计算机组成原理 第六章 总线原理

• 地址总线AB • 是专门用来传送地址的，由于地址只 能从CPU传向外部存储器或输入输出端口， 所以地址总线总是单向三态的，这与数据 总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直 接寻址的内存空间大小，一般来说，若地 址总线为n位，则可寻址空间为2的n次方字 节。
• 控制总线CB • 用来传送控制信号和时序信号。控制 信号中，有的是微处理器送往存储器和输 入输出接口电路的，如读/写信号，片选信 号、中断响应信号等；也有是其它部件反 馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位 信号、总线请求信号、限备就绪信号等。 因此，控制总线的传送方向由具体控制信 号而定，一般是双向的，控制总线的位数 要根据系统的实际控制需要而定。实际上 控制总线的具体情况主要取决于CPU。
【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? 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×33×1000000/s=132MB/s (2)64位=8B， Dr= D×f =8B×66×1000000/s=528MB/s
• (4)DMA操作: 某些外围设备也可以指定地址。 如果一个由外围设备指定的地址对应于一个 主存单元，则主存予以响应，于是在主存和 外设间将进行直接存储器传送(DMA)。 • DMA：Direct Memory Access，直接内存存取 是所有现代电脑的重要特色，他允许不同速 度的硬件装臵沟通，而不需要依于 CPU 的大 量中断负载。 DMA 传输对于高效能 嵌入式 系统 算法和网络是很重要的。 • (5)单总线结构容易扩展成多CPU系统：这只 要在系统总线上挂接多个CPU即可。
CAI演示
3.三总线结构:它是在双总线系统的基础上增
加I/O总线形成的。
• 在DMA方式中，外设与存储器间直接交换数 据而不经过CPU，从而减轻了CPU对数据输 入输出的控制，而“通道”方式进一步提 高了CPU的效率。通道实际上是一台具有特 殊功能的处理器，又称为IOP(I/O处理器), 它可以分担一部分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。显然，由于增加了IOP，使整个系统的 效率大大提高。然而这是以增加更多的硬 件代价换来的。
6.1.2 总线的连接方式
• 单机系统中总线结构的两种基本类型：单 总线和多总线。
总线系统
6.1.2 总线的连接方式
1.单总线结构
在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的 系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线 结构。此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速 运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得
总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总
线控制权。
(1)取指令：当CPU取一条指令时，首先把 程序计数器PC中的地址同控制信息一起送至总 线上。在“取指令”情况下的地址是主存地址, 此时该地址所指定的主存单元的内容一定是一 条指令，而且将被传送给CPU。 (2)传送数据：取出指令之后，CPU将检查 操作码。操作码规定了对数据要执行什么操作， 以及数据是流进CPU还是流出CPU。 (3)I/O操作：如果该指令地址字段对应的 是外围设备地址，则外围设备译码器予以响应， 从而在CPU和与该地址相对应的外围设备之间发 生数据传送，而数据传送的方向由指令操作码 决定。
2 指令系统
在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必
须有不同的指令系统。
在单总线系统中，访问主存和I/O传送可使用相同
的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的地址。
3 吞吐量
计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统 的信息的速率。它取决于信息能够多快地输入内存， CPU能够多快地取指令，数据能够多快地从内存取出 或存入，以及所得结果能够多快地从内存送给一台外
6.1.1 总线的基本概念
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。借助于总线连接，计算机在各系统功 能部件之间实现地址、数据和控制信息的交 换，并在争用资源的基础上进行工作。
• 一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：
• (1)内部总线。
• (2)系统总线。 • (3)I/O总线。
即：总线结构紧密与CPU相关，因而通用性 较差。
当代流行的总线内部结构
总线系统
在当代总线结构中，CPU和它私有的cache一 起作为一个模块与总线相连。系统中允许有多 个这样的处理器模块。而总线控制器完成几个 总线请求者之间的协调与仲裁。
6.1.5 总线结构实例
总线系统
大多数计算机采用了分层次的多总线结构。 在这种结构中，速度差异较大的设备模块，使
• 系统总线上传送的信息包括数据信息、地 址信息、控制信息，因此，系统总线包含 有三种不同功能的总线，即DB（Data Bus）、AB（Address Bus）和CB（Control Bus）
• 数据总线DB用于传送数据信息。数据总线 是双向三态形式的总线，既可以把CPU的数 据传送到存储器或I／O接口等其它部件， 也可以将其它部件的数据传送到CPU。 • 数据总线的位数是计算机的一个重要指标， 通常与微处理器的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度 也是16位。需要指出的是，数据的含义是 广义的，它可以是真正的数据，也可以指 令代码或状态信息，有时甚至是一个控制 信息。
但必要时可放弃总线
用于连接高速的I/O设备模块。通过“桥”芯片， 上
面与更高速的CPU总线相连，下面与低速的ISA总线相
接。PCI总线是一个32(或64位)的同步总线，32位(或 64位)数据/地址线是同一组线，分时复用。总线时钟 频率为33.3MHz，总线带宽是132MB/s。PCI总线采用集 中式仲裁方式，有专用的PCI总线仲裁器。主板上一般
总线系统
6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
1. 最大存储容量 在单总线系统中，最大主存容量必须小于由 计算机字长所决定的可能的地址总数。 在双总线系统中，对主存和外设进行存取的 判断是利用各自的指令操作码。由于主存地址 和外设地址出现于不同的总线上，所以存储容 量不会受到外围设备多少的影响。
总线系统
CPU总线、PCI总线、ISA总线通过两个“桥”芯片
连
成整体。桥芯片在此起到了 信号速度缓冲、电平转换 和控制协议的转换作用。通过桥将两类不同的总线 “粘 合”在一起的技术特别适合于系统的升级换代。
Pentium个人机总线系统中，有一个核心逻辑芯片
组，简称PCI芯片组，它包括：主存控制器和cache控
制器芯片、北桥芯片和南桥芯片。这个芯片组叫Intel
430系列、440系列，它们在系统中起着至关重要的作 用。
总线系统
6.2 总线接口
6.2.1 信息的传送方式
6.2.2 接口的基本概念
6.2.1 信息的传送方式
用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使
用同一类总线。pentium计算机主板的总线结构
框图。
总线系统
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。总线时钟频率为66.6MHz(或
60MHz)，CPU内部时钟是此时钟频率的倍频。此总线可
连接4—128MB的主存。主存扩充容量是以内存条形式 插入主板有关插座来实现的。CPU总线还接有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。CPU是这条总线的主控者，
了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确无误
地使用。
总线系统
2.总线的标准化
相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的
各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家
生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它
们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线
的标准化问题。 总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率， 是衡量总线性能的重要指标，单位:兆字节每秒(MB/s)
• I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接 的总线。
•
此外，为了解决CPU与高速外设之间传输 速度慢的"瓶颈"问题，出现了两种局部总线， 它们是： • VESA视频电子标准协会局部总线，简称 VL总线. • PCI外围部件互连局部总线，简称PCI总 线. 奔腾主板多采用PCI总线。 目前，继 PCI之后又开发了更外围的接口总线，它们 是：USB通用串行总线。IEEE1394(美国电气 及电子工程师协会1394标准)俗称"火线 (Fire Ware)"。
多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多 条总线。
• 如何让种类繁多、速度各异的外围设备连 接到计算机上呢？这项任务用适配器部件 来完成。 适配器：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。 适配器通常称为接口。
• 多总线结构体现了高速、中速、低速设备连 接到不同的总线上同时进行工作，以提高总 线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化 不影响高速总线。 –高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相 连，扩充总线上可以连接串行方式工作的 I/O设备。 –通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼 此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、 控制功能的逻辑电路。
Internal Bus内部总线
• CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总 线。 • SPI总线 ：串行外围设备接口SPI总线技术 是Motorola公司推出的一种同步串行接口。 • SCI总线 ：串行通信接口SCI也是由 Motorola公司推出的。它是一种通用异步 通信接口。