计算机组成原理-系统总线

第9章系统总线基本知识点：总线的基本概念；总线的分类；总线的组成及性能指标；总线的结构；总线的裁决（仲裁）方式，包括三种集中裁决方式；总线通信控制，包括同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。重点：总线的组成及性能指标；总线的裁决方式；总线通信控制。难点：总线的裁决方式；总线通信控制。9.1知识点1：总线概述9.1.1要点归纳1.总线的基本概念计算机系统的5大部件之间的互连方式有两种，一种是各部件之间使用单独的连线，称为分散连接；另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，称为总线连接，总线是一组能为多个部件传送信息的线路，总线具有以下特点。☆信息传输：总线实际上是由许多传输线或通路组成的，每条线可一位一位地传输二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一传输完成。若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码。☆共享：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。☆分时：在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。机器总线由总线控制器管理，总线控制器的主要功能有总线系统的资源管理、总线系统的定时及总线的仲裁和连接。2.总线的分类总线按连接部件划分如下。☆片内总线。指芯片内部的总线，如在CPU芯片内部，寄存器与寄存器之间、寄存器与逻辑部件之间互连的总线。☆系统总线。指CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线。按系统总线传输信息的不同，又分为数据总线、地址总线和控制总线三大类。☆数据总线：用于传输各部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数称为数据总线宽度，与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位或32位。☆地址总线：用于指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址，也就是说地址总线上的代码用来指明CPU欲访问的存储单元或I/O端口的地址，由CPU输出，单向传输。地址总线的位数与存储单元的个数有关，如地址线为20根，则对应的存储单元个数为220个。☆控制总线：用于发出各种控制信号，通常对任一控制线而言，它的传输是单向的，如存储器读/写命令都是由CPU发出的，但对控制总线总体而言，又可认为是双向的，如当某设备准备就绪时，便可通过控制总线向CPU发送中断请求。常用的控制信号有：时钟、复位、总线请求、总线允许、中断请求、中断响应、主存读/写、I/O读写和传输响应等。☆通信总线。用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。通信总线按数据传输方式可分为串行通信和并行通信。☆串行通信：指数据在单条1位宽的传输线上，一位一位地按顺序分时传送，如1字节数据在串行传送中要通过一条传输线分8次由低位到高位按顺序逐位传送。☆并行通信：指数据在多条并行1位宽的传输线上，同时由源地址传送到目的地址，如1字节的数据在并行传送中要通过8条并行传输线同时由源地址传送到目的地址。只有数据总线是双向传输的，地址总线和控制总线是单向传输的，都是从CPU发出的。3.总线的性能指标总线的性能指标如下。☆总线宽度：是指数据总线的根数，用bit（位）表示，如8位（8根）、16位（16根）、32位（32根）、64位（64根）等。☆总线带宽：可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可用MB/s（兆字节每秒）表示。总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)，如总线工作频率为33MHz，总线宽度为16位，则总线带宽=33×(16÷8)=66MB/s。☆总线工作频率：总线上各种操作的频率，等于总线周期的倒数，即总线工作频率=1/总线周期。实际上是指一秒钟内传输几次数据。☆总线周期（总线传输周期）：是指一次总线操作所需的时间（包括申请阶段、寻址阶段、传送阶段和结束阶段）。总线周期通常由若干个总线时钟周期构成。而总线时钟周期就是机器的时钟周期。☆总线时钟频率：指机器的时钟频率，总线时钟频率=1/总线时钟周期。☆时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线。☆总线复用：一条信号线上分时传送两种信号称为总线复用。例如，在一组物理线路上可分时传输地址信号和数据信号。☆信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和称为信号线数。☆总线控制方式：总线控制方式有突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式和计数方式等。【例9.1】设某系统总线在一个总线周期中并行传送6字节信息，总线时钟频率为20MHz，一个总线周期占用2个时钟周期，求该总线带宽。解：总线时钟频率为20MHz，一个总线周期占用2个时钟周期，所以总线工作频率=20MHz/2=10MHz，总线的宽度=6×8位，所以总线带宽=总线工作频率×(总线宽度/8)=10MHz×6B=60MB/s。4.总线的信息传输方式1）串行传输方式信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送，即数据0或1按位顺序传送（以脉冲信号“有或无”的形式传送），每拍（次）传一位。其特点是线路成本低，传送速度慢。适用场合：主机与低速外设间的传送、远距离通信总线的数据传送、系统之间的数据传送。串行传输信息的速率通常用波特率和比特率来表示。☆波特率：每秒钟传送的数据位数。☆比特率：每秒钟传送的有效数据位数。【例9.2】利用串行方式传送字符，假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个数据位（起始位、停止位、8个数据位），问传送的波特率是多少？每个数据位占用的时间是多少？比特率又是多少？解：波特率=10位×120/秒=1200。每个数据位占用的时间Td是波特率的倒数，所以Td=1/1200=0.833×10-3s=0.833ms。每个字符对应的10个数据位中只有8个有效数据位，所以比特率=8位×120/秒=960。2）并行传输方式利用并行方式传输二进制信息时，每位数据都需要单独一条传输线，从而使得多位二进制数码在同一时刻同时进行传送。并行传输一般采用电位传送。由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。特点是线路成本高，传送速度快。适用场合：短距离的高速数据传输。3）复合传输方式在不同的时间间隔中，总线可以分别完成传送地址和传送数据的任务，或者当多部件共享总线时，各部件根据控制命令，分时使用总线来完成自己的数据传送任务。也就是说，复合传输方式有两个概念：☆数据和地址信息分时享用总线，即总线复用方式。☆共享总线的部件分时使用总线，即总线分时方式。复合传输方式的优缺点如下。☆优点：可提高总线的利用率，减少总线的信号线数量，从而降低总线的成本。☆缺点：会影响总线操作的速度。猝发传输是指在一次传输地址后，利用连续多个数据时间依次传输多个数据的方式。一次猝发式传输总线周期通常由一个地址周期和一个或几个数据周期组成，也称为并发传输或成组传输方式。5.总线标准所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。这个界面两端的任一方只须根据总线标准的要求完成自身接口的功能要求，而无须了解对方接口与总线的连接要求。因此，按总线标准设计的接口可视为通用接口。制定总线标准的目的是便于灵活组成系统。常用的总线标准如下。1）ISA总线ISA（IndustryStandardArchitecture，工业标准体系结构），又称AT总线。采用24位地址线（可直接寻址的内存容量为16MB），没有支持仲裁的硬件逻辑，不能支持多台主设备系统。ISA属系统总线标准。2）EISA总线EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，扩展工业标准体系结构是一种在ISA基础上扩充开放的总线标准。支持多个总线主控器和突发方式（总线上可进行成块的数据传输）的传输。地址总线为32位，数据总线为32位，属于系统总线标准。3）VESA（VL-BUS）总线VESA总线是由VESA（VideoElectronicStandardAssociation，视频电子标准协会）提出来的局部总线标准，也称为VL-BUS总线。所谓局部总线，是指在系统外为两个以上设备提供的高速传输信息通道，VESA配有局部控制器，将高速设备直接挂在CPU的总线上，实现CPU与高速外设之间的高速数据交换。数据总线为32位，属于系统总线标准。4）PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect），即外部设备互连总线，它提供32/64位数据总线，总线时钟频率为33MHz。与ISA、EISA均可兼容，支持即插即用、多层结构，提供数据和地址奇偶校验功能。采用同步时序协议和集中式仲裁方式，属于系统总线标准。PCIExpress总线是一种完全不同于过去PCI总线的一种全新总线规范，与PCI总线共享并行架构相比，PCIExpress总线是一种点对点串行连接的设备连接方式，点对点意味着每一个PCIExpress设备都拥有自己独立的数据连接，各个设备之间并发的数据传输互不影响，而对于过去PCI那种共享总线方式，PCI总线上只能有一个设备进行通信，一旦PCI总线上挂接的设备增多，每个设备的实际传输速率就会下降，性能得不到保证。现在，PCIExpress以点对点的方式处理通信，每个设备在要求传输数据的时候各自建立自己的传输通道，对于其他设备而言这个通道是封闭的，这样的操作保证了通道的专有性，从而避免其他设备的干扰。5）AGP总线AGP（AcceleratedGraphicsPort，加速图形接口）是专为提高视频带宽而设计的总线规范。它采用点对点连接，连接控制芯片组和AGP显示卡，因此严格来说AGP不能称为总线，而是一种接口标准。AGP属于设备总线标准。6）RS-232C总线RS-232C（RecommendedStandard，232为标识号，C表示修改次数）是由美国电子工业协会EIA提出的一种串行通信总线标准，它是应用于串行二进制交换的数据终端设备和数据通信设备之间的标准接口。RS-232C属于设备总线标准。7）SCSI总线SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口）总线主要用于光驱、音频设备、扫描仪、打印机以及像硬盘驱动器这样的大容量存储设备等的连接，是一种直接连接外设的并行I/O总线，属于设备总线标准。8）USB总线USB（UniversalSerialBus——通用串行总线）是一种连接外围设备的I/O总线，属于设备总线标准。USB由Intel公司提出，带宽为12Mbps，与传统接口总线相比，主要优点有三个：①具有即插即用功能（USB提供机箱外的即插即用连接，连接外设时不必再打开机箱，也不必关闭主机电源）；②USB采用“级联”方式连接各个外部设备（每个USB设备用一个USB插头连接到前一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座，以供下一个USB外设连接，可连接多达127个外设，两个外设间的线缆长度可达5米）；③适用于低速外设连接（USB的传送速度可达12Mb/s，可与键盘、鼠标、Modem等常见外设连接，还可以与ISDN、电话系统、数字音响、打印机/扫描仪等低速外设连接）。在USB总线上，数据的传送是以帧（Frame）为单位进行的，即发送方需要按照一定的格式对要传送的数据进行组织；接收方按照同样的格式来接收和理解帧。6.总线结构从结构上看，有单总线结构、双总线结构和三总线结构等。1）单总线结构单总线结构将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂到一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与主存之间直接交换信息，如图9.1所示。单总线结构中设备的寻址采用统一编址的方法，即所有的主存单元以及I/O设备接口寄存器的地址一起构成一个统一的地址空间，因此，访内存指令与I/O指令在形式上完全相同，区别仅在于地址的数值不一样，所以省去了I/O指令，简化了指令系统。