1、LogoLogo計算機組成原理主講人：張海英時 間：2013-2014學年第二學期廈門大學國家示范性軟件學院目錄 概論 1 硬件結構 2 中央處理器 3控制單元 4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院第二篇 硬件結構第三章Diagram 2系統總線 Diagram 2第五章存儲器 第四章輸入輸出系統廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院第三章 總線的基本概念3.1Diagram 2總線的基本概念 總線的分類 總線特性及性能指標 Diagram 23.23.33.4總線結構 3.5總線控制 廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3.1 總線的基本概念一、為什么要用總線一、

2、為什么要用總線二、什么是總線二、什么是總線三、總線上信息的傳送三、總線上信息的傳送總線是連接各個部件的信息傳輸線，總線是連接各個部件的信息傳輸線，是是 各個部件共享的傳輸介質各個部件共享的傳輸介質串行串行并行并行3.1廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院四、總線結構的計算機舉例四、總線結構的計算機舉例1. 面向面向 CPU 的雙總線結構框圖的雙總線結構框圖 中央處理器中央處理器 CPUI/O總線總線M總總線線主存主存 I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 設備設備n3.1廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院2. 單總線結構框圖單總線結構框圖單總

3、線（系統總線）單總線（系統總線） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備2 I/O接口接口 I/O 設備設備n I/O接口接口3.1廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3. 以存儲器為中心的雙總線結構框圖以存儲器為中心的雙總線結構框圖系統總線系統總線 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備n I/O接口接口存儲總線存儲總線廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3.2 總線的分類1. .片內總線片內總線2. .系統總線系統總線芯片內部芯片內部 的總線的總線數據總線數據總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關與

4、機器字長、存儲字長有關單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 I/O地址有關地址有關有出有出 有入有入計算機各部件之間計算機各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認總線允許、中斷確認中斷請求、總線請求中斷請求、總線請求3.2廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3. . 通信總線通信總線串行通信總線串行通信總線并行通信總線并行通信總線傳輸方式傳輸方式 用于用于 計算機系統之間計算機系統之間 或或 計算機系統計算機系統與其他系統與其他系統（如控制儀表、移動通信等）（如控制儀表、移動通信等）之間的通信之間的通信廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3.3 總線

5、特性及性能指標CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、總線物理實現一、總線物理實現BUS主板主板3.3廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院1. 機械特性機械特性2. 電氣特性電氣特性3. 功能特性功能特性4. 時間特性時間特性二、二、 總線特性總線特性尺寸尺寸、形狀、形狀、管腳數管腳數及及排列順序排列順序傳輸方向傳輸方向 和有效的和有效的 電平電平 范圍范圍每根傳輸線的每根傳輸線的 功能功能信號的信號的 時序時序 關系關系3.3廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院三、總線的性能指標三、總線的性能指標1. 總線寬度總線寬度2. 標準傳輸率標準傳輸率3. 時鐘同步時鐘同步/異步異步4.

6、總線復用總線復用5. 信號線數信號線數6. 總線控制方式總線控制方式7. 其他指標其他指標數據線數據線 的根數的根數每秒傳輸的最大字節數（每秒傳輸的最大字節數（MBps）同步同步、不同步不同步地址線地址線 與與 數據線數據線 復用復用地址線、數據線和控制線的地址線、數據線和控制線的 總和總和負載能力負載能力并發、自動、仲裁、邏輯、計數并發、自動、仲裁、邏輯、計數3.3廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模塊模塊系統系統總總線線標標準準 四、總線標準四、總線標準系統系統模塊模塊標標 準準 界界 面面3.3廈門大學廈門大學 軟件學院

7、軟件學院名稱ISA(PC-AT)EISASTDVESA(VL-BUS)MCAPCI適用機型80286、386、486系列機386、486、586、IBM系列機Z-80、V20、V40、IBM PC系列機i486、PC-AT兼容機IBM個人機與工作站P5個人機、PowerPC、Alpha工作站最大傳輸率15MBps33MBps2MBps266MBps40MBps133MBps或266MBps總線寬度16位32位8位32位32位32位總線工作頻率8MHz8.33MHz2MHz66MHz10MHz33MHz66MHz同步方式同步異步同步仲裁方式集中集中集中集中地址寬度24322032/64負載能力8

8、6無限制6無限制3信號線數143901094964位擴展不可無規定不可可可可并發工作可可引腳使用非多路復用非多路復用非多路復用非多路復用多路復用三、總線的性能指標三、總線的性能指標廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3.4 總線結構一、單總線結構一、單總線結構單總線（系統總線）單總線（系統總線） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設備設備1 I/O 設備設備2 I/O接口接口 I/O 設備設備n I/O接口接口3.4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院1. 雙總線結構雙總線結構具有特殊功能的處理器，具有特殊功能的處理器，由通道對由通道對I/O統一管理統一管理 I/O接口接口 設備設備n I

9、/O接口接口 設備設備0 CPU主存主存主存總線主存總線I/O總線總線二、多總線結構二、多總線結構3.4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院2. 三總線結構三總線結構主存總線主存總線DMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設備設備1設備設備n高速外設高速外設I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口3.4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3. 三總線結構的又一形式三總線結構的又一形式局域網局域網系統總線系統總線CPUCache局部總線局部總線擴展總線接口擴展總線接口擴展總線擴展總線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3.4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院4

10、. 四總線結構四總線結構多媒體多媒體 Modem主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網局域網SCSICPU串行接口串行接口FAX系統總線系統總線局部總線局部總線高速總線高速總線擴展總線擴展總線圖形圖形Cache/橋橋3.4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院2. VL-BUS局部總線結構局部總線結構33 MHz的的32位數據通路位數據通路系統總線系統總線ISA、EISA多媒體多媒體高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形圖文傳真圖文傳真8 MHz的的16位數據通路位數據通路標準總線標準總線 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存儲器存儲器局部總線局部總線 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL

11、 BUS Modem3.4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3. PCI 總線結構總線結構CPU多媒體多媒體PCI 橋橋高速局域網高速局域網高性能圖形高性能圖形圖文傳真圖文傳真PCI 總線總線系統總線系統總線33 MHz的的32位數據通路位數據通路8 MHz的的16位數據通路位數據通路ISA、EISA標準總線標準總線 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存儲器存儲器 Modem3.4廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院4. 多層多層 PCI 總線結構總線結構PCI總線總線2存儲器存儲器橋橋0橋橋4 PCI設備設備橋橋5總線橋總線橋橋橋3橋橋1設備設備橋橋2第一級橋第一級橋第二級橋第二級橋第三級橋

12、第三級橋PCI總線總線4PCI總線總線5PCI總線總線3PCI總線總線1PCI總線總線0存儲器總線存儲器總線 標準總線標準總線CPU廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院3.5 總線控制一、總線判優控制一、總線判優控制 總線判優控制總線判優控制分布式分布式集中式集中式 主設備主設備(模塊模塊)對總線有對總線有 控制權控制權 從設備從設備(模塊模塊)響應響應 從主設備發來的總線命令從主設備發來的總線命令1. 基本概念基本概念鏈式查詢鏈式查詢計數器定時查詢計數器定時查詢獨立請求方式獨立請求方式3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院2. 鏈式查詢方式鏈式查詢方式總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0

13、BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數據線數據線地址線地址線BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求BG總線同意總線同意3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設備地址設備地址3. 計數器定時查詢方式計數器定時查詢方式 計數器計數器 13.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院排隊器排隊器4. 獨立請求方式獨立請求方式總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGn

14、BG總線同意總線同意BR總線請求總線請求3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院二、總線通信控制二、總線通信控制1. 目的目的2. 總線傳輸周期總線傳輸周期主模塊申請主模塊申請，總線仲裁決定，總線仲裁決定主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數據交換數據主模塊主模塊 撤消有關信息撤消有關信息 申請分配階段申請分配階段尋址階段尋址階段傳數階段傳數階段結束階段結束階段解決通信雙方解決通信雙方 協調配合協調配合 問題問題3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院由由 統一時標統一時標 控制數據傳送控制數據傳送充分充分 挖掘挖掘 系統系統 總線每

15、個瞬間總線每個瞬間 的的 潛力潛力同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 總線通信的四種方式總線通信的四種方式采用采用 應答方式應答方式 ，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準同步同步、異步結合異步結合3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院 讀讀命令命令(1) 同步式數據輸入同步式數據輸入T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 數據數據3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院 數據數據(2) 同步式數據輸出同步式數據輸出T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟

16、件學院l例3.1：假設總線的時鐘頻率為100MHz，總線的傳輸周期為4個時鐘周期，總線的寬度為32位，試求總線的數據傳輸率。若想提高一倍數據傳輸率，可采取什么措施？l解：解：(1)根據總線時鐘頻率為100MHz，得 1個時鐘周期為1/100MHz=0.01us 總線傳輸周期為0.01us4=0.04us 由于總線的寬度為32位=4B（字節） 故總線的數據傳輸率為4B/（0.04us）=100MBps(2)若想提高一倍數據傳輸率方法一：方法一：在不改變總線時鐘頻率的前提下，將數據線的寬度改為64位方法二：方法二：保持數據寬度為32位，使總線的時鐘頻率增加到200MHz3.5廈門大學廈門大學 軟件

17、學院軟件學院不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖(3) 異步通信異步通信主設備主設備從設備從設備請請求求回回答答3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院l例3.2：在異步串行傳輸系統中，假設每秒傳輸120個數據幀，其字符格式規定包含1個起始位、7個數據位、1個奇校驗位、1個終止位，試計算波特率。l解：根據題目給出的字符格式，一幀包含1+7+1+1=10位故波特率為(1+7+1+1)120=1200 bps =1200波特3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院l例3.3：畫圖說明用異步串行傳輸方式發送8位十六進制數據95H。要求字符格式為：1位起始位，8位數據位，1位偶校驗位，1位終止位。l解

18、：異步串行在起始位之后傳輸的是數據位的最低位（95H 的最低位D0=1),而且數據的最高位（ 95H的最低位 D7=1）傳輸之后傳輸校驗位，最后是終止位。數據 95H的偶校驗位為0，其波形圖如圖3.20所示。起始位校驗位停止位D0D1D2D3D4D5D6D7圖3.20 數據95H的傳送波形3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院 由于異步串行通信字符格式中包含若干附加位，如起始位、終止位、校驗位，而且終止位有1位、1.5位、2位之分，若只考慮有效數據位，可用比特率來衡量異位串行通信的數據傳輸速率，即單位時間內傳送二進制有效數據的位數，單位用bps表示。 為了提高速度，將異步串行傳送中這些附加位

19、去掉，就可以采用同步傳送，在同步傳送時，據塊開始處要用同步字符SYN來指明，如圖3.21所示。 SYN字符1 SYN字符2 數據 圖3.21 同步串行傳送格式同步傳送速度高于異步傳送速度，可達500千波特，而異步通信傳送一般為5019200 波特3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院l例3.4：在異步串行傳輸系統中，若字符格式為：1位起始位、8位數據位、1位奇校驗位、1位終止位。假設波特率為1200bps,求這時的比特率。l解：根據題目給出的字符格式，有效數據位為8位，而傳送一個字符需要1+8+1+1=11位，故比特率為 1200（8/11）= 872.72 bps3.5廈門大學廈門大學 軟

20、件學院軟件學院(4) 半同步通信半同步通信同步同步 發送方發送方 用系統用系統 時鐘前沿時鐘前沿 發信號發信號 接收方接收方 用系統用系統 時鐘后沿時鐘后沿 判斷、識別判斷、識別（同步同步、異步異步 結合）結合）異步異步 允許不同速度的模塊和諧工作允許不同速度的模塊和諧工作 增加一條增加一條 “等待等待”響應信號響應信號 WAIT3.5廈門大學廈門大學 軟件學院軟件學院以輸入數據為例的半同步通信時序以輸入數據為例的半同步通信時序T1 主模塊發地址主模塊發地址T2 主模塊發命令主模塊發命令T3 從模塊提供數據從模塊提供數據T4 從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令Tw 當當 為低電