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1、第六章 总线系统 2 本章内容 n本章首先讲述总线系统的一些基本概念 和基本技术，在此基础上，具体介绍当前 实用的PCI总线和正在流行的InfiniBand标 准。 n6.1 总线的概念和结构形态 n6.2 总线接口 n6.3 总线的仲裁 n6.4总线的定时和数据传送模式 n6.5 HOST总线和PCI总线 n6.6 InfiniBand标准 3 6.1总线的概念和结构形态 n总线的基本概念 n总线的连接方式 n总线的内部结构 n总线结构实例 4 6.1.1总线的基本概念 上一章学习：CPU内部有各种功能部件，之间 有数据、地址、控制信号的传递及协调工作。 依靠的是各种线路将其连接 总线是构成
2、计算机系统的互联机构，是多个系 统功能部件之间进行数据传送的公共通路。 借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之 间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争 用资源的基础上进行工作。 5 6.1.1总线的基本概念 总线可分为以下几类： n内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算器部件之 间的总线。 n系统总线：外部总线。CPU和计算机系统中其他高 速功能部件相互连接的总线。 nI/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线。 6 6.1.1总线的基本概念 n总线的特性可分为：物理特性、功能特性 、电气特性、时间特性。 物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头 、插座形状，引脚排列方式） 功能特性：每根
3、线的功能 电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电 平范围。 时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。 7 6.1.1总线的基本概念 n相同的指令系统，相同的功能，不同厂家 生产的各功能部件在实现方法上几乎没有 相同的，但各厂家生产的相同功能部件却 可以互换使用，其原因何在呢？ n为了使不同厂家生产的相同功能部件可以 互换使用，就需要进行系统总线的标准化 工作。目前，已经出现了很多总线标准， 如PCI、ISA等。 8 6.1.1总线的基本概念 n采用标准总线的优点 简化系统设计 简化系统结构，提高系统可靠性 便于系统的扩充和更新 9 6.1.1总线的基本概念 n总线带宽：总线本身所能达到的最高
4、传输 速率。 定义：一次操作可以传输的数据位数 如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位， PCI-2可达64位。 总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽 度。 10 【例1】 （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， 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，总线带宽 是多少? 11 【例1】 解： （1）设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用 T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用 D表示，根据定义可得 Dr=D/T=D（1/T） =Df=4B33
5、106/s=132MB/s （2）64位=8B Dr=Df=8B66106/s=528MB/s 12 6.1.2总线的连接方式 n总线将CPU和各部件、设备相连 n不能直接与CPU相连，需要适配器 n适配器（接口）：实现高速CPU与低速外 设之间工作速度上的匹配和同步，并完成 计算机和外设之间的所有数据传送和控制 。 13 6.1.2总线的连接方式 n单机系统中总线结构的两种基本类型： 单总线：使用一条单一的系统总线来连接CPU 、内存和I/O设备。 14 6.1.2总线的连接方式 n单总线结构特点： 在单总线结构中，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
6、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 。否则，由于一条总线由多种功能部件共用， 可能导致很大的时间延迟。 n实际情况：外设的速度差异很大 15 6.1.2总线的连接方式 n当高速设备和低速设备同在一个总线上： 1.分时工作 2.信息传送效率和吞吐量受到极大限制 n解决方法：多总线结构 16 6.1.2总线的连接方式 n多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用 多条总线。如图所示。 17 6.1.2总线的连接方式 n高速的CPU总线：CPU和cache之间采用 n系统总线：连接主存 n高速总线：连接高速LAN（100Mb/s局域网）、 视频接口、图形接口、SCSI接口
7、（支持本地磁盘 驱动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容 量I/O设备）。 n通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连 。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的 逻辑电路。 n高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连 n扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。 18 6.1.2总线的连接方式 n特点： 多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接 到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的 效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响 高速总线。 19 6.1.3总线的内部结构 n早期总线的内部结构如图所示 20 6.1.3总线的内部结构 n早期总线结构的不足之处在于： CPU是总线上
8、惟一的主控者。即使后来增加了 具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA 传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。 总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构 紧密与CPU相关，通用性较差。 21 6.1.4总线的内部结构 n当代流行的总线内部结构 22 6.1.4总线的内部结构 n当代流行总线结构： 标准总线 CPU与存储器、外设以及总线控制器并列共同 使用总线 便于实现总线与各部件结构技术的无关性 能支持多CPU结构 n总线控制器： 完成多个总线请求者之间的协调与仲裁。 23 6.1.4总线的内部结构 n包含四部分： 数据传输总线：由地址线、数据线、控制线组成。其 结构与简单总线相似，但一般
9、是32条地址线，32或64 条数据线。为了减少布线，64位数据的低32位数据线 常常和地址线采用多路复用方式。 仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包 括中断请求线和中断认可线。 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位 线以及加电或断电的时序信号线等。 24 6.1.5总线结构实例 n大多数计算机采用了分层次的多总线结构 。 nPentium计算机主板总线结构是一个三层 次的多总线结构，即有CPU总线、PCI总线 和ISA总线。 25 26 6.1.5总线结构实例 Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、 PCI总线和ISA总线。
10、 CPUPCIISA 北 桥 南 桥 27 28 6.1.5总线结构实例 nCPU总线： 64位数据，32位地址总线。 总线时钟频率：66.6MHz 连接主存控制器，实现主存访问 连接两级Cache CPU是总线主控者 29 30 6.1.5总线结构实例 nPCI总线： Peripheral Component Interconnection: 外围部件扩展接口 33.3MHz，带宽132M/s 集中式仲裁 连接高速I/O设备，图形显示器适配器、网络 接口控制器、硬盘控制器等 桥：上连接CPU总线、下连接ISA总线 北桥南桥 31 32 6.1.5总线结构实例 nISA总线 nIndustrial Standard Architecture工业 标准结构总线 n与低速I/O设备连接 n支持7个DMA通道和15级可屏蔽硬件中断 n连接鼠标、键盘、ROM等
