组成原理演示文稿 第六章 总线系统

计算机组成原理Ø第六章总线系统

北京邮电大学计算机学院戴志涛

Principle of Computer Organization

BUS

本章内容

Ø总线的概念和结构形态Ø总线接口

Ø总线定时与数据传送模式Ø总线仲裁

Ø总线实例

计算机的硬件组成

运算器

存储器I/O

设备

地址总线

数据总线

控制总线

控制器CPU I/O

接口

I/O

设备

I/O

接口

专线连接方式

在各部件之间以个个相连的方式设置相互通信的专线部件1部件2

部件3部件4

优点：传输速率高，控制简单

缺点：传送线的利用率不高，传送线数量大，不利于随时增减部件

总线：在模块与模块之间或者设备与设备之间传送信息、相互通信的一组公用信号线

优点：模块具有可互换性、可组合性、配置灵活、系统

结构清晰

缺点：总线可能会成为系统通信速度提高的瓶颈

总线bus

部件3部件4部件1部件2

Ø片内总线（内部总线）

Ø系统总线（内总线、板级总线、底板总线）Ø设备总线（外总线、通信总线，I/O总线）

Ø片总线（局部总线、元件级总线、芯片总线）

CPU 模块

存储器模块I/O 接口模块微处理器存储器片总线

外围接口

系统总线

接口存储器系统总线接口外围控制器

外围接口系统总线接口

外围设备外围设备

外总线系统总线

外围设备外

总

线片内总线（内部总线）

片总线（局部总线、元件级总线、芯片总线）（Local Bus ）

系统总线（内总线、板级总线、底板总线）

设备总线（外总线、通信总线，I/O 总线）

总线的标准化

Ø目的

q希望各厂家生产的同类产品能够互连

q各厂家生产的模块可以互换

Ø总线标准的形成

q国际、国家级和协会性质的标准化组织对

厂家提出的总线标准进行选择和修改，或

者组织专门人员另行制订

总线的特性

Ø机械结构规范

q规定模板尺寸、总线插头、连接器的形状、尺寸等规格和位置

Ø功能结构规范

q规定每个引脚信号的名称和功能及其相互作用的协议、信息流向、信息管理规则

Ø电气规范

q规定信号工作时的逻辑电平（高低）、负载能力最大额定值以及动态转换时间

Ø时序规范

q规定总线上各信号有效的时序关系

总线的性能指标

Ø总线宽度

q串、并行性，数据线的条数

Ø总线定时协定

q同步定时、异步定时、半同步定时、周期分裂定

时等

Ø总线传输率

q系统在给定方式下单位时间内能够传输的信息量

（字节数或比特数）

Ø总线频宽（标准传输率；总线带宽）q总线本身所能达到的最高传输率

总线带宽的计算

【例】某总线达到最高传输率时的操作时序如图。已知数据总线为32位，总线时钟频率为50MHz。试计算该总线的带宽。

数据T1T2 T3T4T5

地址

CLK

RD

数据

解：如图，该总线在5个时钟周期内传输了4个字节。故总线带宽为:

Dr =D/(T

clk ×5)= D×f

clk

×0.2

＝4×50×106×0.2=40×106(字节/秒)

Ø单总线结构

q使用一套单一的系统总线连接CPU、主存和I/O设备

q要求连接到总线上的逻辑部件必须高速切换，以便在需要时能迅速获得或放弃总线控制权

q优点：实现简单，成本低

q缺点：总线有可能成为系统通信速度提高的瓶颈

CPU主存设备

接口设备接口

系统总线

……Ø信息传送方向q CPU与内存

q CPU与接口

q内存与接口

q内存与内存

q接口与接口

Ø双总线结构

q 在CPU 和主存之间增加高速的存储总线，使访存操作和I/O 操作可同时进行，以提高系统吞吐量CPU

主存主存I/O 接口

系统总线

……存储总线

Ø三总线结构

q 在双总线系统的基础上增加控制I/O 操作的处理器IOP ，并增加I/O 总线CPU 主存IOP （通道）

系统总线

存储总线I/O 适配器I/O 适配器

……I/O 总线

Ø多总线结构

CPU

存储器

模块

输入设备

接口

输出设备

接口

…

锁存器

驱动门

地址线

控制线

数据线

Ø传统总线结构的不足：

q CPU是总线上的唯一主控者

q总线结构与紧密CPU相关，通用性较差*总线信号是CPU引脚信号的延伸

数据传送总线（地址、数据、读写控制线）

仲裁总线

中断和同步总线

公用线

CPU-cache

模块存储器模块总线控制器

I/O 适配器

Pentium主板的总线结构

北桥

南桥