPU）第6章 总线系统第7章 输入输出（I/O）系统第8章 并行计算机系统2024/7/222网络教育学院第6章 总线系统6.1 总线系统概述6.2 总线的控制与通信6.3 总线系统实例2024/7/223网络教育学院总线是计算机系统中多个功能部件之间进行数据传送的公共通路提供了信息传输和功能扩展的通道采用总线结构方式，主要是由于其在系统设计、生产、使用和维护方面具有诸多的优越性2024/7/224网络教育学院6.1 总线系统概述6.1.1 总线的基本概念6.1.2 总线的内部结构6.1.3 总线接口6.1.4 总线的连接方式2024/7/225网络教育学院数字计算机是由若干个系统功能部件构成的这些系统功能部件连接在一起才能形成完整的计算机系统总线是构成计算机系统的互连机构是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路由系统中各个功能部件所共享总线的特点在于其公用性可同时挂接多个部件或设备借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换并在争用资源的基础上进行工作2024/7/226网络教育学院一个单处理器系统中的总线，大致可分为三类：内部总线系统总线外部总线2024/7/227网络教育学院内部总线CPU内部连接各寄存器及运算部件的总线2024/7/228网络教育学院系统总线CPU同计算机系统的其他功能部件（如存储器、通道等）连接的总线系统总线有多种标准接口从16位的ISA，到32/64位的PCI、AGP乃至PCI Express系统总线中包括局部总线局部总线是系统总线向多层结构发展的结果2024/7/229网络教育学院外部总线用来连接外部设备或其他计算机的总线，又称为I/O接口如用于连接并行打印机的Centronics总线用于串行通信的RS-232总线、通用串行总线USB和IEEE-1394用于硬磁盘接口的IDE、SCSI总线等2024/7/2210网络教育学院6.1.1 总线的基本概念1.总线的特性2.总线的标准化3.总线的主要参数2024/7/2211网络教育学院1.总线的特性1）物理特性2）功能特性3）电气特性4）时间特性2024/7/2212网络教育学院1）物理特性指总线的物理连接方式包括总线的根数，总线的插头插座的形状，引脚线的排列方式等2024/7/2213网络教育学院2）功能特性描述总线中每一根线的功能例如，地址总线的宽度指明了总线能够直接访问的存储器地址空间范围；数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外设所能交换数据的位数；控制总线包括CPU发出的各种控制命令（如存储器读/写、I/O读/写等），请求信号与仲裁信号，外设与CPU的时序同步信号，中断信号，DMA控制信号等等2024/7/2214网络教育学院3）电气特性定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围送入CPU的信号叫输入信号（IN），从CPU发出的信号叫输出信号（OUT）例如，IBM PC/XT总线的A0A19是地址输出线，D0D7是双向数据线，既可作为数据输入线又可作为数据输出线总线的电平都符合TTL电平的定义2024/7/2215网络教育学院4）时间特性定义每根线在什么时间有效即规定总线上各信号有效的时序关系2024/7/2216网络教育学院2.总线的标准化对于相同的指令系统、相同的功能，不同厂家生产的功能部件在具体实现上几乎没有相同的但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用这是由于它们都遵守了相同的系统总线要求例如，IBM PC兼容微机系统中采用的标准总线ISA总线（16位，带宽16MB/s）EISA总线（32位，带宽33MB/s）VESA总线（32位，带宽133MB/s）PCI总线（64位，带宽533MB/s）2024/7/2217网络教育学院3.总线的主要参数1）总线宽度2）总线频率3）总线带宽2024/7/2218网络教育学院1）总线宽度总线宽度总线能同时传送的数据的二进制位（bit）数如16位总线、32位总线指的就是总线具有16位或32位的数据传输能力2024/7/2219网络教育学院2）总线频率总线频率总线的实际工作频率也就是一秒钟传输数据的次数是总线工作速度的一个重要参数工作频率越高，速度越快总线频率通常用MHz表示如33MHz、100 MHz、400 MHz、800 MHz等1Hz=1/s2024/7/2220网络教育学院3）总线带宽总线带宽总线本身所能达到的最高数据传输速率单位是兆字节每秒（MB/s）是衡量总线性能的重要指标总线带宽越宽，传输效率也就越高总线带宽与总线宽度和总线频率的关系：2024/7/2221网络教育学院【例6-1】某总线在一个总线周期中并行传送32位数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，总线带宽是多少?如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，总线带宽是多少?【解】总线带宽=(32 bit/8 bit/B)33 MHz=(32 bit/8 bit/B)33 M/s=132 MB/s 总线带宽=(64 bit/8 bit/B)66 MHz=(64 bit/8 bit/B)66 M/s=528 MB/s 2024/7/2222网络教育学院6.1.2 总线的内部结构1早期总线的内部结构2当代总线的内部结构2024/7/2223网络教育学院1早期总线的内部结构1）数据总线2）地址总线3）控制总线2024/7/2224网络教育学院实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道CAI演示这种简单的总线一般由50100根信号线所组成按照这些信号线的功能特性可分为三类：数据（总）线、地址（总）线和控制（总）线2024/7/2225网络教育学院1）数据总线数据总线（Data Bus，DB）是在计算机系统各个部件之间传输数据信息的信号线数据总线是双向的数据线的根数称为数据总线的宽度通常，数据总线由8根、16根、32根或64根数据线组成由于每一根数据线每次传送1位二进制数，所以数据线的根数决定了每一次能同时传送的二进制的位数由此可见，数据总线的宽度是表现系统总体性能的关键因素之一例如，如果数据总线的宽度为8位，而每条指令的长度为16位，那么在每个指令周期中需要两次访问存储器才能取回完整的16位指令2024/7/2226网络教育学院2）地址总线地址总线（Address Bus，AB）是在计算机系统各个部件之间传输地址信息的信号线用来规定数据总线上的数据来自何处或将被送往何处地址总线是单向的如果CPU要从存储器中读取一个信息，首先必须将要读取的信息的存储器地址放到地址总线上然后才可以从给定的存储器地址中取出所需要的信息地址总线的宽度决定了计算机系统能够使用的最大的存储器容量2024/7/2227网络教育学院3）控制总线控制总线（Control Bus，CB）是在计算机系统各个部件之间传输控制信息的信号线其作用是对数据总线、地址总线的访问及使用情况实施控制控制线中每一根线都是单向的用来指明数据传送的方向、中断请求和定时控制等由于计算机中的所有部件都要使用数据总线和地址总线，所以用控制总线对它们实施控制既是必要的，也是必须的控制总线上传输的控制信息，其作用就是在计算机系统各个部件之间发送操作命令和定时信息命令信息规定了要执行的具体操作定时信息则规定了数据信息和地址信息的时效性2024/7/2228网络教育学院随着计算机技术的发展，这种简单总线结构逐渐暴露出一些不足：第一，CPU是总线上的惟一主控者即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但是仍不能满足多CPU环境的要求第二，总线信号是CPU引脚信号的延伸所以总线结构与CPU紧密相关，通用性较差2024/7/2229网络教育学院2当代总线的内部结构当代总线是一些标准总线CAI演示追求与结构、CPU、技术无关的开发标准满足包括多CPU在内的主控者环境需求2024/7/2230网络教育学院在当代总线结构中，CPU与Cache作为一个模块与总线相连系统中允许存在多个这样的处理器模块总线控制器负责在几个总线请求者之间进行协调与仲裁整个总线结构分成四个部分：1）数据传送总线2）仲裁总线3）中断和同步总线4）公用线2024/7/2231网络教育学院1）数据传送总线由地址线、数据线、控制线组成其结构与早期总线类似一般有32条地址线，32或64条数据线为了减少布线，64位数据的低32位数据线往往与32位地址线进行复用2）仲裁总线包括总线请求线和总线授权线3）中断和同步总线用于处理带优先级的中断操作包括中断请求线和中断认可线4）公用线包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等2024/7/2232网络教育学院6.1.3 总线接口当代计算机的用途，在很大程度上取决于它所能连接的外围设备的范围由于外围设备种类繁多，速度各异，不可能简单地把外围设备全部连接到CPU上，必须寻找一种方法，将外围设备同某种计算机部件连接起来一同工作这项任务通常由适配器（Adapter）部件来完成通过适配器可以实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制适配器通常称为接口（Interface）2024/7/2233网络教育学院接口就是指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件接口部件在动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送一个典型的计算机系统具有不同类型的外围设备，因而会有不同类型的接口2024/7/2234网络教育学院CPU、接口和外围设备之间的连接关系CAI演示外围设备本身带有设备控制器设备控制器是控制外围设备进行操作的控制部件通过接口接收来自CPU的各种信息，并将信息传送到设备或者从设备中读出信息传送到接口，然后由接口传送给CPU由于外围设备种类繁多且速度不同，因而每种设备都有适应自己工作特点的设备控制器外围设备本身与它自己的控制电路，统称为外围设备2024/7/2235网络教育学院为了使所有的外围设备彼此兼容并能在一起正确地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法不管什么样的外围设备，只要选用某种数据传送方法，并按其规定通过总线和主机连接，就可以进行信息交换通常在总线和每个外围设备的设备控制器之间使用一个适配器（接口）电路来保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送和接收信息接口逻辑通常做成标准化的部件，称为标准接口一个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备2024/7/2236网络教育学院典型的接口通常具有如下功能：1）控制接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作如启动、关闭设备等2）缓冲接口在外围设备和计算机系统其他部件之间起到缓冲器的作用用以补偿各种设备在速度上的差异3）状态接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息包括数据“准备就绪”、“忙”、“错误”等供CPU查询外围设备时进行分析之用2024/7/2237网络教育学院4）转换接口可以完成所要求的数据转换工作如并串转换或串并转换数据能够在外围设备和CPU之间正确地进行传送5）整理接口可以完成一些特别的功能例如在需要时可以修改字计数器或当前主存地址寄存器6）程序中断每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即向CPU发出一个中断请求信号如果设备完成了一个操作或设备发生错误，接口也会产生中断2024/7/2238网络教育学院事实上，一个适配器必然有两个接口：一是和系统总线的接口CPU和适配器进行数据交换采用并行方式二是和外设的接口适配器和外设进行数据交换可采用并行方式，也可采用串行方式因此，根据外围设备采用的数据交换方式的不同，适配器（接口）可以分为串行数据接口和并行数据接口两大类2024/7/2239网络教育学院6.1.4 总线的连接方式1.单总线结构2.双总线结构3.三总线结构4.多总线结构实例2024/7/2240网络教育学院总线的排列布置、总线与其他各类部件的连接方式，对计算机系统性能而言尤其重要根据连接方式的不同，单机系统中采用的总线结构可分成三种基本类型：单总线结构、双总线结构、三总线结构2024/7/2241网络教育学院1.单总线结构在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，称为单总线结构CAI演示在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件都必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能够迅速获得总线控制权，当不再使用总线时也能迅速放弃总线控制权否则，由于一条总线由多个功能部件共用，有可能导致很大的时间延迟2024/7/2242网络教育学院在单总线系统中，对输入/输出设备的操作与主存的操作方法完全一样当CPU把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字段对应的地址是主存地址，则主存予以响应从而在CPU和主存之间发生数据传送数据传送的方向由指令操作码决定如果该地址字段对应的地址是外围设备地址，则外围设备予以响应从而在CPU和对应的外围设备之间发生数据传送数据传送的方向也由指令操作码决定2024/7/2243网络教育学院在单总线系统中，某些外围设备也可以指定地址外围设备通过与CPU中的总线控制部件交换控制信号的方式占有总线一旦外围设备得到总线控制权，就可以向总线发送地址信号，指定要与哪一个设备进行信息交换如果一个由外围设备指定的地址对应于一个主存单元，则主存予以响应于是在主存和外设间将进行直接存储器传送（Direct Memory Access，DMA）2024/7/2244网络教育学院单总线结构的优点容易扩展成多CPU系统只要在系统总线上挂接多个CPU即可单总线结构的缺点由于所有逻辑部件都挂在同一个总线上，因此总线只能分时工作即某一个时间只能允许一对部件之间传送数据这就使信息传送的吞吐量受到限制2024/7/2245网络教育学院2.双总线结构双总线系统结构在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线CAI演示使CPU可通过专用的存储总线与存储器交换信息，以减轻系统总线的负担同时主存仍可通过系统总线与外设进行DMA操作，而不必经过CPU当然，这种双总线系统是以增加硬件为代价的2024/7/2246网络教育学院3.三总线结构三总线系统结构是在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的CAI演示其中系统总线是CPU、主存和通道（IOP）之间进行数据传送的公共通路而I/O总线则是多个外围设备与通道之间进行数据传送的公共通路2024/7/2247网络教育学院在DMA方式中，外设与主存间直接交换数据而不经过CPU，从而减轻了CPU对数据输入输出的控制而通道方式I/O则可进一步提高CPU的效率通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为IOP（I/O Processor，I/O处理器）它分担了CPU的一部分功能，实现对外设的统一管理，完成外设与主存之间的数据传送由于增加了IOP，整个系统的工作效率可以大大提高然而，这是以增加更多的硬件为代价的2024/7/2248网络教育学院4.多总线结构实例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而速度相近的设备模块使用同一类总线这种结构的优点是不仅解决了总线负载过重的问题，而且使总线设计简单，并能充分发挥每类负载的效能2024/7/2249网络教育学院Pentium计算机主板的总线结构CAI演示这是一个三层次的多总线结构包括CPU总线、PCI总线和ISA总线2024/7/2250网络教育学院1）CPU总线 CPU总线也称为CPU-存储器总线是一个64位数据线和32位地址线的同步总线CPU是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制权从传统的观点看，可以把CPU总线看成是CPU引脚信号的延伸2024/7/2251网络教育学院2）PCI总线PCI总线用于连接高速的I/O设备模块通过“桥”芯片，上面与更高速的CPU总线相连下面与低速的ISA总线相接如图形显示适配器、网络接口控制器、硬盘控制器等2024/7/2252网络教育学院3）ISA总线ISA总线是早期的低速总线Pentium机使用该总线与低速I/O设备连接2024/7/2253网络教育学院4）“桥”芯片CPU总线、PCI总线、ISA总线通过两个“桥”芯片连成整体桥芯片在此起到了信号速度缓冲、电平转换、控制协议转换的作用通常将CPU总线-PCI总线的桥称为“北桥”，将PCI总线-ISA总线的桥称为“南桥”通过桥将两类不同的总线“粘合”在一起的技术特别适合于系统的升级换代每当CPU芯片升级时只需改变CPU总线和北桥芯片，原有的全部外围设备可以继续正常工作2024/7/2254网络教育学院5）PCI芯片组Pentium机总线系统中有一个核心逻辑芯片组，简称PCI芯片组包括主存控制器和Cache控制器芯片、北桥芯片和南桥芯片在系统中起着至关重要的作用2024/7/2255网络教育学院6.2 总线的控制与通信6.2.1 总线的控制6.2.2 总线的通信6.2.3 信息传送方式2024/7/2256网络教育学院6.2.1 总线的控制1.集中式仲裁2.分布式仲裁2024/7/2257网络教育学院总线的控制就是决定共享总线的部件如何获得总线的使用权（控制权）的问题总线控制部件是总线的仲裁机构连接到总线上的功能模块有主动和被动两种模式主动模式的模块称为主方（Master）它可以启动一个总线周期被动模式的模块称为从方（Slave）它只能响应主方的请求例如，CPU模块在不同的时间里既可以用作主方，也可以用作从方而存储器模块只能用作从方2024/7/2258网络教育学院由于总线是在多个部件之间共享的，每一次总线操作只能有一个主方占用总线控制权，但是同一时间里可以有一个或多个从方从这种意义上说，主方是那些在某个时刻独占总线的部件，一般会在占有总线之前发出总线占用请求除了CPU模块外，I/O功能模块、DMA控制器也可以作为主方提出总线请求2024/7/2259网络教育学院为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须设置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个主方对多个主设备提出的占用总线请求，一般可采用优先级或公平策略进行仲裁按照总线仲裁电路位置的不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类2024/7/2260网络教育学院1.集中式仲裁在集中式仲裁中，每个功能模块有两条线连到中央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对于单处理器系统总线而言，中央仲裁器又称为总线控制器它是CPU的一部分按照目前的总线标准，中央仲裁器一般是一个单独的功能模块2024/7/2261网络教育学院1）链式查询方式总线中有一条BS线，标明总线的状态1表示总线正被某个主方所使用0表示总线空闲2024/7/2262网络教育学院链式查询方式的主要特点总线授权信号BG采用串行方式从一个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，BG信号便不再往下查询这意味着该I/O接口获得了总线控制权显然，在查询链中离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，离中央仲裁器越远的设备其优先级越低因此，链式查询是通过接口的优先级排队电路来实现的2024/7/2263网络教育学院链式查询方式的优点只用很少几根线就能按一定的优先次序实现总线仲裁，并且这种结构很容易扩充新的设备链式查询方式的缺点对查询链的电路故障非常敏感如果第i个设备的接口中有关查询链的电路发生故障，那么第i个以后的设备就都不能工作了查询链的优先级是固定的如果优先级高的设备频繁发出总线请求，则优先级较低的设备有可能长期无法使用总线2024/7/2264网络教育学院2）计数器定时查询方式总线上的任一设备需要使用总线时，通过BR线发出总线请求中央仲裁器接到请求后，在BS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个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的地址一致时，该设备将BS线置“1”，获得总线使用权，同时终止计数查询2024/7/2265网络教育学院每次计数既可以从“0”开始，也可以从终止点开始：如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的；如果从终止点开始，则每个设备使用总线的优先级是相等的计数器的初值也可用程序来设置可以方便地改变优先次序但这种灵活性是以增加线数为代价的2024/7/2266网络教育学院3）独立请求方式在独立请求方式中，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有一个排队电路根据自己的优先策略决定首先响应哪个设备的请求，给该设备以授权信号BGi2024/7/2267网络教育学院独立请求方式的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因此，现代的总线标准普遍采用独立请求方式2024/7/2268网络教育学院2.分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器当它们有总线请求时，把它们惟一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上每个仲裁器将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，并撤消它的仲裁号最后，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的2024/7/2269网络教育学院6.2.2 总线的通信总线的通信就是决定共享总线的各个部件之间如何进行通信、如何实现数据传输的问题总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：1.请求总线2.总线仲裁3.寻址（目的地址）4.信息传送5.状态返回（或错误报告）2024/7/2270网络教育学院为了同步主方、从方的操作，必须制订通信定时协议所谓定时，是指事件出现在总线上的时序关系计算机系统中有两种截然不同的通信方式同步通信异步通信2024/7/2271网络教育学院1.同步通信在同步通信协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定读数据的同步时序所有事件都出现在时钟信号的上升沿，大多数事件只占据一个时钟周期CPU首先发出读命令信号，并将存储器地址发到地址线上它也可发出一个启动信号，指明控制信息和地址信息均已出现在总线上存储器模块识别地址码，经过一个时钟周期延迟（存取时间）后，将数据和认可信息放到总线上，被CPU读取2024/7/2272网络教育学院由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定因此，同步通信具有较高的传输频率同步通信适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况同步方法对于任何两个功能模块的通信都给予相同的时间安排由于同步总线必须按最慢的模块来设计公共时钟，当各功能模块的存取时间相差很大时，总线效率会大大损失2024/7/2273网络教育学院2.异步通信在异步通信协议中，后一事件出现在总线上的时刻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不需要统一的公共时钟信号总线周期的长度可变2024/7/2274网络教育学院采用异步通信协议的读数据操作过程CPU发出读命令信号和存储器地址信号经过一段时间的延迟，待信号稳定后，它启动主同步（MSYN）信号引发存储器以从同步（SSYN）信号予以响应，并将数据放到数据线上SSYN信号使CPU读数据，然后撤消MSYN信号MSYN信号撤消又使SSYN信号撤消最后地址线、数据线不再有有效信息，于是读数据总线周期结束2024/7/2275网络教育学院异步通信的优点总线周期长度可变，不把响应时间强加到功能模块上允许快速和慢速的功能模块连接到同一总线上但这是以增加总线的复杂性和成本为代价的正因为如此，目前多数微机的总线还是采用同步通信的方法2024/7/2276网络教育学院6.2.3 信息传送方式1.串行传送2.并行传送3.分时传送2024/7/2277网络教育学院数字计算机使用二进制数，它们或用电位的高、低来表示，或用脉冲的有、无来表示电位传送电位高时表示数字“1”，电位低时表示数字“0”脉冲传送有脉冲时表示数字“1”，无脉冲时表示数字“0”计算机系统中，传送信息采用三种方式：串行传送、并行传送、分时传送出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式2024/7/2278网络教育学院1.串行传送当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送在串行传送时，按顺序传送表示一个数码的所有二进制位（bit）的脉冲信号，每次一位通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位串行传送示意图CAI演示2024/7/2279网络教育学院当串行传送时，有可能按顺序连续传送若干个“0”或若干个“1”如果在编码时用脉冲表示二进制数，那么当连续出现几个“0”时，则表示某段时间间隔内传输线上没有脉冲信号为了确定究竟传送了多少个“0”，必须采用某种时序格式，以便使接收设备能加以识别通常采用的方法是指定“位时间”即指定一个二进制位在传输线上占用的时间长度显然，“位时间”是由同步脉冲来体现的2024/7/2280网络教育学院假设串行数据是由“位时间”组成的，那么传送8个比特需要8个位时间假设接收设备在第一个位时间和第三个位时间接收一个脉冲，其余的6个位时间没有接收脉冲可知所接收到的二进制信息是00000101注意，串行传送时，低位在前，高位在后2024/7/2281网络教育学院在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并串变换，这称为拆卸而在接收部件又需要进行串并变换，这称为装配串行传送的主要优点只需要一条传输线这一点对长距离传输尤其重要不管传送多少数据量都只需要一条传输线，成本比较低廉2024/7/2282网络教育学院【例6-2】利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特（bit）位数常称为波特率（Baud Rate）。假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个数据位（起始位、停止位、8个数据位），问传送的波特率是多少？每个比特位占用的时间是多少？【解】：波特率为：10b120/s=1200 b/s=1200 bps每个比特位占用的时间Td是波特率的倒数：Td=1/1200=0.83310-3s=0.833ms2024/7/2283网络教育学院2.并行传送用并行方式传送二进制信息时，对应于每个数据位都需要一条单独的传输线信息由多少二进制位组成，就需要多少条传输线使二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送并行传送的过程CAI演示如果要传送的数据由8位二进制位组成（1个字节），那么可以使用8条线组成的扁平数据电缆每一条线代表二进制数的不同位值例如，最上面的线代表最高有效位，最下面的线代表最低有效位，因而图中正在传送的二进制数就是101011002024/7/2284网络教育学院并行传送一般采用电位传送由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多例如，使用32根单独的地址线，可以从CPU的地址寄存器同时传送32位地址信息给主存2024/7/2285网络教育学院3.分时传送分时传送有两种概念一种是采用总线复用方式某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务另一种是共享总线的部件分时使用总线2024/7/2286网络教育学院6.3 总线系统实例6.3.1 ISA总线6.3.2 PCI总线6.3.3 AGP总线6.3.4 PCI Express总线2024/7/2287网络教育学院随着计算机技术的进步，总线技术的标准也在不断发展例如，微型计算机总线PC/XT总线（1981年）PC/AT或ISA总线（1984年）EISA总线（1988年）VESA总线（1989年）PCI总线（1991年）AGP总线（1997年）PCI-X总线（1998年）PCI Express（2004年）2024/7/2288网络教育学院6.3.1 ISA总线ISA（Industry Standard Architecture，工业标准结构）总线是由IBM PC/XT和PC/AT使用的8位总线发展而来的总线标准ISA是8/16位兼容总线，因此I/O插槽有8位和8/16位两种类型：8位扩展槽由62个引脚组成其中包括20条地址线和8条数据线，用于8位数据传输8/16位扩展槽除了一个8位62线的连接器外，还有一个附加的36线连接器这种扩展插槽既可以支持8位插接板，也可支持16位插接板（24条地址线和16条数据线）2024/7/2289网络教育学院ISA总线的应用范围很广，一般用于连接中、低速I/O设备使用ISA总线接口的外设适配器（声卡）ISA总线的主要性能指标：24位地址线可直接寻址16MB主存8/16位数据线最高时钟频率8MHz最大传输率（总线带宽）16MB/s12个外部中断请求输入端7个DMA通道2024/7/2290网络教育学院由于历史原因，ISA的设计对PC机的升级维护、安装新设备带来诸多不便在安装新设备时，不仅要对新设备进行配置，往往还需要对一些已安装的设备进行重新配置除硬件安装外，还需要一个复杂的软件安装过程在这种背景下，计算机工业界提出了一个新的概念：即插即用（Plug&Play，简称PnP）PnP设备只需简单地插入插槽即可开始工作，不需要用户拨动开关、插拔跳线或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为此，Intel和Microsoft联手提出了一个即插即用ISA规范在PnP BIOS和操作系统的支持下，能够读取这种ISA适配器卡的配置数据，也可以进行重新配置2024/7/2291网络教育学院6.3.2 PCI总线PCI（外设部件互连，Peripheral Component Interconnect）总线是1991年由Intel、IBM、Compaq、Apple等几家公司联合推出的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可支持10台外部设备采用同步时序协议和集中式仲裁策略具有自动配置能力2024/7/2292网络教育学院典型的PCI总线结构框图CAI演示2024/7/2293网络教育学院整个系统里有如下三种不同的总线：HOST总线又称宿主总线该总线不仅连接主存，还可以连接多个CPU PCI总线用于连接各种高速PCI设备PCI设备可以是主设备，也可以是从设备，或兼而有之系统中允许有多条PCI总线可以使用HOST桥与HOST总线相连，也可以使用PCI-PCI桥与PCI总线相连，从而扩充整个系统的PCI总线负载能力 LEGACY总线可以是ISA、EISA这类性能较低的传统总线，以便充分利用市场上丰富的适配器卡支持中、低速I/O设备2024/7/2294网络教育学院在PCI总线体系结构中有三种桥HOST桥、PCI-PCI桥、PCI-LEGACY桥其中，HOST桥又是PCI总线控制器，含有中央仲裁器桥具有很重要的作用一方面连接两条总线，使彼此之间相互通信另一方面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2024/7/2295网络教育学院以桥连接实现的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2024/7/2296网络教育学院PCI总线采用32/64位数据线和32位地址线使用同步时序协议，总线时钟是方波信号，频率是33/66MHz定义了5V和3.3V两种工作电压采用集中式仲裁方式每个PCI主设备都有独立的REQ（总线请求）和GNT（总线授权）两条信号线与中央仲裁器相连由中央仲裁器根据一定的算法对各主设备的申请进行仲裁，决定把总线使用权授予谁2024/7/2297网络教育学院6.3.3 AGP总线AGP（Accelerated Graphics Port，加速图形端口）总线标准是在PCI总线难以适应高总线频率和高视频带宽需求的情况下出现的AGP是微型计算机系统中专门为3D显示而设置的加速图形接口以66MHz（AGP的基频）PCI 2.1规范为基础支持点对点连接允许3D图形数据越过PCI总线解决了PCI总线系统设计对于超高速系统的瓶颈问题2024/7/2298网络教育学院AGP总线的主要特点1.数据读写流水线操作2.数据传输频率大大提高3.直接存储器执行4.地址信号与数据信号分离5.并行操作2024/7/2299网络教育学院AGP有多种工作模式基频工作，即以66MHz频率工作以双倍频工作，即以133MHz频率工作以四倍频工作，即以266MHz频率工作以八倍频工作，即以532MHz频率工作四种模式的技术参数AGP为显卡提供了快速通道在2、4、8模式下，其最大传输率达到532MB/s、1.064GB/s、2.128GB/sAGP模式工作频率（MHz）数据传输率（MBps）传输方式166266上升沿2133532上升沿和下降沿42661064上升沿和下降沿85322128上升沿和下降沿2024/7/22100网络教育学院6.3.4 PCI Express总线随着Pentium 4前端总线频率的迅速提高（高达1GHz以上），原有的PCI总线标准已难以适应新的要求，因此，统一总线标准、提高总线带宽成为业界的普遍呼声，PCI Express应运而生2024/7/22101网络教育学院PCI Express是一种基于串行技术、高带宽连接点、芯片到芯片连接的新型总线技术PCI Express采用4根信号线两根差分信号线用于接收另外两根差分信号线用于发送信号频率2.5GHz，采用8/10位编码定义了用于多种通道的连接方式如1、4、8、16以及32通道的连接器，分别对应于500MB/s、2GB/s、4GB/s、8GB/s和16GB/s的带宽支持热插拔和热交换2024/7/22102网络教育学院PCI Express总线插槽可用于ATX和BTX主板系统2024/7/22103网络教育学院PCI Express总线技术特点1两个设备之间点对点互连与PCI设备共享同一总线资源不同，PCI Express采用点对点技术能为每个设备提供独立通道带宽，无需在设备之间共享资源充分保证设备的带宽资源，提高数据传输率2采用双通道技术，传输率高采用类似于全双工模式的特殊双通道通信技术使传输率大大提高2024/7/22104网络教育学院3扩展灵活方便PCI总线只能在机箱内通过扩展插槽加以扩张，而PCI Express可以扩展到系统之外通过PCI Express专用电缆将各种外围设备与系统内的PCI Express总线相连4引线少，功耗低由于采用串行技术，因此每个通道仅需要4根引线减少了引线数量电源消耗的功率随之降低2024/7/22105网络教育学院5支持热插拔和热交换通过PCI Express可以方便地将外部设备与总线进行在线插拔6软件层与PCI兼容采用PCI Express总线标准的最大意义在于其通用性和兼容性通过与PCI软件模块的完全兼容，可以确保现有设备和驱动程序不用修改仍能正常工作2024/7/22106