筆記篇：計算機組成原理第三章 系統總線

計算機組成原理第三章 系統總線

目錄

• 計算機組成原理第三章 系統總線
• • 3.1總線的基本概念
  • 3.2總線的分類
  • 3.3總線特性及性能名額
  • 3.4總線結構
  • • 3.4.1 單總線結構
    • 3.4.2 多總線結構
    • 3.4.3 總線結構舉例
  • 3.5總線控制
  • • 3.5.1 總線判優控制
    • 3.5.2 總線通信控制

3.1總線的基本概念

1. 總線的概念

   總線是連接配接多個部件的資訊傳輸線，是各部件共事的傳輸媒體。

   在某一時刻，隻允許有一個部件向總線發送資訊，而多個部件可以同時從總線上接收相同的資訊。

   總線實際上是由許多傳輸線或通路組成，每條線可一位一位地傳輸二進制代碼，一串二進制代碼可在一段時間内逐一傳輸完成。

   若幹條傳輸線可以同時傳輸若幹位二進制代碼，例如， 16條傳輸線組成的總線可同時傳輸 16 位二進制代碼。

2. 總線上資訊的傳送

   

3. 總線結構的計算機舉例

• 面向 CPU的雙總線結構框圖

  

• 單總線結構框圖

  

• 以存儲器為中心的雙總線結構框圖

  

3.2總線的分類

按練級部件的不同分類

1. 片内總線——晶片内部的總線
2. 系統總線——計算機各部件之間的資訊傳輸線

總線類型	方向	數量
資料總線	雙向	與機器字長、存儲字長有關
位址總線	單向	與存儲位址、 I/O位址有關
控制總線	有出、有入1

3.通信總線——用于 計算機系統之間 或 計算機系統與其他系統（如控制儀表、移動通信等）之間的通信

傳輸方式：串行通信總線、并行同行總線

3.3總線特性及性能名額

1. 總線的實體實作

   

2. 總線特性

特性	要求
機械特性	尺寸 形狀 管腳數 排列順序
電氣特性	傳輸方向 有效的電平範圍
功能特性	每根傳輸線的功能2
時間特性	信号的時序關系

1. 總線的性能名額

• 總線寬度——資料線的根數
• 标準傳輸率——每秒傳輸的最大位元組數（MBps）
• 時鐘同步/異步——同步、不同步
• 總線複用——位址線與資料線複用
• 信号線數——位址線、資料線和控制線的總和
• 總線控制方式——并發、自動、仲裁、邏輯、計數
• 其他名額——負載能力

1. 總線标準

   

3.4總線結構

3.4.1 單總線結構

這種結構簡單，也便于擴充，但所有的傳送都通過這組共享總線，是以極易形成計算機系統的瓶頸。

這類總線多數被小型計算機或微型計算機所采用。

3.4.2 多總線結構

1. 雙總線結構

   

   雙總線結構的特點是将速度較低的 I/O 裝置從單總線上分離出來，形成主存總線與 I/O 總線分開的結構。

   圖中通道是一個具有特殊功能的處理器， CPU 将一部分功能下放給通道，使其對 I/O裝置具有統一管理的功能，以完成外部裝置與主存儲器之間的資料傳送，其系統的吞吐能力可以相當大。

   如果将速率不同的I/O裝置進行分類，然後将它們連接配接在不同的通道上，那麼計算機系統的工作效率将會更高，由此發展成多總線結構。

   這種結構大多用于大、中型計算機系統。

2. 三總線結構

• 第一種：

  

• 第二種

  

1. 四總線結構

   

3.4.3 總線結構舉例

1. 傳統微型機總線結構

   

2. VL-BUS局部總線結構

   

3. PCI總線結構

   

4. 多層 PCI 總線結構

   

3.5總線控制

3.5.1 總線判優控制

1. 基本概念

   主裝置（子產品）

   —— 對總線有 控制權

   從裝置(子產品)

   —— 響應從主裝置發來的總線指令

   

2. 鍊式查詢方式

   

   在鍊式查詢中，離總線控制部件最近的裝置具有最高的優先級。

   這種方式的特點是：隻需很少幾根線就能按一定優先次序實作總線控制，并且很容易擴充裝置，但對電路故障很敏感，且優先級别低的裝置可能很難獲得請求。

3. 計數器定時查詢方式

   

   這種方式的特點是：計數可以從“0”開始，此時一旦裝置的優先次序被固定，裝置的優先級就按

   0,1 ，…， n 的順序降序排列，而且固定不變；

   計數也可以從上一次計數的終止點開始，也是一種循環方法，此時裝置使用總線的優先級相等；

   計數器的初始值還可由程式設定，故優先次序可以改變。

   這種方式對電路故障不如鍊式查詢方式敏感，但增加了控制線（裝置位址）數，控制也較複雜。

4. 獨立請求方式

   

這種方式的特點是：響應速度快，優先次序控制靈活（通過程式改變），但控制線數量多，總線控制更複雜。

鍊式查詢中僅用兩根線确定總線使用權屬于哪個裝置，在計數器查詢中大緻用 log2n 根線，其中 n 是允許接納的最大裝置數，而獨立請求方式需采用2n 根線。

3.5.2 總線通信控制

1. 同步式資料輸入

   

   圖中總線傳輸周期是連接配接在總線上的兩個部件完成一次完整且可靠的資訊傳輸時間，它包含 4 個時鐘周期 T1 、T2 、T3 、T4。

   CPU 在 T1上升沿發出位址資訊；在T2的上升沿發出讀指令；與位址信号相符合的輸入裝置按指令進行一系列内部操作，且必須在T3的上升沿到來之前将 CPU 所需的資料送到資料總線上；CPU 在T3時鐘周期内，将資料線上的資訊送到其内部寄存器中；CPU 在 T4 的上升沿撤銷讀指令，輸入裝置不再向資料總線上傳送資料，撤銷它對資料總線的驅動。如果總線采用三态驅動電路，則從T4起，資料總線呈浮空狀态。

2. 同步式資料輸出

   

3. 異步通信

   

4. 半同步通信（同步、異步結合）

   

   以輸入資料為例的半同步通信時序

   

   

   上述三種通信的共同點

一個總線傳輸周期（以輸入資料為例）

5. 分離式通信

充分挖掘系統總線每個瞬間的潛力

一個總線傳輸周期内

分離式通信特點

1. 各子產品有權申請占用總線
2. 采用同步方式通信，不等對方回答
3. 各子產品準備資料時，不占用總線
4. 總線被占用時，無空閑

充分提高了總線的有效占用

1. 中斷請求、總線請求——控制總線入

   存儲器讀、存儲器寫、總線允許、中斷确認——控制總線出 ↩︎

2. 位址、資料、控制 ↩︎