计算机组成原理_6

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1、第六章总线系统6.1总线的概念和结构形态6.2总线接口6.3总线的仲裁、定时和数据传送模式6.4PCI总线6.5ISA总线和Futurebus＋总线6.1总线的概念和结构形态6.1.1总线的基本概念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。一个单处理器系统中的总线大致分为三类：(1)内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。(2)系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。(3)I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。1.总线的特性物理特性：指总线的物理连接方式

2、，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。功能特性：描述总线中每一根线的功能。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)。时间特性：定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。2.总线的标准化相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。总线带宽：总线本身所能

3、达到的最高传输速率，它是衡量总线性能的重要指标，单位兆字节每秒(MB/s)。【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，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，则总线带宽是多少?(2)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，则总线带宽是多少?[解](1)设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×1000000/s=132MB/s(2)64位=8B，Dr=D×f=8B×66×1000000/s

4、=528MB/s6.1.2总线的连接方式大多数总线都是以相同方式构成的，其不同之处仅在于总线中数据线和地址线的数目，以及控制线的多少及其功能。然而，总线的排列布置与其它各类部件的连接方式对计算机系统的性能来说，将起着十分重要的作用。根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有三种基本类型：1.单总线结构2.双总线结构3.三总线结构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，叫做单总线结构。如下图所示。在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制

5、权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。2.双总线结构双总线结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操作，而不必经过CPU。当然这种双总线系统以增加硬件为代价。其结构如下图所示。3.三总线结构它是在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的。如下图所示。在DMA方式中，外设与存储器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”方式进一步提高了CPU的效率。通道

6、实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为IOP(I/O处理器)，它分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。显然由于增加了IOP，使整个系统的效率大大提高。然而这是以增加更多的硬件代价换来的。6.1.3总线结构对计算机系统性能的影响在一个计算机系统中，采用哪种总线结构，往往对计算机系统的性能有很大影响。下面从三个方面来讨论这种影响。1.指令系统在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统；在单总线系统中，访问主存和I/O传送可使用不同的操作码或相同的操作码。当使用相同的指令时，应使用不同的地址区分是访问主

7、存还是外设。2.最大存储容量在单总线系统中，若采用相同的操作码访问主存和外设，则主存的最大容量必须小于由计算机字长所决定的可能的地址总数。在双总线系统中，对主存和外设进行存取的判断是利用各自的指令操作码。由于主存地址和外设地址出现于不同的总线上，所以存储容量不会受到外围设备多少的影响。3.吞吐量计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息的速率。它取决于信息能够多快地输入内存，CPU能够多快地取指令，数据能够多快地从内存取出或存入，以及所得结果能够多快地从内存送给一台外围设备。6.1.4总线的内部结构1.早期总线:早期总线的内部结构如下图所示。它实际

8、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。这种简