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1、第八章第八章 系统总线系统总线一、总线基本概念一、总线基本概念总线：总线：计算机系统中多个功能部件之间的连接线，通过它可以实现部件计算机系统中多个功能部件之间的连接线，通过它可以实现部件之间地址信息、数据和控制信息的传送。之间地址信息、数据和控制信息的传送。总线的分类总线的分类a.内部总线内部总线(又称芯片总线又称芯片总线)在集成电路芯片内部（含在集成电路芯片内部（含CPU、运算器等）或将不同的组成连接运算器等）或将不同的组成连接在一起的总线在一起的总线b.系统总线系统总线指计算机系统中模板与模板之间的连接总线，包含诸如指计算机系统中模板与模板之间的连接总线，包含诸如ISA、PCI、AGP等总
2、线方式等总线方式c.外部总线外部总线外总线是指计算机系统之间或计算机系统与其外设通信的外总线是指计算机系统之间或计算机系统与其外设通信的总线，如总线，如RS232通信总线、网线总线等。通信总线、网线总线等。1、总线的特性、总线的特性物理特性物理特性描述总线的形状、数量、插头的形式等特性描述总线的形状、数量、插头的形式等特性,如地址总线有如地址总线有18根，根，RS-232的接口使用的接口使用9针针D型接口等。型接口等。功能特性功能特性描述每一根线的功能描述每一根线的功能如：地址线的数量指明了如：地址线的数量指明了CPU能访问的主存范围，数据总线指能访问的主存范围，数据总线指明了一次交换的数据位
3、数明了一次交换的数据位数电气特性电气特性描述每一根线的有效电平及传送信号的方向。如：描述每一根线的有效电平及传送信号的方向。如：地址线单向传输，数据线双向传输，高电平有效、低电平有效。地址线单向传输，数据线双向传输，高电平有效、低电平有效。时间特性时间特性各线什么时间有效及相互之间的时序关系各线什么时间有效及相互之间的时序关系2、总线的标准化问题、总线的标准化问题总线的标准化是实现兼容的一个重要的组成部分总线的标准化是实现兼容的一个重要的组成部分3、总线带宽、总线带宽指总线在单位时间内所能达到的最高传输速率，单位是指总线在单位时间内所能达到的最高传输速率，单位是MB/S。它是衡量总线性能的重要
4、技术指标。它是衡量总线性能的重要技术指标。例例1 设一个设一个32位的处理器有位的处理器有16位外部数据总线位外部数据总线,时钟频率为时钟频率为50MHZ,若总若总线传输的最短周期为线传输的最短周期为4个时钟周期个时钟周期,问处理器的最大数据传输率是多少问处理器的最大数据传输率是多少?若想提高一倍数据传输率若想提高一倍数据传输率,可采用什么措施可采用什么措施?解解:数据传输率即单位时间内数据传输率即单位时间内(1秒秒)传输的数据量传输的数据量 数据传输率数据传输率= 2B * 50MHZ/ 4 = 25MB/s要把总线的数据传输率提高一倍要把总线的数据传输率提高一倍,可采取的方法有三种可采取的
5、方法有三种:1)数据总线的宽度提高到数据总线的宽度提高到32位位,此时此时: 数据传输率数据传输率= 4B * 50MHZ/ 4 = 50MB/s2)将总线的时钟频率提高到将总线的时钟频率提高到100MHZ,此时此时: 数据传输率数据传输率= 2B * 100MHZ/ 4 = 50MB/s3)将传输的最短时间缩短为将传输的最短时间缩短为2个时钟周期个时钟周期,此时此时: 数据传输率数据传输率= 2B * 50MHZ/ 2 = 50MB/s例例2 某网络每秒发出某网络每秒发出30次访问请求，每次请求的数据量为次访问请求，每次请求的数据量为64KB。问。问100M的网络能否承受该访问？的网络能否承
6、受该访问？30*64K*8 = 15360Kb= 15Mb 100Mb二、总线的连接方式二、总线的连接方式1、单总线结构、单总线结构特点特点a.访内和访外指令相同访内和访外指令相同,由地址来处分由地址来处分,减少了一类减少了一类I/O指令指令b.总线简单，使用灵活，易于扩展总线简单，使用灵活，易于扩展c. 所有设备分时工作，适用于慢速的小型或微型计算机系统中所有设备分时工作，适用于慢速的小型或微型计算机系统中d.适用于高速外设的情况适用于高速外设的情况e.任意两外设之间可以直接交换信息任意两外设之间可以直接交换信息(其中主设备需有总线控制能力其中主设备需有总线控制能力)2、双总线结构、双总线结
7、构在单总线结构的基础上增加主存总线组成在单总线结构的基础上增加主存总线组成特点特点a.由于外设和内存分处与不同总线，分访由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外内和访外指令。指令。b.主存总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性。主存总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性。c.仍然保持了单总线结构的系统简单、易于扩充的优点。仍然保持了单总线结构的系统简单、易于扩充的优点。3、三总线结构、三总线结构在双在双总线结构的基础上增加总线结构的基础上增加I/O总线组成总线组成特点特点a.由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。b. 并行
8、性进一步提高，通道处理机分担了部分并行性进一步提高，通道处理机分担了部分CPU的的I/O功能。功能。4、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 对最大存储容量的影响对最大存储容量的影响 单总线结构对最大存储容量有影响单总线结构对最大存储容量有影响 双总线和三总线结构对最大存储容量没有影响双总线和三总线结构对最大存储容量没有影响 对指令系统的影响对指令系统的影响 单总线结构没有访内单总线结构没有访内/访外指令之分访外指令之分 双总线和三总线结构访内和访外用不同的指令来区分双总线和三总线结构访内和访外用不同的指令来区分吞吐量吞吐量 单总线结构的吞吐量小单总线结构的吞吐量小
9、三总线结构的吞吐量大三总线结构的吞吐量大 双总线结构的吞吐量居中双总线结构的吞吐量居中三、总线的控制三、总线的控制1、总线的控制方式、总线的控制方式总线的控制主要是解决连接在公共总线上多个设备之间使用总线总线的控制主要是解决连接在公共总线上多个设备之间使用总线的仲裁问题，完成这一功能的部件是总线控制器。的仲裁问题，完成这一功能的部件是总线控制器。1)串行链接方式串行链接方式在在单单总线和双总线结构的计算机中总线和双总线结构的计算机中,总线控制器是总线控制器是CPU的一部分的一部分,在三总线结构的计算机中在三总线结构的计算机中,它还是通道处理机的一部分。现在，它还是通道处理机的一部分。现在，总线
10、总裁器一般是一个单独的功能模块。总线总裁器一般是一个单独的功能模块。工作过程分析工作过程分析:设备设备N向总线控制器发总线使用请求向总线控制器发总线使用请求 总线控制器检查总线控制器检查BS信信号号 若若BS=0 总线控制器发总线控制器发BG信号信号 BG按照设备的物理按照设备的物理连接次序查询连接次序查询,直到找到第一个发出直到找到第一个发出BR的设备的设备 置置BS=1. 如果有如果有2个设备都发出了总线使用请求个设备都发出了总线使用请求,此时响应哪一个设备此时响应哪一个设备?离总线控制器近的设备离总线控制器近的设备.优点优点:a. 设备扩充容易。设备扩充容易。b.控制器简单控制器简单缺点
11、缺点:a.优先级由设备的物理位置确定，设置不灵活。优先级由设备的物理位置确定，设置不灵活。b.单点故障明显单点故障明显c.响应速度慢响应速度慢2)计数器定时查询方式计数器定时查询方式工作过程分析工作过程分析:设备设备N向总线控制器发总线使用请求向总线控制器发总线使用请求 总线控制器检查总线控制器检查BS信信号号 若若BS=0 计数器开始计数计数器开始计数 当计数值等于发出当计数值等于发出BR请请求的设备号时，设备得到总线使用权求的设备号时，设备得到总线使用权 置置BS=1 设备的优先级别能否改变，若能，则如何改变设备的优先级别能否改变，若能，则如何改变?改变计数器的计数初始值改变计数器的计数初
12、始值.优点优点:a. 不存在单点故障不存在单点故障b.优先级改变灵活优先级改变灵活 ( 如何体现如何体现 ？ )缺点缺点:a. 设备扩充较困难设备扩充较困难(增加计数线数量增加计数线数量) 。b.响应速度较慢响应速度较慢3)独立请求方式独立请求方式工作过程分析工作过程分析:所有设备通过各自独立的所有设备通过各自独立的BR线向控制器发总线使用请求线向控制器发总线使用请求 总总线控制器经过裁决线控制器经过裁决 通过独立的通过独立的BG线线响应请求响应请求 设备的优先级如何确定设备的优先级如何确定 ?由控制器中的裁决器按照一定的策略确定由控制器中的裁决器按照一定的策略确定(可编程可编程)优点优点:a
13、. 不存在单点故障不存在单点故障b.优先级改变灵活优先级改变灵活c.响应速度快响应速度快缺点缺点:a. 线数与设备的数量有关，设备扩充较困难。线数与设备的数量有关，设备扩充较困难。b.控制器的设计复杂控制器的设计复杂4)总线控制方式总结总线控制方式总结总线控制方式总体上分为集中控制和分散控制。总线控制方式总体上分为集中控制和分散控制。 集中控制：集中控制：总线控制器基本集中在一起，上述的三种方式属于集中控制，其总线控制器基本集中在一起，上述的三种方式属于集中控制，其具体体现是每个设备有两根线送到总线仲裁控制器，其一是总线具体体现是每个设备有两根线送到总线仲裁控制器，其一是总线请求使用信号请求使
14、用信号BR、另一个是总线授权信号线另一个是总线授权信号线BG。 分散控制：分散控制：总线控制逻辑分散在总线各部件中。总线控制逻辑分散在总线各部件中。四、总线的通信方式四、总线的通信方式解决部件获得总线控制权后，采用哪种方式进行数据交换。解决部件获得总线控制权后，采用哪种方式进行数据交换。常用的总线通信方式有常用的总线通信方式有同步通信同步通信和和异步通信异步通信。1)同步通信同步通信不采用应答信号不采用应答信号实现方法实现方法:采用统一的时钟或每个部件自带时钟采用统一的时钟或每个部件自带时钟,但受源部件同步时钟的同步但受源部件同步时钟的同步优点优点:时序关系简单，实现简单。时序关系简单，实现简
15、单。缺点：缺点：在设备速度不一致时按最坏情况确定，传输线不能太长（时钟在设备速度不一致时按最坏情况确定，传输线不能太长（时钟相移）。相移）。2)异步通信方式异步通信方式采用应答信号采用应答信号实现方法实现方法发送信息的同时还要发送本设备的时间标志信号发送信息的同时还要发送本设备的时间标志信号,并用并用“应答应答方方式式”进行。单向应答不能判断数据是否正确传送，一般采用双进行。单向应答不能判断数据是否正确传送，一般采用双向应答。有非互锁、半互锁和全互锁三种三种类型向应答。有非互锁、半互锁和全互锁三种三种类型全互锁全互锁数据传输可靠数据传输可靠适用于传输周期不同的设备适用于传输周期不同的设备对通讯
16、线的长度没有严格的要求对通讯线的长度没有严格的要求缺点：缺点：速度慢速度慢异步通信方式的异步通信方式的优点优点:五、总线的数据传送模式五、总线的数据传送模式1、数据传送的方式、数据传送的方式串行传送、并行传送、串并传送串行传送、并行传送、串并传送1)串行传送串行传送只使用一根传输线，采用脉冲方式传送信息只使用一根传输线，采用脉冲方式传送信息每次传送每次传送1位信息位信息低位先传送、高位后传送低位先传送、高位后传送一次新的传送的开始，一定是以一个由高电平到低电平的跳变。一次新的传送的开始，一定是以一个由高电平到低电平的跳变。串行传送的数据格式编码串行传送的数据格式编码起始位（起始位（1位）位）
17、：表示一次传输的开始：表示一次传输的开始数据位（数据位（58位）：被传送的数据位）：被传送的数据校验位（校验位（1位）位） ：用于传输校验：用于传输校验停止位（停止位（12位）：表示本次传输结束，位）：表示本次传输结束，高电平高电平两两次次传输之间的间隙时间内，发送端应该发送什么电平？为什么？传输之间的间隙时间内，发送端应该发送什么电平？为什么？高！高！topolgy采用采用“位时间位时间”，即一个二进制位在传输线上占用的时间。，即一个二进制位在传输线上占用的时间。为了实现串行传送，在发送端的接口中需要为了实现串行传送，在发送端的接口中需要“并行并行 串行串行”转转换电路，在接收端需要换电路，
18、在接收端需要“串行串行 并行并行”转换电路。转换电路。UART异步时序接收端采用外部时钟与接收的数据同步，外异步时序接收端采用外部时钟与接收的数据同步，外时钟周期和接收的每一位数据所占用的时间关系为：时钟周期和接收的每一位数据所占用的时间关系为：Tc=Td/K如果待发送的数据中有连续相邻的如果待发送的数据中有连续相邻的1或或0，接收端如何区分？，接收端如何区分？波特率的概念波特率的概念是指传输通道传输是指传输通道传输代码代码的频宽指标，单位是位的频宽指标，单位是位/秒。不同于秒。不同于时钟时钟频率频率(单位是单位是HZ/秒秒)、不同于、不同于数据数据的传输速率的传输速率(单位是字符单位是字符/
19、秒或秒或bps，是指传输的数据位，是指传输的数据位)应用举例应用举例数据传输速率是数据传输速率是120字符字符/秒，而每个字符格式规定包含十个代码位，秒，而每个字符格式规定包含十个代码位，则此时传送的波特率为多少？则此时传送的波特率为多少？10*120位位/秒秒= 1200位位/秒秒 = 1200波特波特反过来有波特如何求数据的传输速率？反过来有波特如何求数据的传输速率？2、各种典型的总线类型、各种典型的总线类型常用的总线：常用的总线：STD、ISA、EISA、VESA、PCI、AGP、infiniBaud等总线等总线STD(STanDard Bus)总线总线是是规模最小，面向工模最小，面向工
20、业控制的控制的8位系位系统总线 ISA（Industrial Standard Architecture）最早制定最早制定的的总线技技术，频率频率58MHZ ，带宽带宽5-8MB/s .(位位兼容的位位兼容的AT总线称称为ISA) EISA(Extended Industry Standard Architecture)总线。 在在ISA总线的基础上，为总线的基础上，为32位微机开发位微机开发 由由VESA于于1992年年5月推出月推出。具有具有MB/S的数据的数据传输率。采用了开放性率。采用了开放性结构、构、协议简单、传输率高、价格低率高、价格低廉、能支持多种硬廉、能支持多种硬 器件。但器件
21、。但规范性、兼容性和范性、兼容性和扩展性均展性均较差，差，结构偏构偏简单，无，无缓冲器，只能支持个外冲器，只能支持个外设插接板，插接板，而且有而且有时还随所用的随所用的CPU和其工作和其工作频率而率而变。并且只是。并且只是对CPU总线的直接的直接扩充，其充，其规范只范只发挥了了Intel 486CPU的功的功能，能，对于于Pentium并没有充分支持并没有充分支持。 VESA 总线总线该总线可分可分为PCI1.0和和PCI 2.0。PCI 1.0为32位位总线，时钟频率率33MHz，总线最大最大传输率率为32338132MB/S，而，而PCI 2.0为64位位总线，时钟频率率66MHz，最大最
22、大传输率率264MB/S,目目前最新版本前最新版本为PCI 2.1。对于于Pentium有充分支持有充分支持。AGP(Accelerated Graphics Port )AGP总线的平均的平均频率是率是66MHz，最大最大传输速率是速率是533Mbps，这是是PCI总线方式方式传输速度的速度的4倍倍 PCI(Peripheral Component Interconnect) InfiniBand是是PCI总线的替代品，采用了与总线的替代品，采用了与PCI完全不同的完全不同的架构，具有极高带宽和灵活的扩展能力，理论带宽分别可以达架构，具有极高带宽和灵活的扩展能力，理论带宽分别可以达到到500
23、MB/s、2GB/s和创记录的和创记录的6GB/s，同时，可以让应用程序同时，可以让应用程序在无需在无需CPU协助直接访问外围设备，它还解决了协助直接访问外围设备，它还解决了PCI总线中设总线中设备的距离问题，外部设备可以放到距离服务器很远的地方工作备的距离问题，外部设备可以放到距离服务器很远的地方工作（如果使用的是光缆，最远距离可以达到（如果使用的是光缆，最远距离可以达到0.3-10千米），服务千米），服务器的体积也因此缩小了许多。还支持热交换。器的体积也因此缩小了许多。还支持热交换。 是是存储网络存储网络和和集群集群最好的连接技术最好的连接技术InfiniBand总线技术总线技术 存储总线
24、存储总线有有三三种种网网络络技技术术可可能能为为存存储储网网络络提提供供普普通通的的连连接接层层体体系系结结构构，分分别是光纤通道、以太网尤其是千兆以太网、别是光纤通道、以太网尤其是千兆以太网、InfiniBaudInfiniBaud。a)a)光纤通道的存储优势光纤通道的存储优势优点：优点： 高高速速、低低延延迟迟，具具有有高高级级流流量量控控制制( (千千兆兆具具有有，百百兆兆没没有有) )，可可以以适应存储适应存储I/OI/O等突发流量。等突发流量。缺点：缺点： 难于实现和管理难于实现和管理 应应用用：最最初初是是作作为为通通用用连连接接技技术术出出现现，现现在在已已经经成成为为事事实实上
25、上的的SANSAN的标准。的标准。 三种连接层技术比较与分析三种连接层技术比较与分析c)InfiniBaudc)InfiniBaud 是一种用于代替是一种用于代替PCIPCI主机主机I/OI/O总线的总线的串行总线串行总线。由。由IntelIntel公司组织开发，并受到公司组织开发，并受到CompaqCompaq、HPHP、SUNSUN、IBMIBM等公司的支等公司的支持，作为期望在持，作为期望在PCPC和和UNIXUNIX平台使用的主要系统组件。平台使用的主要系统组件。优点：技术成熟、管理方便，具有高带宽和流量控制功能。优点：技术成熟、管理方便，具有高带宽和流量控制功能。缺点：不能适应大容量
26、事务处理对网络延迟低的要求缺点：不能适应大容量事务处理对网络延迟低的要求 应用：能很好地支持应用：能很好地支持NASNAS，已用于已用于iSCSIiSCSI-SAN-SAN。b)b)以太网以太网/ /千兆以太网千兆以太网 桥是不同速率总线之间的连接器件，起信号速度缓冲、电桥是不同速率总线之间的连接器件，起信号速度缓冲、电平转换、控制协议转换等作用。平转换、控制协议转换等作用。总线中总线中桥桥的概念的概念CPU内存缓存内存缓存系统内存系统内存桥桥至磁盘控制器至磁盘控制器至视频控制器至视频控制器主机主机I/O总线总线系统内存总线系统内存总线主机主机I/O总线中的桥总线中的桥计算机中的南桥：计算机中
27、的南桥： 负责负责IDE、ISA、USB、串并口及电源管理系统之间的联系串并口及电源管理系统之间的联系和协调和协调计算机中北桥：计算机中北桥： 支持和管理支持和管理CPU、AGP、PCI和内存等设备。和内存等设备。南、北桥在主板上的位置：南、北桥在主板上的位置： 北桥一般比较靠近北桥一般比较靠近CPU，而南桥则一般在而南桥则一般在PCI扩展槽附近。扩展槽附近。桥桥技术的发展：技术的发展：a.北桥北桥 图形存储控制中心图形存储控制中心GMCH (Graphics and Memory Controller Hub)b.南桥南桥 输入输入/输出控制中心输出控制中心ICH(I/O Controller Hub)c. 南桥的新南桥的新发展：发展： ICH5支持支持S-ATA 2005年和年和2006年，将相继推出年，将相继推出ICH7和和ICH8，整合宽带网整合宽带网络接口，络接口，PCI Express(下一下一代跨平台互连标准，有望取代代跨平台互连标准，有望取代AGP技术技术)界面，支持界面，支持USB 3.0及无线及无线USB传输界面，数据传传输界面，数据传输率分别为输率分别为500M/s和和200M/s。
