39第六章总线(含练习题)

第六章总线主要内容：•总线概述—总线的基本概念、分类、特性与性能指标•总线结构—单总线结构与多总线结构•总线控制—判优控制(集中仲裁方式、分布仲裁方式)和通信控制(同步通信和异步通信)•总线标准。史岚6.1总线概述6.1.1总线的基本概念一、分散连接还是总线连接•分散连接—各部件两两之间使用单独的连线，见下面两个框图：•总线连接—各部件连到一组公共信息传输线上。第六章总线运算器控制器存储器输入设备输出设备典型的冯·诺依曼计算机结构图：以运算器为中心---非总线连接6.1总线概述控制器主存输出设备输入设备运算器辅存指令数据I/O数据数据数据计算机硬件组成框图：以主存储器为中心---非总线连接6.1总线概述二、总线的概念(定义)•比较以下两个定义的说法：1.总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。2.总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。•总线的重要作用。6.1总线概述史岚6.1.2总线的分类一、按数据传送方式分•并行传输总线、串行传输总线二、按并行总线传输的数据宽度分8位总线、16位总线、32位总线、64位总线……三、按总线连接的部件不同分(重要了解的分类)•片内总线、系统总线、通信总线--6.1总线概述1.片内总线芯片内部如CPU内用于连接R-R、R-ALU……2.系统总线•指CPU、主存、I/O设备(确切说是I/O接口)各大部件之间的信息传输线。•系统总线又按其上传输信息的不同分成三类：数据总线、地址总线、控制总线--6.1总线概述①数据总线•用来传输各功能部件之间的数据信息；•双向；•位数称为数据总线宽度。②地址总线•用来指出CPU要访问的存储单元或I/O端口的地址；•单向；•位数与存储单元个数有关。6.1总线概述③控制总线•用来发出(传出)各种控制信号；•就任一控制信号而言，传输是单向的；•对于控制总线总体而言，可看作双向的；•故，从CPU的角度看，控制信号既有输入，又有输出；•控制信号举例—存储器读/写、I/O读/写、总线请求、总线允许、中断请求、中断响应、复位、时钟……6.1总线概述3.通信总线•用于计算机系统之间、计算机系统与其他系统之间通信；•按传输方式分为串行通信和并行通信的总线；串行--由低位到高位，单条1位传输线；并行--多条1位传输线；•串、并行分别适用于远距离和近距离的数据传输。6.1总线概述6.1.3总线的特性与性能指标一、总线特性•总线结构的物理实现如下图所示：CPU插板主存插板I/O插板•由此可知总线特性应包括以下几项：6.1总线概述1.机械特性•总线在机械连接方式上的一些性能。2.电气特性•指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。3.功能特性•指总线中每一根传输线的功能。4.时间特性•指总线中的任一条传输线什么时间有效(一般采用信号时序图来表示)。6.1总线概述例题：选择一个正确答案—数据总线的宽度由总线的()特性决定。A.物理特性；B.功能特性；C.电气特性；D.时间特性。B6.1总线概述史岚二、总线的性能指标1.总线宽度•通常指数据总线的条数；•单位是bit。2.总线带宽•总线本身能达到的数据传输率，即单位时间内总线上传输数据的位数；•单位是MB/s。•带宽计算的一个例题：6.1总线概述教材P.213/185【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时钟周期，总线时钟频率是33MHz，总线带宽是多少？解答：用Dr表示总线带宽；总线时钟周期为T=1/f；一个总线周期传送的数据量表示为D；依据定义有：Dr=D/T=D×f=4B×33×106/s=132MB/s(若一个总线周期由4个T构成，总线带宽是多少？)6.1总线概述3.时钟同步/异步•总线上的数据传输与时钟同步的称为同步总线；否则为异步总线。4.总线复用•一条信号线上分时传送两种信号(提高总线利用率)。5.信号线数•地址线、数据线、控制线三种总线数的总和。6.总线控制方式•仲裁方式、是否支持突发工作…等。7.其他指标(负载能力、电源电压…)6.1总线概述6.2总线结构•一般分为单总线结构和多总线结构；•单机系统中常分为单总线、双总线和三总线三种结构。6.2.1单总线结构•将CPU、主存和I/O设备(通过I/O接口)都挂接到一组总线上，称为单总线结构。•单总线结构框图如下：第六章总线史岚单总线结构框图CPU主存I/O接口I/O接口I/O接口I/O设备1I/O设备2I/O设备n单总线(系统总线)……6.2总线结构•单总线结构的特点：1.结构简单、易于扩充；2.允许部件之间直接交换信息；3.共享传输介质极易形成系统瓶颈—某时刻只允许一对部件之间传送信息；4.适用于小型微型计算机系统。6.2总线结构6.2.2双总线结构双总线指系统总线和存储总线；•在上述单总线结构的基础上，在CPU和主存之间专门设置一组高速的存储总线；•保留了单总线结构简单、易于扩充的优点，又减轻了系统总线的负担；•结构框图如下：6.2总线结构双总线结构框图(以存储器为中心)CPU主存I/O接口I/O接口I/O接口I/O设备1I/O设备2I/O设备n系统总线存储总线……6.2总线结构史岚6.2.3三总线结构指系统总线、存储总线和I/O总线--•在双总线结构的基础上增加了I/O总线；•I/O总线专门用于多个外设与通道之间进行数据传送；•关于通道--一台专用处理器(IOP)；•存储总线的作用同双总线的情况；•其中系统总线在CPU、主存和I/O通道之间进行数据传送；•结构框图如下：6.2总线结构三总线结构框图CPU主存I/O接口IOP(通道)I/O接口I/O设备1I/O设备n系统总线存储总线……I/O总线多用于大、中型计算机系统；系统吞吐能力强；以硬件为代价。可发展为多总线结构。6.2总线结构6.3总线控制•解决总线结构必须面对的两个问题—一是总线争用时的仲裁；二是通信的双方如何在时间上协调。•具体完成这些任务的是总线控制器。6.3.1总线判优控制一、主设备和从设备的概念•按总线上所连接的设备对总线有无控制功能分—•主设备(主方、主模块)：第六章总线对总线有控制权，可以启动一个总线周期(即启动总线上的信息传送)；•从设备(从方、从模块)：只能响应主设备发来的总线命令，对总线没有控制权；•主设备和从设备的例子。二、总线判优（仲裁）•多个主设备同时要使用总线时，按优先顺序确定由哪一个主设备使用总线；•判优控制分为集中式和分布式两种；6.3总线控制•区别在于总线仲裁电路的位置—将控制逻辑集中在一处(如CPU中)为集中式仲裁；将控制逻辑分散在与总线连接的各个可能成为主设备的部件上，为分布式仲裁；•主要了解的是集中式仲裁。三、集中式总线仲裁的三种方式1.链式查询方式2.计数器定时查询方式3.独立请求方式6.3总线控制史岚1.链式查询(1)链式查询(菊花链查询)的示意图总线控制部件集中仲裁器(I/O接口0I/O接口1I/O接口n……数据线地址线BSBRBGBR：总线请求信号线BG：总线授权信号线(允许、同意)BS：总线忙信号6.3总线控制(思考：链式查询中控制线的条数--(2)链式查询中总线仲裁的过程•优先次序体现在距离集中仲裁器的远近；•具体的查询电路略(见第八章)。(3)链式查询的特点•需要很少的信号线可以完成按既定优先次序的总线仲裁；•易于扩充设备；•故障敏感；•优先级安排可能造成低级别设备总是用不上总线。6.3总线控制2.计数器定时查询(1)计数器定时查询的示意图总线控制部件集中仲裁器I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBRBR：总线请求信号线BS：总线忙信号设备地址线设备地址(((2)计数器定时查询的仲裁过程设备地址线的条数：由I/O设备数量决定。内有计数器与之对应，接口里有I/O地址判别电路(设备地址译码线路)6.3总线控制思考：计数器定时查询方式中控制线的条数--(3)计数器定时查询的特点•优先级次序较灵活--计数可以从0开始，也可从上一次计数的终点开始，还可以编程设置初值；•灵活是以增加控制线为代价的；•不像链式查询那样故障敏感。3.独立请求方式(1)示意图如下--6.3总线控制总线控制部件集中仲裁器I/O接口0I/O接口1I/O接口n…数据线地址线BSBR((BR0BGnBG1BG0…独立请求方式示意图BR1BRn…BRi、BGi：第i个设备的总线请求线和总线授权(允许)线。内有排队电路6.3总线控制思考：独立请求方式中控制线的条数--(2)独立请求方式的特点•响应速度快；•优先次序控制灵活(可以编程改变)；•控制线数量多，总线控制复杂。6.3.2总线通信控制一、总线周期的概念•完成一次总线操作的时间，分为4个阶段：申请—寻址—传数—结束。6.3总线控制1.申请分配阶段•需要使用总线的主设备提申请，仲裁机构决定下一传输周期总线使用权授予某一申请者。2.寻址阶段•被授权的主设备通过总线发出本次要访问的从设备地址及相关命令，启动该设备。6.3总线控制3.传数阶段•主、从设备经数据总线进行数据交换。4.结束阶段•主设备信息从总线撤除，让出总线使用权。二、总线通信控制的两种方式---同步和异步方式。6.3总线控制史岚1.同步通信•定义：通信双方由统一时标控制数据传送，该时标来自统一的时钟信号；•特点：每个时钟周期的任务明确；主从设备之间配合简单一致；属于强制性同步，影响总线工作效率，缺乏灵活性；•适用：线路短、部件速度接近。6.3总线控制2.异步通信•定义：没有公共的时钟标准，采用“请求-应答”方式通信；主设备发出Request信号，等待从设备反馈回来Acknowledge信号后，才开始通信。•分类：不互锁、半互锁、全互锁(略)。•特点：设计灵活，允许各模块速度不一致。6.3总线控制•适用与并行和串行传送。•关于异步串行通信的数据传输率—波特率和比特率：(1)异步串行通信的数据传输率用波特率来衡量—指单位时间内传送二进制数据的位数，单位bps，记作波特。(2)由于异步串行通信字符格式中包含若干附加位(起始位、终止位、校验位)，若只考虑有效数据位，则可用比特率衡量其数据传输率—单位时间里传送二进制有效数据的位数(bps)。6.3总线控制•波特率和比特率的两个例题--例1：在异步串行传输系统中，设每秒传输120个数据帧（一个字符由起始位至终止位构成一帧，含有效位与附加位），其字符格式规定包含1个起始位、7个数据位、1个奇校验位、1个终止位，试计算波特率。解答：•本题的1个帧含1+7+1+1=10bit；•波特率为—10×120=1200bps=1200波特6.3总线控制例2：在异步串行传输系统中，若字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个奇校验位、1个终止位，假设波特率为1200bps，求这时的比特率。解答：•比特率为—1200×（8/11）=872.73比特6.3总线控制史岚6.4总线标准6.4.1何谓总线标准•系统与各功能模块、模块和模块之间互连的标准界面；•国际公布或推荐的互连各个模块的标准，提供系统与各功能模块、模块和模块之间互连的标准界面；•该界面对其两端的模块而言都是透明的，即界面的一方只需根据总线标准的要求来完成自身一方接口功能的设计，不必考虑对方于界面的接口方式。第六章总线6.4.2标准化的好处•为计算机接口的软硬件设计提供方便。•制定总线标准使系统设计简化，便于模块生产批量化，确保性能稳定，质量可靠，便于维护，较好解决了设备与总线之间不通用、不匹配的问题。6.4总线标准6.4.3流行的总线标准一、ISA总线二、EISA总线三、VESA总线四、PCI总线五、AGP总线六、RS-232C总线七、UAB总线•具体标准内容略。6.3总线控制史岚第六章总线-练习题一、选择题1.三种集中式总线控制中，()方式对电路故障最敏感。A.链式查询；B.计数器定时查询；C.独立请求。2.三种集中式总线控制中，()方式响应最快。A.B.C.同1题。3.连接计算机与计算机之间的总线属于()总线。A.内；B.系统；C.通信。第六章总线-练习题4.计算机中使用