第3章系统总线2013(V1.2)

3.3.4
总线标准
模块
系统
标 准 界 面
模块
ISA
系统
总 线 标 准
EISA VL-BUS PCI
总线标准的产生
• 总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，随着计算及 应用领域的不断扩大，计算机系统中各类模块（特别是I/O设备 所带来的各类接口模块），其品种极其繁杂，往往出现一种模 块要配一种总线，很难在总线上更换、组合各类模块或设备。 • 20世纪70年代末，为了使系统设计简化，模块生产批量化，确 保其性能稳定，质量可靠，便于维护，人们开始研究如何建立 总线标准，完成系统设计和模块制作。 • 概念：所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间 的一个互连的标准界面。 –这个界面两端的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一 面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。 –因此，按总线标准设计的接口可视为通用接口。
• PCI：Peripheral Component Interconnect——外 部设备互连总线。
–32/64位数据总线，总线时钟频率33MHz –最大数据传输率132MB/s～264MB/s –与ISA、EISA均可兼容 –支持即插即用、支持多层结构
AGP、SCSI、USB
• AGP：Accelerated Graphics Port——加速图形接口，专 为提高视频带宽而设计的总线规范。它采用点对点连接， 连接控制芯片组和AGP显示卡，因此严格说AGP不能称为总 线，而是一种接口标准。
■指令系统
◆单总线系统中,无须专门的I/O指令;
◆双总线系统中,设有专门的I/O指令.
■吞吐量
◆三总线系统比单总线系统要大得多.
3.4.4 四总线结构
• 为了进一步提高I/O的性能，又出现了四总线结构。 • 局部总线、系统总线、高速总线、扩展总线
局部总线
CPULeabharlann Cache/桥系统总线
主存
SCSI 高速总线
–MCA是IBM公司在推出其第一台80386系统时，突破传统ISA 标准而创建的新型系统总线标准。MCA与ISA完全不兼容， 所以限制了其推广。
• STD：STD总线于1987年被国际电子电气工程师
协会（IEEE）列为标准（IEEE961标准），主 要用于以微处理器为中心的工业控制领域。
–数据总线8位，最大传输率2MB/S。
3.3.1 总线物理实现
CPU 插件板 M.M 插件板 I/O 插件板
BUS
3.3.2 总线特性
• 1、机械特性：是指总线在机械连接方式上的一些 性能。
–如插头和插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引 脚的个数以及排列的顺序，接头处的可靠接触等等。
• 2、电气特性：是指总线的每一根传输线上信号的 传输方向和有效的电平范围。
I/O Interface （adapter） I/O device
I/O Interface （adapter） I/O device
• 1970年DEC公司PDP-11 小型计算机首次采用总 线技术
3.1 总线的基本概念
1、什么是总线
总线是连接各个部件的信息传输线
是 各个部件共享的传输介质
2、总线上信息的传送
I/O Interface （adapter） I/O device
3.2 总线的分类
1.片内总线
芯片内部 的总线
2.系统总线
数据总线 地址总线
计算机各部件之间 的信息传输线
双向 与机器字长、存储字长有关
单向
有出
与存储地址、 I/O地址有关
有入
存储器读、存储器写 总线允许、中断确认
控制总线
中断请求、总线请求
■特点:双总线基础上增加I/O总线,它是多个外
设与通道间传送信息的公共通路;
■通道的使用,进一步提高了CPU的效率. ■“通道”是一台具有特殊功能的处理器,它分
担了一部分CPU的功能.统一管理外设及实现 外设与内存间的数据传送.
总线结构与系统性能关系
■最大存储容量
◆单总线系统中,内存要为外设保留一些地址.
串行
并行
总线
• 定义：是连接多个部件的传输线
– 总线的关键特征是共享传输线。
• 总线的两个特点：
– 任意时刻只能有一个设备向总线发送信息
• 系统瓶颈
– 多个部件可以同时从总线接受相同的信息
• 广播式
主机 processor memory
I/O Interface （adapter） I/O device
I/O Interface （adapter） I/O device
I/O Interface （adapter） I/O device
• 通信总线（I/O总线）
–是指计算机系统之间或计算机 系统与其他系统（如控制仪表 等）之间的通信传输线。 –IDE、SCSI、USB、RS－232
通信总线
通信总线
用于 计算机系统之间 或 计算机系统 与其他系统（如控制仪表、移动通信等）
之间的通信
串行通信总线
传输方式
并行通信总线
总线分类——按功能
• 数据总线（DB）
–双向，宽度差别
• 地址总线（AB）
–单向，宽度与寻址空间有关
• 控制总线（CB）
–命令和状态
总线也包括电 源线和地线！
3.3 总线特性及性能指标
例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? 如果一个 总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升 提示：此题主要是考查对总线带宽的理解。 总线带宽＝一次传输的字节数／总线周期 为66MHz，则总线带宽是多少?
总线分类——按位置
• 片内总线
–是指芯片内部的总线。 片内总线 –如在CPU芯片内部，寄存器和 寄存器之间、寄存器和算逻单 元ALU之间都有总线连接。 主机
系统总线
• 系统总线
processor
memory
–是指CPU、主存、I/O（通过 I/O接口）各大部件之间的信 息传输线。 –又叫板级总线和板间总线 –如ISA、PCI等。
·· 适配器 ·· ··
·· 设备 ·· ··
存储总线
设备
CPU与内存有专用高速总线,减轻系统总线的负担; 内存可通过系统总线与外设进行DMA操作,而不必经过CPU.
3.4.3 三总线结构
系统总线
通道
CPU
内存
I/O总线
存储总线
设备 接口
·· 适配器 ·· ·· ·· 设备 ·· ··
设备
三总线结构
计算机组成原理
第3章 系统总线
2013年2月6日
为什么要用总线?
计算机
存储器
I/O
系统总线
CPU
系统互联
• 分散连接
–内部连线十分复杂，布 线困难 –扩展性差 –效率高
输入设备 存储器 运算器 控制器 输出设备
• 总线连接
–简洁、成本低 –扩展性好、灵活 –共享竞争
主机
processor
memory
3.PCI总线结构
系统总线 CPU 存储器
• 3、时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作 的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线称 为异步总线。 • 4、总线复用：为提高总线的利用率，将地址总线 和数据总线共用一组物理线，在某一时刻该总线传 输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。
总线性能指标(2)
• 5、信号线数：即地址总线、数据总线和控制总线三 种总线的根数总和。 • 6、总线控制方式：包括并发工作、自动配臵、仲裁 方式、逻辑方式、计数方式等。 • 负载能力：通常用可连接扩增电路板数来反映总线 的负载能力。
2.VL-BUS局部总线结构
系统总线
CPU
主存控制器 主存 局部总线控制器
标准总线 控制器
VL-BUS
SCSI-2 控制器
高性能图形
8MHz的16位数据通路
多媒体
高速局域网
调制解调器
图文传真
VL-BUS总线是与CPU的关系 太紧密（实际上这种总线与 ISA EISA,…… 486配合最佳），很难支持功 能更强的CPU，从而出现了 PCI总线。
3.3.3总线性能指标(1)
• 1、总线宽度：是指数据总线的根数，用bit（位） 表示，如8位、16位、32位、64位（也即8根、16根、 32根、64根数据线）。 • 2、最大传输率 (总线带宽)：总线本身所能达到的 最高传输速率，用MB/s（每秒多少兆字节）表示。
• 例：总线工作频率33.3MHz，总线宽度32位，则最大 传输率＝ 33.3×32/8＝132MB/s。
–如低电平表示逻辑“0”，并要求电平低于－3V；高电平 表示逻辑“1”，并要求高电平高于＋3V。
• 3、功能特性：是指总线中每根信号传输线的功能。 • 4、时间特性：是指总线中的任一根信号传输线在 什么时间内有效。
–为了正确传输数据信息，每条总线上的各种信号，互相 存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用 信号时序图来描述。
＝总线宽度/8*总线时钟频率
• 解：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，
（1）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
• SCSI：Small Computer System Interface—小型计算机 系统接口。SCSI总线主要用于光驱、音频设备、扫描仪、 打印机以及像硬盘驱动器这样的大容量存储设备等的连接， 是一种直接连接外设的并行I/O总线。 • USB：Universal Serial Bus——通用串行总线，是一种 连接外围设备的I/O总线，具有即插即用、热拔插等优良 特点。
3.4 总线结构 3.4.1 单总线结构
系统总线
CPU
主存
设备 接口
·· 适配器 ·· ·· ·· 设备 ·· ··
设备
系统总线含DBUS，ABUS，CBUS 特点：结构简单，易于扩充; 多部件共用一根总线，分时工作,传输效率较低。
单总线速度瓶颈
3.4.2 双总线结构
系统总线
CPU
内存
设备 接口
–由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同一电路 在不同的工作频率下，总线的负载也是不同的。因此， 总线负载能力的指标是不太严格的。
• 7、其他：如电源电压是5V还是3.3V、总线能否扩展 至64位宽度等。
课堂练习与思考：
D 1.总线中地址线的用处是______。 A.选择主存单元地址 B. 选择进行信息传输的设备 C. 选择外存地址 D. 指定主存单元和I/O设备接口电路的选择地址 2.系统总线中控制线的功能是______。 A A.提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号 B.提供数据信息 C.提供时序信号 D.提供主存、I/O接口设备的响应信号 A 3.在______的微型计算机系统中，外设可和主存贮器单元统一 编址 ，因此可以不使用I / O指令。 A.单总线 B.双总线 C.三总线 D.多总线
图形
多媒体
局域网
FAX 扩展总线
扩展总线接口
调制解调器
串行接口
3.4.5 总线结构举例
1.
CPU
标准总线控制器 8MHz，16位数据通路 ISA, EISA,……
传统微型机总线结构
系统总线（33MHz 32位数据通路） 主存控制器 主存
SCSI-2 控制器
高性能图形
多媒体
高速局域网
调制解调器
图文传真
• EISA：Extended Industry Standard Architecture —— 扩展工业标准体系结构
–EISA是一种在ISA基础上扩充开放的总线标准 –地址总线32位 –数据总线32位 –总线的时钟频率为8MHz –最大传输率33MB/s
MCA、STD
• MCA：Micro Channel Architecture——微通道体系 结构，32位标准总线，最大传输率40MB/s。
目前流行的总线标准
• • • • • • • ISA EISA VESA PCI MCA STD ……
ISA、EISA
• ISA：Industry Standard Architecture——工业标 准体系结构，又称AT总线
–24位地址线（可直接寻址的内存容量为16MB） –62+36引脚 –8/16位数据线 –最高时钟频率8MHz –最大传输率16MB/s
VL-BUS、PCI
• VL-BUS：是由VESA（Video Electronic Standard Association，视频电子标准协会）提出来的局部 总线标准，也称为 VESA总线。
–数据总线32位 –总线时钟频率33MHz –配有局部控制器，将高速设备直接挂在CPU的总线上， 实现CPU与高速外设之间的高速数据交换