計算機(jī)組成原理ch6總線系統(tǒng)課件

1、計算機(jī)組成原理ch6總線系統(tǒng)課件計算機(jī)組成原理ch6總線系統(tǒng)課件2022/9/1626.1 基本概念總線是構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。 總線的分類內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運算部件之間的總線。系統(tǒng)總線：CPU同計算機(jī)系統(tǒng)的其他高速功能部件，如存儲器、通道等互相連接的總線。I/O總線：中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線。 牛牛文庫文檔分享2022/9/1046.1 基本概念總線是構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)的2022/9/163一、總線的特性物理特性功能特性電氣特性時間特性 牛牛文庫文檔分享2022/9/105一、總線的特性物理特性www.niuwk202

2、2/9/164物理特性總線的物理特性指總線的物理連接方式。連線的類型電纜式主板式背板式(backplane)連線的數(shù)量串行(serial)并行(parallel)接插件的形狀和尺寸引腳線的排列方式 牛牛文庫文檔分享2022/9/106物理特性總線的物理特性指總線的物理連接方2022/9/165功能特性功能特性:描述總線中每一根線的功能。 功能層次芯片級、板級、系統(tǒng)級資源類型處理器總線(系統(tǒng)總線)面向單處理器的和面向多處理器的輸入輸出總線 牛牛文庫文檔分享2022/9/107功能特性功能特性:描述總線中每一根線的功2022/9/166電氣特性 電氣特性定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。

3、數(shù)據(jù)傳輸方向單工雙工半雙工/全雙工定時特征同步/異步電平特征單端方式差分方式 牛牛文庫文檔分享2022/9/108電氣特性 電氣特性定2022/9/167單端方式與差分方式 牛牛文庫文檔分享2022/9/109單端方式與差分方式www.niuwk.c2022/9/168背板 牛牛文庫文檔分享2022/9/1010背板 牛牛文2022/9/169背板總線與機(jī)箱 牛牛文庫文檔分享2022/9/1011背板總線與機(jī)箱www.niuwk.co2022/9/1610時間特性定義了每根線在什么時間有效。規(guī)定了總線上各信號有效的時序關(guān)系，CPU才能正確無誤地使用。 牛牛文庫文檔分享2022/9/1012時間

4、特性定義了每根線在什么時間有效。規(guī)2022/9/1611總線帶寬總線帶寬：總線本身所能達(dá)到的最高傳輸速率，是衡量總線性能的重要指標(biāo)，單位兆字節(jié)每秒(MB/s)。 牛牛文庫文檔分享2022/9/1013總線帶寬總線帶寬：總線本身所能達(dá)到的最2022/9/1612總線帶寬【例1】(1)某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設(shè)一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz，則總線帶寬是多少? (2)如果一個總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少? 解： （1）Dr=D/T = D*f = 4 B * 33x106/s = 132MB/s(2)

5、 Dr=D*f = 8B * 66x106/s = 528MB/s 牛牛文庫文檔分享2022/9/1014總線帶寬【例1】(1)某總線在一個總線2022/9/1613二、信息傳輸方式串行傳輸波特率(Baud)比特率(bit/s)并行傳輸分時傳輸總線復(fù)用(Multiplexing)共享總線的部件分時使用總線消息傳輸如RamLink, PCI, SCSI 牛牛文庫文檔分享2022/9/1015二、信息傳輸方式串行傳輸www.niu2022/9/1614串行傳輸方式采用脈沖傳送 串行傳送的主要優(yōu)點是只需要一條傳輸線，這一點對長距離傳輸顯得特別重要，不管傳送的數(shù)據(jù)量有多少，只需要一條傳輸線，成本比較低

6、廉。 牛牛文庫文檔分享2022/9/1016串行傳輸方式采用脈沖傳送 www.ni2022/9/1615并行傳輸方式一般采用電位傳送由于所有的位同時被傳送，所以并行數(shù)據(jù)傳送比串行數(shù)據(jù)傳送快得多。 牛牛文庫文檔分享2022/9/1017并行傳輸方式一般采用電位傳送www.n2022/9/1616分時傳輸方式總線復(fù)用方式 某個傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。為此必須劃分時間片，以便在不同的時間間隔中完成傳送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。共享總線的部件分時使用總線 牛牛文庫文檔分享2022/9/1018分時傳輸方式總線復(fù)用方式www.niu2022/9/1617三、同步(定時)方式1. 同步定時固定

7、的定時串行同步：信號編碼并行同步：專用時鐘信號線優(yōu)點 時序關(guān)系簡單，實現(xiàn)簡單。具有較高的傳輸頻率。 缺點 在設(shè)備速度不一致時按最壞情況確定，總線長度不能太長(時鐘相移) 牛牛文庫文檔分享2022/9/1019三、同步(定時)方式1. 同步定時ww2022/9/16182. 異步定時在異步定時協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應(yīng)答式或互鎖機(jī)制基礎(chǔ)上。優(yōu)點 不需要統(tǒng)一的公共時鐘信號；總線周期長度可變；允許快速和慢速的功能模塊都能連接到同一總線上。缺點 控制復(fù)雜、高成本。 牛牛文庫文檔分享2022/9/10202. 異步定時在異步定時協(xié)議中，后一事2022/9/1619

8、同步實例：EIDE硬盤接口 牛牛文庫文檔分享2022/9/1021同步實例：EIDE硬盤接口www.ni2022/9/1620例 對于具有圖示的操作時序的總線，試計算總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，假設(shè)總線上傳輸?shù)拿總€字為32位，總線時鐘頻率為50MHz。解：從圖中可見，該總線在5個時鐘周期內(nèi)傳輸了一個數(shù)據(jù)字。總線的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為:1/5=0.2 (字/時鐘周期)即0.2501064=40106 (字節(jié)/秒) 牛牛文庫文檔分享2022/9/1022例 對于具有圖示的操作時序的總線，試計2022/9/16216.2 總線控制主模塊與從模塊總線事務(wù)請求仲裁(Arbitration)地址數(shù)據(jù)釋放 牛牛文庫文檔分

9、享2022/9/10236.2 總線控制主模塊與從模塊www2022/9/1622一、總線請求和仲裁1. 集中式仲裁 鏈?zhǔn)讲樵?Daisy chain) 牛牛文庫文檔分享2022/9/1024一、總線請求和仲裁1. 集中式仲裁 w2022/9/1623一、總線請求和裁決1. 集中式仲裁 計數(shù)器定時(counter pulling) 牛牛文庫文檔分享2022/9/1025一、總線請求和裁決1. 集中式仲裁ww2022/9/1624一、總線請求和裁決1. 集中式仲裁 獨立請求(independent request) 牛牛文庫文檔分享2022/9/1026一、總線請求和裁決1. 集中式仲裁ww20

10、22/9/1625一、總線請求和裁決2. 分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。當(dāng)它們有總線請求時，把唯一的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁總線上，每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進(jìn)行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應(yīng)，并撤銷它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。 牛牛文庫文檔分享2022/9/1027一、總線請求和裁決2. 分布式仲裁不需2022/9/1626二、控制算法仲裁算法：1. 靜態(tài)優(yōu)先級：如從0計數(shù)2. 平等算法：如連續(xù)計數(shù)3. 動態(tài)優(yōu)先級：如LRU（最近最少使用法）4. 先來先服務(wù)：FIFO釋放算法：1. 用完時釋放

11、2. 申請時釋放3. 搶占時釋放 牛牛文庫文檔分享2022/9/1028二、控制算法仲裁算法：www.niuw2022/9/16276.3 總線接口為什么要用總線接口？總線接口的基本功能:(1) 控制 (2) 緩沖 (3) 狀態(tài)(4) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如并串轉(zhuǎn)換或串并轉(zhuǎn)換。(5) 整理。如在數(shù)據(jù)傳輸過程中更新字計數(shù)器。(6) 程序中斷。 牛牛文庫文檔分享2022/9/10296.3 總線接口為什么要用總線接口？2022/9/1628一、串行總線接口通用異步接收器/發(fā)送器(UART)： 牛牛文庫文檔分享2022/9/1030一、串行總線接口通用異步接收器/發(fā)送器2022/9/1629接口結(jié)構(gòu) 牛牛文庫

12、文檔分享2022/9/1031接口結(jié)構(gòu) 牛2022/9/1630出錯標(biāo)志1. 奇偶錯誤(parity error)2. 幀錯誤(framing error)3. 溢出(丟失)錯誤(overrun error)串行接口實例：EIA-232 牛牛文庫文檔分享2022/9/1032出錯標(biāo)志1. 奇偶錯誤(parity2022/9/1631二、并行總線接口功能部件系統(tǒng)時鐘驅(qū)動器電壓控制模塊總線主設(shè)備總線從設(shè)備總線請求部件總線仲裁器中斷請求部件中斷處理部件 牛牛文庫文檔分享2022/9/1033二、并行總線接口功能部件www.niu2022/9/1632提高總線信號速度的主要措施增加總線寬度增加傳輸?shù)臄?shù)

13、據(jù)長度縮短總線長度降低信號電平采用差分信號采用多條總線 牛牛文庫文檔分享2022/9/1034提高總線信號速度的主要措施增加總線寬度2022/9/16336.4 總線標(biāo)準(zhǔn)PCI總線(Peripheral Component Interface bus)1. 主要特點采用猝發(fā)傳輸方式速度較高64位可擴(kuò)展同步時序，集中式仲裁方式，支持隱含式仲裁可靠性高（地址、命令和數(shù)據(jù)校驗）三個地址空間（內(nèi)存、I/O和配置）自動配置 牛牛文庫文檔分享2022/9/10356.4 總線標(biāo)準(zhǔn)PCI總線(P2022/9/16342. 信號定義AD31:0地址/數(shù)據(jù)C/BE3:0命令/字節(jié)許可PAR校驗FRAME#成幀T

14、RDY#目標(biāo)就緒IRDY#始發(fā)就緒STOP#目標(biāo)設(shè)備請求停止DEVSEL#設(shè)備選擇IDSEL始發(fā)設(shè)備選擇REQ#總線請求GNT#總線許可CLK系統(tǒng)時鐘(033MHz)RST#系統(tǒng)復(fù)位D63:32數(shù)據(jù)BE#7:4字節(jié)允許PAR64高字校驗REQ64#請求64位傳輸ACK64#確認(rèn)64位傳輸LOCK#資源封鎖（設(shè)備獨占）PERR#校驗錯SERR#系統(tǒng)錯SBO#偵測退出(snoop back off)，命中了一個修改過的塊SDONE偵測完成，探測結(jié)果為“干凈”TDI測試輸入TDO測試輸出TCK測試時鐘TMS測試模式選擇TRST#測試復(fù)位INTA#中斷請求 牛牛文庫文檔分享2022/9/10362. 信號定義AD31:0地址2022/9/16353. 命令定義 牛牛文庫文檔分享2022/9/10373. 命令定義www.niuwk.co2022/9/16364. 傳輸操作時序 牛牛文庫文檔分享2022/9/10384. 傳輸操作時序www.niuwk.2022/9/16375. PCI構(gòu)成的系統(tǒng)實例 牛牛文庫文檔分享2022/9/10395. PCI構(gòu)成的系統(tǒng)實例www.ni2022/9/16386. PCI的發(fā)展1.增強(qiáng)速率PCI規(guī)范2.1版定義了66MHz速度下的操作。在