计算机组成原理（第二版） 第2章 系统总线.ppt

第二章 系统总线 重点内容： 总线的基本概念和基本技术，主要包括总线的特性、总线性能指标、总线标准、总线连接方式、总线仲裁、总线定时， 总线数据传输模式、PCI总线。 计算机系统的主要部件（处理器、主存、I/O模块）为了交换数据和控制信号，需要进行互连，由多条线组成的共享总线是构成计算机系统的互连机构。当代系统中，通常是采用层次式总线以改善性能。 2.1 计算机系统互连结构 计算机是由一组相互之间通信的3种基本类型（CPU、存储器和I/O）的部件或模块组成的网络。因此，必须有使模块连接在一起的通路。 连接各种模块的通路的集合称为互连结构。这一结构的设计取决于模块之间所必须交换的信息。 2.1 计算机系统互连结构 2.2 总线的基本概念 总线（Bus）是连接两个或多个部件的公共通信通路。总线的关键特征是共享传输介质。当多种部件连接到总线上时，一个部件发出的信号可以被其他所有连接到总线上的部件所接收。 如果两个或两个以上的部件同时发送信息，它们的信号将会重叠，这样会导致信号冲突，传输无效。因此，在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送数据，而多个部件可以同时从总线上接受相同的数据。 2.2 总线的基本概念 一个单处理器系统中的总线，大致分为3类： ① CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线。 ② CPU同计算机系统的其他具有高速传输功能的部件，如存储器、通道等互相连接的总线称为系统总线。 ③ 中、低速I/O设备之间互相连接的总线称为I/O总线。 最常见的计算机互连结构使用一个或多个系统总线。 2.2.1 总线特性 图中CPU、MM（主存）、I/O都是部件插板，它们通过插头与水平方向总线插槽（按总线标准用印制电路板或一束电缆连接而成的多头插座）连接。 2.2.1 总线特性 为了保证机械上的可靠连接，必须规定其机械特性； 为了确保电气上正确连接，必须规定其电气特性； 为保证正确地连接不同部件，还需规定其功能特性和时间特性。 2.2.2 总线性能指标 ① 总线宽度：它是指数据总线的根数 ② 标准传输率：即在总线上每秒能传输的最大字节量，MB/s（每秒多少兆字节） ③ 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。 ④ 总线传输信息的不同：分为地址总线、数据总线和控制总线3种总线。 ⑤ 总线复用：通常地址总线与数据总线在物理上是分开的两种总线。为了提高总线的利用率，可以将地址总线和数据总线共用一组物理线 ⑥ 总线控制方式：包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。 2.2.3 总线内部结构 总线按传输信息，都可以分成3个功能组： 数据总线:系统模块间传输数据的路径 地址总线:指定数据总线上数据的来源和去向 控制总线:控制对数据地址线的访问和使用 2.2.4 总线标准 为了使系统设计简化，模块生产批量化，确保其性能稳定，质量可靠，实现可移植化，便于维护等，人们开始研究如何使总线建立标准，在总线的统一标准下，完成系统设计、模块制作。 为了获得广泛的工艺和法律支持，要求总线： ① 支持众多性能不同的模块。 ② 支持批量生产，并要质量稳定、价格低廉。 ③ 可替换、可组合。 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。 2.2.4 总线标准 目前流行的总线标准有： ① ISA（Industrial Standard Architecture） ② EISA（Extended Industrial Standard Architecture） ③ VL-BUS是由VESA（Video Electronic Standard Association，视频电子标准协会） ④ PCI（Peripheral Component Interconnect，外部设备互连总线） 2.3 总线连接方式 系统总线是计算机系统内各部件（CPU、存储器、I/O接口等）间的公共通信线路。 在现代计算机系统中，各大部件均以系统总线为基础进行互连，系统总线的结构有多种，一般可分为单总线系统与多总线系统两大类。 2.3.1 单总线 在单总线系统中，CPU、主存储器以及所有I/O设备均通过一组总线连接，结构简单，总线控制较简单，系统易于扩展 。 如果大量的设备连到总线上，性能就会下降。这主要有两个原因。 2.3.2 双总线 由于CPU工作期间要不断地取指令、取操作数、送结果，CPU与主存MM之间的信息流通量特别大，一种多总线结构是在这两个最繁忙的部件之间增设一组总线。这组总线通常被称为存储总线，它属于局部总线 。 2.3.2 双总线 在具有众多I/O设备的计算机系统中，为了进一步提高主C