第04讲第3章系统总线(34-35)
第三章总线20190908
大连理工大学软件学院 赖晓晨
0
二、总线特性
功能特性：
每根传输线的功能：数据、地址、控制。
时间特性：
信号的前后时序关系。
大连理工大学软件学院 赖晓晨
二、总线特性
功能特性：
每根传输线的功能：数据、地址、控制。
时间特性：
信号的前后时序关系。
大连理工大学软件学院 赖晓晨
三、总线性能指标
I/O接口 … 将速度较低的设备从主存总线上分离出来， 形 是成一主个存具总有线特与殊功I/O能总的线处分理开器的设，结备负构0责。对通I…/道O 统一大管连理理工大。学软件学院 赖晓晨
I/O接口 设备n
2、三总线结构1
CPU
主存总线
I/O总线
主存
I/O接口
I/O接口
DMA（Direct Memory Access）总线
总线宽度：数据线位数 总线带宽：数据传输速率 时钟同步方式：同步、异步 总线复用：地址、数据、控制线复用 信号线数：三总线所有信号线总数 总线控制方式：突发工作、仲裁方式等 其他指标：带载能力、电源电压等
大连理工大学软件学院 赖晓晨
四、总线标准
1、概念：
系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标 准界面，能够隐藏符合标准的部件内部的操作细 节。
汉语
连
法语
接
复
杂
扩
展
俄语
困 难
3.1 总线的基本概念
采用总线的必要性
分散连接 vs 总线连接
英语
汉语
法语
日语
俄语
大连理工大学软件学院 赖晓晨
总线：汉语
3.1 总线的基本概念
采用总线的必要性
总线基本知识(共34张PPT)
第3页，共34页。
Home
1
1.微型计算机总线概述
总线:是一组信号线的集合.它是器件之间通信和控制 的的渠道.
——以分时的方法来为多个部件服务的 ——总线仲裁电路来避免总线冲突
——总线的指标主要有2个，总线的工作频率和总线的宽度
—总线频率是总线时钟频率
—总线的宽度是指能够一次并行传送的信息位数
第4页，共34页。
RS-485采用半双工工作方式，因此，发送电路须由使能信号 加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉信号 线
第22页，共34页。
Next Home
5
2.ＵＳＢ总线
USB(UniversalSerialBus)是外围设备与计算机进行连接的 接口总线．
——即插即用，热拔插，接口体积小，节省资源，传输可 靠，提供电源，良好的兼容性，共享式通信和低成本 ——达到了480Ｍb/s的传输速度. ——半双工串行总线.
7.1 总线基本知识
第1页，共34页。
内容简介 重点/难点 习题解答
Home
内容简介
总线是微型计算机系统的重要组成部分，是系
统中传递各类信息的通道，也是微型计算机系统中 各模块间的物理接口，它负责CPU和其它部件之间 信息的传递。通过本章学习，熟悉总线的一般概念 和微机系统总线的组成，理解PCI总线、RS-232-C 总线和USB总线的性能特点、连接方法及应用场合， 学会根据总线的规范设计简单的扩展接口。
初始化，在主控制器与USB设备之间建立通信信道。
•设备驱动程序(USBDeviceDriver) ——驱动USB设备的程序，通常由操作系统或USB设备制造商
提供。
•USB芯片驱动程序(USBDriver)
第3章系统总线-精选
如ISA、PCI等。
通信总线（I/O总线）
I/O device
I/O device
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。
通信总线
IDE、SCSI、USB、RS－232
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
总线主设备发出地址信号后，总线上的所有部件均 感受到该地址信号，但只有经过译码电路选中的部 件才接收主设备的控制信号，并与之通信。
地址总线是单向的，即地址信号只能由总线主设备 至从设备。地址总线也是三态的，非主设备部件不 能驱动地址总线。
3.3 总线特性及性能指标
3.3.1 总线物理实现
CPU 插件板
片内总线
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
processor
系统总线 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
I/O Interface （adapter）
I/O Interface （adapter）
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。
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。
第三章总线20100908
大连理工大学软件学院 赖晓晨
四、总线标准
1、概念：
系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标 准界面，能够隐藏符合标准的部件内部的操作细 节。
芯片内部总线，例如运算器和cache之间的总线。
系统总线（板级总线）
处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。 三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线
通信总线
计算机系统之间，或计算机与其他设备之间的信 息传输线。
大连理工大学软件学院 赖晓晨
3.2 总线的分类
计算机 通信总线
计算机 设备1 设备2
自学：p48-p52
3.4 总线结构
单总线 多总线
– 双总线 – 三总线 – 四总线
大连理工大学软件学院 赖晓晨
一、单总线结构
CPU
主存
I/O接口
I/O接口 … I/O接口
大连理工大学软件学院 赖晓晨
I/O 设备1
I/O
I/O
设备2 … 设备n
一、单总线结构
CPU
主存
I/O接口
I/O接口 … I/O接口
电气特性：
信号线的电平范围。逻辑“1”，逻辑“0”。 TTL电平、CMOS电平。
大连理工大学软件学院 赖晓晨
二、总线特性
机械特性：
物理尺寸、插头形状、管脚数、排列顺序。
电气特性：
信号线的电平范围。逻辑“1”，逻辑“0”。
TTL电平(晶体管逻辑电平)
1
计算机组成原理课后答案第三章系统总线
第3章系统总线1. 什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点？P41答：总线是连接多个部件共享的信息传输线，是各部件共享的传输介质。
总线传输的特点是：某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接受相同的信息。
为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。
2.总线如何分类？什么是系统总线？系统总线又分为几类，它们各有何作用,是单向的，还是双向的，他们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系？答：总线的分类：（1）按数据传送方式分：并行传输总线和串行传输总线；（2）按总线的使用范围分：计算机总线、测控总线、网络通信总线等；（3）按连接部件分：片内总线、系统总线和通信总线。
系统总线是指CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。
按系统总线传输信息不同，可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。
（1）数据总线：数据总线是用来传输个功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位或32位。
（2）地址总线：地址总线主要是用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址，地址总线上的代码是用来指明CPU欲访问的存储单元或I/O端口的地址，由CPU输出，是单向的，地址线的位数与存储单元的个数有关，如地址线有20根，则对应的存储单元个数为220。
（3）控制总线：控制总线是用来发出各种控制信号的传输线，其传输是单向的。
3.常用的总线结构有几种？不同的总线结构对计算机的性能有什么影响？举例说明。
答：总线结构通常有单总线结构和多总线结构。
（1）单总线结构是将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，允许I/O 设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
这种4.为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？答：总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；常见的集中式总线控制有三种：链式查询、计数器定时查询、独立请求；特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。
计算机系统总线基础
计算机系统总线基础一．总线的概念在计算机系统中，不同的子系统必须具有连接彼此的接口，比如，内存和处理器需要通信，处理器和I/O设备也需要通信。
这些工作都是由总线来完成的。
总线就是一条共享的通信链路，它用一套线路来连接多个子系统。
下图是一个典型的计算机总线示意图：总线结构的两个主要优点是功能多和成本低。
通过定义一种连接方案，就能够方便的添加新设备，比如我们可以轻松的为自己的笔记本扩展内存条，或者外扩一块硬盘。
外围设备也可以在使用同类总线的计算机系统之间移动。
而且，因为同一套线路被多个路径共享，所以总线具有较好的成本效益。
总线的主要缺点在于它会产生通信瓶颈，这可能会限制I/O的最大吞吐量。
当I/O数据传输必须通过单个总线的时候，这条总线的带宽就会限制I/O的最大吞吐量。
如何设计总线系统，使之能够满足处理器的要求并能够接纳大量的I/O设备，使我们面临的一大挑战。
二．控制线路和数据线路总线通常包括一套控制线路和一套数据线路。
控制线路用来传输请求和确认信号，并指出数据线上的信息类型。
总线的数据线在源和目的之间传递信息。
这种信息可能包括数据、复杂指令或者地址。
比如，如果磁盘要把磁盘扇区中的数据写入内存，内存的地址和磁盘的实际数据都会通过数据线来传输。
控制总线则指明了在传输过程中每一刻数据线包含的信息种类。
一些总线使用两套信号线在一次总线传输中分别传送数据和地址。
不管哪种情况下，控制总线都要遵循总线协议，并指出总线传输的内容。
由于总线的共享的，所以我们还需要一个协议来决定谁下一个使用。
三．处理器-内存总线和I/O总线对于传统的PC机，总线可以分为处理器-内存总线和I/O总线。
处理器内存总线长度短，速度通常很高，而且配合内存系统使内存-处理器的带宽达到最大。
与之形成对比的I/O总线，它可以很长，可以连接很多类型的设备，并且经常要连接多种具有不同数据带宽的设备。
I/O总线一般不和内存直接连接而是通过处理器-内存总线或者背板总线连接到内存上。
内部总线,系统总线,外部总线
内部总线，系统总线，外部总线任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。
为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。
采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。
----微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。
内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。
----另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。
并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。
串行通信一般可分为异步模式和同步模式。
----随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。
下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。
一、内部总线----1．I 2C总线----I2C（Inter-IC）总线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。
----2．SPI总线----串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。
计算机组成原理 第三章 系统总线
CPU、主存、I/O 设备之间（板级 总线或板间总线）
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
中断请求、总线请求
3.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。
二、总线通信控制
1. 目的
解决通信双方如何获知传输开始和结束， 如何协调配合 问题
2. 总线传输周期（总线周期：完成一次总线操作的时间）
申请分配阶段
寻址阶段 传数阶段 结束阶段
主模块申请，总线仲裁决定
主模块向从模块 给出地址 和 命令
主模块和从模块 交换数据
主模块 撤消有关信息
3. 总线通信的四种方式
1. 机械特性
尺寸、形状、管脚数及排列顺序
确保电气上正确连接
2. 电气特性
传输方向 和有效的 电平 范围 地址 数据 控制
3. 功能特性
每根传输线的 功能
保证正确连接不同部件
4. 时间特性
信号的 时序 关系
三、总线的性能指标（P46）
1.总线宽度
2.标准传输率 3. 时钟同步/异步 4. 总线复用 5.信号线数 6. 总线控制方式 7.其他指标
第３章 系统总线
教学内容
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
总线的基本概念 总线的分类 总线特性及性能指标 总线结构 总线控制
重点：
有关总线的基本概念 如何克服总线的瓶颈 如何对总线进行管理，包括判优控制和通信控制
难点：
总线的通信控制，既要解决通信双方如何获知 传输的开始和结束，又要使通信双方按规定的协 议互相协调来完成通信任务。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
计算机组成原理课程教案（第4次课）
章节
名称
第3章系统总线
（3.4~3.5）
课时
安排
第2周2学时
授课
方式
理论课
教学环境及
教具准备
有投影仪的教室
PPT多媒体教学课件
教学
目的
让学生对系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用有所了解，掌握总线判优、仲裁、总线定时、总线数据传送模式
教学
重点
判优控制和通信控制
教学
难点
总线的判优控制
教学基本内容
是否重、难点
方法及手段
3.4总线结构
3.4.1单总线结构
3.4.2多总线结构
3.4.3总线结构举例
3.5总线控制
3.5.1总线判优控制
3.5.2总线通信控制
了解
了解
了解
重点&难点
重点
多媒体讲解
多媒体讲解
多媒体讲解
多媒体讲解
举例讲解
教学过程与设计
复习旧课：计算机五大组成部件靠总线连接起来后，看不见、摸不着的各类信息是怎么样“各行其道”的呢？
引入新课：计算机中数据、地址、控制等信息流在总线上传输时如何保证不“碰撞”、“不拥塞”（可举高速公路多车道、各走各道、单向车道、双向车道等例子）呢？
3.4总线结构
总线结构通常分为单总线结构和多总线结构。
3.4.1单总线结构
单总线结构的示意图见P42图3.2，它是将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
特点：结构简单、便于扩充，所有传送都通过这组共享总线，容易形成计算机系统的瓶颈，
多被小型机或微型机所采用。
3.4.2多总线结构
双总线结构的示意图见动画演示P53图3.7，双总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。
结构中的通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放给通道，以统一管理I/O设备完成外部设备与主存之间的数据传送，这种结构大多用于大、中型计算机系统。
将速率不同的I/O设备进行分类，然后将它们连接在不同的通道上，那么计算机系统的工作效率将会更高，由此发展成多总线结构。
三总线结构的示意图见P53图3.8，主存总线用于CPU与主存之间的传输；I/O总线供CPU 与各类I/O设备之间传递信息；DMA总线用于高速I/O设备与主存之间交换信息。
其特点是三总线结构中，任一时刻只能使用一种总线。
改进型的三总线结构的示意图见P54图3.9，工作效率明显提高。
为了进一步提高I/O设备的性能，使其更快地响应命令，又出现了四总线结构，见P54图3.10。
四总线结构增加了一条与计算机系统紧密相连的高速总线。
其特点是对于高性能设备与CPU来说，各自的效率将获得更大的提高。
3.4.3总线结构举例
传统微型计算机的总线结构示意图见P55图3.11。
VL-BUS局部总线结构示意图见P56图3.12。
PCI总线结构示意图见P56图3.13。
（FLASH动画演示PCI总线结构）
多层PCI总线结构示意图见P57图3.14。
3.5总线控制
总线控制主要包括判优控制和通信控制。
3.5.1总线判优控制
主设备和从设备有关概念的区别，前者有总线控制权，后者没有。
总线判优控制可分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处，后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。
常见的集中控制优先权仲裁方式有以下三种（FLASH动画演示）：
（1）链式查询
链式查询方式见动画演示P58图3.15(a)所示，这种方式的特点是：只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏感，且优先级别低的设备可能很难获得请求。
（2）计数器定时查询
计数器定时查询方式见动画演示P58图3.15(b)所示，这种方式的特点是：计数可以从“0”开始，此时一旦设备的优先次序被固定，设备的优先级就按0，1，2…，n顺序降序排列，而且固定不变；计数也可以从上一次计数的终止点开始，即是一种循环方法，此时设备使用总线的优先级相等；计数器的初始值还可由程序设置，故优先次序可以改变。
这种方式对电路故障不如链式查询方式敏感，但增加了控制线数，控制也较复杂。
（3）独立请求方式
独立请求方式见动画演示P58图3.15(c)所示，这种方式的特点是：响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序改变），但控制线数量多，总线控制更复杂。
3.5.2总线通信控制
（1）目的
解决通信双方协调配合问题
（2）总线传输周期
申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
传数阶段：主模块和从模块交换数据
结束阶段：主模块撤消有关信息
（3）总线通信控制通常有四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。
1）同步通信
通信双方由同一时标控制数据传送称为同步通信。
优点：规定明确、统一，模块间的配合简单一致。
缺点：主、从模块间时间配合属于强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求。
同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。
问题1：为什么在同步通信的总线系统中，总线传输周期越短，数据线的位数越多，越直接影响总线的数据传输率？
剖析P61例题3.1。
异步通信
异步通信克服了同步通信的缺点，允许各模块速度的不一致性，它没有公共的时钟标准，采用应答方式。
异步通信的应答方式又可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型。
动画演示示意图P62图3.18。
异步通信可用于并行传送或串行传送。
前者需要“Ready”和“Strobe”这样的联络信号；后者没有同步时钟，需约定字符格式：1个起始位（低电平）、5~8个数据位（低位先传）、1个奇偶校验位、1或1.5或2个终止位（高电平）。
两帧之间可以有空闲位（高电平）或没有空闲位，示意图如P63图3.19（a）、图3.19（b）。
异步串行通信的数据传送速率用波特率。
波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位用bps（位/秒），记作波特。
剖析P62例题3.2。
问题2：比特率与波特率有什么区别？
剖析P64例题3.4。
全国硕士研究生入学考试计算机组成原理试题分析：在系统总线的数据线上，不可能传输的是：
A．指令
B．操作数
C．握手（应答）信号
D．中断类型号
答案：C
解析：握手（应答）信号在通信总线上传输。
3）半同步通信
半同步通信既保留了同步通信的基本特点，如所有的地址、命令、数据信号的发出时间，都严格参照系统时钟的某个前沿开始，而接收方都采用系统时钟后沿时刻来进行判断识别；同时又像异步通信那样，允许不同速度的模块和谐地工作。
上述三种通信的共同点小结：
一个总线传输周期（以输入数据为例）
主模块发地址、命令占用总线
从模块准备数据不占用总线、总线空闲
从模块向主模块发数据占用总线
分离式通信
分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力，充分提高了总线的有效占用，其特点：各模块有权申请占用总线但须先申请
采用同步方式通信，不等对方回答
各模块准备数据时，不占用总线
总线被占用时，都在做有效工作无空闲等待时间
这种方式充分发挥了总线的有效占用，对大型计算机系统极为重要。
实验
内容
本章无安排实验
课内
练习
PPT多媒体教学课件后的课堂练习题
课外
作业
P67页教材课后练习题3.14、3.15、3.16
考核
要求
1.本章考试题型主要有：选择题、填空题、简答题、设计应用题
2.本章主要考核总线分类、总线的仲裁、定时和数据传送模式；总线的概念、总线接口等
参考
资料
[1]白中英.计算机组成原理（第四版.立体化教材）.科学出版社,2012
[2]唐朔飞.计算机组成原理学习指导与习题解答.高等教育出版社,2010
[3]李淑芝.计算机组成原理考研指定教材习题解答.自编,2013
[4]李淑芝,欧阳城添,等.计算机组成原理实验指导书(2013版), 自编,2013
教学
后记
学生通过系统总线学习，能够更加理解总线在计算机硬件结构中的“桥梁”地位和作用。