计算机组成原理电子教案第7章.ppt

第七章 系统总线 7.1 总线概述 7.1.1 总线的基本概念 7.1.2 总线的特性及性能指标 7.2 总线结构 7.2.1 总线的结构类型 7.2.2 总线结构实例 7.2.3 总线接口 7.3 总线仲裁 7.3.1 集中式仲裁 7.3.2 分布式仲裁 7.4 总线操作的定时方式 7.4.1 同步定时方式 7.4.2 异步定时方式 7.5 总线标准 7.1 总线概述 7.1.1 总线的基本概念 在计算机系统中的各个功能部件之间构造信息传输线路有两种方式：专用线路方式和总线方式。 采用专用线路方式，可以并行实现多对功能部件之间的信息传送，提高信息传送的效率。但是，线路设计、接口设计以及控制过于复杂。 总线方式将多个功能部件都连接在总线上，任意两个功能部件之间的信息传送，都要通过这一套总线进行。 简言之，总线（Bus）是计算机系统中多个功能部件之间进行信息传送的公共通路。 总线方式使得多个信息传送任务只能在总线上串行进行，在信息传送效率上低于专用线路方式，但是，总线方式大大简化了功能部件之间的连接线路，各功能部件只需与总线连接，只要有与总线连接的接口即可。因此，总线方式使线路设计、接口设计以及传输控制都大为简化。此外，采用总线结构的计算机，便于进行系统功能部件的扩充和更换。 总线中包含有地址信号线、控制信号线和数据信号线三类信号线；各类信号线的数量，与总线的信息传送方式和传送的信息位数有关。此外，总线中还有为各种部件提供电源支持的电源线和接地线。 按总线的作用范围和连接对象的不同，总线可分为片内总线、系统总线和通信总线三类。 片内总线（也称内部总线）是指某些结构比较复杂的芯片内部的总线，用于连接芯片内部的各个部件。 系统总线是指连接主要的计算机部件（处理器，主存，I/O设备接口）的总线。系统总线中，用于传送数据信息、地址信息和控制与状态信息的信号线，被分别称为数据总线、地址总线和控制总线。 通信总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如智能仪器仪表、移动通信系统等）之间的通信。通信方式有串行通信与并行通信两种。 7.1.2 总线的特性及性能指标 总线有以下4个方面的特性： 1．机械特性 机械特性是指总线在机械连接上的特性。 2．功能特性 功能特性是指总线中每根信号线的功能描述。 3．电气特性 电气特性描述总线上每根信号线的信息传输方向、有效电平及电平范围。 4．时间特性 时间特性体现总线上各信号的时序关系。由定时方式（如同步定时方式和异步定时方式等）决定。 总线的主要性能指标有： 1．总线宽度 总线宽度通常是指数据总线一次所能传输的最大数据位数，即数据总线所包含的信号线条数。总线宽度用位（bit）数表示。 2．总线时钟频率 总线时钟是总线上各种信号定时的基础，总线时钟频率是影响总线传输速率的重要因素之一。 3．总线带宽 总线带宽定义为单位时间内总线上所能传输的最大信息量，单位是MB/s（兆字节/秒）。 4．负载能力 总线的负载能力一般用总线上所能连接的扩充电路插件板（即接口电路插件板）的数量来表示。 7.2 总线结构 7.2.1 总线的结构类型 1．单总线结构 计算机系统中只有一套系统总线，系统中的各种功能部件，如CPU、主存、I/O设备接口等，都连接在这一套总线上。这种总线结构称为单总线结构，如下图所示。 单总线结构简单，易于控制，也便于系统的扩展。但系统中每次只能有一个部件有权使用总线进行数据传送，且总线时钟频率通常较低，阻碍了整个计算机系统工作效率的提高。 2．多总线结构 将系统总线分为两个甚至多个层次，系统中的各种部件根据工作速度的不同，分别连接在不同层次的总线上，各个层次的总线之间再通过总线接口相互连接起来，就形成了多总线结构，如下图所示。 按传输速率由高到低，总线分成了局部总线、系统总线、高速总线和扩充总线四个层次；工作速度越快的部件离CPU和主存越近，数据传输过程的延时越少。 高速总线与局部总线和系统总线之间的“桥”，以及扩充总线与高速总线之间的扩充总线接口，是用来将不同层次的总线相互连接的逻辑电路，其具有缓冲、转换控制等功能。有了桥或总线接口，各层总线就可以有不同的组成和传输速率，且某一层结构的改变不影响其他层的结构。 由于主存移到了系统总线上，因此，I/O设备与主存通过系统总线进行数据传送，不会影响CPU通过局部总线对cache的访问。也就是说，这两种操作可以并行进行。 7.2.2 总线结构实例 Pentium计算机主板上采用了三层总线结构，即CPU总线、PCI总线和ISA总线，是典型的多总线结构系统。下图所示，为