计算机组织与结构课件 第6章 总线与接口组织..ppt

公司 徽标 第6章 总线与接口组织 本章结构 16.1 互连结构 26.2 总线互连 36.3 总线标准及举例 46.4 外部总线接口 6.1 互连结构 § CPU、存储器和输入输出接口需要交换的 信息种类 ： § 几种常见的部件互连结构 环型 全互连 星型 总线型 6.2 总线互连 § 总线的基本概念 § 总线互连结构 § 总线的控制方式 1.总线的基本概念 § 总线（BUS）是一组信号线，用于将两个 或两个以上部件连接起来，形成部件之间 的公共通信通路，每个部件将自己的信号 线与总线相连 § 总线具有以下两个最主要的特点： ›共享性总线是供所有部件进行通信所共享的， 任何两个部件之间的数据传输都是通过共享的公 共总线进行的 ›独占性一旦有一个部件占用总线与另一个部件 进行数据通信，其它部件就不能再使用总线，也 就是说，一个部件对总线的使用是独占的 § 根据总线的功能划分，总线包括 ›地址总线（Address Bus，AB） ›数据总线（Data Bus，DB） ›控制总线（Control Bus，CB） § 另外，总线也提供电源线和接地线等。

§ 地址总线：地址总线上传送的是由CPU等 主设备发往从设备的地址信号当CPU对 存储器或I/O接口进行读写时，必须首先给 出所要访问的存储器单元的地址或I/O端口 的地址，并在整个读写周期一直保持有效 § 数据总线：数据总线上传送的是各部件之 间交换的数据信息数据总线通常是双向 的，即数据可以是由从设备发往主设备（ 称为读或输入），也可以是由主设备发往 从设备（称为写或输出） § 控制总线：控制总线上传送的是一个部件 对另一个部件的控制或状态信号，如CPU 对存储器的读、写控制信号，外部设备向 CPU发出的中断请求信号等 § 总线按其所连接的不同部件或设备划分包 括以下几类： ›系统总线 ›局部总线 ›外部总线 § 系统总线 ：用于将CPU、存储器和输入输 出接口及I/O通道连接起来的一组信号线就 称为系统总线 § 例：ISA、EISA、MCA、STD、VME、 MultiBus、PCMCIA、PCI等 § 局部总线 ：随着计算机对CPU访存速度和 图像处理速度的要求越来越高，现代机器 往往采用多总线结构设计，即将CPU与存 储器及显示器适配器相连接的信号线从系 统总线中分离出来，形成CPU与存储器和 CPU与显示器适配器之间的专用总线，称 为局部总线。

§ 外部总线 ：外部总线主要是指计算机与计 算机、计算机与外部设备之间的通信总线 § 例如，用于微型计算机之间进行串行数据 通信之用的RS-232/RS-485接口标准，近 几年发展和流行起来的微机与外部设备之 间的USB和IEEE1394通用串行总线接口标 准等 § 衡量总线性能的主要技术指标是总线带宽 ，它是指总线所能达到的最高数据传输率 ，单位是兆字节/秒（MB/s） 2.总线互连结构 § 计算机各部件之间的总线互连结构随着计算 机性能的不断提高也在不断发生着变化，这 种变化主要体现在两个方面： ›一是由单总线结构向多总线结构发展； ›二是通过增加局部总线，提高CPU与一些部件之 间数据交换的速度 § 单总线结构：CPU、存储器和各种设备接口之间 通过单条总线相连 § 局部总线结构 § 多总线结构：根据所连接部件或设备性能 的不同，在机器系统中配置多条总线，原 则上根据部件或设备的速度进行分类，将 高速部件通过高速总线与CPU互连，低速 部件通过低速总线与CPU互连 § 多总线结构例 3. 总线的控制方式 § 总线的仲裁 § 总线的定时 § 总线的数据传输 总线的仲裁 § 对主设备占用总线进行裁决。

§ 按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式 分为集中式仲裁和分布式仲裁两种 § 集中式仲裁：由一个称为总线控制器或仲 裁器的硬件设备负责对多个主设备使用总 线申请的裁决 § 常用的集中式仲裁方式主要有：链式查询 方式、计数器定时查询方式和独立请求方 式等 § 采用独立请求方式的集中式总线仲裁电路图 § 分布式仲裁：总线仲裁电路分散于连接在总线上的 各个主设备中 § 分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个主设备都有自 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 总线的定时 § 总线的定时是指为完成一次总线操作主、 从设备所给出的地址、数据及控制信号在 时序上的关系 § 总线的时序关系分为同步时序和异步时序 § 同步时序：总线中包含有一条时钟信号线 ，总线上的所有操作都与时钟信号同步 § 时钟信号是一个由等宽的高、低电位交替 出现的规则信号，一次高、低电位的交替 称为一个时钟周期 § 每一个时钟周期中都含有一个上升沿和一 个下降沿，总线上的操作正是通过由时钟 周期的上升沿或下降沿触发来实现同步的 。

§ 一个典型的同步总线操作时序 § 同步时序的优点是控制简单、实现容易； 缺点是对各种操作来说总线周期往往是相 同的，这对于短操作（所需时间短）来说 ，在时间上就有些浪费 § 异步时序：在异步时序中，后一操作出现在总线 上的时刻取决于前一操作的发生，即前后操作建 立在应答式基础上，各种操作的产生不需要统一 的公共时钟信号 § 一个典型的异步总线操作时序 § 异步时序的优点是总线周期长度可变，这对 于快速和慢速的操作来讲都能做到高效；缺 点是控制复杂，需要以更多的硬件成本为代 价 总线的数据传输 § 当代的总线标准大都能支持以下四种模式的数据 传输： ›单个字的读、写操作 ›块传送操作 ›写后读、读后写操作 ›广播操作 § 单个字的读、写操作：即一次总线操作完成一个字 的或写操作，字的宽度通常与总线宽度一致读/ 写操作都是由主设备发起，读操作是由从设备到主 设备的数据传送；写操作是由主设备到从设备的数 据传送每次的字传输操作都是首先由主设备给出 字单元地址，然后给出读/写控制信号一次字的 读/写操作一般在一个总线周期完成 § 块传送操作：又称为猝发式传送每次完成一个 数据块的传输，每次传输主设备只需给出数据块 的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一 个地读出或写入，直到一个数据块全部传输完成 。

§ 写后读、读后写操作：每次操作只给出地址一次 ，然后对同一地址单元的内容或进行“先写后读” 操作，或进行“读后写”操作先写后读”操作主要 用于对如存储器的校验，即将一个数据先写入某 一地址单元，然后读出比较，据此判定存储单元 是否存在故障读后写”操作用于多道程序系统 中对共享存储资源的保护无论是“先写后读”还 是“读后写”，整个操作都是不可分的 § 广播操作：总线传送通常是在一个主设备和 一个从设备之间进行，但有些总线允许一个 主设备同时对多个从设备进行写操作，这种 操作称为广播 6.3 总线标准及举例 § 总线标准 § ISA总线 § PCI总线 § 现代微机总线配置 1.总线标准 § 总线标准是指芯片之间、部件之间、插板 之间或系统之间通过总线进行连接和通信 时应遵守的一些协议与规范 § 总线标准主要定义以下几个方面特性（规范）： ›物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线信号线 的条数，总线的插头、插座的形状和物理尺寸，引脚 线的排列方式等 ›电气特性：定义每一条线上信号的传递方向及有效电 平范围 ›功能特性：描述总线中每一条线的功能，如定义地址 线、数据线和各种控制及状态信号线。

›时间特性：即定义信号线之间的时序关系 2. ISA总线 § 1981年IBM公司推出了基于8088 CPU的IBM PC微型计算机，其上使用的是一个62条引脚 的XT总线 § 1984年IBM公司又推出了基于80286 CPU的 IBM PC/AT机，其上使用的总线称为AT总线 § AT总线是在原XT总线的基础上扩充而来，总 线引脚在原来的62条基础上增加了36条，从 而扩充到98条引脚 § 1987年IEEE以XT/AT总线为蓝本，定义了 工业标准体系结构ISA（Industry Standard Architecture），其中原XT总线定义为8位 ISA总线，原AT总线定义为16位ISA总线 ISA总线插槽 XT总线 62引脚插槽 AT总线新增 36引脚插槽 3. PCI总线 § Intel公司首先提出了PCI（Peripheral Component Interconnect）总线概念之后Intel联合IBM、 Compaq、AST、HP、 Apple、NCR、DEC 等 100多家公司共同开发总线，并于1993年推出了 PCI总线标准目前PCI已称为一种新的总线标准 ，广泛用于微机、工作站以及便携式计算机中。

§ PCI总线主要有以下一些特点： ›数据传输率高 ›支持猝发传输(Burst Transmission) ›支持多主设备 ›独立于处理器 ›支持即插即用(Plug and Play) ›适用于多种机型 § PCI总线的系统结构：PCI总线属于局部总 线，它支持多总线结构，允许PCI总线和 CPU总线及其它总线在同一个机器系统中 并存 § PCI总线和CPU总线及其它总线之间通过“ 桥”互连 § PCI总线信号定义 4. 现代微机总线配置 § 现代微型计算机采用的就是多总线结构， 如图6-12是一个典型的主板总线结构图 § 其中，北桥芯片（North Bridge）是主板芯片组中 起主导作用的最重要的组成部分，也称为主桥（ Host Bridge） § 北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP数 据等在北桥内部传输 § 北桥芯片就是主板上离CPU最近的芯片，这主要 是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切， 为了提高通信性能而缩短传输距离 § 一般来说，芯片组的名称就是以北桥芯片的名称 来命名的，例如Intel 845E芯片组的北桥芯片是 82845E，Intel 875P芯片组的北桥芯片是82875P 等等。

§ 南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI 总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控 制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高 级电源管理等 § 南桥芯片（South Bridge）是主板芯片组的另一重 要组成部分，一般位于主板上离CPU插槽较远的 下方，PCI插槽的附近，这种布局是考虑到它所连 接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线 § 南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的 方式（不同厂商各种芯片组有所不同）与北桥芯 片相连 知识拓展：前端总线 § 前端总线的英文名字是Front Side Bus，通常用 FSB表示，这个名称是由AMD公司在推出K7 CPU时提出的，它指的是将CPU连接到北桥芯片 的总线北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞 吐量最大的部件，并和南桥芯片连接CPU就是 通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通 过北桥芯片和内存、显卡交换数据 § 前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道， 因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能 影响很大，如果没有足够快的前端总线，再强的 CPU也不能明显提高计算机整体速度数据传输 最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传 输频率，即数据带宽＝（总线频率×数据位宽）/8 。

目前PC机上所能达到的前端总线频率有 266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、 800MHz等几种，前端总线频率越大，代表着 CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大，更能 充分发挥出CPU的功能在同等条件下，前端总 线越快，系统性能越好 § 前端总线的频率与计算机外频是两个不同 的概念，通常所说的外频指的是CPU与主 板连接的速度，这个概念是建立在数字脉 冲信号震荡速。