计算机组成原理的总线系统

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1、第六章　总线系统学习重点总线的概念和结构形态总线的连接方式总线信息的传送方式接口的基本概念和功能总线的仲裁王健2010-6-36.1.1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。6.1总线的概念和结构形态(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

2、线的特性物理特性：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。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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

3、统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等。(详细见6.1.4总线实例部分)总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率，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

4、/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=528MB/s6.1.2总线的连接方式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。如图6.1所示。单总线结构特点：在单总线结构中，要求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权；而当不再使用

5、总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，由于一条总线由多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟。单总线结构容易扩展成多CPU系统：这只要在系统总线上挂接多个CPU即可。DMA操作:某些外围设备也可以指定地址。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(DMA)。2.双总线结构这种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

6、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。3.多总线结构在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。主要有如下几种：CPU总线：连接CPU和cache。系统总线：主存连在其上。高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设备）。高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。通过“桥”，CPU总线、系统

7、总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。多总线结构使高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。6.1.3总线的内部结构早期总线的内部结构如图所示。它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。这种简单的总线一般由50—100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。早期总线结构的不足之处在于：第一、CPU是总线上的唯一主控者。第二、总线信号是CPU引脚信号的延

8、伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。当代流行的总线内部结构如图它是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足包括多个CPU在内的主控者环境需求。在当代总线结构中，CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。而总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。整个总线分成如下四部分：1数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。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