计算机组成(第六章)

蓝Q曦 included in 计算机组成原理

2024-05-02 4124 words 9 minutes

Contents

总线系统

总线的概念和结构形态

总线的基本概念

总线：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
总线支持不同部件之间的地址、数据、控制三类信息的传送总线支持不同部件之间的地址、数据、控制三类信息的传送
一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：
1. 内部总线
  
  CPU内，连接各寄存器及运算器。
2. 系统总线
  
  连接CPU与存储器、I/O通道等。
3. I/O总线
  
  连接各I/O设备。
总线的特性
1. 物理特性
  1. 指物理连接方式的规定。
  2. 如总线的根数、插头插座的形状和尺寸等。
2. 功能特性
  1. 指总线中每一根的功能。
  2. 如它是数据、地址，还是控制线？
  功能特性中，如果描述了n根地址线，则可直接访存的地址范围为0～($2^n$﹣1)。
3. 电气特性
  1. 规定每根线上信号的传递方向和有效电平范围。
  2. 从CPU发出的信号，称输出信号(OUT)；
  3. 送入CPU的信号，称输入信号(IN)。
  4. 数据线可传送双向信号，地址、控制线只单向传送信号。
4. 时间特性
  1. 规定每根线上的信号什么时间有效
5. 系统总线的标准化
  1. PC中，系统总线布设在主板上。
  2. 为什么主板能支持很多厂家的显卡？
    
    原因是，系统总线是按标准制作的
  3. 总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性和时间特性。
  4. 微机中的标准总线：ISA总线、 EISA总线、 VESA总线、 PCI总线。
6. 总线的主要参数
  1. 总线的带宽（MB/s）
    
    一定时间内总线上可传送的数据量
  2. 总线的位宽
    1. 总线能同时传送的数据位数。
      
      即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。
  3. 总线的工作时钟频率（MHz）
    1. 总线的时钟频率
7. 总线带宽
  1. **总线传输数据的速度。单位：MB/**s
  2. 例：
    
    (1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，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，则总线带宽是多少?
    
    (2)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，则总线带宽是多少?
    
    解：（1）带宽= $\frac{4}{T}$=4×f =4B×33×$10^6$ /s =132MB/s。
    
    (2) 带宽=64×f =8B×66×$10^6$ /s = 528MB/s。

总线的连接方式

I/O设备的种类有很多。
1. 键盘、鼠标、软盘、硬盘、显示器等。
I/O设备的结构、数据传送速度都有差别。
I/O设备直接连到总线是不可以的。
适配器(又称接口)
1. 可使CPU、设备分别以自己的速度工作；
2. 完成CPU与设备的数据传送和控制
单机系统中总线结构的两种基本类型：
1. 单总线和多总线。(定义，特点）
单总线结构
多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线
总线结构对计算机系统性能的影响　
1. 最大存储容量
  
  在单总线系统中，最大主存容量必须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。
2. 指令系统
  
  在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统
  
  在单总线系统中，访问主存和I/O传送可使用相同的指令，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。
  
  系统的呑吐率主要取决于主存的存取周期。

总线的内部结构

早期的单总线可看作CPU引脚的延伸
“CPU"引脚延伸”的缺陷
1. CPU是总线控制的主角;
2. 现在接口中增加DMA控制器，但仍无法支持多个CPU的系统；
3. 总线与CPU引脚相关，通用性差。

总线结构实例

追求与结构、CPU、技术无关的开发标准

总线接口

信息的传送方式

位信息的表示方法
1. 用持续的高电位（或低电位）表示1（或0）
2. 用有（或无）脉冲表示1（或0）
信息传送的三种方式
1. 串行传送
  1. 沿一根线，用“有无脉冲”顺序地传送数据的各个位
2. 并行传送
  1. 用一组线，各位同时沿不同的线传送
  2. 系统总线上传送信息必须采用并行传送！
3. 分时传送
  1. 不同性质或不同部件的二进制数在不同的总线周期里传送。

串行传送

当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号，每次一位，通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位。

在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并－－串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要进行串－－并变换，这称为装配。

串行传送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。

并行传送

用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送。

并行传送一般采用电位传送。由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。

分时传送

两种概念：

总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。
共享总线的部件分时使用总线

接口的基本概念

接口是CPU、内存、外设与总线之间的转换器
内存、外设有自己的控制器。
1. 对于内存条，有DRAM控制器；
2. 对于磁盘，有磁盘转动、磁头移动等控制电路，与磁盘制作在一起；
要连到总线上，还需要接口（电路）。
1. 对于磁盘，插在主板上的多功能卡是其接口（卡）
2. 对于CPU，接口（电路）在CPU内部
外围设备的连接方法
为什么要设置接口？
1. 实现设备的选择
2. 实现数据缓冲达到速度匹配
3. 实现数据串并格式转换
4. 实现电平转换
5. 传送控制命令
6. 反映设备的状态(“t忙”、 " 就绪”、" 中断请求" )
部件、控制器、接口、总线的关系
接口的功能
1. 控制
  1. 接收总线传来的控制信息，向控制器发指示
  2. 例：磁盘接口收到R请求，向控制器发出找道、找扇区指示
2. 缓冲
  1. 缓冲总线传来的数据，或部件传来的数据。
3. 状态
  1. 保存部件的工作状态，供其他部件查询
  2. 例：磁盘已将数据放置在数据总线上
4. 转换
  1. 例：总线和接口之间为并行传送，而接口与控制器之间是串行传送，则从总线收到的数据变为串行数据再发给控制器。
5. 整理
  1. 例：接口中可能包含计数器，完成一次数据传送后计数器加1；接口中可能保存访存地址，一次访存后需要修改地址，准备下次访存。
6. 程序中断
  1. 外设请求CPU服务时，接口发出中断请求
接口的“两面性”
1. 与系统总线的“一面”；
  
  一般是并行传送
2. 与外设控制器的“一面”。
  1. 也采用并行传送时，称接口为并行数据接口；
  2. 采用串行传送时，称接口为串行数据接口。
例：串行传送时，每秒传送的位数称波特率。若数据传送速率为120字符/秒，每字符包含10位（1个起始位、8个数据位和1个停止位）。计算波特率，以及位传送周期

解：波特率为10位×120字符/秒＝1200波特。

位传送周期为1/1200 ＝0.000833（秒）。