计算机组成原理 第六章

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计算机组成原理
第六章 系统总线
控制线： 控制线： 用于实现对设备的控制和监视功能。例如， 用于实现对设备的控制和监视功能。例如，CPU与主存 与主存 传送信息时， 通过控制线发送读或写命令到主存， 传送信息时，CPU通过控制线发送读或写命令到主存，启动主 通过控制线发送读或写命令到主存 存读或写操作。同时，通过控制线监视主存送来的MOC回答 存读或写操作 。 同时 ， 通过控制线监视主存送来的 回答 信号，判断主存的工作是否已完成。控制线通常都是单向线， 信号，判断主存的工作是否已完成。控制线通常都是单向线， 有从CPU 发送出去的，也有从设备发送出去的。除以上 种线 发送出去的，也有从设备发送出去的。除以上3种线 有从 还有时钟线、电源线和地线等， 外，还有时钟线、电源线和地线等，分别用作时钟控制及提供 电源。为减少信号失真及噪声干扰，地线通常有多根， 电源。为减少信号失真及噪声干扰，地线通常有多根，分布格 式很讲究。 式很讲究。
系统总线
内存总线 CPU 内存
IOP (通道) I/O 总线
I/O 接口
…
I/O 接口
图6.4
三总线结构
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计算机组成原理
第六章 系统总线
由上述可知， 方式中， 由上述可知，在DMA方式中，外设与存储器间直接 方式中 交换数据而不经过CPU，从而减轻 对数据输入/输出 交换数据而不经过 ，从而减轻CPU对数据输入 输出 对数据输入 的控制， 通道”方式进一步提高了CPU的效率。通道 的效率。 的控制，而“通道”方式进一步提高了 的效率 实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为IOP（I/O处 实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为 （ 处 理器），它分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的统 ），它分担了一部分 的功能， 理器），它分担了一部分 的功能 一管理及外设与内存之间的数据传送。显然，由于增加了 一管理及外设与内存之间的数据传送。显然， IOP，整个系统的效率将大大提高，然而这是以增加更多 ，整个系统的效率将大大提高， 的硬件代价换来的。三总线系统通常用于中、 的硬件代价换来的。三总线系统通常用于中、大型计算机 中。

提高分析和解决问题的能力
通过学习计算机组成原理，可以提高学生分析和解决问题的能力，培养学生的计算思维和 创新能力。
未来计算机技术的发展趋势和挑战
人工智能和机器 学习
随着人工智能和机器学习的 快速发展，未来计算机技术 将更加注重智能化和自主学 习，需要解决算法优化、数 据处理等问题。
量子计算
量子计算是一种全新的计算 模式，具有超强的计算能力 和数据处理能力，是未来计 算机技术的重要发展方向之 一。但是，量子计算的实现 需要解决量子比特的稳定性 、量子纠缠等难题。
包括硬件系统和软件系统两大部
分，其中硬件系统由运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出
设备五大部件组成；
汇编语言程序设计
简要介绍汇编语言的基本语法和 程序设计方法。
关键术语和概念
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计算机系统
由硬件系统和软件系统组 成的整体，用于实现数据 处理和信息存储等功能；
硬件系统
计算机的物理部分，包括 各种电子器件和机械设备 等；
微程序控制器
是计算机中的一种控制部件，负责执行指令的一部分，该部分提供了计 算机指令的底层实现。
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微程序
存储在控制存储器中的完成一条机器指令功能的程序，由微指令组成。
它是实现指令的一种手段，具体实现这一指令功能的微命令序列。
微指令的格式和编码
微指令格式
分为水平型微指令和垂直型微指令两种。水平型微指令并行操作能力强、效率 高、灵活性强，垂直型微指令则简单易实现。
高速缓冲存储器的原理和应用
原理
高速缓冲存储器（Cache）采用高速的SRAM芯片组成，其存取速度与CPU相当。当CPU需要访问主存时，首先 访问Cache，如果所需数据在Cache中（称为命中），则直接从Cache中读取；否则（称为未命中），再从主存 中读取，同时将读取的数据块放入Cache中。

异步通信
数据传送以字符为单位，字符之间没 有固定的时间间隔，发送方和接收方 不需要使用相同的时钟信号。
总线的仲裁机制
集中仲裁
使用一个中央仲裁器来管理总线的访问，例如：计数器、链表或优先级队列。
分布仲裁
没有中央仲裁器，而是通过硬件电路或软件算法来实现总线的访问控制。
总线的数据传输方式
并行传输
数据在多个通道上同时传输，每个通道传输一部分数据。
确定总线的控制方式
根据总线上主设备和从设备的数量和通信需求，选择合适的总线控制 方式，如同步控制或异步控制。
确定总线的仲裁方式和优先级
根据总线上主设备的数量和通信需求，设计合适的仲裁方式和优先级 确定机制。
硬件实现
选择合适的芯片和元件
01
根据设计需求，选择合适的芯片和元件来实现总线系统的硬件
部分。
计算机组成原理第六章总线 系统
• 总线系统的概述 • 总线的基本工作原理 • 常见总线系统介绍 • 总线系统的应用与发展 • 实验与实践：设计一个简单的总线
系统
01
总线系统的概述
总线的定义与分类
定义
总线是连接多个部件的信息传输 线，是多个部件共享的传输介质 。
分类
根据传输方式，总线可分为单向 总线和双向总线；根据连接的部 件数目，总线可分为局部总线和 系统总线。
THANKS
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总线系统的基本组成
总线控制器
负责协调各个部件的通信，管 理总线的使用。
数据总线
用于传输数据，通常由双向线 组成。
地址总线
用于传输地址信息，确定要访 问的内存单元或I/O端口。
控制总线
用于传输控制信号，如读写信 号、中断信号等。

➢ 衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定返回义 13 为总线本身所能达到的最高传输速率。
本章小结
➢ 当代流行的标准总线追求与结构、CPU、技术无关的开发标准。 其总线内部结构包含： ①数据传送总线（由地址线、数据线、控制线组成）； ②仲裁总线； ③中断和同步总线； ④公用线（电源、地线、时钟、复位等信号线）。
在异步定时中，总线周期的长度是可变的。当代的 总线标准大都能支持以下数据传送模式：①读/写操 作；②块传送操作；③写后读、读修改写操作；④ 广播、广集操作。
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本章小结
➢ PCI总线是当前实用的总线，是一个高带宽且 与处理器无关的标准总线，又是重要的层次总 线。它采用同步定时协议和集中式仲裁策略， 并具有自动配置能力。PCI适合于低成本的小 系统，因此在微型机系统中得到了广泛的应用。
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本章小结
➢ 总线定时是总线系统的又一核心问题之一。为 了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议， 通常采用同步定时与异步定时两种方式
在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总 线时钟信号来确定，总线周期的长度是固定的。
在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻 取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机 制基础上，不需要统一的公共时钟信号。
6.5 HOST总线和PCI总线
五、总线仲裁 ➢ PCI总线采用集中式仲裁方式，每个PCI主
设备都有独立的REQ#（总线请求）和 GNT#（总线授权）两条信号线与中央仲裁 器相连。由中央仲裁器根据一定的算法对 各主设备的申请进行仲裁，决定把总线使 用权授予谁。但PCI标准并没有规定仲裁算 法。
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➢ 总线仲裁是总线系统的核心问题之一。为了解决多个主设备同 时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件。它通过采 用优先级策略或公平策略，选择其中一个主设备作为总线的下 一次主方，接管总线控制权。按照总线仲裁电路的位置不同: 集中式仲裁:仲裁方式必有一个中央仲裁器，它受理所有功 能模块的总线请求，按优先原则或公平原则。 分布式仲裁。分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个功能模 块都有自己的仲裁号和仲裁器。