系統(tǒng)總線-計算機組成原理

第六章總線系統(tǒng)第六章總線系統(tǒng)教學目的：了解總線概念了解總線通信控制方式的特點本章主要內(nèi)容總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)總線接口總線的仲裁、定時和數(shù)據(jù)傳送模式常用總線6.1.1總線的基本概念總線(Bus)是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互連機構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類：(1)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。(2)系統(tǒng)總線：CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件，如存儲器、通道等互相連接的總線。(3)I/O總線：中、低速I/O設備之間互相連接的總線。6.1.1總線的基本概念1.總線的特性物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線的根數(shù)，總線的插頭、插座的形狀，引腳線的排列方式等。功能特性：描述總線中每一根線的功能。如：地址總線(AB)—其寬度可表明地址空間范圍數(shù)據(jù)總線(DB)---其寬度可表明一次讀寫的二進制位數(shù)控制總線(CB)---包括各種控制命令(如存儲器讀寫、I/O讀寫)、請求信號與仲裁信號、中斷請求與應答等。6.1.1總線的基本概念1.總線的特性電氣特性：定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。送入CPU的信號叫輸入信號(IN)，從CPU發(fā)出的信號叫輸出信號(OUT)。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。6.1.1總線的基本概念2.總線標準化不同廠家的相同功能部件可互換使用.ISA(IndustryStandardArchitecture)工業(yè)標準結(jié)構(gòu)

EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)擴展工業(yè)標準結(jié)構(gòu)

VESA(VideoElectronicsStandardAssociation)視頻電子標準協(xié)會PCI(PeripheryConnectInterface)外部設備連接接口6.1.1總線的基本概念16位，帶寬8MB/s32位，帶寬33.3MB/s32位，帶寬132MB/s64位，100MHz…..總線帶寬總線帶寬：總線本身所能達到的最高傳輸速率。單位：MByte/s設總線在同一個時鐘周期內(nèi)能并行傳送D個字節(jié)（總線帶寬為Dr，總線時鐘周期為T，總線頻率f=1/T）總線帶寬Dr=D/T=D*f

6.1.1總線的基本概念【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)設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示，根據(jù)定義可得Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×1000000/s=132MB/s(2)64位=8B，Dr=D×f=8B×66×1000000/s=528MB/s

6.1.1總線的基本概念幾個例子ISA16bit8.3MHzDr=2*8=16MB/sEISA32bit16MHzDr=4*16=64MB/sPCI32/64bit33MHzDr=133/266MB/sAGP64bit66MHzDr=8*66=528MB/sPCI-X64Bit133MHzDr=8*133=1GB/s6.1.1總線的基本概念6.1.2總線連接方式總線的排列以及與其它各類部件的連接方式影響計算機系統(tǒng)性能單總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)1.單總線結(jié)構(gòu)CPU主存設備接口設備············系統(tǒng)總線適配器設備系統(tǒng)總線含DBUS，ABUS，CBUS特點：結(jié)構(gòu)簡單，易于擴充;多部件共用一根總線，分時工作,傳輸效率較低。6.1.2總線連接方式單總線速度瓶頸6.1.2總線連接方式2.雙總線結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)存設備接口設備············系統(tǒng)總線適配器設備CPU與內(nèi)存有專用高速總線,減輕系統(tǒng)總線的負擔;內(nèi)存可通過系統(tǒng)總線與外設進行DMA操作,而不必經(jīng)過CPU。存儲總線6.1.2總線連接方式3.三總線結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)存系統(tǒng)總線設備接口設備············適配器設備存儲總線通道I/O總線6.1.2總線連接方式3.三總線結(jié)構(gòu)特點:雙總線基礎(chǔ)上增加I/O總線,它是多個外設與通道間傳送信息的公共通路;通道的使用,進一步提高了CPU的效率.“通道”是一臺具有特殊功能的處理器,它分擔了一部分CPU的功能.統(tǒng)一管理外設及實現(xiàn)外設與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳送.6.1.2總線連接方式最大存儲容量單總線系統(tǒng)中,內(nèi)存要為外設保留一些地址.指令系統(tǒng)

單總線系統(tǒng)中,無須專門的I/O指令;雙總線系統(tǒng)中,設有專門的I/O指令.吞吐量三總線系統(tǒng)比單總線系統(tǒng)要大得多.6.1.3總線結(jié)構(gòu)對計算機性能的影響6.1.3總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.早期總線其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示6.1.3總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.當代流行的總線–--其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖北橋南橋6.1.5總線結(jié)構(gòu)實例串行傳送并行傳送分時傳送6.2.1信息的傳送方式1.串行傳送并-串轉(zhuǎn)換串-并轉(zhuǎn)換發(fā)送部件接收部件00000101T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

低位

高位

位時間

傳送脈沖

1

0

1

0

0

0

0

0

6.2.1信息的傳送方式一條傳輸線每次一位,先低位,后高位.同步---“位時間”

成本低,速度慢。6.2.1信息的傳送方式1.串行傳送2.并行傳送發(fā)送部件低位

高位

1

接收部件0

1

0

0

0

0

0

0

每位數(shù)據(jù)一條傳輸線,并行傳送。采用電位傳送.傳送速度快。6.2.1信息的傳送方式發(fā)展趨勢……并行傳輸距離受限且線間串繞嚴重串行傳輸距離長無串繞現(xiàn)象隨著總線頻率的增加，并行逐漸轉(zhuǎn)向串行6.2.1信息的傳送方式3.分時傳送采用總線復用方式連在總線上的部件分時使用總線。6.2.1信息的傳送方式指CPU與內(nèi)存、外設,或兩種外設或兩種機器間通過總線連接的邏輯部件。CPU接口外設地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線6.2.2接口的基本概念接口功能速度匹配;格式轉(zhuǎn)換;傳送主機控制信號;反映設備的工作狀態(tài);識別和指示數(shù)據(jù)傳送的地址和傳輸量;程序中斷。6.2.2接口的基本概念適配器的兩面性----必有兩個接口：一是和系統(tǒng)總線的接口，CPU和適配器的數(shù)據(jù)交換一定的是并行方式；二是和外設的接口，適配器和外設的數(shù)據(jù)交換可能是并行方式，也可能是串行方式。根據(jù)外圍設備供求串行數(shù)據(jù)或并行數(shù)據(jù)的方式不同，適配器分為串行數(shù)據(jù)接口和并行數(shù)據(jù)接口兩大類。6.2.2接口的基本概念【例2】利用串行方式傳送字符，每秒鐘傳送的比特(bit)位數(shù)常稱為波特率。假設數(shù)據(jù)傳送速率是120個字符/秒，每一個字符格式規(guī)定包含10個bit(起始位、停止位、8個數(shù)據(jù)位)，問傳送的波特率是多少?每個bit占用的時間是多少?【解】：

波特率為：10位×120/秒=1200波特每個bit占用的時間Td是波特率的倒數(shù)：Td=1/1200=0.833×0.001s=0.833ms6.2.2接口的基本概念連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態(tài)，如CPU模塊、存儲器模塊。主方可以啟動一個總線周期，而從方只能響應主方的請求。每次總線操作，只有一個主方占用總線控制權(quán)，但同一時間里可以有一個或多個從方。6.3.1總線仲裁總線仲裁：對總線的使用進行合理的分配和管理.部件要使用總線進行通信時,要向控制部件發(fā)請求信號.控制部件按各部件的優(yōu)先級來決定誰使用總線。根據(jù)總線控制部件的位置,仲裁方式分為:集中式總線仲裁分布式總線仲裁

6.3.1總線仲裁1.集中式仲裁鏈式查詢方式計數(shù)器定時查詢方式獨立請求方式6.3.1總線仲裁鏈式查詢方式中央仲裁器接口1接口2接口n

BS

BR

BGBS------總線忙BR------總線請求BG------總線響應請求（授權(quán)）通過接口的優(yōu)先級排隊電路來實現(xiàn).離總線控制器越遠,優(yōu)先級越低。用線少-----BG1根,易擴充;對響應鏈的電路故障很敏感。數(shù)據(jù)總線，地址總線6.3.1總線仲裁計數(shù)器定時查詢方式總線設備地址計數(shù)BRBS中央仲裁器接口1接口2接口nBS=0時，計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設備。各接口中的設備地址與計數(shù)值一致時，該設備置“1”BS線。線數(shù)為㏒2n根。計數(shù)器的初值可用程序來設置。------各設備的優(yōu)先級可變。---靈活。6.3.1總線仲裁獨立請求方式每一設備有一對BR和BG;響應速度高控制靈活,優(yōu)先級可通過程序改變;控制線數(shù)多.--------2n根.總線（地址線、數(shù)據(jù)線）BR1BR2BRnBG1BG2BGn中央仲裁器

接口1接口2接口n6.3.1總線仲裁2.分布式仲裁無需中央仲裁器（總線控制器）每個功能設備都有自己的仲裁號以及仲裁器優(yōu)先級仲裁策略

6.3.1總線仲裁總線信息傳遞過程分為:請求總線，總線仲裁，尋址，信息傳送，狀態(tài)返回。當共享總線的部件獲得總線使用權(quán)后，就開始傳送信息，即進行通訊。為了同步主方、從方的操作，必須制定定時協(xié)議。定時，即事件出現(xiàn)在總線上的時序關(guān)系。同步定時異步定時

6.3.1總線定時同步定時同步定時，又稱無應答定時。事件出現(xiàn)在總線的時刻是由總線時鐘信號來確定，所有的事件都出現(xiàn)在時鐘信號的前沿，大多數(shù)事件只占據(jù)一個時鐘周期。6.3.1總線定時同步定時采用公共時鐘，每個功能模塊什么時候發(fā)送或者接受信息都由統(tǒng)一時鐘來規(guī)定，因此同步定時具有較高的數(shù)據(jù)傳輸頻率。但僅僅適合于總線長度短，各功能模塊存取時間相差不大的情況。必須按最慢的設備定時。

6.3.1總線定時地址線

總線時鐘

讀命令

數(shù)據(jù)線

認可線

同步時序啟動信號

6.3.1總線定時異步定時異步定時，又稱應答定時，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)，建立在應答和互鎖機制基礎(chǔ)上，不需公共時鐘信號；總線周期長度可變，快、慢速設備可連到同一總線上。6.3.1總線定時BG

BS

BR

SACK

異步定時6.3.1總線定時當代的總線標準大都能支持以下四類模式的數(shù)據(jù)傳送：讀、寫操作讀操作是由從方到主方的數(shù)據(jù)傳送；寫操作是由主方到從方的數(shù)據(jù)傳送。塊傳送操作只需給出塊的起始地址，然后對固定塊長度的數(shù)據(jù)一個接一個地讀出或?qū)懭?。對于CPU(主方)、存儲器(從方)而言的塊傳送，常稱為猝發(fā)式傳送，其塊長一般固定