第六章 总线系统
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6总线系统
• 先读后写同一个地址单元，适用于共享数据保护 • 一个主设备对多个从设备的写入操作
33
写后读（Read-After-Write）
读修改写（Read-Modify-Write）
广播（Broadcast）
计算机组成原理
Pentium的总线周期
时序图
基本非流水线总线周期
• 由2个时钟周期T1和T2组成 • T1周期：发出地址信号、控制信号等 • T2周期：进行数据传送
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S
6
计算机组成原理
【例 1】(1) 某总线在一个总线周期中并行传送 4 个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2) 如果一个总线周期中并行传送 64 位数据，总线时 钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
BUSY（忙状态）信号
• 打印机忙于处理接收到的数据，不能接收新的数据
计算机组成原理
32
6.3.3 总线数据传送模式
读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送）
相邻地址读出或写入
• 给出起始地址，将固定块长的数据一个接一个地从 • 先写后读同一个地址单元，适用于校验
…
I/O接口n
…
集中仲裁：计数器定时查询方式
BS -总线忙 BR-总线请求
数据线 地址线
1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
33
写后读（Read-After-Write）
读修改写（Read-Modify-Write）
广播（Broadcast）
计算机组成原理
Pentium的总线周期
时序图
基本非流水线总线周期
• 由2个时钟周期T1和T2组成 • T1周期：发出地址信号、控制信号等 • T2周期：进行数据传送
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S
6
计算机组成原理
【例 1】(1) 某总线在一个总线周期中并行传送 4 个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2) 如果一个总线周期中并行传送 64 位数据，总线时 钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
BUSY（忙状态）信号
• 打印机忙于处理接收到的数据，不能接收新的数据
计算机组成原理
32
6.3.3 总线数据传送模式
读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送）
相邻地址读出或写入
• 给出起始地址，将固定块长的数据一个接一个地从 • 先写后读同一个地址单元，适用于校验
…
I/O接口n
…
集中仲裁：计数器定时查询方式
BS -总线忙 BR-总线请求
数据线 地址线
1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
第6章_总线系统
通道(Channel)是一台具有特殊功能的处理器 (IOP)，分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的 统一管理及外设与主存之间的数据传送，提高了CPU
的效率，但以花费更多的硬件为代价。
精品课件
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6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
最大存储容量：单总线系统中，必须为外 围设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算 机字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存 储容量不受外围设备多少的影响。
由传输信息的电路和管理信息传输的协议组成。
总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结 构、技术和性能都直接影响着计算机系统的性能和 效率。
精品课件
2 总线分类
（1）内部总线：CPU内部连接各寄存器及运
算部件之间的总线。
（2）系统总线：CPU同计算机系统的其他高 速功能部中对存储总线和系 统总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统 中对内存和外设采用相同的指令，不同之处仅在 于使用不同的地址。
吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息 的速率。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
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6.1.4 总线的内部结构
缺点：1）CPU是总线的唯一主控者； 2）总线结构紧密与CPU相关，通用性差。
即规定总线上各信号有效的时序关系。
精品课件
6 总线的标准化
微型计算机系统总线的标准化： ISA（16位，8MB/S） EISA（32位，33.3MB/S） VESA（32位，132MB/S） PCI（64位，100MHz） 800MB/S
精品课件
7 衡量总线性能的指标：
①总线宽度； ②总线控制方式；③时钟模
由一次地址时间和一次数据时间
组成。
• (2) BURST总线周期：
的效率，但以花费更多的硬件为代价。
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6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
最大存储容量：单总线系统中，必须为外 围设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算 机字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存 储容量不受外围设备多少的影响。
由传输信息的电路和管理信息传输的协议组成。
总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结 构、技术和性能都直接影响着计算机系统的性能和 效率。
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2 总线分类
（1）内部总线：CPU内部连接各寄存器及运
算部件之间的总线。
（2）系统总线：CPU同计算机系统的其他高 速功能部中对存储总线和系 统总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统 中对内存和外设采用相同的指令，不同之处仅在 于使用不同的地址。
吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息 的速率。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
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6.1.4 总线的内部结构
缺点：1）CPU是总线的唯一主控者； 2）总线结构紧密与CPU相关，通用性差。
即规定总线上各信号有效的时序关系。
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6 总线的标准化
微型计算机系统总线的标准化： ISA（16位，8MB/S） EISA（32位，33.3MB/S） VESA（32位，132MB/S） PCI（64位，100MHz） 800MB/S
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7 衡量总线性能的指标：
①总线宽度； ②总线控制方式；③时钟模
由一次地址时间和一次数据时间
组成。
• (2) BURST总线周期：
第六章 总线系统
数据线 地址线
BG0 BR0
设备接口0 排队器
设备接口1
25
§ 6.4 总线的时序
◆ 总线的定时
同步定时： 总线操作的各个过程由共用的总线时钟信号控制 适合速度相当的器件互连总线，否则需要准备好信号让快 速器件等待慢速器件 微处理器控制的总线时序采用同步时序 异步定时： 总线操作需要握手联络（应答）信号控制 数据传输的开始伴随有启动（选通或读写）信号 数据传输的结束有一个确认信号，进行应答 不需要统一的公共时钟信号，总线周期的长度可变。允许 快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。
BS -总线忙 这种方式增加了设备地址线， BR-总线请求 数据线 但可以通过改变计数器的初值 来灵活地改变优先次序。 地址线
1 0
计数器
总 线 控 制 部 件
设备地址
BS BR
设备接口0
计算机组成原理
设备接口1
叶晓霞
…
设备接口n
24
③独立请求方式
总 线 控 制 部 件
BG-总线同意 BR-总线请求 优点：响应时间快， 对优先次序的控制灵活 BGn 缺点：线数多。 BRn BG1 当代总线标准普遍 BR1 采用独立请求方式
总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能 部件之间进行数据传送的公共通路。 其中系统总线构成包括：数据总线、地址
总线和控制总线。数据总线用来传送数据， 是双向的；地址总线用来传送主存与外设 一、总线的分类 的地址信息，是单向的；控制总线用来指 明数据传送的方向（存储器读／写、外设 单处理器系统中可分为内部总线、系统总线和 I/0总线。 读／写）、中断控制和定时控制等，控制 总线中的每一根是单向的。
计算机组成原理
叶晓霞
计算机组成原理-总线系统
数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。其结构 与简单总线相似，但一般是32条地址线，32或64条数据 线。为了减少布线，64位数据的低32位数据线常常和地 址线采用多路复用方式。
仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中
断请求线和中断认可线。 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以
3.独立请求方式
在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权 线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一 个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授 权信号BGi。独立请求方式的优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费 的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵 活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1次之…BRn最低；也可以通过 程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效 设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。
及加电或断电的时序信号线等。
14
6.1.4 总线结构实例
奔
腾
计
算
机
主
板
的
总
线 结
南桥
构
图
北桥
15
大多数计算机采用了分层次的多总线结构。
CPU总线 Pentium计算机是一个三层次的多总线结构： PCI总线
ISA总线
CPU总线：也称CPU-存储器总线，是一个64位数据线和32位地址 线的同步总线。可连接4~128MB的主存。CPU总线还有L2级 cache。主存控制器和cache控制器芯片用来管理CPU对主存和 cache的存取操作。
计算机组成原理第六章总线系统
异步通信
数据传送以字符为单位，字符之间没 有固定的时间间隔，发送方和接收方 不需要使用相同的时钟信号。
总线的仲裁机制
集中仲裁
使用一个中央仲裁器来管理总线的访问，例如：计数器、链表或优先级队列。
分布仲裁
没有中央仲裁器，而是通过硬件电路或软件算法来实现总线的访问控制。
总线的数据传输方式
并行传输
数据在多个通道上同时传输，每个通道传输一部分数据。
确定总线的控制方式
根据总线上主设备和从设备的数量和通信需求，选择合适的总线控制 方式，如同步控制或异步控制。
确定总线的仲裁方式和优先级
根据总线上主设备的数量和通信需求，设计合适的仲裁方式和优先级 确定机制。
硬件实现
选择合适的芯片和元件
01
根据设计需求，选择合适的芯片和元件来实现总线系统的硬件
部分。
计算机组成原理第六章总线 系统
• 总线系统的概述 • 总线的基本工作原理 • 常见总线系统介绍 • 总线系统的应用与发展 • 实验与实践：设计一个简单的总线
系统
01
总线系统的概述
总线的定义与分类
定义
总线是连接多个部件的信息传输 线，是多个部件共享的传输介质 。
分类
根据传输方式，总线可分为单向 总线和双向总线；根据连接的部 件数目，总线可分为局部总线和 系统总线。
THANKS
感谢观看
总线系统的基本组成
总线控制器
负责协调各个部件的通信，管 理总线的使用。
数据总线
用于传输数据，通常由双向线 组成。
地址总线
用于传输地址信息，确定要访 问的内存单元或I/O端口。
控制总线
用于传输控制信号，如读写信 号、中断信号等。
数据传送以字符为单位，字符之间没 有固定的时间间隔，发送方和接收方 不需要使用相同的时钟信号。
总线的仲裁机制
集中仲裁
使用一个中央仲裁器来管理总线的访问，例如：计数器、链表或优先级队列。
分布仲裁
没有中央仲裁器，而是通过硬件电路或软件算法来实现总线的访问控制。
总线的数据传输方式
并行传输
数据在多个通道上同时传输，每个通道传输一部分数据。
确定总线的控制方式
根据总线上主设备和从设备的数量和通信需求，选择合适的总线控制 方式，如同步控制或异步控制。
确定总线的仲裁方式和优先级
根据总线上主设备的数量和通信需求，设计合适的仲裁方式和优先级 确定机制。
硬件实现
选择合适的芯片和元件
01
根据设计需求，选择合适的芯片和元件来实现总线系统的硬件
部分。
计算机组成原理第六章总线 系统
• 总线系统的概述 • 总线的基本工作原理 • 常见总线系统介绍 • 总线系统的应用与发展 • 实验与实践：设计一个简单的总线
系统
01
总线系统的概述
总线的定义与分类
定义
总线是连接多个部件的信息传输 线，是多个部件共享的传输介质 。
分类
根据传输方式，总线可分为单向 总线和双向总线；根据连接的部 件数目，总线可分为局部总线和 系统总线。
THANKS
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总线系统的基本组成
总线控制器
负责协调各个部件的通信，管 理总线的使用。
数据总线
用于传输数据，通常由双向线 组成。
地址总线
用于传输地址信息，确定要访 问的内存单元或I/O端口。
控制总线
用于传输控制信号，如读写信 号、中断信号等。
计算机组成原理习题 第六章总线系统知识分享
计算机组成原理习题第六章总线系统第六章总线系统一、填空题：1.PCI总线采用A.______仲裁方式，每一个PCI设备都有独立的总线请求和总线授权两条信号线与B.______相连。
2.SCSI是处于A.______和B.______之间的并行I/O接口，可允许连接C.______台不同类型的高速外围设备。
3.总线有A 特性、B 特性、C 特性、D 特性，因此必须E 。
4.微型计算机的标准总线从16位的A 总线发展到32位的B 总线和C 总线，又进一步发展到64位的D 总线。
二、选择题：1.计算机使用总线结构的主要优点是便于实现技术化，同时______。
A. 减少信息传输量B. 提高信息传输速度C. 减少了信息传输线的条数D. 减少了存储器占用时间2.描述PCI总线基本概念中正确的句子是______。
A.PCI总线的基本传输机制是猝发式传送B.PCI总线是一个与处理器有关的高速外围总线C.PCI设备一定是主设备D.系统中允许只有一条PCI总线3.描述PCI总线中基本概念表述不正确的是______。
A.PCI设备不一定是主设备B.PCI总线是一个与处理器有关的高速外围总线C.PCI总线的基本传输机制是猝发式传送D.系统中允许有多条PCI总线4.并行I/O标准接口SCSI中，一块适配器可以连接______台具有SCSI接口的设备。
A. 6B. 7C. 8D. 95.下面对计算机总线的描述中，确切完备的概念是______。
A.地址信息、数据信息不能同时出现B.地址信息与控制信息不能同时出现C.数据信息与控制信息不能同时出现D.两种信息源的代码不能在总线中同时传送6.SCSI接口以菊花链形式最多可连接______台设备。
A．7台 B．8台 C．6台 D．10台7.微型机系统中外设通过适配器与主板的系统总线相连接，其功能是___。
A. 数据缓冲和数据格式转换B.监测外设的状态C.控制外设的操作D. 前三种功能的综合作用8.计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化,同时___。
第6章系统总线
6.1.1 总线的基本概念
式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线， 主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等 部件，因此也被称为处理器－主存总线，有的系 统把它称为局部总线或处理器总线。底板式总线 通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统 中的各个电路板的连接。典型的有PCI总线、 VME总线等。 I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计 算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多 方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等， 差异很大，所以I/O总线的种类很多。
6.1.1 总线的基本概念
6.1.1 总线的基本概念
3.系统总线的组成 一个系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一 组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，地 址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线和 地址线复用。 数据线用来承载在源部件和目的部件之问传输的 信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如 果数据线和地址线复用的话）。 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单 元或I/O端口的地址。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用。
教学过程
6.1
系统总线的结构 6.2 总线的控制、数据传输和接口 6.3 常用总线
6.1系统总线的结构
计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互 联，才能组成计算机系统。 部件之间的互联方式: 分散连接：各部件之间通过单独的连线互联 总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输 线上。总线结构的两个主要优点是 灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线 上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统 之间互换 低成本。 现代计算机普遍使用的是总线互联结构。
总线的信号线类型有专用和复用两种。
专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一
计算机组成原理第6版(白中英)第6章总线系统
6
2. 系统总线的标准化
PC中，系统总线布设在主板上。
为什么主板能支持很多厂家的显卡……？ 原因是，系统总线是按标准制作的。
总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性 和时间特性。
微机中的标准总线：ISA总线 (16位，8MB/s)、 EISA (32 位 ， 33.3MB/s) 总 线 、 VESA 总 线 (32 位 ， 132MB/s) 、 PCI总线(64位，100MB/s) PCI-Express 1.0总线(250MB/s) 。
15
6.1.5 总线结构实例
南北桥芯片将CPU总线、PCI总 线、ISA总线连成整体。桥芯片 起到了信号速度缓冲、电平转换、
控制协议的转换作用。
16
CPU总线
• 也称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和32
位地址线的同步总线。
PCI总线
• 用于连接高速的I/O设备模块，如图形显示卡适配
7
总线的主要参数
1.总线的带宽 （MB/s）
• 一定时间内总线上可传送的数据量
2.总线的位宽
• 总线能同时传送的数据位数。
即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。
3.总线的工作时钟频率 （MHz）
• 总线的时钟频率
f
1 T
1 时钟周期
8
总线带宽
总线传输数据的速度。单位：MB/s
[例6.1]：(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则 总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线 时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
4
1. 总线的特性(续) 电气特性
2. 系统总线的标准化
PC中，系统总线布设在主板上。
为什么主板能支持很多厂家的显卡……？ 原因是，系统总线是按标准制作的。
总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性 和时间特性。
微机中的标准总线：ISA总线 (16位，8MB/s)、 EISA (32 位 ， 33.3MB/s) 总 线 、 VESA 总 线 (32 位 ， 132MB/s) 、 PCI总线(64位，100MB/s) PCI-Express 1.0总线(250MB/s) 。
15
6.1.5 总线结构实例
南北桥芯片将CPU总线、PCI总 线、ISA总线连成整体。桥芯片 起到了信号速度缓冲、电平转换、
控制协议的转换作用。
16
CPU总线
• 也称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和32
位地址线的同步总线。
PCI总线
• 用于连接高速的I/O设备模块，如图形显示卡适配
7
总线的主要参数
1.总线的带宽 （MB/s）
• 一定时间内总线上可传送的数据量
2.总线的位宽
• 总线能同时传送的数据位数。
即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。
3.总线的工作时钟频率 （MHz）
• 总线的时钟频率
f
1 T
1 时钟周期
8
总线带宽
总线传输数据的速度。单位：MB/s
[例6.1]：(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则 总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线 时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
4
1. 总线的特性(续) 电气特性
第六章 总线系统
总线结构——基本概念
CPU-CACHE 模块 存储器 模块 I/O 适配器 总线 控制器
数据传送总线（数据线、地址线、控制线）
仲裁总线
中断和同步总线 公用线
2016年11月14日1时24分 22
系统总线——总线接口
• 信息的传送方式 – 串行传送 在串行传送时，按顺序来传送表
示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号， 每次一位，被传送的数据需要在发送部件进行 并－－串变换，这称为拆卸，反之称为装配。 – 并行传送 对每个数据位都需要单独一条传 输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少 条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不 同的线上同时进行传送。
2016年11月14日1时24分
41
思考作业
• P235 • 1-20
2016年11月14日1时24分
42
I/O (Input-Output)总线与扩展槽
总线是计算机中的传输数据信号的通道，按并行方式传输信息。
微处理器 存储器 接口电路 外部设备
扩展槽的作用
I/O总线
输入/输出：
数据总线 控制总线 地址总线
主存 外设 256 64K
主存->存储总线-> AB=16->64K 外设->系统总线->AB=8 ->256字节
2016年11月14日1时24分 15
• 指令系统： • CPU访问主存、外设的指令由于总线的结 构不同而不同。 • 例：单总线：主存-外设统一编址 • 所以只有一条指令，如： • MOV A，0000H； A<-主存 • MOV A，FFE0H；A<-外设
2016年11月14日1时24分 31
系统总线——总线的仲裁、定时和数据传送模式
第六章总线(含练习题)
6.2 总线结构
系统总线
IOP (通道)
CPU 存储 总线
主存
I/O总线
I/O接口
…
I/O接口
I/O设备 1
…
I/O设备 n
三总线结构框图
多用于大、中型计算机系统； 可发展为多总线结构。 系统吞吐能力强； 以硬件为代价。
第六章 总线
6.3 总线控制 • 解决总线结构必须面对的两个问题— 一是总线争用时的仲裁； 二是通信的双方如何在时间上协调。 • 具体完成这些任务的是总线控制器。 6.3.1 总线判优控制 一、主设备和从设备的概念 • 按总线上所连接的设备对总线有无控 制功能分— • 主设备(主方、主模块)：
6.3 总线控制
• 优先次序体现在距离集中仲裁器的远 近； • 具体的查询电路略(见第八章)。 ( 3 )链式查询的特点 • 需要很少的信号线可以完成按既定优 先次序的总线仲裁； • 易于扩充设备； • 故障敏感； • 优先级安排可能造成低级别设备总是 用不上总线。
思考：计数器定时查询6.3 2.计数器定时查询方式中控制线的条数--
6.1 总线概述
教材P.213/185【例1】( 1 )某总线在一个总 线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个时钟周期，总 线时钟频率是33MHz，总线带宽是多 少？ 解答：用Dr表示总线带宽；总线时钟周期 为T=1/f；一个总线周期传送的数据量表 示为D；依据定义有： Dr=D/T=D×f=4B×33×106/s =132MB/s (若一个总线周期由4个T构成，总线带宽 是多少？)
6.3 总线控制
6.3 总线控制
例2：在异步串行传输系统中，若字符格 式为：1个起始位、8个数据位、1个奇 校验位、1个终止位，假设波特率为 1200bps，求这时的比特率。 解答： • 比特率为— 1200×（8/11）=872.73比特
六章总线系统
8
•例Pentium机主 板总线结构：具 有三个层次
•CPU总线 •PCI总线 •ISA总线
9
➢ 总线结构对计算机系统性能的影响 最大存储容量 指令系统 吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息速率。
10
二、总线接口
➢信息传送方式
✓串行传送：只有一根数据线，串行地逐位传送 数据。
✓并行传送：有多根数据线，同时可以传送多个 二进制位的数据。
或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。
广播、广集操作：一个主方对多个从方进行写操 作称为广播。其相反的操作称为广集。
23
五、HOST总线和PCI总线
➢ 多总线结构实例 ➢ HOST总线：宿主总线，用于CPU与主存系统之间
信息传送。
24
五、HOST总线和PCI总线
➢PCI总线：是一个与处理器无关的高速外围 总线，又是至关重要的层间总线。采用同步 时序协议 和集中式仲裁策略，并具有自动配
15
➢计数器定时查询方式：中央仲裁器设一计数 器作为识别设备的地址，根据地址是否匹配 确定请求。 优点：可改变优先级； 缺点：线路复杂。
16
➢ 独立请求方式：每个设备独立设置请求线， 根据设备编码和优先权确定请求。 ✓优点：速度快、优先权设置灵活。 ✓缺点：线路复杂。
17
2、分布式仲裁：不设专门仲裁器，每个主设 备有自己的仲裁器和具有优先权的仲裁号， 根据仲裁号发请求，所有设备都能监听所有 的总线请求信号，并根据优先权自行决定是 否能得到总线控制权。
置能力 。其基本传送机制是猝发式传送。 ➢LAGACY总线：中、低速I/O总线。 ➢桥的作用：总线之间的通信部件，可以
将一条总线的地址空间映射到另一条总 线的地址空间。
25
•例Pentium机主 板总线结构：具 有三个层次
•CPU总线 •PCI总线 •ISA总线
9
➢ 总线结构对计算机系统性能的影响 最大存储容量 指令系统 吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息速率。
10
二、总线接口
➢信息传送方式
✓串行传送：只有一根数据线，串行地逐位传送 数据。
✓并行传送：有多根数据线，同时可以传送多个 二进制位的数据。
或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。
广播、广集操作：一个主方对多个从方进行写操 作称为广播。其相反的操作称为广集。
23
五、HOST总线和PCI总线
➢ 多总线结构实例 ➢ HOST总线：宿主总线，用于CPU与主存系统之间
信息传送。
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五、HOST总线和PCI总线
➢PCI总线：是一个与处理器无关的高速外围 总线，又是至关重要的层间总线。采用同步 时序协议 和集中式仲裁策略，并具有自动配
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➢计数器定时查询方式：中央仲裁器设一计数 器作为识别设备的地址，根据地址是否匹配 确定请求。 优点：可改变优先级； 缺点：线路复杂。
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➢ 独立请求方式：每个设备独立设置请求线， 根据设备编码和优先权确定请求。 ✓优点：速度快、优先权设置灵活。 ✓缺点：线路复杂。
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2、分布式仲裁：不设专门仲裁器，每个主设 备有自己的仲裁器和具有优先权的仲裁号， 根据仲裁号发请求，所有设备都能监听所有 的总线请求信号，并根据优先权自行决定是 否能得到总线控制权。
置能力 。其基本传送机制是猝发式传送。 ➢LAGACY总线：中、低速I/O总线。 ➢桥的作用：总线之间的通信部件，可以
将一条总线的地址空间映射到另一条总 线的地址空间。
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计算机组成原理系统总线
第六章系统总线第一节总线的基本概念一、总线的分类1．总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线、地址总线和控制总线。
2．系统总线：连接计算机系统中各个功能模块或设备的总线，作为计算机硬件系统的主干。
3．内部总线：连接CPU内部各部件的总线。
4．总线的分类：①按传送格式分为：串行总线、并行总线；②按时序控制方式分为：同步总线、异步总线；③按功能分为：系统总线、CPU内部总线、各种局部总线。
④按数据传输方向分为：单工总线和双工总线，双工总线又分为半双工总线和全双工总线。
历年真题1．总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线、地址总线和控制总线。
（2001年）2．下列说法中正确的是（）。
（2003年）A．半双工总线只能在一个方向上传输信息，全双工总线可以在两个方向上轮流传输信息B．半双工总线只能在一个方向上传输信息，全双工总线可以在两个方向上同时传输信息C．半双工总线可以在两个方向上轮流传输信息，全双工总线可以在两个方向上同时传输信息D．半双工总线可以在两个方向上同时传输信息，全双工总线可以在两个方向上轮流传输信息【分析】根据总线上信号的传递方向，总线可分为单向传输（单工）总线和双向传输（双工）总线，而双工总线又可分为半双工总线和全双工总线。
其中单工总线只能向一个方向传递信号，半双工总线可以在两个方向上轮流传递信号，全双工总线可以在两个方向上同时传递信号。
【答案】C二、总线的信息传输方式1．串行传输：是指数据的传输在一条线路上按位进行。
（只需一条数据传输线，线路的成本低，适合于长距离的数据传输）。
在串行传输时，被传输的数据在发送设备中进行并行到串行的变换，在接收设备中进行串行到并行的变换。
2．并行传输：每个数据位都需要单独一条传输线，所有的数据位同时进行传输。
3．复合传输：又称总线复用的传输方式，它使不同的信号在同一条信号线上传输，不同的信号在不同的时间片中轮流地身总线的同一条信号线上发出。
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总线仲裁-集中式仲裁
计数器定时查询方式
总线仲裁-集中式仲裁
独立请求方式
–
–
每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。 当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中 有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的 请求，给设备以授权信号BGi。 独立请求方式的优点是响应时间快，即确定优先响应的设备所花费 的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序 的控制相当灵活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1次 之…BRn最低；也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽 （禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。因此当代 总线标准普遍采用独立请求方式。
计数器定时查询方式
–
–
–
总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央 仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计 数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设 备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一 致时，该设备 置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。 每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开发始。如果从“0”开 始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。 如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优级相等。 计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但 这种灵活性是以增加线数为代价的。
位时间
T4
T5
T6
低 传送 脉冲
始 1 0 1 0 0 0 0
高
0 止 始
信息传送方式
并行传送
每一数据位需要一条传输线 一般采用电位传送 速度快 D0 D1 D2 D3
发送 部件
接收 部件
信息传送方式
并行传送
每一数据位需要一条传输线 一般采用电位传送 速度快
分时传送
主 板
总线的内部结构
当代总线结构及其特点
–
– –
–
由地址线、数据线、控制线组成。其结构与简单总线相 似，但一般是32条地址线，32或64条数据线。为了减少布 线，64位数据的低32位数据线常常和地址线采用多路复用 方式。 仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中 断请求线和中断认可线。 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以 及加电或断电的时序信号线等。
高有效位 用位时间来定义一个二进制位在传输线上占用的时间长度 发送端进行并-串转换（拆卸），接收端进行串-并转换 （装配） 优点是只需要一条传输线，成本低廉，适合远距离传输
信息传送方式
串行传送
发送部件 （拆卸）
T1 T2 T3
传送数据 00000101
接收部件 （装配）
T7 T8 T9 T10 T11
总线带宽
总线的基本概念
【例1】（1）某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数 据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率 为33MHz，总线带宽是多少? （2）如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率 升为66MHz，总线带宽是多少? 解：（1）设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表 示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得 ： Dr=D/T=D×（1/T）=D×f=4B×33×106/s=132MB/s （2）64位=8B Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s
总线的连接方式
适配器（接口）
–
实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步， 并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。 单总线结构：使用单一的系统总线来连接CPU、内存和 I/O设备 多总线结构：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线
单机系统中总线结构的两种基本类型：
–
–
总线的连接方式
–
总线请求、总线仲裁、寻址（目的地址）、信息传送、状态返回（或 错误报告）
定时：事件出现在总线上是时序关系 – 同步定时
事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号确定 同步定时具有较高的传输频率 适合于总线长度较短、各功能模块存取事件比较接近的情况 不需要统一的公共时钟信号，建立在应答或互锁机制基础上 总线周期可变，允许快速和慢速模块共接的同一总线上
第六章
总线系统
主要内容
总线的概念和结构形态 总线接口 总线仲裁 总线的定时和数据传送模式 HOST总线和PCI总线
总线的概念和结构形态
的基本概念
总线的定义和分类
总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部
总线的数据传送模式
读写操作
– –
读操作是由从方到主方的数据传送 写操作是有主方到从方的数据传送 给出块的起始地址，对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入 猝发式传送 两种操作的组合 给出一个地址，进行先写后读操作，或者进行先读后写操作 一个主方对多个从方进行传送操作
总线复用方式 共享总线的部件分时
使用总线
发送 部件
接收 部件
总线接口的基本概念
I/O接口的概念
也叫“适配器” 是CPU和主存、外围设备之间通过系统总线进行连接的标
准化逻辑部件
地址线 控制线
CPU
数据线
I/O 接 口
设 备 控 制 器
外围 设备
总线接口的基本概念
I/O接口的功能
控制 缓冲 状态 转换 整理 程序中断
总线仲裁-集中式仲裁
独立请求方式
总线仲裁-分布式仲裁
不需要集中的总线仲裁器，每个潜在的主方功能模 块都有自己的仲裁号和仲裁器 当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到 共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到 的号与自己的号进行比较。 如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响 应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保 留在仲裁总线上。 分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础
总线仲裁-集中式仲裁
链式查询方式
–
–
–
离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权，离总线控制 器越远，优先权越低。 优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控 制，并且这种链式结构很容易扩充设备。 缺点：是对询问链的电路故障很敏感，优先级固定。
总线仲裁-集中式仲裁
链式查询方式
总线仲裁-集中式仲裁
单总线结构
– – –
连接高速设备 存储器和I/O同等 扩展容易
系统总线
CPU
主存
I/O 接口
……
I/O 接口
总线的连接方式-多总线结构
CPU cache CPU总线 桥 高速总线 主存 系统总线
LAN 接口
视频 接口
扩充 总线接口 扩充总线
图形 接口
SCSI 接口
串行 接口
Modem 接口
FAX 接口
–
异步定时
总线的定时-同步定时
异步 定时
总线的定时
【例题3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询相结合的 二维总线控制结构。每一对请求线BRi和授权线BGi组成一对菊花链查询电路。 每一根请求线可以被若干个传输速率接近的设备共享。当这些设备要求传送 时通过BRi线向仲裁器发出请求，对应的BGi线则串行查询每个设备，从而确 定哪个设备享有总线控制权。请分析说明图6.14所示的总线仲裁时序图。
总线仲裁-分布式仲裁
总线仲裁-分布式仲裁
所有参与本次竞争的各主设备将设备竞争号CN取反后打到仲裁总线AB 上，以实现“线或”逻辑。AB线低电平时表示至少有一个主设备的CNi为 1，AB线高电平时表示所有主设备的CNi为0。 竞争时CN与AB逐位比较，从最高位（b7）至最低位（b0）以一维菊花链 方式进行，只有上一位竞争得胜者Wi+1位为1。当CN i=1，或CNi=0且 ABi为高电平时，才使Wi位为1。若Wi=0时，将一直向下传递，使其竞争 号后面的低位不能送上AB线。 竞争不到的设备自动撤除其竞争号。在竞争期间，由于W位输入的作用， 各设备在其内部的CN线上保留其竞争号并不破坏AB线上的信息。 由于参加竞争的各设备速度不一致，这个比较过程反复（自动）进行， 才有最后稳定的结果。竞争期的时间要足够，保证最慢的设备也能参与 竞争。
主要内容
总线的概念和结构形态 总线接口 总线仲裁 总线的定时和数据传送模式 HOST总线和PCI总线
总线仲裁
集中式仲裁
链式查询方式 计数器定时查询方式 独立请求方式
分布式仲裁
总线仲裁
连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态， 其中主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应 主方请求。每次总线操作，只能有一个主方，但是 可以有多个从方。 为了解决多个功能模块争用总线的问题，必须设置 总线仲裁部件。 总线占用期：主方持续控制总线的时间。 按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中 式和分布式两种。
主要内容
总线的概念和结构形态 总线接口 总线仲裁 总线的定时和数据传送模式 HOST总线和PCI总线
总线的定时和数据传送模式
总线的定时
同步定时 异步定时
总线数据传送模式
读写操作 块传送操作 写后读、读修改写操作 广播、广集操作
总线的定时
总线的一次信息传送过程大致可分为五个阶段：
两个接口
和系统 和外设
信息传送方式
【例2】利用串行方式传送字符（如图），每秒钟传 送的比特（bit）位数常称为波特率。假设数据传送 速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10 个比特位（起始位、停止位、8个数据位），问传送 的波特率是多少?每个比特位占用的时间是多少? 解：波特率＝字符传送速率×字符比特数 ＝120个字符/秒×10位＝1200比特 每个比特占用的时间是波特率的倒数，即： Td＝1/波特率＝1/1200＝0.833（ms）