计算机组成原理 The Principle of Computer主讲主讲 陈付龙陈付龙 西北工业大学计算机学院（2007年5月） 1第第7 7章章 总线技术总线技术7.1总线概述7.2总线的组成与结构7.3总线的设计与实现7.4总线与计算机系统7.5常用总线举例2西北工业大学计算机学院基本概念：1.模块：实现具有某个（某些）特定功能的插件电路板，也叫 功能部件、插件、插卡。如CPU模块、存储器模块、NIC、显 示适配器、声卡等。2.总线：构成计算机系统的互连机构，是多个模块之间总线是 构成计算机系统的互连机构，是多个模块之间进行数据传送的 共享的公共通路7.1总线概述7.1.1采用总线实现互联的优势7.1.2总线的分类7.1.3总线标准7.1.4总线的性能3西北工业大学计算机学院7.1.1采用总线实现互联的优势1.减少各个部件之间的连线数量，降低成本全互联方式 线路数=n(n-1)/2总线方式 线路数=1条总线，n条支线4西北工业大学计算机学院7.1.1采用总线实现互联的优势 2.为了方便系统的构建、扩充系统性能和便于产品更新换代全互联方式总线方式新模块5西北工业大学计算机学院7.1.2 总线的分类1.按总线所承担的任务v内部总线：实现主机系统内部各功能模块之间的互联v外部总线：实现主机系统与外部设备或其它主机系统的互联v设备总线：连接主机系统与外部设备 2.按总线所处的物理位置v芯片内总线：实现芯片内部模块之间的连接，如CPU内部的总 线v模块（板）内总线：实现模块上各集成电路芯片之间的互联 v模块（板）间总线：实现各功能模块（CPU，主存，I/O接口卡 ）之间的互联，又叫系统总线v外部总线：计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通 信总线6西北工业大学计算机学院7.1.2 总线的分类3.按总线传送的信息类型：v地址总线ABv数据总线DBv控制总线CB4.按总线一次传送的数据的位数：v串行总线：一次仅传送一位，仅需设置一根数据线v并行总线：一次仅传送多位，需设置多根数据线5.按总线操作的定时方式：v同步总线v异步总线7西北工业大学计算机学院7.1.3 总线标准 标准：描述了设备设计、生产和使用时应遵循的一系列规范。（1）逻辑规范：引脚信号的功能描述，包括信号的含义、信号 的传送方向（发送、接收或双向）、有效信号所采用的电平特 性（高/低电平，正/负脉冲）及是否有三态能力等。（2）时序规范：描述各信号有效/无效的发生时间以及不同信号 之间相互配合的时间关系。（3）电器规范：各信号所采用的电平标准（电压）和负载能力 （驱动能力）。（4）机械规范：插槽/插头或插板的结构、形状、大小方面的物 理尺寸、接插件的机械强度；总线信号的布局、引脚信号的长 度、宽度及间距等。（5）通信协议：定义数据通过总线传输时采用的连接方法、数 据格式、发送速度等。8西北工业大学计算机学院7.1.3 总线标准标准的制定：1.标准化组织国际标准 ISO（International Standard Organization） IEEE（Institute for Electrical and Electronic Engineers） ANSI（American National Standards Institute）2.设备制造商事实标准9西北工业大学计算机学院7.1.4总线的性能1.总线的带宽：单位时间内传输的最大数据量（单位：MB/s）2.总线宽度：一个总线所设置的通信线路（线缆）的数目，即用 于传送数据的信号线数目（单位：bit）3.总线的时钟频率4.总线的负载能力：限制在总线上可以连接的模块数量10西北工业大学计算机学院7.2总线的组织与结构7.2.1总线的组成7.2.2总线的结构11西北工业大学计算机学院7.2.1总线的组成 组成： 信号线：DB，AB，CB 总线控制器CPUM1MnI/O1I/OnABDB12西北工业大学计算机学院7.2.1总线的组成1.数据总线：传送数据（1）双向传输（2）数据线的数目一般与计算机字长相同（3）采用具有三态能力的电路一般门与其它电路的连接,无非是两种状态,1或者0,三态门除了有 这两种状态以外还有一个高阻态,就是高阻抗.相当于该门和它连 接的电路处于断开的状态。主要是用于总线的连接。C=1，Y=A C=0，Y高阻AYCC AY13西北工业大学计算机学院7. 2.1总线的组成2.地址总线：传送地址（1）单向传输（2）地址线的数目决定寻址能力的大小MEMI/OCPUCSCS片选接口寄存器MARMDRMARMDR地址14西北工业大学计算机学院7. 2.1总线的组成 3.控制总线：传送控制信号和接收状态信号（1）单向传输（2）控制线的类型和数目取决于总线类型 存储器写信号：将DB上的数据写到指定的存储单元中 存储器读信号：将从指定的存储单元中读出的数据放到DB上 I/O写信号：将DB上的数据写到指定的I/O接口数据寄存器中 I/O读信号：将从指定的I/O接口数据寄存器中读出的数据放到DB上 传输应答信号（ACK）：指示数据已被接收或已放到DB上 总线请求信号：指示一个模块需要获得总线的控制权 总线授予信号：指示请求总线的模块已经获得了总线控制权 中断请求信号：指示在在请求一个中断 中断应答信号：指示先前请求的中断已经被响应 时钟信号：用于使使用总线的各模块上的操作实现时间上的同步 复位信号：使总线上的各模块初始化15西北工业大学计算机学院7. 2.1总线的组成针对总线的所有操作必须遵循总线的使用规则：获得总线通过总线传送数据释放总线发送方获得总线通过总线接收数据释放总线接收方总线控制器16西北工业大学计算机学院7. 2.1总线的组成4.总线控制器：控制和分配总线的使用（1）总线系统的资源分配与管理。负责向使用总线的模块分配 中断向量号、DMA通道号以及I/O端口地址等资源（2）提供总线定时信号脉冲（3）负责总线使用权的仲裁（4）负责实现不同总线协议的转换和不同总线之间传输数据的 缓冲17西北工业大学计算机学院7. 2.1总线的组成5.总线上的设备（1）按逻辑功能分类： 主设备：总线操作发起者，负责总线控制 从设备：被操作对象，不能引发总线操作（2）按在信息交换中的地位 总线源设备：发送数据的设备 总线目的设备：接收数据的设备18西北工业大学计算机学院7.2.2总线的结构BUS19西北工业大学计算机学院7.3 总线的设计与实现20西北工业大学计算机学院7.3.1总线的设计要素信号线类 型专用信号线总线宽 度地址线宽度 复用信号线数据线宽度 总线仲裁 的方法集中仲裁数据传输 类型读 分布仲裁写 读-修改-写总线定时 方法同步 写后读异步块传输21西北工业大学计算机学院7.3.1总线的设计要素1.信号线的类型专用信号总线：只实现一个规定功能或专用于一类特定计算机系统组件复用信号总线：在一根信号线上定义多种意义的信号或用于多个（类）总线设备【例如】地址/数据线分时复用地址有效信号线地址/数据分时 复用信号线时间 总线周期总线时段总线时段优点：信号线少，成本低； 缺点：总线时序复杂，性能低22西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素2.总线仲裁的方法总线仲裁：根据连接到总线上的各模块所承担的任务的轻重缓 急，预先或动态赋予它们不同的使用总线的优先级，以便在多 个模块同时请求使用总线时，总线仲裁电路选出当前优先级最 高的赋予其总线控制权。23西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素（1）集中仲裁：一个仲裁电路优点：系统模块化程度高，电路设计简单；缺点：系统可靠性差（2）分布仲裁：无专门仲裁电路，靠发请求的设备共同决定控制权集中式 总线 仲裁器总线设备1设备2设备n总线请求线n总线应 答线2总线请 求线2总线应答线n总线请 求线1总线应 答线1集中式并行总线仲裁24西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素（3）并行仲裁：设备与总线仲裁电路之间均有独立的请求线和允许线优点：速度快，优先级设置灵活；缺点：线路多，电路复杂，可靠性低（4）串行仲裁：设备共用一条请求线和一条允许线总线 仲裁器总线设备1设备2设备n总线请求线串行总线仲裁总线忙信号线25西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素（5）固定优先级：不可动态改变优先级（6）动态优先级：可动态改变优先级26西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素 3.总线定时方法（1）同步定时：总线上所有事件的发生都要由一个时钟脉冲序 列控制来定时，优点是电路简单，缺点是 操作定时不灵活 T1T2T3状态信号地址信号输入的有效数据输出的有效数据总线时段时钟信号线状态信号线地址信号线地址有效 信号线数据线读信号线数据线写信号线读周期写周期时间触发27西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素把主存单元的地址放到地址总线上， 把某些状态信息发送到状态信号上处理机通过地址有效信号线发出地址有效信号主存对地址总线上的地址进行译码通过读信号线发出读有效信号读出相应单元数据并放到数据总线上 获取数据总线上的数据撤消状态信号，地址信号和读信号撤消数据信号同步定时方式下总线读操作28西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素把主存单元的地址放到地址总线上， 把某些状态信息发送到状态信号上处理机通过地址有效信号线发出地址有效信号主存对地址总线上的地址进行译码通过写信号线发出写有效信号撤消状态信号，地址信号， 数据信号和写信号从数据总线上复制数据到目标单元中同步定时方式下总线写操作将数据信号放到数据总线上29西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素（2）异步定时：总线上一个事件的动作发生与否，依赖于前一 个事件动作的执行情况异步 方式 下的 读 总线 周期状态信号线 地址信号线 读信号线数据线 应答信号线异步 方式 下的 写 总线 周期状态信号线 地址信号线 写信号线数据线 应答信号线状态信号状态信号地址信号地址信号有效数据有效数据事件触发30西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素把主存单元的地址放到地址总线上， 把某些状态信息发送到状态信号上处理机主存对地址总线上的地址进行译码通过读信号线发出读有效信号读出相应单元数据并放到数据总线上获取数据总线上的数据撤消状态信号，地址信号和读信号通过应答信号线发送应答信号异步定时方式下总线读操作撤消应答信号和数据信号31西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素把主存单元的地址放到地址总线上， 把某些状态信息发送到状态信号上 把数据信号发送到数据总线上处理机主存对地址总线上的地址进行译码通过写信号线发出写有效信号复制数据总线上的数据到相应单元撤消读信号通过应答信号线发送应答信号异步定时方式下总线写操作撤消应答信号 撤消状态信号，地址信号，数据信号32西北工业大学计算机学院7. 3.1总线的设计要素4.总线宽度数据总线的宽度：决定计算机总线的性能地址总线的宽度：决定系统的寻址能力33西北工业大学计算机学院延迟7. 3.1总线的设计要素5.数据传输类型地址信息（第一总线时段） 数据信息（第二总线时段）时间 地址/数据总线分时 复用总线上的写操作地址信息数据信息地址/数据总线分时 复用总线上的读操作延迟地址信息写数据读-修改-写操作读数据延迟地址信息读数据写后读操作写数据地址信息数据信息数据块传输操作数据信息地址信息数据信息非复用总线上的写操作地址信息数据信息非复用总线上的读操作34西北工业大学计算机学院7.3.2总线的实现1.采用集电极开路与非门（OC）电路实现总线S1X1S2X2+5VF=S1X1 S2X2选通信号Si起着选择器的作用，在某个时刻，只有一个Si=1 S1=1（表示OC门1被选中，可以向总线发送信息，F=X1； S2=1（表示OC门2被选中，可以向总线发送信息，F=X2；35西北工业大学计算机学院7. 3.2总线的实现2.采用三态门电路实现总线EN 1Y11 E