第6章 總線系統(tǒng)

1、計 算 機 組 成 原 理,第6章 總線系統(tǒng),為什么要用總線 在計算機系統(tǒng)中，功能部件之間必須互聯(lián)。部件之間的互聯(lián)方式有兩種，一種是各部件之間通過單獨的連線互聯(lián)，這種方式稱為分散連接。另一個是將各個部件連接到一組公共信息傳輸線上，這種方式稱為總線連接。總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是“靈活、成本低”。靈活性體現(xiàn)在新部件可容易地加到總線上，且可在使用相同總線的計算機系統(tǒng)之間互換。因一組單獨的連線可被多個部件共享，所以總線的性能比較高。總線的缺

2、點是它可能產(chǎn)生通信瓶頸?，F(xiàn)代計算機普遍使用的是總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)。,6.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài),1、什么是總線,2、總線上信息的傳送,,,,,,,,,,,串行,并行,總線的基本概念 計算機由CPU、主存模塊和I/O模塊組成。計算機的所有功能都是通過CPU周而復始地執(zhí)行指令實現(xiàn)的。在指令執(zhí)行過程中，CPU、主存和I/O模塊之間要不斷地交換數(shù)據(jù)，因此，可以說計算機所有功能的實現(xiàn)，歸根結(jié)底是各種信息在計算機內(nèi)部之間進行交換的過程。要進行信息交換

3、，必須在部件之間構(gòu)筑通信線路，通常把連接各部件的通路的集合稱為互聯(lián)結(jié)構(gòu)?；ヂ?lián)結(jié)構(gòu)有分散結(jié)構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)兩種。分散結(jié)構(gòu)相互通信的部件之間都有獨立的連線，如果某個部件與其他所有部件都有信息交換的話，它的內(nèi)部連線就非常復雜，而且成本高。此外，某一時刻它只能和其他部件中的一個交換信息，在交換信息過程中也必須停止本身的工作。這將大大影響系統(tǒng)的工作效率。且分散方式無法滿足人們隨時增減設備的需要。 總線是連接兩個或多個功能部件的一組共享的信息傳輸線

4、，它的主要特征就是多個部件共享傳輸介質(zhì)。一個部件發(fā)生的信號可以被連接到總線上的其他所有部件所接收?？偩€通常由許多傳輸線或通路構(gòu)成，每條線可傳輸一位二進制信息，若干條線可同時傳輸多位二進制信息。例如，一個8位二進制的數(shù)據(jù)能通過總線中8條線傳送。,3、總線結(jié)構(gòu)計算機舉例,(1). 面向 CPU 的雙總線結(jié)構(gòu)框圖,中央處理 器 CPU,(2) 單總線結(jié)構(gòu)框圖,(3) 以存儲器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)框圖,M.M,,3.2 總線的分類,1.片內(nèi)

5、總線,2.系統(tǒng)總線,芯片內(nèi)部 的總線,,雙向 與機器字長、存儲字長有關,單向 與存儲地址、 I/O地址有關,有出 有入,計算機各部件之間 的信息傳輸線,存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認,中斷請求、總線請求,總線分類——按位置,內(nèi)部總線是指芯片內(nèi)部的總線。如在CPU芯片內(nèi)部，寄存器和寄存器之間、寄存器和算邏單元ALU之間都有總線連接。系統(tǒng)總線是指CPU、主存、I/O（通過I/O接口）各大部件之間的信息傳輸線。又叫板級

6、總線和板間總線如ISA、PCI等。通信總線（I/O總線）是指計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表等）之間的通信傳輸線。IDE、SCSI、USB、RS－232,通信總線,串行通信總線,并行通信總線,傳輸方式,,總線分類——按功能,數(shù)據(jù)總線（DB）雙向，寬度差別地址總線（AB）單向，寬度與尋址空間有關控制總線（CB）命令和狀態(tài),總線也包括電源線和地線！,數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)總線上傳送數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)總線是雙向的。數(shù)

7、據(jù)總線的條數(shù)稱為數(shù)據(jù)總線寬度。比如，16位總線，指其數(shù)據(jù)總線為16根。數(shù)據(jù)總線是三態(tài)的，未被地址信號選中的部件，不驅(qū)動數(shù)據(jù)總線（其數(shù)據(jù)引腳為高阻）。,通信,控制總線,控制總線上傳送一個部件對另一個部件的控制信號。主設備與從設備：在總線上所連接的各類設備，按其對總線有無控制功能可分為主設備和從設備。主設備對總線有控制權，從設備只能響應主設備發(fā)來的總線命令。這樣，總線上所有的信息傳輸都是由主設備啟動的。根據(jù)不同的使用意義，控制總

8、線上有的信號線為三態(tài)，有的非三態(tài)。,地址總線,地址總線上傳送地址信號，主要用來指定需要訪問的部件（如存儲器單元、外設）?？偩€主設備發(fā)出地址信號后，總線上的所有部件均感受到該地址信號，但只有經(jīng)過譯碼電路選中的部件才接收主設備的控制信號，并與之通信。地址總線是單向的，即地址信號只能由總線主設備至從設備。地址總線也是三態(tài)的，非主設備部件不能驅(qū)動地址總線。,總線特性及性能指標,總線物理實現(xiàn),總線特性,尺寸 形狀,傳輸方向 和有效的 電平

9、 范圍,每根傳輸線的 功能,每根線在什么時間有效,地址數(shù)據(jù)控制,,總線特性,機械特性：是指總線在機械連接方式上的一些性能。如插頭和插座使用的標準，它們的幾何尺寸、形狀、引腳的個數(shù)以及排列的順序，接頭處的可靠接觸等等。電氣特性：是指總線的每一根傳輸線上信號的傳輸方向和有效的電平范圍。如低電平表示邏輯“0”，并要求電平低于－3V；高電平表示邏輯“1”，并要求高電平高于＋3V。功能特性：是指總線中每根信號傳輸線的功能。時間特性：

10、是指總線中的任一根信號傳輸線在什么時間內(nèi)有效。為了正確傳輸數(shù)據(jù)信息，每條總線上的各種信號，互相存在著一種有效時序的關系，因此，時間特性一般可用信號時序圖來描述。,總線的性能指標,數(shù)據(jù)線 的根數(shù),每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MB／s）,同步、不同步,地址線 與 數(shù)據(jù)線 復用,地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的 總和,負載能力,并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù),總線性能指標(1),總線寬度：是指數(shù)據(jù)總線的根數(shù)，用bit（位）表示，如8位、16位、32位、64

11、位（也即8根、16根、32根、64根數(shù)據(jù)線）。最大傳輸率 (總線帶寬)：總線本身所能達到的最高傳輸速率，用MB/s（每秒多少兆字節(jié)）表示。例：總線工作頻率33.3MHz，總線寬度32位，則最大傳輸率＝ 33.3×32/8＝132MB/s。時鐘同步/異步：總線上的數(shù)據(jù)與時鐘同步工作的總線稱為同步總線，與時鐘不同步工作的總線稱為異步總線?？偩€復用：為提高總線的利用率，將地址總線和數(shù)據(jù)總線共用一組物理線，在某一時刻該總線傳輸

12、地址信號，另一時刻傳輸數(shù)據(jù)信號或命令信號。,總線性能指標(2),信號線數(shù)：即地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三種總線的根數(shù)總和?？偩€控制方式：包括并發(fā)工作、自動配置、仲裁方式、邏輯方式、計數(shù)方式等。負載能力：通常用可連接擴增電路板數(shù)來反映總線的負載能力。由于不同的電路對總線的負載是不同的，即使同一電路在不同的工作頻率下，總線的負載也是不同的。因此，總線負載能力的指標是不太嚴格的。其他：如電源電壓是5V還是3.3V、總線能否擴展至64

13、位寬度等。,ISAEISAVL-BUSPCI,,總線標準,總線標準,總線標準,總線是在計算機系統(tǒng)模塊化的發(fā)展過程中產(chǎn)生的，隨著計算及應用領域的不斷擴大，計算機系統(tǒng)中各類模塊（特別是I/O設備所帶來的各類接口模塊），其品種極其繁雜，往往出現(xiàn)一種模塊要配一種總線，很難在總線上更換、組合各類模塊或設備。20世紀70年代末，為了使系統(tǒng)設計簡化，模塊生產(chǎn)批量化，確保其性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，便于維護，人們開始研究如何建立總線標準，

14、完成系統(tǒng)設計和模塊制作。概念：所謂總線標準，可視為系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標準界面。這個界面兩端的任一方只需根據(jù)總線標準的要求完成自身一面接口的功能要求，而無需了解對方接口與總線的連接要求。因此，按總線標準設計的接口可視為通用接口。,目前流行的總線標準,ISAEISAVESAPCIMCASTD……,ISA、EISA,ISA：Industry Standard Architecture——工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)

15、，又稱AT總線24位地址線（可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB）62+36引腳8/16位數(shù)據(jù)線最高時鐘頻率8MHz最大傳輸率16MB/sEISA：Extended Industry Standard Architecture —— 擴展工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)EISA是一種在ISA基礎上擴充開放的總線標準地址總線32位數(shù)據(jù)總線32位總線的時鐘頻率為8MHz最大傳輸率33MB/s,MCA、STD,MCA：Micro Channe

16、l Architecture——微通道體系結(jié)構(gòu)，32位標準總線，最大傳輸率40MB/s。MCA是IBM公司在推出其第一臺80386系統(tǒng)時，突破傳統(tǒng)ISA標準而創(chuàng)建的新型系統(tǒng)總線標準。MCA與ISA完全不兼容，所以限制了其推廣。STD：STD總線于1987年被國際電子電氣工程師協(xié)會（IEEE）列為標準（IEEE961標準），主要用于以微處理器為中心的工業(yè)控制領域。數(shù)據(jù)總線8位，最大傳輸率2MB/S。,例如：系統(tǒng)需求如下每秒30幀

17、，每幀640*480，彩色數(shù)24位的圖象顯示卡的數(shù)據(jù)吞吐量為28M字節(jié)/s；100Mbps傳輸率的光纖網(wǎng)，需總線吞吐量為12.5M字節(jié)/s；再加上其他高速設備，原有的ISA，EISA顯然太慢。,16位ISA總線,例1,題目：某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz，則總線帶寬是多少? 如果一個總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少

18、?解：設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示， （1）根據(jù)定義可得 Dr = D/T = D×1/T = D×f =4B×33×1000000/s=132MB/s（2）64位=8B， Dr= D×f =8B×66×1000000/s=528MB/s,提示：此題主要是考查對總線帶寬的理解。 總線帶寬＝一次

19、傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)／總線周期 ＝總線寬度/8*總線時鐘頻率,6.1.2 總線的連接方式,單總線結(jié)構(gòu),1. 雙總線結(jié)構(gòu),具有特殊功能的處理器由通道對I/O統(tǒng)一管理,2 多總線結(jié)構(gòu),3. 三總線結(jié)構(gòu),3. 三總線結(jié)構(gòu)的又一形式,4. 四總線結(jié)構(gòu),6.1.3 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),早期總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它實際上是處理器芯片引腳的延伸，是處理器與I/O設備適配器的通道,6.1.4 總線結(jié)構(gòu)實例Pentium計算機主板總線

20、結(jié)構(gòu)圖,CPU、RAM、ROM、控制芯片組等芯片之間的信號連接線稱為CPU總線。CPU總線針對具體處理器設計，因此沒有統(tǒng)一的規(guī)范。,這是一個三總線結(jié)構(gòu)，即有CPU總線、PCI總線和ISA總線。,CPU總線的時鐘頻率為66.6MHz，CPU內(nèi)部時鐘是此時鐘頻率的倍頻。此總線可連接4-128M內(nèi)存。,主存控制器和Cache控制器芯片用來管理CPU對主存和Cache的存取操作。,PCI總線用來連接高速的I/O設備模塊，如顯卡等。通過“橋”芯

21、片，PCI總線上連CPU總接，下連ISA總線。,ISA總線連接低速I／O設備，支持7個DMA通道和15級可屏蔽硬件中斷。,CPU總線、PCI總線和ISA總線通過兩個“橋”芯片連成整體。橋芯片起到了信號速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換和控制協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。,6.2 總線接口,6.2.1 信息的傳送方式,計算機系統(tǒng)中，傳輸信息基本有三種方式： 串行傳送 并行傳送 分時傳送,6.2.2 總線接口的基本概念,I/O接口，也叫適配器，是CPU和主存、外設

22、之間通過系統(tǒng)總線進行連接的邏輯部件。,一個適配器的兩個接口：一個同系統(tǒng)總線相連，采用并行方式，另外一個同設備相連，可能采用并行方式或是串行方式。,6.3 總線的仲裁,兩個問題總線使用權分配，即總線仲裁邏輯，也稱為判優(yōu)控制通信過程控制總線仲裁控制：多個主設備同時申請總線時，按一定的優(yōu)先等級順序確定哪個主設備能使用總線。集中式：將控制邏輯集中在一處，即總線仲裁器，分為鏈式查詢、計數(shù)器定時查詢、獨立請求三種分布式：將控制邏輯分散在與

23、總線連接的各個部件或設備上，由各個節(jié)點競爭使用權,1. 鏈式查詢方式,,,,,,,,,,I/O接口1,6.3.1 集中式仲裁,計數(shù)器定時查詢方式,,,,I/O接口1,設備地址,計數(shù)器定時查詢方式的主要特點：計數(shù)方式與優(yōu)先次序直接相關。計數(shù)可以從“0”開始，此時設備的優(yōu)先次序是固定的；計數(shù)也可以從終止點開始，即是一種循環(huán)方法，此時設備使用總線的優(yōu)先級相等；計數(shù)的初始值還可由程序設置，故優(yōu)先次序可以改變。對電路故障不如鏈式查詢方式敏感，

24、但增加了主控制線（設備地址），控制也較復雜。,3. 獨立請求方式,,圖中：BG1=BR1。BG2=BR2? ，BG3=BR3? ? ，優(yōu)先次序為BR1＞BR2 ＞BR3 。 當總線上的部件要使用總線時，經(jīng)各自的總線請求線發(fā)送總線請求信號，在總線控制器中排隊，當總線控制器按一定的優(yōu)先次序決定批準某個部件的請求時，則給該部件發(fā)送總線響應信號，該部件接到此信號就獲得了總線使用權，開始傳數(shù)據(jù)。獨立請求方式的特點是

25、響應時間快，不必一個一個設備地查詢。獨立請求方式對優(yōu)先次序的控制相當靈活，即可采用固定優(yōu)先級，也可通過程序改變優(yōu)先次序，還可通過屏蔽某個請求，來禁止相應的部件使用總線。 獨立請求方式的優(yōu)點是通過增加線數(shù)換取的。在串行鏈接方式中，確定總線使用權屬于哪個部件，只需二根線，在獨立方式中，每個部件要二根線，從而使線數(shù)大大增加，因而也增加了總線控制器的復雜性。,,,獨立請求方式的工作原理：每個模塊有一組獨立的“總線請求”和“總線允許”信號線

26、，每對信號線有其相應的優(yōu)先級；控制器中有一個優(yōu)先級編碼器和優(yōu)先級譯碼器，用以選擇優(yōu)先級最高的請求，并產(chǎn)生出相應的“總線允許”信號；當“總線忙”信號有效時，表示有的模塊正在使用總線，因此請求使用總線的模塊必須等待；直至“總線忙”信號變?yōu)闊o效時，所有需要使用總線的模塊都可以發(fā)出“總線請求”信號，總線仲裁器僅向優(yōu)先級最高的模塊發(fā)出“總線允許”信號。獨立請求方式的主要特點：判優(yōu)速度快，且與模塊數(shù)無關；所需“請求線”和“允許線”較多，N

27、個模塊需要2N條。,6.3.2 分布式仲裁,分布式仲裁不需要中央仲裁器，有三種常見的仲裁方式：自舉分布式仲裁沖突檢測分布式仲裁并行競爭分布式仲裁,分布式,①自舉分布式仲裁,自舉分布式仲裁方法使用多個請求線，不需要中心裁決器，每個設備獨立地決定自己是否是最高優(yōu)先級請求者。每個需要請求總線控制權的設備在各自對應的總線請求線上送出請求信號，在總線裁決期間每個設備將有關請求線上的信號合成后取回分析，根據(jù)這些請求信號確定自己能否擁有總線控

28、制權。每個設備通過取回的合成信息能夠檢測出其他設備是否發(fā)出了總線請求。如果一個設備在發(fā)出總線請求的同時，檢測到其他優(yōu)先級更高的設備也請求使用總線，則本設備不立即使用總線；否則，本設備就可立即使用總線。NuBus（MacintoshiII中的底板式總線）和SCSI總線采用此方案。,總線判優(yōu)控制——分布式,①自舉分布式仲裁,BR3,BR2,I/O接口0,I/O接口1,,,,,I/O接口3,,,,,BR0,,,,,BR1,,,I/O接口

29、2,,,,假定：I/O接口0的優(yōu)先級最低，I/O接口3的優(yōu)先級最高。BR0為總線忙信號線BRi(i從1～3)為I/O接口i的總線請求信號線。,總線判優(yōu)控制——分布式,基本思想：在沖突檢測分布式仲裁方法中，每個設備獨立地請求總線，多個同時使用總線的設備會發(fā)生沖突，這時沖突被檢測到，按照某種策略在沖突的各方選擇一個設備。例如，Ethernet總線仲裁方案如下：當某設備要使用總線時，它首先檢查一下是否有其他設備正在使用總線，如果沒有

30、，那它就置總線忙，然后使用總線；若兩個設備同時檢測到總線空閑，那它們就可能會立即使用總線并發(fā)出沖突。一個設備在傳輸過程中，它會偵聽總線以檢測是否發(fā)生了沖突，當沖突發(fā)生時，兩個設備都會停止傳輸，延遲一個隨機時間后再重新使用總線。過了一個隨機時間段后，就可能有一設備先使用總線，這樣沖突就解決了。,②沖突檢測分布式仲裁,6.4 總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式,6.4.1 總線定時,總線的一次信息傳送過程，大致可分為如下五個階段：請求總線、總線仲裁、

31、尋址、信息傳送、狀態(tài)返回。 定時：事件出現(xiàn)在總線上的時序關系。 1、同步定時,2、異步定時在異步定時協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應答式或互鎖機制基礎上。在這種系統(tǒng)中，不需要統(tǒng)一的共公時鐘信號。總線周期的長度是可變的,6.4.2 總線數(shù)據(jù)傳送模式,當代的總線標準大都能支持以下四類模式的數(shù)據(jù)傳送： (1)讀、寫操作：讀操作是由從方到主方的數(shù)據(jù)傳送；寫操作是由主方到從方的數(shù)據(jù)傳送。,(2)塊傳送操作

32、：只需給出塊的起始地址，然后對固定塊長度的數(shù)據(jù)一個接一個地讀出或?qū)懭搿?(3)寫后讀、讀修改寫操作：這是兩種組合操作。只給出地址一次（表示同一地址），或進行先寫后讀操作，或進行先讀后寫操作。 (4)廣播、廣集操作：,6.5 PCI總線,連接各種高速的PCI設備。PCI設備可以是主設備，也可以是從設備，或兼而有之。在PCI設備中不存在DMA的概念，這是因為PCI總線支持無限的猝發(fā)式傳送。這樣，傳統(tǒng)總線上用DMA方式工作的設備移植到PCI

33、總線上時，采用主設備工作方式即可。系統(tǒng)中允許有多條PCI總線，它們可以使用HOST橋與HOST總線相連，也可使用PCI/PCI橋與已和HOST總線相連的PCI總線相連，從而得以擴充整個系統(tǒng)的PCI總線負載能力。,,,,,,,,,,,,典型總線接口,PCI總線是當前流行的總線，是一個高帶寬且與處理器無關的標準總線，又是至關重要的層次總線。它采用同步定時協(xié)議和集中式仲裁策略，并具有自動配置能力。PCI適合于低成本的小系統(tǒng)，因此在微型機系統(tǒng)中