第6章_总线系统.ppt

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1、总线的概念和结构形态 总线接口 总线仲裁、定时和数据传送模式 PCI总线 ISA总线和Futurebus+总线,第六章 总线系统(Bus System),1 概念 是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件（运算器、控制器、存储器、输入/输出设备）之间进行数据传送的公共通路。,6.1.1 总线（BUS）的基本概念,6.1 总线的概念和结构形态,总线往往是计算机数据交换的中心，总线的结构、技术和性能都直接影响着计算机系统的性能和效率。,由传输信息的电路和管理信息传输的协议组成。,2 总线分类 （1）内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 （2）系统总线：CPU同计算机系统的其

2、他高速功能部件(存储器、通道等)间互相连接的总线。 （3） I/O总线：中、低速I/0设备间互相连接的总线。,注：在任何时刻，只可以有一个部件向总线上发送信息，但却可以有一个或多个部件同时接收信息。,3 总线结构,组成：连接设备的信号线，即总线通道；总线上的设备；管理总线的部件，即总线控制器。,(1) 总线通道,按照信号类型可分为数据总线、控制总线和地址总线。只是逻辑上的划分。,主设备能够申请总线使用权，而从设备不具有总线使用权。,控制信号主要完成设备之间进行信息交换时的定时和命令。其中定时信号标明有效地址和数据出现在总线上的时间。命令信号定义总线上所要完成的操作。,4 总线连接的主要优点,(

3、1)多个部件之间采用总线连接方式，可大大降低部件间互连的复杂性，大幅度减少连线数量。 (2)由于多个部件之间连接的多个控制接口变成了每个部件与总线间的一个连接接口，连接接口的器材量大幅度减少。,(3)如果设备之间没有或者很少有多个部件同时进行信息交换，采用总线方式连接这些部件可有效发挥总线连接的优点。,5 总线特性,物理特性：总线的物理连接方式，包括总线的根数、总线的插头、插座形状、引脚线排列方式等。,电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。一般规定送入CPU的信号叫输入信号、从CPU发出的信号叫输出信号。 时间特性：定义每根线在什么时间有效，即规定总线上各信号有效的时序关系。,

4、功能特性：描述总线中每一根线的功能。,微型计算机系统总线的标准化： ISA（16位，8MB/S） EISA（32位，33.3MB/S） VESA（32位，132MB/S） PCI（64位，100MHz）,6 总线的标准化,标准化组织 IEEE美国电器与电子工业协会 IEC 国际电工委员会 ITU 国际电信联盟 ANSI美国国家标准协会,800MB/S,总线宽度； 总线控制方式；时钟模式； 总线复用； 信号线数；总线带宽； 其它标准：如总线负载能力，电源电压等。,7 衡量总线性能的指标：,总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率， 单位：MB/S。,影响总线带宽的因素： () 总线布线长度； (

5、) 总线驱动器/接受器性能； () 连接在总线上的模块数；,(1) 正常总线周期： 由一次地址时间和一次数据时间组成。 (2) BURST总线周期： 由一次地址时间和多次数据时间组成。,8 总线周期,例1某总线一个总线周期中并行传送4个字节的数据， 假如一个总线周期等于一总线时钟周期，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？,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来表示，则： Dr =D/T=D*f=4B*33*106=132MB/s,264位=8B Dr

6、=D/T=D*f=8B*66*106=528MB/s,特点：使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备。 要求：连到总线上的逻辑部件必须高速运行。 单总线系统中，对输入/输出设备的操作，完全和主存的操作方法一样来处理。 某些外围设备也可以指定地址。此时外围设备通过与CPU中的控制部件交换信息的方式占有总线。,6.1.2 总线的连接方式,1. 单总线结构,在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU通过专用总线与内存交换信息，减轻了系统总线负担；同时内存与外设之间仍使用系统总线实现DMA操作，而不必经过CPU。 注：以增加硬件为代价。,2. 双总线结构,3. 三总线结构,通

7、道(Channel)是一台具有特殊功能的处理器(IOP)，分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送，提高了CPU的效率，但以花费更多的硬件为代价。,在双总线的基础上增加了I/O总线形成的。其中系统总线是CPU、主存和通道(IOP)之间进行数据传送的公共通路；而I/O总线是多个外部设备与通道进行数据传送的公共通路。,最大存储容量：单总线系统中，必须为外围设备保留某些地址，最大存储容量小于由计算机字长所决定的可能的地址总数；而双总线的存储容量不受外围设备多少的影响。 指令系统：双总线系统中对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统；而在单总线系统中对内存和外设采用相

8、同的指令，不同之处仅在于使用不同的地址。 吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息的速率。系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。,6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响,6.1.4 总线的内部结构,缺点：1）CPU是总线的唯一主控者； 2）总线结构紧密与CPU相关，通用性差。,数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成；为减少布线，数据线和地址线常采用多路复用方式。 仲裁总线：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。,当代总线划分：,分层次多总线结构 优点：不

9、仅解决总线负载过重，而且使总线设计简单，并能充分发挥每类总线的效能。 Pentium的总线：三层次的多总线结构。,6.1.5 总线结构实例,CPU总线 CPU-存储器总线，64位数据线+32位地址线的同步总线，总线时钟频率66.6MHz (60MHz)，总线上还有一个L2级cache，由主存控制器和cache控制器芯片来管理CPU对主存和cache的存取，主控是CPU，在必要时可以放弃总线控制权，是CPU引脚信号的延伸。,PCI总线 用于连接高速的I/O设备模块，通过“桥”芯片，上面与更高速的CPU总线相连，下面与低速的ISA总线相接。 32位或64位同步总线，地址/数据分时复用，时钟频率33

10、.3MHz，带宽为132MB/s，采用集中式仲裁，有专用的PCI总线仲裁器，主板上一般有3个PCI总线扩充槽。,6.2.1 信息的传送方式,1. 码元 信息传输通道中，携带数据信息的信号单元。 2. 波特率（码元传输率） 每秒钟通过信道传输的码元数。是传输信道频宽的指标。 3. 码元时间 波特率的倒数，即传输一位码元的时间。,6.2 总线接口,6.2 总线接口,只用一条传输线，且采用脉冲传送。 在串行传送时，按照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。 当使用脉冲信号传递连续的“1”或“0”数码时，必须采用某种时序格式，以便使接收设备能加以识别，通常采用“位时间”（即一个二进

11、制位在传输线上占用的时间长度），一般低位在前，高位在后。,1. 串行传送,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，即拆卸，在接收部件进行串并变换，称为装配。,2. 并行传送 每个数据位单独占用一条传输线。这样每一条线分别代表了二进制数的不同位值。 一般采用电位传送。出于速度和效率上的考虑，系统总线都采用“并行传送”方式。 3. 分时传送 一是采用总线复用方式，如在传输线上既传输数据又传送地址，为此必须划分时间片来实现传送任务； 二是共享总线的部件分时使用总线。,6.2.2 接口的基本概念,I/O设备适配器，广义上讲，接口指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口

12、在它动态连接的部件间起“转换器”的作用，以实现彼此间的信息传送。,控制：靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。 缓冲：作为缓冲器，用以补偿各种设备在速度上的差异。 状态：监视外围设备的工作状态并保存状态信息，供CPU询问外围设备时进行分析之用。 转换：完成任何要求的数据转换。 整理：完成一些特别的功能，如修改字计数器或当前AR。 程序中断：外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到CPU。,接口通常具有的功能：,适配器必须有的两个接口: (1) 和系统总线的接口，其数据交换一定是并行方式； (2) 和外设的接口，可能是并行或串行；,分类：,串行数据接口和并行数据接口。,6.3

13、 总线的仲裁、定时和数据传送模式,总线控制器,是总线系统的核心，任务是管理总线的使用，包括总线上设备的管理和设备使用总线过程的管理。其物理上不一定是一个独立的控制器，其功能可分布到总线的各个部件或者设备上。,提出：为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，以某种方式选择其中一个主设备作为总线下一次的主方。 对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。被授权的主方在当前总线周期一结束，即接管总线，开始新的信息传送。,6.3.1 总线的仲裁,总线占用期：主方持续控制总线的时间。,功能模块状态：主动和被动。,按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲

14、裁和分布式仲裁。,仲裁电路集中在一起，通常由一个模块实现。每功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条为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。,1. 集中式仲裁,1）链式查询方式 特点： 共用一条总线授权线，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，如果该接口没有请求，则继续往下查询；如果有总线请求，则BG信息不再向下查询，该接口获得总线控制权。,共用一个BS线表示当前总线是否被使用着。各设备的优先级是按照BG线上离中央仲裁器的远近来确定。 优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，且可方便地扩充设备。 缺点：对询问链电路故障敏感，优先级

15、固定而不能调整、速度慢。,2）计数器定时查询方式 总线上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一致时，该设备设置“1”BS线，获得总线使用权，此时中止（pause not stop）计数查询。 比较：少了一条BG线，可改变优先次序，对电路的故障不如链式敏感，但增加了主控线数，控制较复杂。,优点：设备优先级可以改变，仲裁策略灵活性高。,3）独立请求方式 每一共享总线的设备均有一对BRi和BGi，当设备要使用总线时

16、，便发出总线请求信号，中央仲裁器有一个排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号。 优点：响应时间最快；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，还可屏蔽某个设备的总线请求）。,对于单CPU系统总线，中央仲裁器又称总线控制器，是CPU的一部分，而按照目前的总线标准，中央仲裁器一般是单独功能模块。,6.3.2 总线的定时 总线的一次信息传送过程：请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回（或错误报告）。 为了同步主从方的操作，必须制定定时协议。定时就是指事件出现在总线上的时序关系 。,2. 分布式仲裁 不需要中央仲裁器，每个主方都有自己的仲裁号和仲裁器；当总线申请时，把各自唯一的仲裁号发到共享的总线上，每个仲裁器把仲裁线上的号和自己的号比较，如果总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜的仲裁号留在仲裁总线上。,1. 同步定时 事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。,优点：