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1、六章总线系统Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望一、总线的概念和结构形态一、总线的概念和结构形态（一）、总线的概念（一）、总线的概念总线的定义：计算机系统的总线的定义：计算机系统的互联机构互联机构，是，是多个功能部件多个功能部件之间之间进行数据传送的进行数据传送的公共通路公共通路。总线的分类：总线的分类：u内部总线内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。u系统总线系统总线：CPU同计算机系统的其他同计算机系统的其他高速高
2、速功能部件互相连功能部件互相连接的总线。接的总线。uI/O总线总线：中、低速：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。设备之间互相连接的总线。总线的特性总线的特性u物理特性物理特性：指总线的物理连接方式。：指总线的物理连接方式。u功能特性功能特性：描述总线中每一根线的功能。：描述总线中每一根线的功能。u电气特性电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。围。u时间特性时间特性：规定了总线上各信号有效的时序关系。：规定了总线上各信号有效的时序关系。2总线的标准化：总线的标准化：对总线的对总线的特性和操作规则特性和操作规则作相应定作相应定义。义。u
3、总线带宽总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率，：总线本身所能达到的最高传输速率，单位：兆字节每秒单位：兆字节每秒(MB/s)。设总线时钟频率为设总线时钟频率为f，总线数据宽度为，总线数据宽度为D字节，字节，则总线带宽：则总线带宽： Dr=Dxfu例例1、(1)某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4个个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是，则总线带宽是多少多少? (2)如果一个总线周期中并行传送如果一个总线周期中并行传送64位数据，位数据，总线时钟频率升
4、为总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?u1) Dr = = Df =4B33M/s=132MB/su(2) Dr= Df =8B66M/s=528MB/s 3（二）、总线的连接方式（二）、总线的连接方式单总线结构（系统总线）单总线结构（系统总线）u各部件分时占用。各部件分时占用。u主存与外设操作方式相同。主存与外设操作方式相同。优点：设计简单，系统扩展容易。优点：设计简单，系统扩展容易。缺点：速度慢，效率低。缺点：速度慢，效率低。接口，也叫适配器，是CPU和和I/O设备设备之间传送信息而设之间传送信息而设的转换逻辑部件。的转换逻辑部件。4多总线结构多总线结构u不同速
5、度设备可同时工作。不同速度设备可同时工作。u不同总线通过不同总线通过桥桥连接。连接。桥：一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。桥：一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。u系统的效率和吞吐量大。系统的效率和吞吐量大。5（三）、总线的内部结构（三）、总线的内部结构简单总线组成：即处理器的芯片引脚简单总线组成：即处理器的芯片引脚u数据线数据线（总线）（总线）双向传输，用来传送数据。双向传输，用来传送数据。数据线长度即数据通路宽度。数据线长度即数据通路宽度。6简单总线组成简单总线组成u地址线地址线：单向传输，用来传送主存与外设的地址。单向传输，用来传送主存与外设的地址。地址线的数目与访存容量有关。
6、地址线的数目与访存容量有关。u控制信号控制信号：单向传输，用来指明数据传送方向、中单向传输，用来指明数据传送方向、中断控制和定时控制等。断控制和定时控制等。总线的数目与系统功能有关。总线的数目与系统功能有关。7 标准总线结构（由总线控制器控制总线）标准总线结构（由总线控制器控制总线）u数据传送线：数据传送线：由地址线、数据线、控制线组成。由地址线、数据线、控制线组成。u仲裁总线仲裁总线：由总线请求线和总线授权线组成。：由总线请求线和总线授权线组成。u中断和同步总线中断和同步总线：由中断请求线和中断认可线组成。：由中断请求线和中断认可线组成。u公用线公用线：由时钟信号、电源信号、系统复位线等组成
7、。：由时钟信号、电源信号、系统复位线等组成。8例Pentium机主板总线结构：具有三个层次CPU总线PCI总线ISA总线9总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响u 最大存储容量最大存储容量u指令系统指令系统u吞吐量吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息速率。：指流入、处理和流出系统的信息速率。10二、总线接口二、总线接口信息传送方式信息传送方式串行传送串行传送：只有一根数据线，串行地逐位传送：只有一根数据线，串行地逐位传送数据。数据。并行传送并行传送：有多根数据线，同时可以传送多个：有多根数据线，同时可以传送多个二进制位的数据。二进制位的数据。分时传送分时传送：总线复用：数
8、据和地址共用一套线路。总线复用：数据和地址共用一套线路。总线部件分时使用一套总线。总线部件分时使用一套总线。11接口接口的定义：为的定义：为CPU和主存、和主存、I/O设备之间传送信息而设设备之间传送信息而设的转换逻辑部件。的转换逻辑部件。接口的功能：接口的功能：u控制控制设备操作功能；设备操作功能；u数据数据缓冲缓冲、驱动功能；、驱动功能；u传送外设工作传送外设工作状态状态功能；功能；u数据类型、格式数据类型、格式转换转换功能；功能；u整理整理设置功能；设置功能；u支持主机采取程序查询、支持主机采取程序查询、中断中断、DMA等访问方式功等访问方式功能。能。CPU设备控制器数据寄存器状态寄存器
9、I/O地址译码与控制I/O接口接口示意图外设地址数据控制外设接口逻辑12【例【例2】 利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特特(bit)位数常称为波特率。假设数据传送速率是位数常称为波特率。假设数据传送速率是120个字符个字符/秒，每一个字符格式规定包含秒，每一个字符格式规定包含10个个bit(起始位、停止位、起始位、停止位、8个数据位个数据位)，问传送的波特率是，问传送的波特率是多少多少?每个每个bit占用的时间是多少占用的时间是多少?【解】：【解】：波特率为：波特率为：10位位120/秒秒=1200波特波特 每个每个bit占用的时间占用的时间Td是波特率
10、的倒数：是波特率的倒数：Td=1/1200=0.8330.001s=0.833ms 。13三、总线的仲裁三、总线的仲裁总线的仲裁：解决多个主设备同时竞争总线控制权总线的仲裁：解决多个主设备同时竞争总线控制权 。仲裁方式仲裁方式u公平策略：常用于多个公平策略：常用于多个CPU提出的占用总线请求。提出的占用总线请求。u优先级：常用于优先级：常用于I/O模块的总线请求。模块的总线请求。仲裁分类：根据仲裁电路的位置不同仲裁分类：根据仲裁电路的位置不同u集中式仲裁：由中央仲裁器取决控制权，每个模块通过集中式仲裁：由中央仲裁器取决控制权，每个模块通过两条线与其相连。两条线与其相连。u分布式仲裁：每个具有主
11、方功能模块都设有自己的仲裁分布式仲裁：每个具有主方功能模块都设有自己的仲裁号和仲裁器号和仲裁器 ，根据各自的优先级获取总线，根据各自的优先级获取总线141、集中式仲裁：由中央仲裁器取决控制权。、集中式仲裁：由中央仲裁器取决控制权。链式查询方式：按接口的排队顺序查询请求。链式查询方式：按接口的排队顺序查询请求。uA：地址线；：地址线；uD：数据线；：数据线；uBR：请求信号线；：请求信号线；uBG：授权信号线；：授权信号线；uBS：占总线标志信号线（：占总线标志信号线（“1”表示被占用）表示被占用）u优点：总线授权线少、易实现、易扩展。优点：总线授权线少、易实现、易扩展。u缺点：抗故障能力弱、优
12、先级固定。缺点：抗故障能力弱、优先级固定。15计数器定时查询方式：中央仲裁器设一计数计数器定时查询方式：中央仲裁器设一计数器作为识别设备的地址，根据地址是否匹配器作为识别设备的地址，根据地址是否匹配确定请求。确定请求。u优点：可改变优先级；优点：可改变优先级；u缺点：线路复杂。缺点：线路复杂。16 独立请求方式：每个设备独立设置请求线，独立请求方式：每个设备独立设置请求线，根据设备编码和优先权确定请求。根据设备编码和优先权确定请求。优点：速度快、优先权设置灵活。优点：速度快、优先权设置灵活。缺点：线路复杂。缺点：线路复杂。172、分布式仲裁：不设专门仲裁器，每个主设、分布式仲裁：不设专门仲裁器
13、，每个主设备有自己的仲裁器和具有优先权的仲裁号，备有自己的仲裁器和具有优先权的仲裁号，根据仲裁号发请求，所有设备都能监听所有根据仲裁号发请求，所有设备都能监听所有的总线请求信号，并根据优先权自行决定是的总线请求信号，并根据优先权自行决定是否能得到总线控制权。否能得到总线控制权。181 总线的定时：指事件出现在总线上的时序关系。总线的定时：指事件出现在总线上的时序关系。总线信息传送过程：总线信息传送过程：请求、仲裁、寻址（目的地址）请求、仲裁、寻址（目的地址）、信息传送、状态返回、信息传送、状态返回。四、总线的定时和数据传送模式四、总线的定时和数据传送模式19总线的定时方式：总线的定时方式：u同
14、步定时方式：事件出现在总线上的时刻由同步定时方式：事件出现在总线上的时刻由总线总线时钟信号时钟信号决定，即所有操作由同一个时钟定时。决定，即所有操作由同一个时钟定时。优点：时序规整、各次操作时间统一，控制简优点：时序规整、各次操作时间统一，控制简单、易实现，传输频率高。单、易实现，传输频率高。缺点：适合各模块存取时间接近的情况，否则缺点：适合各模块存取时间接近的情况，否则效率按最慢的计。效率按最慢的计。20异步定时方式：后一事件出现在总线上的时刻取决异步定时方式：后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即操作由于前一事件的出现，即操作由应答信号应答信号作同步控制：作同步控制：优点：总线
15、周期长度可变，适合不同速度的模优点：总线周期长度可变，适合不同速度的模块；块；缺点：实现较复杂、成本高。缺点：实现较复杂、成本高。21【例【例3】 某某CPU采用集中式仲裁方式，使用独立请采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询相结合的二维总线控制结构。每一求与菊花链查询相结合的二维总线控制结构。每一对请求线对请求线BRi和授权线和授权线BGi组成一对菊花链查询电路。组成一对菊花链查询电路。每一根请求线可以被若干个传输速率接近的设备共每一根请求线可以被若干个传输速率接近的设备共享。当这些设备要求传送时通过享。当这些设备要求传送时通过BRi线向仲裁器发线向仲裁器发出请求，对应的出请求，对应的
16、BGi线则串行查询每个设备，从而线则串行查询每个设备，从而确定哪个设备享有总线控制权。请分析说明演示图确定哪个设备享有总线控制权。请分析说明演示图所示的总线仲裁时序所示的总线仲裁时序 。222、总线的数据传送模式、总线的数据传送模式u读、写操作读、写操作：。：。读：由从方到主方的数据传送。读：由从方到主方的数据传送。写：由主方到从方的数据传送。写：由主方到从方的数据传送。u块传送操作块传送操作：对多个数据读、写操作，传送时先：对多个数据读、写操作，传送时先发送起始地址和数据块长度，再对数据一个个操发送起始地址和数据块长度，再对数据一个个操作。作。猝发式传送猝发式传送：指：指CPU与主存间以数据
17、块方式传与主存间以数据块方式传送数据。块长常为字长的送数据。块长常为字长的4倍。倍。u写后读、读修改操作写后读、读修改操作：对同一个：对同一个地址单元，地址单元，或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。u广播、广集操作广播、广集操作：一个主方对多个从方进行写操：一个主方对多个从方进行写操作称为广播。其相反的操作称为广集。作称为广播。其相反的操作称为广集。 23五、五、HOSTHOST总线和总线和PCIPCI总线总线多总线结构实例多总线结构实例HOST总线：宿主总线，用于总线：宿主总线，用于CPU与主存系统之间与主存系统之间信息传送。信息传送。24五、五、
18、HOSTHOST总线和总线和PCIPCI总线总线PCI总线：是一个与处理器无关的总线：是一个与处理器无关的高速外围高速外围总线总线，又是至关重要的，又是至关重要的层间总线层间总线。采用。采用同步同步时序协议时序协议 和和集中式仲裁策略集中式仲裁策略，并具有，并具有自动配自动配置置能力能力 。其基本传送机制是。其基本传送机制是猝发式猝发式传送。传送。LAGACY总线：中、低速总线：中、低速I/O总线。总线。桥的作用：总线之间的通信部件，可以桥的作用：总线之间的通信部件，可以将一条总线的地址空间映射到另一条总将一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间。线的地址空间。25PCI信号线信号线PCI总线周期类型总线周期类型PCI总线周期操作总线周期操作u猝发式读操作过程猝发式读操作过程读操作时序图26六、六、InfiniBandInfiniBand标准标准InfiniBandInfiniBand标准标准：适用于较大规模的计算：适用于较大规模的计算机系统，是一基于开关的体系结构，可连机系统，是一基于开关的体系结构，可连接接64000个服务器、存储系统、网络设备，个服务器、存储系统、网络设备，数据传输率可达数据传输率可达30GB/s。27
