1、1/38計算機組成技術計算機組成技術文字的表示文字的表示定點加法、減法運算定點加法、減法運算2/38計算機組成技術計算機組成技術總線概述總線概述總線的設計與實現總線的設計與實現總線的控制總線的控制 總線的性能指標總線的性能指標3/38計算機組成技術計算機組成技術掌握總線的基本概念；了解總線的分類原則；掌握總線的基本概念；了解總線的分類原則；熟練掌握總線的性能指標（總線帶寬）；熟練掌握總線的性能指標（總線帶寬）；熟悉總線的結構。熟悉總線的結構。掌握總線仲裁的原則，掌握集中式仲裁的幾種方式。掌握總線仲裁的原則，掌握集中式仲裁的幾種方式。4/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述

2、 總線是計算機系統中各個部件之間（甚至各個系總線是計算機系統中各個部件之間（甚至各個系統之間）傳遞信息的一組共享的電導線。每一根導線負統之間）傳遞信息的一組共享的電導線。每一根導線負責傳輸一個電脈沖信號，這個信號就代表一位二進制數責傳輸一個電脈沖信號，這個信號就代表一位二進制數據。若干根導線就可以同時傳輸若干位二進制數據。據。若干根導線就可以同時傳輸若干位二進制數據。 總線一般由傳輸線、接口和總線控制器組成。傳總線一般由傳輸線、接口和總線控制器組成。傳輸線包括信息線、電源線、地線等。由于總線與其上所輸線包括信息線、電源線、地線等。由于總線與其上所掛的部件是物理相連的，但是從邏輯上有輸入、輸出、

3、掛的部件是物理相連的，但是從邏輯上有輸入、輸出、斷開三種狀態，所以總線上的部件需要通過由一些三態斷開三種狀態，所以總線上的部件需要通過由一些三態門和緩沖寄存器組成的接口與總線連接門和緩沖寄存器組成的接口與總線連接 。 5/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述總線具有以下總線具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能 按照所傳輸信息的性質分，總線分為地址總線、數按照所傳輸信息的性質分，總線分為地址總線、數據總線和控制總線。據總線和控制總線。 按照連接的部件分，總線分為系統總線（也叫處理按照連

4、接的部件分，總線分為系統總線（也叫處理器總線）和輸入器總線）和輸入/輸出總線（即輸出總線（即I/O總線）。總線）。 按照在計算機系統中的位置分總線分為片內總線、按照在計算機系統中的位置分總線分為片內總線、底板總線、板間總線和通信總線。底板總線、板間總線和通信總線。 6/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述總線具有以下總線具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能功能特性：指總線中的每一根傳輸線具有特定的功能 對于通信總線，根據所傳數據的位數又可以將其對于通信總線，根據所傳數據的位數又可以將其分為串行總線和并行總線。分為串行總線和并行總

5、線。 2. 物理特性：又稱機械特性，指總線的物理連接標準，包物理特性：又稱機械特性，指總線的物理連接標準，包括插頭和插座的幾何形狀與尺寸、引腳的數量與排列方括插頭和插座的幾何形狀與尺寸、引腳的數量與排列方式、固定方式等。式、固定方式等。 串行串行并行并行7/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述總線具有以下總線具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 按照允許信息傳輸的方向分，總線分為單向總線和按照允許信息傳輸的方向分，總線分為單向總線和雙向總線。雙向總線又分為全雙工和半雙工。全雙工是雙向總線。雙向總線又分為全雙工和半雙工。全雙工是指同一時刻允許信息分別沿兩個方向

6、傳輸，半雙工是指指同一時刻允許信息分別沿兩個方向傳輸，半雙工是指同一時刻只允許信息沿一個方向傳輸而另一個方向的信同一時刻只允許信息沿一個方向傳輸而另一個方向的信息傳輸要等到下一時刻。息傳輸要等到下一時刻。2. 物理特性物理特性3. 電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。平范圍。 8/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述總線具有以下總線具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 通常規定送入微處理器的信號為輸入信號（通常規定送入微處理器的信號為輸入信號（IN），），從微處理器發出的信號為輸出信號（從微

7、處理器發出的信號為輸出信號（OUT）。）。 例如，地址總線為輸出信號線，數據總線為雙向信例如，地址總線為輸出信號線，數據總線為雙向信號線，控制總線中既有輸出信號線，又有輸入信號線，號線，控制總線中既有輸出信號線，又有輸入信號線，但都是單向的。但都是單向的。 2. 物理特性物理特性3. 電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。平范圍。 9/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述總線具有以下總線具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 將總線中高電平定義為將總線中高電平定義為“邏輯邏輯1”，稱為正邏輯；，

8、稱為正邏輯； 將低電平定義為將低電平定義為“邏輯邏輯1”，稱為負邏輯。，稱為負邏輯。 大多數總線信號采用正邏輯，但是也有個別總線信號大多數總線信號采用正邏輯，但是也有個別總線信號采用負邏輯采用負邏輯 。 2. 物理特性物理特性3. 電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電電氣特性：定義每根傳輸線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。平范圍。 10/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述總線具有以下總線具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 規定了每一根傳輸線上的信號在什么時間內才是有規定了每一根傳輸線上的信號在什么時間內才是有效的，即總線上各種信號的時序關系。

9、效的，即總線上各種信號的時序關系。 時間特性可以用信號時序圖來表示。時間特性可以用信號時序圖來表示。 2. 物理特性物理特性3. 電氣特性電氣特性4. 時間特性時間特性11/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述5. 2 總線的設計與實現總線的設計與實現 總線的設計與實現主要關注的是采用何種總線的設計與實現主要關注的是采用何種總線結構，選擇總線結構需要綜合考慮通信帶總線結構，選擇總線結構需要綜合考慮通信帶寬、成本及可靠性等因素。寬、成本及可靠性等因素。 典型的總線結構有單總線結構和多總線結典型的總線結構有單總線結構和多總線結構。構。 12/38計算機組成技術計算機組成技術

10、CPU M.M I/O接口接口 外部外部 設備設備1 外部外部 設備設備2 I/O接口接口 外部外部 設備設備n I/O接口接口單總線（系統總線）單總線（系統總線）13/38計算機組成技術計算機組成技術主存總線主存總線I/O總線總線 I/O接口接口 設備設備n I/O接口接口 設備設備0 CPU主存主存通道通道雙總線結構雙總線結構14/38計算機組成技術計算機組成技術三總線結構三總線結構主存總線主存總線DMA總線總線系統總線系統總線 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15/38計算機組成技術計算機組成技術層次結構層次結構的三總線的三總

11、線16/38計算機組成技術計算機組成技術三總線結構的另一形式三總線結構的另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主存主存17/38計算機組成技術計算機組成技術四總線結構四總線結構主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網局域網SCSI多媒體多媒體CPU調制解調器調制解調器串行接口串行接口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18/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述5. 2 總線的設計與實現總線的設計與實現5. 3 總線

12、的控制總線的控制 5. 3. 1 總線仲裁總線仲裁 電子計算機的總線具有兩個特性：發送的互斥電子計算機的總線具有兩個特性：發送的互斥性和接受的共享性。性和接受的共享性。 為了協調總線上各個部件對總線的爭用、避免發為了協調總線上各個部件對總線的爭用、避免發生總線沖突，必須有一個總線控制器來對總線的使生總線沖突，必須有一個總線控制器來對總線的使用進行分配和管理。用進行分配和管理。 擁有總線控制權的總線部件，稱為總線的主部件擁有總線控制權的總線部件，稱為總線的主部件。被主部件訪問的部件稱為從部件。被主部件訪問的部件稱為從部件。 19/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3. 1 總線仲裁總線仲裁

13、n當總線上有多個候選的主部件同時申請使用當總線上有多個候選的主部件同時申請使用總線時，必須有一個總線控制機構按照某種總線時，必須有一個總線控制機構按照某種策略（優先次序）對申請進行裁決，這就叫策略（優先次序）對申請進行裁決，這就叫做總線仲裁。做總線仲裁。n如果總線仲裁邏輯基本上集中在一處，就稱如果總線仲裁邏輯基本上集中在一處，就稱為集中式總線仲裁。如果總線仲裁邏輯分散為集中式總線仲裁。如果總線仲裁邏輯分散在總線上的各個部件中，則稱為分布式總線在總線上的各個部件中，則稱為分布式總線仲裁。仲裁。 20/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3. 1 總線仲裁總線仲裁 1. 集中式控制集中式控制 串

14、行鏈接串行鏈接/鏈式查詢鏈式查詢 定時查詢定時查詢/計數器定時查詢計數器定時查詢 獨立請求獨立請求21/38計算機組成技術計算機組成技術串行鏈接方式串行鏈接方式總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/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-總線可用總線可用I/O接口接口122/38計算機組成技術計算機組成技術 0BS -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設備地址設備地址定時查詢方式定時查詢方式I/O接口接口1 計數器

15、計數器設備地址設備地址 123/38計算機組成技術計算機組成技術排隊器排隊器排排 隊隊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nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線可用總線可用BR-總線請求總線請求24/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3 總線的控制總線的控制5. 3. 1 總線仲裁總線仲裁5. 3. 2 總線通信控制總線通信控制 總線通信中，發出數據的部件稱為總線通信中，發出數據的部件稱為源部件源部件，接收數據的部件稱為接收數據的部件稱為目的部件目的部件。 為了完成一次有效的通信，源部件與目的部為了

16、完成一次有效的通信，源部件與目的部件之間需要進行一系列有時序限制的操作。為此件之間需要進行一系列有時序限制的操作。為此，通信雙方需要，通信雙方需要“感知感知”對方的操作及操作效果對方的操作及操作效果，這個，這個“感知感知”由由總線通信控制總線通信控制來實現的。來實現的。 25/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3. 2 總線通信控制總線通信控制n總線通信控制的方法只要分兩大類：無須感知和需要感總線通信控制的方法只要分兩大類：無須感知和需要感知。無須感知表示通信雙方是相互信任的、是心有靈犀知。無須感知表示通信雙方是相互信任的、是心有靈犀的，每一個通信步驟都會在規定的時間內正確完成。如的，每一

17、個通信步驟都會在規定的時間內正確完成。如果通信雙方不能完全相互信任，那么就需要感知了。果通信雙方不能完全相互信任，那么就需要感知了。n基于基于“無須感知無須感知”觀點進行總線通信控制的通信稱為觀點進行總線通信控制的通信稱為同同步通信步通信，基于，基于“需要感知需要感知”觀點進行總線通信控制的通觀點進行總線通信控制的通信稱為信稱為異步通信異步通信。26/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3. 2 總線通信控制總線通信控制n同步通信是指參與通信的兩個部件之間的信息傳送是由同步通信是指參與通信的兩個部件之間的信息傳送是由定寬、定距的時標來控制的。定寬、定距的時標來控制的。n每隔一個時標，源部件就

18、向總線發送一個數據，而不去每隔一個時標，源部件就向總線發送一個數據，而不去對目的部件是否收到數據進行確認；同樣地，目的部件對目的部件是否收到數據進行確認；同樣地，目的部件每隔一個時標就對總線進行采樣來獲取數據，而不去確每隔一個時標就對總線進行采樣來獲取數據，而不去確認數據是否已發出，也不向源部件確認收到的數據是正認數據是否已發出，也不向源部件確認收到的數據是正確的。確的。27/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3. 2 總線通信控制總線通信控制n異步通信是指參與通信的兩個部件需要異步通信是指參與通信的兩個部件需要“感知感知”對方的對方的操作，這個操作，這個“感知感知”是通過是通過“握手握手

19、”信號實現的。異步信號實現的。異步通信主要應用于工作速率不同的部件之間相互通信或者通信主要應用于工作速率不同的部件之間相互通信或者通信線路受到干擾的場合。通信線路受到干擾的場合。n異步通信的異步通信的“握手握手”協議分為單邊控制和雙邊控制協議分為單邊控制和雙邊控制單邊控制是指通信過程是由源部件或目的部件控制單邊控制是指通信過程是由源部件或目的部件控制雙邊控制是指通信過程由源部件和目的部件共同控制雙邊控制是指通信過程由源部件和目的部件共同控制28/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3. 2 總線通信控制總線通信控制n異步單邊控制異步單邊控制29/38計算機組成技術計算機組成技術5. 3. 2

20、 總線通信控制總線通信控制n異步雙邊控制異步雙邊控制30/38計算機組成技術計算機組成技術3. 半同步通信半同步通信（同步同步、異步異步 結合）結合） 增加一條增加一條 “就緒就緒(READY)”響應信號響應信號 n宏觀上按同步通信組織通信過程，局部上用異步應宏觀上按同步通信組織通信過程，局部上用異步應答方式實現通信雙方速度的配合。答方式實現通信雙方速度的配合。n每個操作只能在固定時鐘確定的一定時刻發生（這每個操作只能在固定時鐘確定的一定時刻發生（這是同步通信的特征），控制信號的時間間隔卻是可是同步通信的特征），控制信號的時間間隔卻是可變長的（這是異步通信的特征）。當然時間間隔的變長的（這是異

21、步通信的特征）。當然時間間隔的長度必須是時鐘周期的整數倍，這樣就兼顧了同步長度必須是時鐘周期的整數倍，這樣就兼顧了同步通信和異步通信的優點通信和異步通信的優點 31/38計算機組成技術計算機組成技術半同步通信時序半同步通信時序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 主模塊檢測主模塊檢測“READY”信號信號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 若若“READY” 為低電平，插入一個等待周期為低電平，插入一個等待周期TWTw 若若“READY” 為低電平，插入一個等待周期為低電平，插入一個等待周期TW32/38計算機組成技術計算機組成技

22、術5. 4 總線的性能指標總線的性能指標n總線的位寬總線的位寬n總線的工作時鐘頻率總線的工作時鐘頻率 n單個數據傳送周期數單個數據傳送周期數 先發地址，再傳輸數據。先發地址，再傳輸數據。循環往復循環往復2022-7-5正常傳輸正常傳輸猝發傳輸猝發傳輸第第1個周期發數據首地址，然個周期發數據首地址，然后連續傳輸一組數據。后連續傳輸一組數據。使用一次總線的過程稱為使用一次總線的過程稱為總線事務總線事務（Transaction）33/38計算機組成技術計算機組成技術5. 1 總線概述總線概述5. 2 總線的設計與實現總線的設計與實現5. 3 總線的控制總線的控制 5. 4 總線的性能指標總線的性能指

23、標n總線的位寬總線的位寬n總線的工作時鐘頻率總線的工作時鐘頻率 n總線的負載能力總線的負載能力 n總線的數據傳輸速率總線的數據傳輸速率 總線一次同時傳送的信總線一次同時傳送的信息位數或所需的線數。息位數或所需的線數。例如，例如，ISA總線的數據總總線的數據總線位寬是線位寬是16位，地址總位，地址總線的位寬是線的位寬是24位。位。 控制總線中的時鐘信號線所控制總線中的時鐘信號線所提供的時鐘頻率。如提供的時鐘頻率。如ISA和和EISA總線為總線為8MHz，PCI總總線為線為33.3 MHz。 34/38計算機組成技術計算機組成技術5. 4 總線的性能指標總線的性能指標n總線的位寬總線的位寬n總線的工作時鐘頻率總線的工作時鐘頻率 n總線的負載能力總線的負載能力 n總線的數據傳輸速率總線的數據傳輸速率 總線上所能連接部件的最總線上所能連接部件的最大個數。例如，大個數。例如，ISA總線總線的負載能力是的負載能力是8，PCI總線總線的負載能力是的負載能力是3。總線在一秒鐘內所能穩定總線在一秒鐘內所能穩定傳輸