计算机组成与系统结构课件讲义.ppt

1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构 xx 副教授单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构第1章 计算机系统概论第2章 运算方法和运算器第3章 存储系统第4章 指令系统第5章 中央处理器（CPU）第6章 总线系统第7章 输入输出（I/O）系统第8章 并行计算机系统单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述第6章 总线系统总线是计算机系统

2、中多个功能部件之间进行数据传送的公共通路提供了信息传输和功能扩展的通道采用总线结构方式，主要是由于其在系统设计、生产、使用和维护方面具有诸多的优越性单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述6.1 总线系统概述6.1.1 总线的基本概念6.1.2 总线的内部结构6.1.3 总线接口6.1.4 总线的连接方式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述数字计算机是由若干个系统功能部件构成的这些部件连接在一

3、起才能形成完整的计算机系统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由系统中各个功能部件所共享总线的特点在于其公用性可同时挂接多个部件或设备借助于总线连接，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单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述一个单处理器系统中的总线，大致可分为三类：内部总线系统总线外部总线单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构

4、6.1 总线系统概述内部总线CPU内部连接各寄存器及运算部件的总线单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述系统总线CPU同计算机系统的其他功能部件（如存储器、通道等）连接的总线系统总线有多种标准接口从16位的ISA，到32/64位的PCI、AGP乃至PCI Express系统总线中包括局部总线局部总线是系统总线向多层结构发展的结果单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述外部总线用来连接外部设备或其

5、他计算机的总线，又称为I/O接口如用于连接并行打印机的Centronics总线用于串行通信的RS-232总线、通用串行总线USB和IEEE-1394用于硬磁盘接口的IDE、SCSI总线等单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述6.1.1 总线的基本概念1.总线的特性2.总线的标准化3.总线的主要参数单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述1.总线的特性1）物理特性2）功能特性3）电气特性4）时间特

6、性单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述1）物理特性指总线的物理连接方式包括总线的根数，总线的插头插座的形状，引脚线的排列方式等单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述2）功能特性描述总线中每一根线的功能地址总线的宽度指明了总线能够直接访问的存储器地址空间范围；数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外设所能交换数据的位数；控制总线包括CPU发出的各种控制命令（如存储器读/写、I/O读/写等），请求

7、信号与仲裁信号，外设与CPU的时序同步信号，中断信号，DMA控制信号等等单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述3）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）例如，IBM PC/XT总线的A0A19是地址输出线，D0D7是双向数据线，既可作为数据输入线又可作为数据输出线总线的电平都符合TTL电平的定义单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统

8、结构6.1 总线系统概述4）时间特性定义每根线在什么时间有效即规定总线上各信号有效的时序关系单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述2.总线的标准化对于相同的指令系统、相同的功能，不同厂家生产的功能部件在具体实现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这是由于它们都遵守了相同的系统总线要求IBM PC兼容微机系统中采用的标准总线ISA总线（16位，带宽16MB/s）EISA总线（32位，带宽33MB/s）VESA总线（32位，带宽133MB/s）PCI总线（64位，带宽533MB

9、/s）单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述3.总线的主要参数1）总线宽度2）总线频率3）总线带宽单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述1）总线宽度总线宽度总线能同时传送的数据的二进制位（bit）数如16位总线、32位总线指的就是总线具有16位或32位的数据传输能力单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总

10、线系统概述2）总线频率总线频率总线的实际工作频率也就是一秒钟传输数据的次数是总线工作速度的一个重要参数工作频率越高，速度越快总线频率通常用MHz表示如33MHz、100 MHz、400 MHz、800 MHz等1Hz=1/s单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述3）总线带宽总线带宽总线本身所能达到的最高数据传输速率单位是兆字节每秒（MB/s）是衡量总线性能的重要指标总线带宽越宽，传输效率也就越高总线带宽与总线宽度和总线频率的关系：(MHz)总线频率(bit/B)8(bit)总线宽度(MB/s)

11、总线带宽单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述【例6-1】某总线在一个总线周期中并行传送32位数据，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，总线带宽是多少?如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，总线带宽是多少?【解】总线带宽=(32bit/8bit/B)33MHz=(32bit/8bit/B)33M/s=132MB/s 总线带宽=(64bit/8bit/B)66MHz=(64bit/8bit/B)66M/s=528MB/s 单击此处编辑母版标

12、题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述6.1.2 总线的内部结构1早期总线的内部结构2当代总线的内部结构单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述1早期总线的内部结构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FLASH演示这种简单的总线一般由50100根信号线组成按功能特性可分为：数据（总）线、地址（总）线、控制（总）线单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统

13、结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述1）数据总线数据总线（Data Bus，DB）是在计算机系统各部件之间传输数据信息的信号线，数据总线是双向的数据线的根数称为数据总线的宽度，通常为8、16、32或64由于每根数据线每次传送1位二进制数，所以数据线的根数决定了每次能同时传送的二进制的位数数据总线的宽度是表现系统总体性能的关键因素之一如果数据总线的宽度为8位，而指令长度为16位，那么在每个指令周期中需要两次访问存储器才能取回完整的16位指令单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总

14、线系统概述2）地址总线地址总线（Address Bus，AB）是在计算机系统各个部件之间传输地址信息的信号线用来规定数据总线上的数据来自何处或将被送往何处地址总线是单向的如果CPU要从存储器中读取一个信息，将要读取的信息的存储器地址放到地址总线上从给定的存储器地址中取出所需要的信息地址总线的宽度决定了计算机系统能够使用的最大的存储器容量单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述3）控制总线控制总线（Control Bus，CB）是在计算机系统各部件之间传输控制信息的信号线作用是对数据总线、地址总线

15、的访问及使用实施控制控制线中每一根线都是单向的用来指明数据传送的方向、中断请求和定时控制等控制总线上传输的控制信息，其作用就是在计算机系统各个部件之间发送操作命令和定时信息命令信息规定了要执行的具体操作定时信息则规定了数据信息和地址信息的时效性单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述随着计算机技术的发展，这种简单总线结构逐渐暴露出一些不足：第一，CPU是总线上的惟一主控者即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但是仍不能满足多CPU环境的要求第二，总线信号是CPU引脚信号的

16、延伸所以总线结构与CPU紧密相关，通用性较差单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述2当代总线的内部结构当代总线是一些标准总线FLASH演示追求与结构、CPU、技术无关的开发标准满足包括多CPU在内的主控者环境需求单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述在当代总线结构中，CPU与Cache作为一个模块与总线相连系统中允许存在多个这样的处理器模块总线控制器负责在几个总线请求者之间进行协调与仲裁整个总

17、线结构分成四个部分：1）数据传送总线2）仲裁总线3）中断和同步总线4）公用线单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述1）数据传送总线由地址线、数据线、控制线组成，结构与早期总线类似，有32条地址线，32或64条数据线2）仲裁总线包括总线请求线和总线授权线3）中断和同步总线处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线4）公用线包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述

18、计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述6.1.3 总线接口外围设备种类繁多，速度各异，不可能简单地把外围设备全部连接到CPU上，而是将外围设备同适配器（Adapter）部件连接起来通过适配器实现高速CPU与低速外设间工作速度上的匹配和同步完成计算机和外设间的所有数据传送和控制适配器通常称为接口（Interface）单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述接口就是指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件接口部件在动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送

19、一个典型的计算机系统具有不同类型的外围设备，因而会有不同类型的接口单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述CPU、接口和外围设备间的连接关系FLASH演示外围设备本身带有设备控制器通过接口接收来自CPU的信息，并将信息传送到设备或者从设备中读出信息传送到接口，由接口传给CPU由于外围设备种类繁多且速度不同，因而每种设备都有适应自己工作特点的设备控制器外围设备本身与它自己的控制电路，统称为外围设备单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计

20、算机组成与系统结构6.1 总线系统概述为使所有外围设备彼此兼容并能在一起工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法不管什么外围设备，只要选用某种数据传送方法，并按其规定通过总线和主机连接，就可以进行信息交换通常在总线和每个外围设备的设备控制器之间，使用一个适配器（接口）电路来保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送和接收信息接口逻辑通常做成标准化的部件，称为标准接口一个标准接口可连接一个设备，也可连接多个设备单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述典型的接口通常具有如下功能：1）控制接口靠程序

21、的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等2）缓冲接口在外围设备和计算机系统其他部件间起缓冲器作用，用以补偿各种设备在速度上的差异3）状态接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息，供CPU查询外围设备时进行分析之用单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述4）转换接口可完成所要求的数据转换工作，如并串转换或串并转换，数据能在外围设备和CPU间正确传送5）整理接口可完成一些特别的功能，如在需要时修改字计数器或当前主存地址寄存器6）程序中断每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即向CPU发出

22、中断请求信号；如果设备完成了一个操作或设备发生错误，接口也会产生中断单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述事实上，一个适配器必然有两个接口：一是和系统总线的接口CPU和适配器进行数据交换采用并行方式二是和外设的接口适配器和外设进行数据交换可采用并行方式，也可采用串行方式根据外围设备采用的数据交换方式的不同，适配器（接口）可分为串行数据接口和并行数据接口两大类单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概

23、述6.1.4 总线的连接方式总线的排列布置、总线与其他各类部件的连接方式，对计算机系统性能而言尤其重要根据连接方式的不同，单机系统中采用的总线结构可分成三种基本类型：单总线结构、双总线结构、三总线结构单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述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FLASH演示要求连接到总线上的逻辑部件都必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权，当不再使用总线时也能迅速放弃总线控制权否则，由于一条总线由多个

24、功能部件共用，有可能导致很大的时间延迟单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述在单总线系统中，对输入/输出设备的操作与主存的操作方法完全一样当CPU把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字段对应的地址是主存地址，则主存予以响应，在CPU和主存间发生数据传送数据传送的方向由指令操作码决定如果该地址字段对应的地址是外围设备地址，则外围设备予以响应，在CPU和对应的外围设备间发生数据传送数据传送的方向也由指令操作码决定单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6

25、.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述在单总线系统中，某些外围设备也可以指定地址外围设备通过与CPU中的总线控制部件交换控制信号的方式占有总线一旦外围设备得到总线控制权，就可以向总线发送地址信号，指定要与哪一个设备进行信息交换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（Direct Memory Access，DMA）单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述单总线结构的优点容易扩展成多CPU系统只要在系统总线上挂接多个

26、CPU即可单总线结构的缺点由于所有逻辑部件都挂在同一个总线上，因此总线只能分时工作即某一个时间只能允许一对部件之间传送数据这就使信息传送的吞吐量受到限制单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述2.双总线结构双总线系统结构在CPU和主存间设置了一组高速的存储总线FLASH演示使CPU可通过专用的存储总线与存储器交换信息，减轻系统总线的负担同时主存仍可通过系统总线与外设进行DMA操作，而不必经过CPU当然，这种双总线系统是以增加硬件为代价的单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级

27、计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述3.三总线结构三总线系统结构是在双总线系统基础上增加I/O总线形成的FLASH演示系统总线是CPU、主存和通道（IOP）之间进行数据传送的公共通路I/O总线是多个外围设备与通道之间进行数据传送的公共通路单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述DMA方式中，外设与主存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通道方式I/O可进一步提高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 Processor，I/O处理器）分担CPU的一部分功能，实现对外设的统一管理，完成外设与主存之间的数据传送由于增加了IOP，整个系统的工作效率可以大大提高然而，这是以增加更多的硬件为代价的单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述本讲到此结束，谢谢！单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级计算机组成与系统结构6.1 总线系统概述