硬件第6章2009.ppt

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1、制作人天津大学制作人天津大学 迟丽华等迟丽华等2009年年1月月第6章 总线结构第 6 章 总线结构主要内容n总线的基本概念和分类总线的基本概念和分类n总线的基本功能总线的基本功能n总线的性能指标总线的性能指标n常用系统总线和外部总线常用系统总线和外部总线2第 6 章 总线结构6.1 总线基本概念n总线概念总线概念n总线分类及其特点总线分类及其特点下面分别介绍下面分别介绍3第 6 章 总线结构总线(BUS)一般概念n概念：概念：总线总线是是一组一组导线导线和相关控制、驱动和相关控制、驱动电路电路的的集集合合n作用：作用：计算机系统各部件传输信息计算机系统各部件传输信息的的通路通路n使用：使用：

2、任一时刻，只能有一个部件任一时刻，只能有一个部件/设备使用总线发设备使用总线发 送数据，其他部件只能处于接收数据状态送数据，其他部件只能处于接收数据状态n指标：指标：总线位宽、总线带宽、工作频率总线位宽、总线带宽、工作频率部部件件部部件件部部件件4第 6 章 总线结构6.1.1 总线分类按传送信息的类型按传送信息的类型按相对按相对CPU的位置的位置地址总线地址总线(AB)Address Bus数据总线数据总线(DB)Data Bus控制总线控制总线(CB)Control Bus片内总线片内总线/内部总线内部总线(CPU内部内部)片外总线片外总线(CPU与内存与内存,CPU与与I/O接口接口)接

3、下页接下页5第 6 章 总线结构总线分类(按层次结构划分)1、CPU总线总线/前端总线前端总线(直接由直接由CPU引脚引出的总线引脚引出的总线)CPU与外界的连接线与外界的连接线 CPU与微机内部各外围芯片之间的总线与微机内部各外围芯片之间的总线，用于芯片用于芯片一级互连一级互连2、系统总线、系统总线(连接主板上的各个插接板连接主板上的各个插接板)各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连 如如 ISA和和EISA总线总线3、局部总线、局部总线(下页下页)4、外部总线、外部总线(下页下页)6第 6 章 总线结构总线分类(按层次结构划分)3、

4、局部总线、局部总线(只出现在只出现在80386以后的微机系统以后的微机系统)CPU总线与系统总线之间的总线。如总线与系统总线之间的总线。如 PCI总线总线4、外部总线、外部总线(主机与外设接口主机与外设接口)用于设备一级的互连用于设备一级的互连 微机和外设之间的总线，微机作为一种设备，通过外部总微机和外设之间的总线，微机作为一种设备，通过外部总 线与其他设备交换信息。如线与其他设备交换信息。如 USB、IEEE13947第 6 章 总线结构6.1.2 总线结构总线系统结构总线系统结构 单总线结构单总线结构双总线结构双总线结构多总线结构多总线结构下面分别介绍下面分别介绍8第 6 章 总线结构单总

5、线结构n内存与内存与I/O共用同一总线，两者分时工作共用同一总线，两者分时工作n同样看待内存与同样看待内存与I/O，兼顾两者特点兼顾两者特点n缺点缺点:高速存储器与低速高速存储器与低速I/O接口竞争总线，影响存储器读写速度接口竞争总线，影响存储器读写速度I/OCPU M MBUSMemoryInput/OutputI/OI/O9第 6 章 总线结构双总线结构(面向CPU)CPU M I/O I/O I/OBUSBUSn面向面向CPU的双总线结构的双总线结构n内存与内存与I/O之间传输数据需要之间传输数据需要CPU转发转发10第 6 章 总线结构双总线结构(面向存储器)n面向存储器的双总线结构，

6、内存与面向存储器的双总线结构，内存与I/O可以直接传输数据可以直接传输数据n结构复杂、造价高、效率高结构复杂、造价高、效率高CPUM I/O I/O I/OBUSBUS11第 6 章 总线结构多总线结构n 拥有两个以上总线，不同设备使用不同总线，照顾各自特点拥有两个以上总线，不同设备使用不同总线，照顾各自特点 PCI总线总线(连高速设备连高速设备)AGP总线总线存储器总线存储器总线键盘、鼠标、串并口键盘、鼠标、串并口USBISA总线总线(连低速设备连低速设备)前端总线前端总线(CPU总线总线)桥：一些控制芯片桥：一些控制芯片12第 6 章 总线结构6.1.3 总线基本功能及主要性能指标基本功能

7、：基本功能：1.数据传送：在数据传送：在总线上总线上传送数据传送数据 2.仲裁控制：决定让哪个器件或设备使用总线仲裁控制：决定让哪个器件或设备使用总线3.总线驱动：驱动总线上连接的器件或设备总线驱动：驱动总线上连接的器件或设备4.出错处理：出错时进行处理出错处理：出错时进行处理器件或设备器件或设备器件或设备器件或设备BUS下面分别介绍下面分别介绍13第 6 章 总线结构一、数据传送方式在在总线上总线上传送数据，传送数据，传送方式有：传送方式有：1.同步方式同步方式(发送、接收同时，且发收时间固定发送、接收同时，且发收时间固定)2.异步方式异步方式(发送、接收不同时发送、接收不同时)3.半同步方

8、式半同步方式(发送、接收同时，发收时间可不固定发送、接收同时，发收时间可不固定)下面分别介绍下面分别介绍14第 6 章 总线结构同步方式传送数据n数据传送由公用时钟控制，发送、接收信号在固定时刻数据传送由公用时钟控制，发送、接收信号在固定时刻n即数据的发送、接收同时进行即数据的发送、接收同时进行n简单，适合速度相当的发、收部件简单，适合速度相当的发、收部件同同步步方方式式示示意意图图接收端接收信息接收端接收信息发送端发出信息发送端发出信息 time1 time2 time3 15第 6 章 总线结构异步方式传送数据n 数据的发、收不在同一时刻，即发、收不同步，有时间延迟数据的发、收不在同一时刻

9、，即发、收不同步，有时间延迟n不用时钟控制传送，为识别数据，增加不用时钟控制传送，为识别数据，增加“请求请求”和和“应答应答”信信号号n 即采用应答方式即采用应答方式(握手方式握手方式)控制传送控制传送n 发送方发出时，发出请求信号发送方发出时，发出请求信号Request，以通知接收方，以通知接收方n 接收方收到数据后，发响应信号接收方收到数据后，发响应信号Acknowledge，以通知发送，以通知发送方方16第 6 章 总线结构半同步方式传送数据n结合结合(混合混合)同步、异步两种方式的优点。同步、异步两种方式的优点。n在固定时刻发送、接收数据，时机不固定。在固定时刻发送、接收数据，时机不固

10、定。n发送间隔可变，间隔时间是时钟周期的倍数。发送间隔可变，间隔时间是时钟周期的倍数。n适用设备速度差异较大的简单系统。适用设备速度差异较大的简单系统。17第 6 章 总线结构二、仲裁控制(判优控制)n 仲裁控制：仲裁控制：在多设备总线系统中，根据一定的判决原理，决定在多设备总线系统中，根据一定的判决原理，决定某一时刻让哪一个设备使用总线。某一时刻让哪一个设备使用总线。n 仲裁方法：仲裁方法：链式查询方式链式查询方式 计数器查询方式计数器查询方式 独立请求方式等独立请求方式等下面分别介绍下面分别介绍18第 6 章 总线结构链式查询方式(不要求)BG线：按链式串联结构与各设备连接，排在前面的优先

11、级别高线：按链式串联结构与各设备连接，排在前面的优先级别高特点：特点：信号线少，便于扩充设备信号线少，便于扩充设备设备设备1设备设备2BG总线回答线总线回答线设备设备nBR总线请求线总线请求线总总线线控控制制部部件件数据和地址总线数据和地址总线BS总线忙线总线忙线19第 6 章 总线结构计数器查询方式(不要求)BR总线请求线总线请求线BS总线忙线总线忙线总总线线控控制制部部件件数据和地址总线数据和地址总线设备设备2设备设备n设备设备1设备地址设备地址当当设备设备通过通过BR总线申请使用总线时，总线控制部件接到申请后，在总线申请使用总线时，总线控制部件接到申请后，在BS=0时让时让计数器开始计算

12、，若计数值与哪个设备的地址相同，它获得计数器开始计算，若计数值与哪个设备的地址相同，它获得总线使用权。可根据计数器初值改变设备优先级别总线使用权。可根据计数器初值改变设备优先级别计数器初值计数器初值=0：设备优先级别等价链式查询方式：设备优先级别等价链式查询方式计数器初值计数器初值=上次计数的中止值：每个设备的优先级别相同上次计数的中止值：每个设备的优先级别相同20第 6 章 总线结构独立请求方式(不要求)总总线线控控制制部部件件数据和地址总线数据和地址总线设备设备2BR2BG2设备设备1BR0BG0设备设备nBRnBGn每个每个设备有自己独立的设备有自己独立的BR总线请求线总线请求线、BG总

13、线回答线总线回答线总线控制部件中的优先排队电路根据总线控制部件中的优先排队电路根据优先次序确定响应哪个设备的请求优先次序确定响应哪个设备的请求特点：响应快、灵活、信号线多特点：响应快、灵活、信号线多独立的线独立的线80X86微机中采用独立请求方式微机中采用独立请求方式21第 6 章 总线结构三、总线驱动n总线驱动总线驱动:驱动或隔离连到总线的器件，需要时驱动，不需要时隔离驱动或隔离连到总线的器件，需要时驱动，不需要时隔离n常见总线驱动器芯片：三态门驱动器、锁存器常见总线驱动器芯片：三态门驱动器、锁存器器件器件总线驱动器芯片总线驱动器芯片驱动驱动(导通导通)：数据通过数据通过隔离隔离(不导通不导

14、通)：数据不通过：数据不通过数据输入数据输入数据输出数据输出系系统统总总线线总线驱动器件总线驱动器件22第 6 章 总线结构三态门总线驱动器输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE输入输入输出输出OE输入输入输出输出OEOE高电位导通高电位导通OE低电位导通低电位导通总线驱动器件总线驱动器件23第 6 章 总线结构典型总线驱动器芯片n74LS244：8总线驱动器总线驱动器n内部包含内部包含8个单向三态门，分成两组，分别控制个单向三态门，分成两组，分别控制74LS244E1E21A11A21A31A42A12A22A32A41Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41组输出组输出2组输出组

15、输出1组输入组输入2组输入组输入24第 6 章 总线结构四、出错处理n数据传送中会发生错误，要能发现、处理错误数据传送中会发生错误，要能发现、处理错误n可利用某种校验方法检测。例如，用可利用某种校验方法检测。例如，用1位数据做偶位数据做偶校验位，当数据中校验位，当数据中1的个数为偶数时，传送正确的个数为偶数时，传送正确例例 要传送的数据是要传送的数据是 1000011 若收到的数据是若收到的数据是 1 1000011，则传送正确则传送正确 若收到的数据是若收到的数据是 1 1000010，则传送出错则传送出错25第 6 章 总线结构总线主要性能指标n 总线带宽总线带宽(B/S)：单位时间内总线

16、上可传送的字节数量：单位时间内总线上可传送的字节数量n 总线位宽总线位宽(Bit)：能同时传送的数据位数，如能同时传送的数据位数，如3232位、位、6464位位n 工作频率工作频率(MHz)：也称时钟频率，也称：也称时钟频率，也称CPU主频主频 n 计算公式：总线带宽计算公式：总线带宽=(总线位宽总线位宽/8)工作频率工作频率 例例 CPU工作频率工作频率66MHz，32位总线，求位总线，求 总线带宽总线带宽=？答答 总线带宽总线带宽=32/8 66 =264 MB/S26第 6 章 总线结构6.2 常用总线标准n 总线标准是为计算机系统中互连各个模块制定的标准总线标准是为计算机系统中互连各个

17、模块制定的标准(规范规范)n 为计算机接口的软、硬件设计提供方便为计算机接口的软、硬件设计提供方便n 内容包括：内容包括：1)1)机械结构规范机械结构规范 规定模块尺寸、总线插头、边沿连接器等的规格。规定模块尺寸、总线插头、边沿连接器等的规格。2)2)功能结构规范功能结构规范 规定引脚名称、功能以及相互的作用。是总线规定引脚名称、功能以及相互的作用。是总线标准的标准的核心。核心。3)3)电气规范电气规范 规定信号规定信号逻辑电平、负载能力、最大额定值及动态转换时间等逻辑电平、负载能力、最大额定值及动态转换时间等 27第 6 章 总线结构6.2.1 系统总线n系统总线：机箱内的底板总线、也称板级

18、总线或系统总线：机箱内的底板总线、也称板级总线或I/O通道总线通道总线 用于连接构成微机的各个插件板，用于连接构成微机的各个插件板，即即连接连接I/O接口卡或接口卡或I/O适配器适配器 n常用系统总线标准常用系统总线标准:ISA、EISA、PCI、AGP看图片看图片28第 6 章 总线结构主板系统总线插槽多个多个PCI总线总线插槽插槽(白色白色)1个个AGP插槽插槽ISA总线插槽总线插槽单击图片看插卡单击图片看插卡到系统总线录像到系统总线录像下面分别介绍下面分别介绍29第 6 章 总线结构1.ISA总线(早期总线)nIndustry Standard Architecture(工业标准总线工业

19、标准总线)n用于用于IBM-PC/XT、AT机及其兼容机机及其兼容机n早期流行，当今早期流行，当今PC机只保留一个机只保留一个ISA插槽，或不保插槽，或不保留留ISA总线插槽总线插槽30第 6 章 总线结构2.EISA总线Extended Industry Standard Architecturen 扩展的扩展的ISA总线总线n 16位总线，与位总线，与ISA兼容兼容n 用于用于286、386微机微机n EISA插槽既可插插槽既可插ISA插卡，又可插插卡，又可插EISA插卡插卡313.PCI总线PCI：Peripheral Component Interconnectn为适应多媒体信息实时性

20、为适应多媒体信息实时性开发，开发，一般为一般为白色白色。n使计算机能高速传输多媒体信息，确保图像、声音能连续显示和播放，使计算机能高速传输多媒体信息，确保图像、声音能连续显示和播放，不出现间断现象。不出现间断现象。n可插可插PCI显示卡、显示卡、PCI声卡、声卡、PCI视频捕捉卡和视频捕捉卡和PCI网卡等。网卡等。n独立于微处理器，任何独立于微处理器，任何CPU都可使用都可使用PCI总线总线n即插即用即插即用(Plug and Play)，32位位/64位数据信号位数据信号n通过通过PCI桥与桥与CPU连接连接(北桥北桥)n总线时钟频率：总线时钟频率：33MHz、66MHzn传送速率：传送速率

21、：133MB/S、266MB/S、533MB/S32第 6 章 总线结构4.AGP专用总线n Accelerated Graphics Port(高速图形接口高速图形接口)n 图形显示卡专用总线，系统只支持图形显示卡专用总线，系统只支持一个一个AGP扩展插槽扩展插槽 n在系统主存和视频卡之间提供一条通道，突破在系统主存和视频卡之间提供一条通道，突破PCI瓶颈瓶颈n 提高视频卡与内存传输数据的速度，提高提高视频卡与内存传输数据的速度，提高3D图形处理能力图形处理能力AGP图形图形/存储器控制器存储器控制器/PCI桥桥图形显示卡图形显示卡PCICPUI/OI/OI/O显示存储器显示存储器系统内存系

22、统内存AGP与与PCI比较比较33第 6 章 总线结构AGP与PCI的关系 AGP仅是一种专用接口，不能取代仅是一种专用接口，不能取代PCI总线。总线。AGP标准与标准与PCI标准完全兼容。标准完全兼容。AGP不是不是PCI的升级版本，其插槽与的升级版本，其插槽与PCI不兼容。不兼容。AGP是对是对PCI的扩充与增强的扩充与增强 保留保留PCI接口信号基础上，增加新接口信号接口信号基础上，增加新接口信号 保留保留PCI原协议基础上，增加新协议，即原协议基础上，增加新协议，即AGP协议。既可用协议。既可用PCI协议传协议传输数据，也可用输数据，也可用AGP协议传输，还可用混合协议协议传输，还可用

23、混合协议(两种协议结合两种协议结合)传输。传输。34第 6 章 总线结构AGP其他特点 n具有具有2X、4X、8X的数据传输率的数据传输率 如，如，8X是每周期传送是每周期传送8个个32位数据位数据n数据的读数据的读/写操作采用流水线操作写操作采用流水线操作n地址信号与数据信号分离，提高访问内存速度地址信号与数据信号分离，提高访问内存速度n并行操作并行操作(CPU访问访问RAM时，时，AGP显示卡可访问显示卡可访问AGP内内存，显示卡独享存，显示卡独享AGP总线总线)35第 6 章 总线结构n也称也称机外总线机外总线、用户总线用户总线n用于计算机主机连接外设用于计算机主机连接外设n常用外部总线

24、有常用外部总线有USBUSB、IEEE1394IEEE1394等等6.2.3 外部总线下面分别介绍下面分别介绍36第 6 章 总线结构1.USB总线Universal Serial Bus(通用串行总线通用串行总线)n主机与外设的接口主机与外设的接口n4根芯线根芯线(2根数据线、根数据线、1根地线、根地线、1根电源线根电源线)n适合多种设备，即插即用，可热插拔适合多种设备，即插即用，可热插拔n无需用户设定，自动配置，不需另备电源无需用户设定，自动配置，不需另备电源n可靠，低成本，低功耗可靠，低成本，低功耗n具有级联方式，可智能识别链上外设的插拔具有级联方式，可智能识别链上外设的插拔n速度较快，

25、传送速率满足大多数外设要求，有速度较快，传送速率满足大多数外设要求，有1.5Mb/s、12Mb/s、480Mb/s37第 6 章 总线结构2.IEEE1394Fire Wiren 串行接口标准，一种连接外设的机外总线串行接口标准，一种连接外设的机外总线n 纯数字接口，不必将数字信号转变成模拟信号纯数字接口，不必将数字信号转变成模拟信号 n 可连接家电，如数码相机、可连接家电，如数码相机、DVD播放机、视频电话播放机、视频电话n 可连接硬盘、打印机、扫描仪可连接硬盘、打印机、扫描仪38第 6 章 总线结构本章要求掌握的内容n总线的基本概念、分类、基本功能、主要指标总线的基本概念、分类、基本功能、

26、主要指标n系统总线和常用系统总线标准系统总线和常用系统总线标准(PCI、AGP)n外部总线和常用外部总线标准外部总线和常用外部总线标准(USB、IEEE1394)39第 6 章 总线结构简答题(更多习题见教材)1.1.什么是总线？简述总线的四个基本功能。什么是总线？简述总线的四个基本功能。2.2.按传送信息的类型划分，按传送信息的类型划分，CPUCPU总线包括哪三类总线包括哪三类？3.3.总线主要指标是什么？如何计算总线带宽？总线主要指标是什么？如何计算总线带宽？4.4.什么是系统总线？写出几种常用系统总线标什么是系统总线？写出几种常用系统总线标准。准。5.5.什么是外部总线？写出几种常用系统总线标什么是外部总线？写出几种常用系统总线标准。准。6.6.外部总线外部总线USBUSB的特点，哪些设备使用的特点，哪些设备使用USBUSB总线总线？40