计算机组成原理--总线系统 ppt课件

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2.最大存储容量
在单总线系统中，若采用相同的操作码访问主存
和外设，则主存的最大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。
3. 吞吐量
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【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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2. 双总线结构
双总线结构保持了单总线系统简单、易 于扩充的优点，但又在CPU和主存之间专门 设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过 专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统 总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与 外设之间实现DMA操作，而不必经过CPU。 当然这种双总线系统以增加硬件为代价。其 结构如下图所示。
简单总线结构的不足之处在于： （1）CPU是总线上的唯一主控者。 （2）总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总
线结构紧密与CPU相关，通用性较差。
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2. 当代总线: 下图所示为当代流行的总线内部结构。
它是一些标准总线，追求与结构、CPU、技 术无关的开发标准，并满足包括多个CPU在 内的主控者环境需求。
一个单处理器系统中的总线大致分为三类： (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
能部件，如存储器、通道等互相 连接的总线。 (3) I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的 总线。
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1. 物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线的
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。
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整个总线分成如下四部分： (1) 数据传送总线：由地址线、数据线、控制
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
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6.1.2 总线的连接方式
大多数总线都是以相同方式构成的，其不 同之处仅在于总线中数据线和地址线的数目， 以及控制线的多少及其功能。然而，总线的排 列布置与其它各类部件的连接方式对计算机系 统的性能来说，将起着十分重要的作用。根据 连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有 三种基本类型：
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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，它是衡量总线性能的重要指标，单位兆 字节每秒(MB/s)。
1. 单总线结构 2. 双总线结构 3. 三总线结构
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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，
在单总线结构中，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。
第六章 总线系统
6.1 总线的概念和结构形态 6.2 总线接口 6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式 6.4 PCI总线 6.5 ISA总线和Futurebus＋总线
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6.1 总线的概念和结构形态
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。
根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列 方式等。
功能特性：描述总线中每一根线的功能。
电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有
效电平范围。送入CPU的信号叫输入信号(IN)， 从CPU发出的信号叫输出信号(OUT)。
时间特性：定义了每根线在什么时间有效。规定
了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确 无误地使用。
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6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
在一个计算机系统中，采用哪种总线结 构，往往对计算机系统的性能有很大影响。 下面从三个方面来讨论这种影响。
1.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传送可使用不同的操 作码或相同的操作码。当使用相同的指令时， 应使用不同的地址区分是访问主存还是外设。
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
围设备。
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6.1.4 总线的内部结构
1. 早期总线:
早期总线的内部结构如下图所示。它实际上 是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备 适配器的通道。这种简单的总线一般由50～100 条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、 数据线和控制线。
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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。如下图所示。
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。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。