计算机组成与工作原理电子教案第3章(3)

1．最大存储容量 总线结构对计算机的最大存储容量产生影响。例如，在单总线系统中，
由于对主存和外设进行存取的差别在于出现在总线上的地址不同，或者
说对主存和外设的访问使用同一组总线，必须为外设保留某些地址，所 以最大主存容量要小于由计算机字长所决定的可能的地址总数。 在双总线系统或三总线系统中，对主存和外设进行存取的判断是利用 各自的指令操作码。由于主存地址和外设地址出现于不同的总线上，所 以存储容量不会受到外围设备多少的影响。
存之间的数据传送。显然，由于增加了IOP，使整个系统的效率大大提
高。然而这是以增加更多的硬件代价换来的。
系统总线
CPU
内存总线
内存
IOP(通道)
I/O 总线 三总线结构是在双 总线结构的基础上 增加 I/O 总线形成
I/0 接口
。 。 。 I/0 接口
图3-30 三总线结构计算机
(二) 总线结构对计算机系统性能的影响
(二) 总线操作时序
主机与外设通过总线进行信息交换时，必然存在着时间上的配合和动
作的协调问题，否则系统的工作将会出现混乱。总线操作时序就是讨论 总线上的发送和接收方的动作协调问题。总线操作时序方式主要有同步 传送方式、准同步传送方式以及异步传送方式。 1．同步传送方式 所谓同步传送方式是指发送、接收双方按同一步调协调相互之间的时 间关系，即双方遵循统一的时钟，采用同步方式的总线称为“同步总
快地从内存取出或存入，以及所得结果能够多快地从内存送给一台外围设备。
这些都关系到主存，因此，系统的吞吐量主要取决于主存的存取周期。
3.3.2 总线系统的组成与功能
(一) 总线上信息的传送方式
信息在计算机中是以二进制编码形式表示的，二进制编码有“1”和“0”两种状态； 常用电位的高、低或脉冲的有、无来表示这两种状态。信息的传输有串行传送、并 行传送和分时传送这三种方式。外设间信息的传输可以是三种方式之一，但系统总 线上传送的信息必须采用并行传送方式。 1． 串行传送只需要一根传输线，且采用脉冲传送方式：按顺序来传送表示一个数码 的所有二进制位的脉冲信号，每次一位，通常第一个脉冲信号表示最低有效位，最 后一个表示最高有效位，位时间由同步脉冲来体现；如下图 3-34。串行传送的信息 为了能被主机接收、处理和交换，需在主机与外设之间设置收发器，收发器要有两 方面的功能：作为传送器，有拆卸功能，即并-串转换；作为接收器，有装配功能， 即串-并转换。
求的办法，不响应来自无效设备的请求。
独立请求方式的缺点：线更多，如果有n个设备，则线需n根总线请求 线和n根总线授权线。
图3-38 独立请求方式
2．分布式仲裁
采用分布式仲裁的系统不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能 模块都有自己的仲裁号和仲裁器。其工作原理为：当某一个或多个功
能块有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，
控方的地址信息和操作命令后，若数据尚未做好准备，应使Ready信号为低，待准备
好后再使Ready为高。在准同步传送方式中，传输速率低的缺点得到了一定程度的改 善。传送的可靠性并未得到根本改善，与同步传送方式一样仍比较差。 3．异步传送方式 异步传送方式是指发送和接收双方完全根据自身的工作速度和距离的远近来确定 总线传送的步调。异步传送方式的优点是效率高、可靠性高。其所付的代价是控制复 杂，需要有两条应答信号线以及相应的控制逻辑.
中等职业学校教学用书（计算机技术专业）
《计算机组成与工作原理 》 电子教案
主 编 刘晓川
第3章 计算机硬件工作原理
3.1 中央处理器
3.2 存储器
3.3 总线系统
3.3 总线系统
总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，地址、数据
以及控制信息都是通过它在计算机的各部件之间传送。因此，总线是 构成计算机系统的骨架，它不但影响系统的结构与连接方式，而且影 响系统的性能。总线具有分时和共享的特点；所谓共享是指它能为多 个部件提供服务，多个部件都通过它传送信息。所谓分时是指在某一 时刻只允许有一个部件向总线发送信息。总线不仅是指一组传输线， 而且还包括相应的总线接口和总线控制器
图3-37 计数器定时查询方式
⑶ 独立请求方式 独立请求方式的主要特点：每一个共享总线的设备均有一对总线请求线 BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。 中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号 BGi。 独立请求方式的优点：响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间 少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活， 可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽 (禁止)某个请
2．指令系统 在双总线或三总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有不同的指令 系统。或者说采用的是独立编址的I/O，需要专门的输入输出类指令。 在单总线系统中，由于采用的是统一编址I/O的形式，访问主存和I/O可使 用相同的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的地址。
3．吞吐量
计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息的速率。 它取决于信息能够多快地输入内存，CPU能够多快地取指令，数据能够多
线”。同步传送方式中发送双方遵照统一时钟运作，时序规整，控制简
单，但同步方式的传输效率比较低，且传送过程中若发生错误，不能及 时发现，使得传送可靠性比较差。
2．准同步传送方式 采用准同步传送方式的控制总线中除了时钟信号线Clock外还应当有一条准备好信 号线Ready，从设备根据自己工作完成与否来决定Ready信号的高低。当从设备收到主
2．并行传送
并行传送需要多根数据线，每一个数据位用一根传输线传送，且采 用电位传送方式。通常将数据总线上可同时传送的二进制位数称为数据 通路宽度。并行传送主要优点为速度快，适合近距离的传输。系统总线 一般采用并行传送方式，其数据宽度多与CPU一致，为8的整数倍。
高位 1 0 1 0 1 0 1 低位 0
串行传送的主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要， 不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。
发送部件 并—串 转 换 传送数据 00000101
接收部件 串—并 转 换
位时间
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
低位 高位
传送脉冲
1
0
1
0
0
0
0
0
图3-34 串行传送示意
进行直接存储器传送(DMA)。 ⑸ 单总线结构容易扩展成多CPU系统：这只要在系统总线上挂接多个
CPU即可。
图3-28 单总线结构计算机
2．双总线结构 这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在CPU和主
存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储
器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与 外设之间实现DMA操作，而不必经过CPU。当然这种双总线系统以增加 硬件为代价。
链式查询方式的缺点:对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关 链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的， 如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。
图3-36 链式查询方式
⑵ 计数器定时查询方式
计数器定时查询方式的主要特点：总线上的任一设备要求使用总线时， 通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的 情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备 接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备 地址相一致时，该设备置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查 询。
发 送 部 件
接 收 部 件
图3-35 并行传送示意
3．复合传送
复合传送又称为总线复用的传送方式，它使不同的信号在同一条信号 线上传送，总线设计的目的是用较少的线数实现较高的传送速率。通常 采用的方法是信号分时的方法，即不同的信号在不同的时间片中轮流地 向总线的同一条（组）信号线上发出。它与并、串传送方式区别在于分 时地传送同一数据源的不同信息。
3.3.1 计算机系统互连结构
在现代计算机系统中，各大部件均以系统总线为基础进行互连，总线互连结构方式
主要有单总线结构、双总线结构、和三总线结构。在计算机系统中采用哪种总线结构，
往往对计算机系统的性能有很大的影响。
(一) 总线结构与连接方式
1．单总线结构 单总线结构使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。 此种结构要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总 线时能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。 ⑴ 取指令：当CPU取一条指令时，首先把程序计数器PC中的地址同控制信息一起送 至总线上。在“取指令”情况下的地址是主存地址,此时该地址所指定的主存单元的内 容一定是一条指令，而且将被传送给CPU。 ⑵ 传送数据：取出指令之后，CPU将检查操作码。操作码规定了对数据要执行什么 操作，以及数据是流进CPU还是流出CPU。
仲裁的依据：优先级、公平策略。
仲裁的方式：按总线仲裁电路的位置不同，可分为集中式仲裁和分布 式仲裁
1．集中式仲裁 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总 线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。 ⑴ 链式查询方式 链式查询方式的主要特点：总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个 I/O接口。假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总 线请求，BG信号便不再往下查询，该I/O接口获得了总线控制权。离中央仲裁器最近 的设备具有最高优先级，通过接口的优先级排队电路来实现。 链式查询方式的优点:只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容 易扩充设备。
计数器定时查询方式的优点:每次计数可以从“0”开始，也可以从中止 点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级 的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。 所以优先级的设置比较灵活。 计数器定时查询方式的缺点:线多，如果有2n个设备，则线需n根计数 输出线，可见，这种优先级的灵活性是以增加线数为代价的。