计算机组成原理第六章课件白中英版.ppt

1、计算机组成原理任课教师：石磊郑州大学信息工程学院计算机系Email:Tel:13676986863第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器第三章第三章 存储系统存储系统第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统第九章第九章 并行组织并行组织目录n教材n白中英，计算机组成原理白中英，计算机组成原理网络版，科学出版网络版，科学出版社，社，20022002n参考书n石磊，计算机组成原理石磊，计算机组成原理第第2 2版版,清华大

2、学出清华大学出版社，版社，20062006n钱晓捷，微型计算机原理及应用钱晓捷，微型计算机原理及应用,清华大学出清华大学出版社，版社，20062006n王爱英王爱英,计算机组成与结构计算机组成与结构第第3 3版版,清华大学清华大学出版社，出版社，20012001n白中英白中英 邝坚，计算机组织与结构邝坚，计算机组织与结构网络版，网络版，科学出版社，科学出版社，20032003计算机组成原理计算机组成原理第6章 总线系统6.1 6.1 总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态6.2 6.2 总线接口总线接口6.3 6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式总线的仲裁、定时和数据传送模式 6 6.4.

3、4 PCIPCI总线总线6.5 ISA6.5 ISA总线和总线和Futurebus+Futurebus+总线总线6.1总线的概念和结构形态 总线是构成计算机系统的总线是构成计算机系统的互连机构互连机构，是多，是多个系统功能部件之间进行数据传送的个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路公共通路 单处理器系统的总线，大致分为三类：单处理器系统的总线，大致分为三类：内部总线内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件内部连接各寄存器及运算部件之间的总线之间的总线系统总线系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线部件，如存储器、通道等互相连接

4、的总线I/O总线总线：中低速：中低速I/O设备间互相连接的总线设备间互相连接的总线计算机组成原理计算机组成原理6总线类型(层次结构)l芯片总线（芯片总线（Chip BusChip Bus）芯片级互连，大规模集成电路芯片内部或之间连接的总线芯片级互连，大规模集成电路芯片内部或之间连接的总线局部总线（局部总线（Local BusLocal Bus），微处理器的引脚信号），微处理器的引脚信号片内总线，大规模集成电路芯片内部连接片内总线，大规模集成电路芯片内部连接l内总线（内总线（Internal BusInternal Bus）模板级互连，主机内部功能单元（模板）间连接的总线模板级互连，主机内部功能

5、单元（模板）间连接的总线板级总线、母板总线，或系统总线板级总线、母板总线，或系统总线系统总线（系统总线（System BusSystem Bus）是微机系统的主要总线）是微机系统的主要总线内部总线从一条变为多条，形成多总线结构内部总线从一条变为多条，形成多总线结构l外总线（外总线（External BusExternal Bus）设备级互连，微机与其外设或微机之间连接的总线设备级互连，微机与其外设或微机之间连接的总线过去，指通信总线过去，指通信总线现在，常延伸为外设总线现在，常延伸为外设总线演示演示总线特性总线特性 物物理理特特性性：物物理理连连接接方方式式，包包括括总总线线的的根根数数、排列

6、方式，总线的插头、插座的形状等排列方式，总线的插头、插座的形状等功能特性功能特性：描述总线中每一根线的功能：描述总线中每一根线的功能电电气气特特性性：定定义义每每一一根根线线上上信信号号的的传传递递方方向向及及有有效效电电平平范范围围。送送入入CPU的的信信号号叫叫输输入入信信号号(IN)，从，从CPU发出的信号叫输出信号发出的信号叫输出信号(OUT)时时间间特特性性:定定义义了了每每根根线线在在什什么么时时间间有有效效，即即总线上各信号有效的时序关系总线上各信号有效的时序关系为了方便各个功能部件的连接，为了方便各个功能部件的连接，广泛应用的总线都实现了标准化广泛应用的总线都实现了标准化计算机

7、组成原理计算机组成原理8总线带宽l总线带宽总线传输速率吞吐率总线带宽总线传输速率吞吐率单位时间传输的数据量单位时间传输的数据量每秒兆字节（每秒兆字节（MB/SMB/S）或每秒位（）或每秒位（bpsbps）总线带宽传输的数据量总线带宽传输的数据量需要的时间需要的时间举例l5MHz5MHz的的80868086微处理器微处理器1616（40.21040.210-6-6）bpsbps201020106 6 bps bps2.5 MB/S2.5 MB/Sl66MHz66MHz的的PentiumPentium，基本非流水线总线周期，基本非流水线总线周期642661064266106 6 bps bps26

8、4 MB/S264 MB/Sl66MHz66MHz的的PentiumPentium，2-1-1-12-1-1-1猝发读周期猝发读周期325661032566106 6 B/S B/S422.4 MB/S422.4 MB/S【例例1 1】(1)(1)某某总总线线在在一一个个总总线线周周期期中中并并行行传传送送4 4个个字字节节的的数数据据，假假设设一一个个总总线线周周期期等等于于一一个个总总线线时时钟钟周周期期，总线时钟频率为总线时钟频率为33MHz33MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?(2)(2)如如果果一一个个总总线线周周期期中中并并行行传传送送6464位位数数据据，总总线线时时钟

9、钟频率升为频率升为66MHz66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?解解：(1)设设总总线线带带宽宽用用Dr表表示示，总总线线时时钟钟周周期期用用T=1/f表表示示，一一个个总总线线周周期期传传送送的的数数据据量量用用D表表示示，根据定义可得根据定义可得:Dr=D/T=D1/T=Df=4B331000000/s=132MB/s (2)64位位=8BDr=Df=8B661000000/s=528MB/s 此处：此处：1MB106B1.1.单总线结构单总线结构在在单单处处理理器器的的计计算算机机中中，使使用用一一条条单单一一的的系系统统总总线线来连接来连接CPUCPU、主存和、主存和I/O

10、I/O设备，叫做单总线结构。设备，叫做单总线结构。要要求求连连接接到到总总线线上上的的逻逻辑辑部部件件必必须须高高速速运运行行，以以便便在在某某些些设设备备需需要要使使用用总总线线时时能能迅迅速速获获得得总总线线控控制制权权；当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。CPU主存主存设备设备接口接口设备设备接口接口 单总线结构单总线结构系统总线2.双总线结构双总线结构在在CPU和和主主存存之之间间专专门门设设置置了了一一组组高高速速的的存存储储总总线线，使使CPU可可通通过过专专用用总总线线与与存存储储器器交交换换信信息息，减减轻轻了了系系统统总总线线的的负

11、负担担，主主存存仍仍可可通通过过系系统统总总线线与与外外设之间实现设之间实现DMA操作，而不必经过操作，而不必经过CPUCPU主存设备适配器设备适配器双总线结构双总线结构存储总线系统总线3.3.三总线结构三总线结构CPU主存设备适配器设备适配器IOPI/O总线三总线结构三总线结构系统总线存储总线早期总线的内部结构早期总线的内部结构-处理器芯片引脚的延伸处理器芯片引脚的延伸CPU存储器存储器模块模块输入设备输入设备接口接口输出设备输出设备接口接口数据线数据线地址线地址线控制线控制线CPU-CACHE模块模块存储器存储器模块模块I/O接口接口总线总线控制器控制器数据传送总线（数据线、地址线、控制线

12、）数据传送总线（数据线、地址线、控制线）仲裁总线（仲裁总线（BR、BG）中断和同步总线中断和同步总线公用线（时钟信号、电源公用线（时钟信号、电源/地线、地线、）当代流行的总线内部结构当代流行的总线内部结构计算机组成原理计算机组成原理16PC机总线的发展l1616位位PCPC机：单总线结构机：单总线结构IBM PCIBM PC机和机和IBM PC/XTIBM PC/XT机的机的IBM PCIBM PC总线总线IBM PC/XTIBM PC/XT机的机的IBM ATIBM AT总线，即总线，即ISAISA总线总线l早期早期3232位位PCPC机机与与MCAMCA总线竞争的总线竞争的EISAEISA

13、总线（扩展总线（扩展 ISA ISA总线）总线）3232位局部总线位局部总线VESAVESAl当前当前3232位位PCPC机：多总线结构机：多总线结构存储总线存储总线系统总线：外设部件互连系统总线：外设部件互连PCIPCI显示总线：图形加速接口显示总线：图形加速接口AGPAGP外外设设接接口口：键键盘盘接接口口、鼠鼠标标接接口口、并并行行打打印印机机接接口口、串串行行通信接口，通用串行接口通信接口，通用串行接口USBUSB，IEEE 1394IEEE 1394接口接口6.26.2 总线接口总线接口 1.1.串行传送串行传送只只有有一一条条传传输输线线，每每次次一一位位，按按顺顺序序来来传传送送

14、表表示示一个数码的所有二进制位一个数码的所有二进制位(bit)(bit)2.2.并行传送并行传送每每个个数数据据位位都都需需要要单单独独一一条条传传输输线线。二二进进制制数数“0 0”或或“1 1”在不同的线上同时进行传送在不同的线上同时进行传送演示演示演示演示计算机组成原理计算机组成原理18串行通信l串串行行通通信信：将将数数据据分分解解成成二二进进制制位位用用一一条条信信号号线，一位一位顺序传送的方式线，一位一位顺序传送的方式l串串行行通通信信的的优优势势：用用于于通通信信的的线线路路少少，因因而而在在远距离通信时可以极大地降低成本远距离通信时可以极大地降低成本l通信协议通信协议（通信规程

15、）：收发双方共同遵守（通信规程）：收发双方共同遵守解解决决传传送送速速率率、信信息息格格式式、位位同同步步、字字符符同同步步、数据校验等问题数据校验等问题l串串行行通通信信适适合合于于远远距距离离数数据据传传送送，也也常常用用于于速速度要求不高的近距离数据传送度要求不高的近距离数据传送lPCPC系系列列机机上上有有两两个个串串行行异异步步通通信信接接口口、键键盘盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送鼠标器与主机间采用串行数据传送计算机组成原理计算机组成原理19通信方式l串行异步通信串行异步通信：以字符为单位进行传输：以字符为单位进行传输l串串行行同同步步通通信信：以以一一个个数数据据块块（帧帧）为

16、为传传输输单单位位，每每个个数数据据块块附附加加1个个或或2个个同同步步字字符符，最最后后以校验字符结束以校验字符结束l传输制式传输制式全双工全双工：双根传输线，能够同时发送和接收：双根传输线，能够同时发送和接收半双工半双工：单根传输线，不能同时发送和接收：单根传输线，不能同时发送和接收单工单工：单根传输线只用作发送或只用作接收：单根传输线只用作发送或只用作接收l调调制制解解调调器器ModemModem：通通信信线线路路信信号号与与计计算算机机数数字信号相互转换的设备字信号相互转换的设备演示演示计算机组成原理计算机组成原理20起起始始位位每每个个字字符符开开始始传传送送的的标标志志，起始位采用逻辑起始位采用逻辑0电平电平数数据据位位数数据据位位紧紧跟跟着着起起始始位位传传送送。由由58个二进制位组成，低位先传送个二进制位组成，低位先传送校校验验位位用用于于校校验验是是否否传传送送正正确确；可可选择奇检验、偶校验或不传送校验位选择奇检验、偶校验或不传送校验位停停止止位位表表示示该该字字符符传传送送结结束束。停停止止位采用逻辑位采用逻辑1电平，可选择电平，可选择1、1.5或或2位位起止式异