白中英第五版計(jì)算機(jī)組成原理第6章

1、計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 6.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài) 6.2 總線接口 6.3 總線的仲裁 6.4 總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式 6.5 HOST總線和PCI總線 6.6 InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)l6.1.1 6.1.1 總線的基本概念總線的基本概念l6.1.2 6.1.2 總線的連接方式總線的連接方式l6.1.3 6.1.3 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)l6.1.4 6.1.4 總線結(jié)構(gòu)實(shí)例總線結(jié)構(gòu)實(shí)例計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.1.1 總線的基本概念l總線：總線：構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個(gè)系統(tǒng)

2、構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個(gè)系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。l總線支持不同部件之間的總線支持不同部件之間的地址地址、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、控制控制三類三類信息的傳送。信息的傳送。l一個(gè)單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類：一個(gè)單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類： 內(nèi)部總線內(nèi)部總線 CPUCPU內(nèi)，連接各寄存器及運(yùn)算器。內(nèi)，連接各寄存器及運(yùn)算器。系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 CPUCPU同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他高速功能部件之間互相連接的總線同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他高速功能部件之間互相連接的總線I/OI/O總線總線中、低速中、低速I/OI/O設(shè)備之間互相連接的總線。設(shè)備之間互相連接的總線

3、。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理1. 總線的特性l物理特性物理特性指物理連接方式的規(guī)定。指物理連接方式的規(guī)定。如總線的根數(shù)、插頭插座的形狀和尺寸等。如總線的根數(shù)、插頭插座的形狀和尺寸等。l功能特性功能特性指總線中每一根的功能。指總線中每一根的功能。如它是數(shù)據(jù)、地址，還是控制線？如它是數(shù)據(jù)、地址，還是控制線？功能特性中，如果描述了功能特性中，如果描述了n根地址線，則可直接訪存根地址線，則可直接訪存的地址范圍為的地址范圍為0(2n1)。物理特性物理特性功能特性功能特性電氣特性電氣特性時(shí)間特性時(shí)間特性計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理1. 總線的特性(續(xù))l電氣特性電氣特性規(guī)定每根線上信號(hào)的規(guī)定每根線上信號(hào)

4、的傳遞方向傳遞方向和和有效電平有效電平范圍。范圍。從從CPUCPU發(fā)出的信號(hào)，稱輸出信號(hào)發(fā)出的信號(hào)，稱輸出信號(hào)(OUT)(OUT)；送入送入CPUCPU的信號(hào)，稱輸入信號(hào)的信號(hào)，稱輸入信號(hào)(IN)(IN)。數(shù)據(jù)線可傳送雙向信號(hào)，地址、控制線只單向傳數(shù)據(jù)線可傳送雙向信號(hào)，地址、控制線只單向傳送信號(hào)。送信號(hào)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理l時(shí)間特性時(shí)間特性規(guī)定每根線上的信號(hào)什么時(shí)間有效。規(guī)定每根線上的信號(hào)什么時(shí)間有效。訪存時(shí)地址、控制、數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理2. 系統(tǒng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化lPCPC中，中，系統(tǒng)系統(tǒng)總線布設(shè)在總線布設(shè)在主板主板上。上。為什么主板能支持很多廠家的顯卡為什么

5、主板能支持很多廠家的顯卡？原因是，原因是，系統(tǒng)系統(tǒng)總線是按總線是按標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)制作的。制作的。l總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總線的物理特性、功能特性、電氣特性總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總線的物理特性、功能特性、電氣特性和時(shí)間特性。和時(shí)間特性。l微機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)總線：微機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)總線：ISAISA總線總線 (16(16位，位，8MB/s)8MB/s)、 EISA EISA (32(32位，位，33.3MB/s)33.3MB/s)總線、總線、 VESAVESA總線總線(32(32位，位，132MB/s) 132MB/s) 、 PCIPCI總線總線(64(64位，位，100MB/s) PCI-Express 100MB/s) PCI-E

6、xpress 1.01.0總線總線(250MB/s) (250MB/s) 。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理l1.1.總線的帶寬總線的帶寬 （MB/sMB/s）一定時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量一定時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量l2.2.總線的位寬總線的位寬 總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。 即我們常說即我們常說的的3232位、位、6464位等總線寬度的概念。位等總線寬度的概念。l3.3.總線的工作時(shí)鐘頻率總線的工作時(shí)鐘頻率 （MHzMHz）總線的時(shí)鐘頻率總線的時(shí)鐘頻率時(shí)鐘周期11Tf總線的主要參數(shù)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理總線帶寬l總線傳輸數(shù)據(jù)的速度。單位：總線傳輸數(shù)據(jù)的速度。單位

7、：MB/sMB/sl例：例：(1)(1)某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送4 4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設(shè)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設(shè)一個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘周期，總線時(shí)鐘頻率為個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘周期，總線時(shí)鐘頻率為33MHz33MHz，則總線，則總線帶寬是多少帶寬是多少? (2)? (2)如果一個(gè)總線周期中并行傳送如果一個(gè)總線周期中并行傳送6464位數(shù)據(jù)，總線時(shí)鐘位數(shù)據(jù)，總線時(shí)鐘頻率升為頻率升為66MHz66MHz，則總線帶寬是多少，則總線帶寬是多少? ? l解：（解：（1 1）帶寬）帶寬= =4= =4f f =4B =4B333310106 6 /s =132MB/

8、s/s =132MB/s。 (2) (2) 帶寬帶寬=64=64f f =8B =8B666610106 6 /s = 528MB/s/s = 528MB/s。T4計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.1.2 總線的連接方式lI/OI/O設(shè)備的種類有很多。設(shè)備的種類有很多。鍵盤、鼠標(biāo)、軟盤、硬盤、顯示器等。鍵盤、鼠標(biāo)、軟盤、硬盤、顯示器等。I/OI/O設(shè)備的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳送速度都有差別。設(shè)備的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳送速度都有差別。I/OI/O設(shè)備直接連到總線是設(shè)備直接連到總線是不可以不可以的。的。l適配器適配器( (又稱又稱接口接口) )可使可使CPUCPU、設(shè)備分別以自己的速度工作；、設(shè)備分別以自己的速度工作

9、；完成完成CPUCPU與設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送和控制。與設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送和控制。l單機(jī)系統(tǒng)中總線結(jié)構(gòu)的兩種基本類型：?jiǎn)螜C(jī)系統(tǒng)中總線結(jié)構(gòu)的兩種基本類型：?jiǎn)慰偩€和多總線。單總線和多總線。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理單總線結(jié)構(gòu)CPUCPU主存主存適配器適配器適配器適配器 各部件公用同一個(gè)總線；各部件公用同一個(gè)總線； 任何時(shí)刻，只允許任何時(shí)刻，只允許一對(duì)一對(duì)部件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；部件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送； 主存和主存和IOIO設(shè)備設(shè)備統(tǒng)一統(tǒng)一編址；編址； 一個(gè)部件要發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，必須一個(gè)部件要發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，必須先獲得先獲得總線控制權(quán)?？偩€控制權(quán)。play計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理l多總線：在在CPUCPU、主存、主存、

10、I/OI/O之間互聯(lián)采用多條總線。之間互聯(lián)采用多條總線。 圖6.2多總線結(jié)構(gòu)CPU和和cache之間之間采用高速采用高速的的CPU總總線線 。主存連在系主存連在系統(tǒng)總線上統(tǒng)總線上高速總線上可以連接高速高速總線上可以連接高速LAN（100Mb/s局域網(wǎng)）、視局域網(wǎng)）、視頻接口、圖形接口、頻接口、圖形接口、SCSI接接口（支持本地磁盤和其他外口（支持本地磁盤和其他外設(shè)）、設(shè)）、Firewire接口（支持大接口（支持大容量容量I/O設(shè)備）設(shè)備）高速總線通過高速總線通過擴(kuò)擴(kuò)充總線接口充總線接口與擴(kuò)與擴(kuò)充總線相連，擴(kuò)充總線相連，擴(kuò)充總線上可以連充總線上可以連接串行方式工作接串行方式工作的的I/O設(shè)備設(shè)備

11、通過橋通過橋CPU總線、系統(tǒng)總線和高速總線彼此相連。橋?qū)嵸|(zhì)總線、系統(tǒng)總線和高速總線彼此相連。橋?qū)嵸|(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.1.3 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)l早期的單總線可看作早期的單總線可看作CPUCPU引腳的延伸引腳的延伸。CPU存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸入設(shè)備接接 口口輸出設(shè)備輸出設(shè)備接接 口口驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制play計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理“CPU引腳延伸”的缺陷 CPUCPU是總線控制的主角是總線控制的主角; ; 現(xiàn)在接口中增加現(xiàn)在接口中增加DMADMA控制器，但仍無法支持多個(gè)控制器，但仍

12、無法支持多個(gè)CPUCPU的系統(tǒng)；的系統(tǒng)； 總線與總線與CPUCPU引腳相關(guān)，通用性差。引腳相關(guān)，通用性差。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理現(xiàn)代的總線觀CPU-cache模塊模塊 中斷與同步總線中斷與同步總線( (中斷請(qǐng)求與認(rèn)可中斷請(qǐng)求與認(rèn)可) )存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器模塊模塊I/O適配器適配器總線總線控制器控制器仲裁總線仲裁總線( (總線請(qǐng)求與授權(quán)總線請(qǐng)求與授權(quán)) ) 數(shù)據(jù)傳送總線數(shù)據(jù)傳送總線( (地址、數(shù)據(jù)、控制線地址、數(shù)據(jù)、控制線) ) 公用線公用線( (時(shí)鐘、電源、地、復(fù)位等時(shí)鐘、電源、地、復(fù)位等) )主板主板追求與結(jié)構(gòu)、追求與結(jié)構(gòu)、CPUCPU、技術(shù)無關(guān)的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)無關(guān)的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn) 完成幾個(gè)總線完

13、成幾個(gè)總線請(qǐng)求者之間的請(qǐng)求者之間的協(xié)調(diào)與仲裁協(xié)調(diào)與仲裁計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.1.5 總線結(jié)構(gòu)實(shí)例南北橋芯片將南北橋芯片將CPU總線、總線、PCI總總線、線、ISA總線連成整體。橋芯片總線連成整體。橋芯片起到了信號(hào)速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換、起到了信號(hào)速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換、控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理lCPU總線也稱也稱CPU-CPU-存儲(chǔ)器總線，它是一個(gè)存儲(chǔ)器總線，它是一個(gè)6464位數(shù)據(jù)線和位數(shù)據(jù)線和3232位地址線的同步總線。位地址線的同步總線。lPCI總線用于連接高速的用于連接高速的I/OI/O設(shè)備模塊，如圖形顯示卡適配設(shè)備模塊，如圖形顯示卡適配器、

14、網(wǎng)絡(luò)接口控制器等。器、網(wǎng)絡(luò)接口控制器等。lISA總線用于與低速用于與低速I/OI/O設(shè)備連接。設(shè)備連接。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)存條芯片組BIOS芯片CPU插座串行接口AGP擴(kuò)展槽PCI擴(kuò)展槽電池早期奔騰系列主板計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理最新I7主板計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.2 總線接口l6.2.1 6.2.1 信息的傳送方式信息的傳送方式l6.2.2 6.2.2 接口的基本概念接口的基本概念計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.2.1 信息的傳送方式l位信息的表示方法位信息的表示方法用持續(xù)的高電位（或低電位）表示用持續(xù)的高電位（或低電位）表示1 1（或（或0 0）；）；3.5V3.5

15、V5V 15V 10 0 1.2V 01.2V 0用有（或無）脈沖表示用有（或無）脈沖表示1 1（或（或0 0）。）。 位傳送周期10計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.2.1 信息的傳送方式(續(xù))l信息傳送的三種方式信息傳送的三種方式串行傳送串行傳送沿一根線，用沿一根線，用“有無脈沖有無脈沖”順序順序地傳送數(shù)據(jù)的各個(gè)位。地傳送數(shù)據(jù)的各個(gè)位。并行傳送并行傳送用一組線，各位用一組線，各位同時(shí)同時(shí)沿不同的線傳送。沿不同的線傳送。分時(shí)傳送分時(shí)傳送不同不同性質(zhì)性質(zhì)或不同或不同部件部件的二進(jìn)制數(shù)在的二進(jìn)制數(shù)在不同的總線周期不同的總線周期里傳送。里傳送。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 串行傳送并-串變換串-并變

16、換0000010100000101T1T8T2T3T4T5T6T7低位低位高位高位10010000時(shí)間時(shí)間計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 并行傳送發(fā)送部件接收部件00000101低位低位高位高位電位表示；比串行傳送快；電位表示；比串行傳送快；主板總線一般采用并行傳送。主板總線一般采用并行傳送。6-7計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 分時(shí)傳送8088CPU鎖存器地址總線地址總線總線接口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線先發(fā)地址，后發(fā)數(shù)據(jù)先發(fā)地址，后發(fā)數(shù)據(jù)兩種概念：兩種概念：總線復(fù)用方式總線復(fù)用方式，某個(gè)傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。，某個(gè)傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。共享總線的部件分時(shí)使用總線共享總

17、線的部件分時(shí)使用總線計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.2.2 接口的基本概念l接口是接口是CPUCPU、內(nèi)存、外設(shè)與總線之間的轉(zhuǎn)換器、內(nèi)存、外設(shè)與總線之間的轉(zhuǎn)換器l外設(shè)有自己的外設(shè)有自己的設(shè)備控制器設(shè)備控制器。通過通過I/OI/O接口接收接口接收cpucpu送來的信息，并傳遞給設(shè)備。送來的信息，并傳遞給設(shè)備?；蛘邔⒃O(shè)備的信息通過或者將設(shè)備的信息通過I/OI/O接口發(fā)送給接口發(fā)送給cpucpu。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理部件、控制器、接口、總線的關(guān)系總線CPU總線接口總線接口磁盤控制器總線接口光盤控制器總線接口打印機(jī)控制器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理接口的功能l控制控制接收接收總線傳來的控制信息

18、，總線傳來的控制信息，向向控制器發(fā)指示?？刂破靼l(fā)指示。例：磁盤接口收到例：磁盤接口收到R R請(qǐng)求，向控制器發(fā)出找道、請(qǐng)求，向控制器發(fā)出找道、找扇區(qū)指示。找扇區(qū)指示。l緩沖緩沖緩沖總線傳來的緩沖總線傳來的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，或部件傳來的，或部件傳來的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。l狀態(tài)狀態(tài)保存保存部件的工作狀態(tài)，部件的工作狀態(tài)，供供其他部件查詢。其他部件查詢。例：磁盤已將數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上。例：磁盤已將數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線上。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理接口的功能(續(xù))l轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換例：總線和接口之間為例：總線和接口之間為并行并行傳送，而接口與控制傳送，而接口與控制器之間是器之間是串行串行傳送，則從總線收到的數(shù)據(jù)傳送，則從總線收

19、到的數(shù)據(jù)變?yōu)榇優(yōu)榇行袛?shù)據(jù)再發(fā)給控制器。數(shù)據(jù)再發(fā)給控制器。l整理整理例：接口中可能包含計(jì)數(shù)器，完成一次數(shù)據(jù)傳送例：接口中可能包含計(jì)數(shù)器，完成一次數(shù)據(jù)傳送后后計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)器加1 1；接口中可能保存訪存地址，一次；接口中可能保存訪存地址，一次訪存后需要訪存后需要修改地址修改地址，準(zhǔn)備下次訪存。，準(zhǔn)備下次訪存。l程序中斷程序中斷外設(shè)請(qǐng)求外設(shè)請(qǐng)求CPUCPU服務(wù)時(shí)，接口發(fā)出中斷請(qǐng)求。服務(wù)時(shí)，接口發(fā)出中斷請(qǐng)求。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理接口的“兩面性”l與系統(tǒng)總線的與系統(tǒng)總線的“一面一面”；一般是并行傳送。一般是并行傳送。l與外設(shè)控制器的與外設(shè)控制器的“一面一面”。也采用并行傳送時(shí)，稱接口為也采用并

20、行傳送時(shí)，稱接口為并行數(shù)據(jù)接口并行數(shù)據(jù)接口；采用串行傳送時(shí)，稱接口為采用串行傳送時(shí)，稱接口為串行數(shù)據(jù)接口串行數(shù)據(jù)接口。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理例2：串行傳送時(shí)，每秒傳送的位數(shù)稱波特率。若數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，每字符包含10位（1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位）。計(jì)算波特率，以及位傳送周期。解：波特率為解：波特率為1010位位120120字符字符/ /秒秒12001200波特。波特。 位傳送周期為位傳送周期為1/1200 1/1200 0.0008330.000833（秒）。（秒）。1 12 26 64 45 53 38 87 71 12 2起始位 數(shù)據(jù)位 停止位 起始位計(jì)算機(jī)組成

21、原理計(jì)算機(jī)組成原理6.3 總線仲裁總線上的兩種部件，一個(gè)為總線上的兩種部件，一個(gè)為主方主方，另一個(gè)，另一個(gè)為為從方從方。只有主方有權(quán)只有主方有權(quán)啟動(dòng)一個(gè)總線周期，啟動(dòng)一個(gè)總線周期，從方只能響應(yīng)從方只能響應(yīng)主方的主方的請(qǐng)求。請(qǐng)求。任何時(shí)刻，只有一個(gè)主方，但可有多個(gè)從方。任何時(shí)刻，只有一個(gè)主方，但可有多個(gè)從方。主方可主方可放棄放棄總線控制權(quán)，讓位于請(qǐng)求總線控制權(quán)的部件。總線控制權(quán)，讓位于請(qǐng)求總線控制權(quán)的部件。不是任何部件都可成為主方，例如，不是任何部件都可成為主方，例如，存儲(chǔ)器只能作為從存儲(chǔ)器只能作為從方方。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理當(dāng)多個(gè)可作主方的設(shè)備請(qǐng)求總線控制，誰優(yōu)先呢？當(dāng)多個(gè)可作主方的設(shè)

22、備請(qǐng)求總線控制，誰優(yōu)先呢？公平策略公平策略例，多例，多CPUCPU系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，CPUCPU之間是平等的。之間是平等的。優(yōu)先級(jí)策略優(yōu)先級(jí)策略I/OI/O設(shè)備之間一般有不同的總線請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)。設(shè)備之間一般有不同的總線請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)。l主方持續(xù)控制總線的時(shí)間，稱為總線占用期。主方持續(xù)控制總線的時(shí)間，稱為總線占用期。l按照總線仲裁電路的位置不同按照總線仲裁電路的位置不同: :總線的仲裁方式分總線的仲裁方式分為為集中式仲裁集中式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁兩類。兩類。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.3.1集中式仲裁l總線仲裁部件總線仲裁部件 中央仲裁器中央仲裁器l每個(gè)功能模塊有兩根線連到中央仲裁器。每個(gè)功

23、能模塊有兩根線連到中央仲裁器。送仲裁器的送仲裁器的總線請(qǐng)求線總線請(qǐng)求線（BRBR, Bus Request, Bus Request）; ;仲裁器送來的仲裁器送來的總線授權(quán)線總線授權(quán)線（BGBG，Bus GrantBus Grant）。）。l三種集中式仲裁三種集中式仲裁鏈?zhǔn)讲樵兎绞?；鏈?zhǔn)讲樵兎绞?；?jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式；計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式；獨(dú)立請(qǐng)求方式。獨(dú)立請(qǐng)求方式。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理集中仲裁：鏈?zhǔn)讲樵兎绞娇偪偩€線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS -總線忙總線忙BR-總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求BG-總線授權(quán)總線授權(quán)I/O接口接

24、口1 BS（Bus State）1時(shí)，總線正被某設(shè)備使用。時(shí)，總線正被某設(shè)備使用。 當(dāng)接口使當(dāng)接口使BR為為1且且BS為為0時(shí)，仲裁器置時(shí)，仲裁器置BG為為1。 BG 串行的從一個(gè)接口傳到下一個(gè)接口，無總線請(qǐng)求繼續(xù)向下查詢。串行的從一個(gè)接口傳到下一個(gè)接口，無總線請(qǐng)求繼續(xù)向下查詢。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理鏈?zhǔn)讲樵兎绞教攸c(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：BGBG線只有一根、容易擴(kuò)充設(shè)備。線只有一根、容易擴(kuò)充設(shè)備。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：靠近仲裁器的設(shè)備優(yōu)先級(jí)最高，優(yōu)先級(jí)低的靠近仲裁器的設(shè)備優(yōu)先級(jí)最高，優(yōu)先級(jí)低的接口可能接口可能長(zhǎng)期長(zhǎng)期無法使用總線。無法使用總線。故障敏感：如果第故障敏感：如果第i i個(gè)設(shè)備有問題，其后邊個(gè)設(shè)備有

25、問題，其后邊的設(shè)備都不能使用；的設(shè)備都不能使用；計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 0BS -總線忙總線忙BR-總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設(shè)備地址設(shè)備地址集中仲裁：計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式I/O接口接口1 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 1計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式特點(diǎn)BRBR為為1 1且且BSBS為為0 0時(shí)，仲裁器的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并從時(shí)，仲裁器的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并從“設(shè)備設(shè)備地址線地址線”發(fā)出計(jì)數(shù)值；接口發(fā)現(xiàn)設(shè)備地址與發(fā)出計(jì)數(shù)值；接口發(fā)現(xiàn)設(shè)備地址與BRBR的設(shè)備地址的設(shè)備地址相同時(shí)，置相同

26、時(shí)，置BSBS為為1 1，撤消，撤消BRBR。仲裁器發(fā)現(xiàn)。仲裁器發(fā)現(xiàn)BSBS為為1 1，停止計(jì)數(shù)。，停止計(jì)數(shù)。 如果從如果從“0”0”開始，各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ嚅_始，各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ嗤?，?yōu)先級(jí)的順序是固定的。同，優(yōu)先級(jí)的順序是固定的。 計(jì)數(shù)器的初值也可用程序來設(shè)置，這可以方便地改變計(jì)數(shù)器的初值也可用程序來設(shè)置，這可以方便地改變優(yōu)先次序，但這種靈活性是以增加線數(shù)為代價(jià)的?？煞奖銉?yōu)先次序，但這種靈活性是以增加線數(shù)為代價(jià)的?？煞奖愕母淖儍?yōu)先級(jí)。的改變優(yōu)先級(jí)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器集中仲裁：獨(dú)立請(qǐng)求方式總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址

27、線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意總線同意BR-總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理獨(dú)立請(qǐng)求方式特點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間快；優(yōu)先次序的控制比較靈活；還可屏蔽某些設(shè)備的請(qǐng)求。響應(yīng)時(shí)間快；優(yōu)先次序的控制比較靈活；還可屏蔽某些設(shè)備的請(qǐng)求。在單在單CPU系統(tǒng)中，中央仲裁器又稱總線控制器，屬于系統(tǒng)中，中央仲裁器又稱總線控制器，屬于CPU一部分。一部分。6-9計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.3.2分布式仲裁l沒有中央仲裁器沒有中央仲裁器；l每個(gè)潛在的主方都有仲裁器；每個(gè)潛在的主方都有仲裁器；l共用一個(gè)共用一個(gè)“仲裁總線仲裁總線”； 仲裁過程：設(shè)

28、備請(qǐng)求總線仲裁過程：設(shè)備請(qǐng)求總線將自己的仲裁號(hào)發(fā)到仲裁總線每個(gè)將自己的仲裁號(hào)發(fā)到仲裁總線每個(gè)仲裁器讀取仲裁總線上的設(shè)備號(hào)與本設(shè)備號(hào)比較：仲裁器讀取仲裁總線上的設(shè)備號(hào)與本設(shè)備號(hào)比較： 若本設(shè)備優(yōu)先級(jí)低，不能獲取總線若本設(shè)備優(yōu)先級(jí)低，不能獲取總線 ； 若本設(shè)備優(yōu)先級(jí)高，置若本設(shè)備優(yōu)先級(jí)高，置BS=1BS=1并向仲裁總線送出設(shè)備號(hào)，獲得總線控制權(quán)。并向仲裁總線送出設(shè)備號(hào)，獲得總線控制權(quán)。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.4總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式總線的一次信息傳送，大致分總線的一次信息傳送，大致分5 5個(gè)階段：個(gè)階段：請(qǐng)求總線；請(qǐng)求總線；總線仲裁；總線仲裁；尋址（即發(fā)送地址到地址總線）；尋址（即發(fā)送

29、地址到地址總線）；信息傳送（即發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線）；信息傳送（即發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線）；狀態(tài)返回（或錯(cuò)誤報(bào)告）。狀態(tài)返回（或錯(cuò)誤報(bào)告）。主方和從方的動(dòng)作有時(shí)序關(guān)系。主方和從方的動(dòng)作有時(shí)序關(guān)系。規(guī)定事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)序關(guān)系，稱總線定時(shí)。規(guī)定事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)序關(guān)系，稱總線定時(shí)。分為分為同步定時(shí)同步定時(shí)和和異步定時(shí)異步定時(shí)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理同步定時(shí)l無論主方、從方，事件出現(xiàn)的時(shí)刻無論主方、從方，事件出現(xiàn)的時(shí)刻由總線時(shí)鐘由總線時(shí)鐘確定。確定。 例：例：CPUCPU讀內(nèi)存。約定事件出現(xiàn)都在時(shí)鐘上跳前沿，多數(shù)事件讀內(nèi)存。約定事件出現(xiàn)都在時(shí)鐘上跳前沿，多數(shù)事件持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期。持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期

30、。 CPU CPU先發(fā)讀命令，并發(fā)存儲(chǔ)單元地址；先發(fā)讀命令，并發(fā)存儲(chǔ)單元地址； 存儲(chǔ)器延遲存儲(chǔ)器延遲1 1個(gè)時(shí)鐘將數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線。個(gè)時(shí)鐘將數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線。地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線時(shí)鐘總線時(shí)鐘啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)信號(hào)讀命令讀命令地址線地址線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線認(rèn)可認(rèn)可讀讀數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的同同步步時(shí)時(shí)序序計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理同步定時(shí)的特點(diǎn)l各模塊何時(shí)做何種動(dòng)作，都按時(shí)鐘規(guī)定；各模塊何時(shí)做何種動(dòng)作，都按時(shí)鐘規(guī)定；l適用于總線長(zhǎng)度適用于總線長(zhǎng)度較短較短、各模塊存取時(shí)間、各模塊存取時(shí)間接近接近的的系統(tǒng)。系統(tǒng)。l由于同步總線按最慢的模塊設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘，當(dāng)由于同步總線按最慢的模塊設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘，當(dāng)各模塊各模塊存取時(shí)間相差很

31、大存取時(shí)間相差很大時(shí)，會(huì)大大損失總線時(shí)，會(huì)大大損失總線效率。效率。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理異步定時(shí)l在異步定時(shí)協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻在異步定時(shí)協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻取決于前取決于前一事件的出現(xiàn)一事件的出現(xiàn)，即建立在，即建立在應(yīng)答式應(yīng)答式或或互鎖互鎖機(jī)制基礎(chǔ)上機(jī)制基礎(chǔ)上 。l取消公共時(shí)鐘，總線周期長(zhǎng)度可變；取消公共時(shí)鐘，總線周期長(zhǎng)度可變；計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理異步定時(shí)的特點(diǎn)l總線周期可變，不強(qiáng)限制功能模塊的響應(yīng)時(shí)間?？偩€周期可變，不強(qiáng)限制功能模塊的響應(yīng)時(shí)間。l允許快速和慢速的模塊連到同一總線允許快速和慢速的模塊連到同一總線。l增加總線的復(fù)雜性和成本。增加總線的復(fù)

32、雜性和成本。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理6.4.2 總線的數(shù)據(jù)傳送模式l讀、寫操作讀、寫操作 主方與從方間的數(shù)據(jù)傳送。主方與從方間的數(shù)據(jù)傳送。l塊傳送操作塊傳送操作給出塊的起始地址，順序讀給出塊的起始地址，順序讀( (寫寫) )多個(gè)數(shù)據(jù)。多個(gè)數(shù)據(jù)。例：例：CPU-CPU-存儲(chǔ)器之間的存儲(chǔ)器之間的猝發(fā)式傳送猝發(fā)式傳送。l“寫后讀寫后讀”、“讀后寫讀后寫”操作操作給出地址后，先寫入后讀出，用于校驗(yàn)。給出地址后，先寫入后讀出，用于校驗(yàn)。給出地址后，先讀出后寫入，用于共享資源的保護(hù)。給出地址后，先讀出后寫入，用于共享資源的保護(hù)。l廣播、廣集操作廣播、廣集操作廣播：主方向多個(gè)從方傳送數(shù)據(jù)（寫）；廣播：主

33、方向多個(gè)從方傳送數(shù)據(jù)（寫）；廣集：多個(gè)從方向主方傳送數(shù)據(jù)（讀），例：檢測(cè)中斷源。廣集：多個(gè)從方向主方傳送數(shù)據(jù)（讀），例：檢測(cè)中斷源。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理HOST總線總線PCI總線總線LAGACY總線總線“宿主宿主”總線，總線，也稱也稱CPUCPU總線、總線、系統(tǒng)總線、主系統(tǒng)總線、主存總線存總線連接各種高速的連接各種高速的PCIPCI設(shè)設(shè)備備 。使用。使用PCI/PCIPCI/PCI橋或橋或HOST/PCIHOST/PCI橋，系統(tǒng)中可橋，系統(tǒng)中可包含多個(gè)包含多個(gè)PCIPCI總線?？偩€。ISAISA，EISAEISA，MCAMCA等性等性能較低的傳統(tǒng)總線，能較低的傳統(tǒng)總線，支持中低速支持中

34、低速I/OI/O設(shè)備設(shè)備 橋連接兩條總線，使彼此間相互通信。HOSTHOST橋是橋是PCIPCI總線控制總線控制器，含有中央仲裁器器，含有中央仲裁器 6.5 HOST/PCI總線多總線結(jié)構(gòu)的示意圖計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理HOST總線l該總線有該總線有CPUCPU總線、系統(tǒng)總線、主存總線、前端總線、系統(tǒng)總線、主存總線、前端總線等多種名稱，各自反映了總線功能的一個(gè)總線等多種名稱，各自反映了總線功能的一個(gè)方面。這里稱方面。這里稱“宿主宿主”總線，也許更全面，因總線，也許更全面，因?yàn)闉镠OSTHOST總線不僅連接主存，還可以連接多個(gè)總線不僅連接主存，還可以連接多個(gè)CPUCPU。l連接連接“北橋北橋

35、”芯片與芯片與CPUCPU之間的信息通路，它是之間的信息通路，它是一個(gè)一個(gè)6464位數(shù)據(jù)線和位數(shù)據(jù)線和3232位地址線的同步總線。位地址線的同步總線。3232位的地址線可支持處理器位的地址線可支持處理器4GB4GB的存儲(chǔ)尋址空間。的存儲(chǔ)尋址空間。lCPUCPU擁有擁有HOSTHOST總線的控制權(quán)，但在必要情況下可總線的控制權(quán)，但在必要情況下可放棄總線控制權(quán)。放棄總線控制權(quán)。計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理PCI總線特點(diǎn)lPCIPCI是是與與CPUCPU無關(guān)無關(guān)的外圍總線（的外圍總線（局部總線局部總線）。）。l連接到連接到PCIPCI總線的設(shè)備，稱總線的設(shè)備，稱PCIPCI設(shè)備。設(shè)備。l使用使用PCI/PCIPCI/PCI橋或橋或HOST/PCIHOST/PCI橋，系統(tǒng)中可包含多個(gè)橋，系統(tǒng)中可包含多個(gè)PCIPCI總線。總線。l總線定時(shí)方式采用同步時(shí)序協(xié)議總線定時(shí)方式采用同步時(shí)序協(xié)議，總線時(shí)鐘為方波信號(hào)。，總線時(shí)鐘為方波信號(hào)。l總線仲裁方式采用集中式仲裁總線仲裁方式采用集中式仲裁。每個(gè)。每個(gè)PCIPCI主設(shè)備都有總線請(qǐng)求主設(shè)備都有總線請(qǐng)求線和總線授權(quán)線與中央仲裁器相連。線和總