計(jì)算機(jī)組成原理-總線(嚴(yán)軍勇)-2012-2003課件

一、總線概述總線的基本概念總線的分類總線的組成及性能指標(biāo)二、總線仲裁集中仲裁方式分布仲裁方式三、總線操作和定時(shí)同步定時(shí)方式異步定時(shí)方式四、總線標(biāo)準(zhǔn)總線2*部件之間的連接方式：

有分散連接和總線連接兩種形式。

分散連接的特點(diǎn)—通信性能好、可擴(kuò)展性差；總線連接的特點(diǎn)—可擴(kuò)展性好、易產(chǎn)生通信瓶頸。一、總線的基本概念I(lǐng)/O設(shè)備1I/O設(shè)備n…CPU主存輸入設(shè)備輸出設(shè)備(a)分散連接方式(b)總線連接方式…CPU主存*總線定義：

模塊或設(shè)備間用于傳輸信息的一組公共信號(hào)線?？偩€概述32、按信號(hào)線功能分類*數(shù)據(jù)總線：用于傳輸數(shù)據(jù)，雙向總線，

數(shù)據(jù)總線寬度=每次傳送的二進(jìn)制位數(shù)；*地址總線：用于傳輸目標(biāo)設(shè)備及數(shù)據(jù)地址，單向總線，

地址總線寬度=log2設(shè)備及數(shù)據(jù)地址空間；二、總線的分類*控制總線：用于傳輸過程控制，單向總線，有控制信號(hào)線和狀態(tài)信號(hào)線兩種形式。↑↑

(主動(dòng)方發(fā)出)(被動(dòng)方發(fā)出)1、按數(shù)據(jù)傳送方式分類*并行傳輸總線：同時(shí)傳送多位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(多根數(shù)據(jù)線)；*串行傳輸總線：同時(shí)傳送1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(1根數(shù)據(jù)線)。總線概述43、按總線功能分類*內(nèi)部總線：又稱片內(nèi)總線，用于芯片內(nèi)/模塊內(nèi)部件間的信息傳輸，如CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路；*系統(tǒng)總線：用于系統(tǒng)內(nèi)各模塊間的信息傳輸，如CPU與主存、I/O模塊之間的總線；*通信總線：又稱外部總線，用于系統(tǒng)間/系統(tǒng)與外部設(shè)備間的信息傳輸，如RS-232/485、USB等總線。

總線標(biāo)準(zhǔn)化：

為提高模塊和設(shè)備的通用性，系統(tǒng)總線/局部總線/通信總線常采用總線標(biāo)準(zhǔn)形式(如ISA、PCI、USB總線標(biāo)準(zhǔn)等)。

系統(tǒng)總線的發(fā)展：

CPU總線—系統(tǒng)內(nèi)部分模塊間(與CPU直接連接)的總線；局部總線—系統(tǒng)內(nèi)部分模塊間(不與CPU直接連接)的總線，如I/O模塊與主存之間的總線?？偩€概述5三、總線特性及性能指標(biāo)1、總線的特性*物理特性：指總線上模塊或設(shè)備約定的物理連接方式，包括線寬、線間距離、插頭/插座形狀等。(←總線標(biāo)準(zhǔn)化所需)*功能特性：指按傳輸功能及方式需求，約定的信號(hào)線數(shù)量、各信號(hào)線功能、傳輸方向等；①功能表示(信號(hào)線數(shù)、作用)②信息表示(邏輯值與電壓值)主動(dòng)方…被動(dòng)方…*電氣特性：指信號(hào)線上表示邏輯信息的電壓值及功率等；*時(shí)間特性：又稱邏輯特性，指傳輸過程中各信號(hào)線上信號(hào)有效的時(shí)長及前后順序關(guān)系(時(shí)序特性)。地址數(shù)據(jù)命令與狀態(tài)CLK地址線數(shù)據(jù)線控制線總線概述62、總線性能指標(biāo)(1)性能參數(shù)

*總線寬度：又稱總線位數(shù)，指數(shù)據(jù)總線每次可傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)(通常1根線對(duì)應(yīng)1位數(shù)據(jù))，常用bit表示；

*時(shí)鐘同步/異步：同步總線—總線上數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步，

異步總線—總線上數(shù)據(jù)與時(shí)鐘不同步；*總線工作頻率：指同步總線的時(shí)鐘頻率，常用MHz表示；

*總線復(fù)用：指同一信號(hào)線上是否分時(shí)傳送2種信號(hào)，如地址線/數(shù)據(jù)線常采用復(fù)用方式；*總線工作模式：指總線傳輸過程的傳輸模式(稍后討論)?；叵马摽偩€概述7(2)總線性能指標(biāo)*最大傳輸率：又稱總線帶寬，指總線上每秒最大可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，常用MB/s(或MBps)表示；

最大傳輸率=(總線寬度/8位)×最大傳輸次數(shù)/秒

例1—PC總線數(shù)據(jù)寬度8位、總線工作頻率4MHz，每次總線傳輸需4個(gè)總線時(shí)鐘；其總線帶寬=(8/8)×(4/4)=1MB/s。

例2—PCI總線數(shù)據(jù)寬度32位、總線工作頻率33.3MHz，支持突發(fā)傳輸模式(連續(xù)傳輸時(shí)每次傳輸需1個(gè)總線時(shí)鐘)，其總線帶寬=(32/8)×(33.3/1)=133MB/s。*總線負(fù)載能力：指總線上保持邏輯電平在正常范圍內(nèi)的所能連接的模塊或設(shè)備數(shù)量，常用個(gè)數(shù)表示。注—通常不關(guān)注該指標(biāo)(可用相關(guān)電路擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能力)轉(zhuǎn)上頁總線概述8總線傳輸與控制*相關(guān)術(shù)語：主設(shè)備—能夠發(fā)起總線傳輸?shù)哪K/設(shè)備；從設(shè)備—只能響應(yīng)總線傳輸?shù)哪K/設(shè)備；總線周期—一次總線傳輸?shù)臅r(shí)長。*主要討論內(nèi)容：①總線周期的操作包含哪些步驟？②有哪些方法確定總線歸某主設(shè)備使用？③如何表示傳輸各步驟的開始及結(jié)束？④如何提高總線傳輸?shù)墓δ芑蛐阅?？回下頁主設(shè)備1總線仲裁機(jī)構(gòu)從設(shè)備1從設(shè)備2主設(shè)備2tR11從設(shè)備2從設(shè)備1主設(shè)備2主設(shè)備1W12總線周期總線周期W12R11W22R11W229一、總線操作步驟

總線操作步驟通常由4個(gè)階段組成。①總線請(qǐng)求與仲裁階段：主設(shè)備信號(hào)線配置—

各主設(shè)備均有“總線請(qǐng)求”及“總線允許”信號(hào)線；主設(shè)備—有操作需求時(shí)，發(fā)出“總線請(qǐng)求”信號(hào)；總線仲裁機(jī)構(gòu)—根據(jù)各“總線請(qǐng)求”信號(hào)，確定下個(gè)總線周期可使用總線的主設(shè)備，向該主設(shè)備發(fā)出“總線允許”信號(hào)；轉(zhuǎn)上頁主設(shè)備1請(qǐng)求主設(shè)備2請(qǐng)求總線仲裁機(jī)構(gòu)主設(shè)備1允許主設(shè)備2允許總線使用者t空閑總線周期仲裁主設(shè)備1空閑總線周期仲裁主設(shè)備2空閑總線傳輸與控制10②尋址階段：

已獲得總線使用權(quán)的主設(shè)備—發(fā)出目標(biāo)地址和操作命令;

注：a)已取得—指總線周期開始前就已知道

b)目標(biāo)地址—包括從設(shè)備地址及其數(shù)據(jù)空間的地址從設(shè)備—根據(jù)目標(biāo)地址和操作命令判斷是否為目標(biāo)設(shè)備,

目標(biāo)設(shè)備(一般只有1個(gè))進(jìn)行操作響應(yīng)；回下頁t總線周期主設(shè)備1響應(yīng)并啟動(dòng)發(fā)地址x不響應(yīng)不能使用總線x(主設(shè)備1所發(fā))R/W(主設(shè)備1所發(fā))總線空閑總線使用者主設(shè)備1主設(shè)備2從設(shè)備x從設(shè)備y地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線空閑11③數(shù)據(jù)傳送階段：主設(shè)備—根據(jù)操作類型(R或W)，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)；目標(biāo)從設(shè)備—根據(jù)操作類型(R或W)，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；④結(jié)束階段：主設(shè)備和從設(shè)備—將所控制總線信號(hào)恢復(fù)為原始狀態(tài)。轉(zhuǎn)上頁t總線周期主設(shè)備1響應(yīng)/啟動(dòng)發(fā)地址x不響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸不能使用總線x(主設(shè)備1所發(fā))R/W(主設(shè)備1所發(fā))Data總線空閑總線使用者主設(shè)備1主設(shè)備2從設(shè)備x從設(shè)備y地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線空閑信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)地址期數(shù)據(jù)期空閑總線空閑響應(yīng)/啟動(dòng)發(fā)地址y不響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)恢復(fù)信號(hào)恢復(fù)不能使用總線y(主設(shè)備2所發(fā))R/W(主設(shè)備2所發(fā))Data總線周期地址期數(shù)據(jù)期主設(shè)備212二、總線仲裁*仲裁策略：考慮優(yōu)先級(jí)、保證公平性。1、集中式仲裁--通過集中的總線仲裁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)(1)菊花鏈查詢方式(又稱串行鏈查詢方式)

*仲裁信號(hào)線數(shù)量：3根(BR、BG、BS)；*仲裁信號(hào)線連接：各主設(shè)備的“總線請(qǐng)求”線BRi及“總線忙”線BSi用“線或”方式連接，“總線允許”線BGi串行連接；總線仲裁結(jié)構(gòu)BG主設(shè)備0主設(shè)備1主設(shè)備nBSBRDBABCB注：①BR—總線請(qǐng)求線，BR=∑BRi，有效時(shí)表示有總線使用請(qǐng)求；

②BG—總線允許線，BG(i+1)in=BGiout；

③BS—總線忙線，BS=∑BSi，無效時(shí)表示總線空閑…回下頁13*仲裁原理：采用輪詢方式進(jìn)行仲裁總線仲裁機(jī)構(gòu)—

BR=1且BS=0時(shí)開始仲裁(使BG=1)，

BS=1時(shí)仲裁完成(BSi=1的主設(shè)備獲勝)；主設(shè)備—被詢問且有請(qǐng)求時(shí)獲得下個(gè)周期總線使用權(quán)，即BSi=BGiin&BRi、BGiout=BGiin&～BRi；*特點(diǎn)：靜態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁，某主設(shè)備異常將導(dǎo)致BG鏈斷開。轉(zhuǎn)上頁回下頁∑BRi→

BRBR0BR1BR&BS#→

BGBG→BG0inBG0in&BR0#=BG0out→BG1in∑BSi→

BSBG0in&BR0→BS0BG1in&BR1→BS1總線空閑總線周期總線周期14(2)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式(又稱計(jì)數(shù)器查詢方式)

*仲裁信號(hào)線數(shù)量：2根(BR、BS)+log2n根(BG)；*仲裁信號(hào)線連接：各主設(shè)備“設(shè)備號(hào)”信號(hào)線并行連接；*特點(diǎn)：靜態(tài)+循環(huán)優(yōu)先級(jí)仲裁，某主設(shè)備異常不影響仲裁。總線仲裁結(jié)構(gòu)設(shè)備號(hào)主設(shè)備0主設(shè)備1主設(shè)備nBSBRDBABCB…轉(zhuǎn)上頁回下頁*仲裁原理：采用定時(shí)查詢方式進(jìn)行仲裁總線仲裁機(jī)構(gòu)—BR=1且BS=0時(shí)，開始仲裁(使“設(shè)備號(hào)”定時(shí)、循環(huán)變化)，BS=1時(shí)仲裁結(jié)束(BSi=1的主設(shè)備獲勝)；└→響應(yīng)延遲主設(shè)備—有請(qǐng)求且設(shè)備ID=“設(shè)備號(hào)”時(shí)獲得總線使用權(quán)，即BSi=BRi&(設(shè)備ID=“設(shè)備號(hào)”信號(hào)?)；15(3)獨(dú)立請(qǐng)求方式

*仲裁信號(hào)線數(shù)量：2n根(BR、BG)；*仲裁信號(hào)線連接：各主設(shè)備的BRi及BGi線獨(dú)立連接；轉(zhuǎn)上頁總線仲裁結(jié)構(gòu)主設(shè)備0主設(shè)備1主設(shè)備nBRnBGnDBABCBBR1BG1BR0BG0……*仲裁原理：

總線仲裁機(jī)構(gòu)—

仲裁時(shí)機(jī)：∑BRi=1、總線空閑/總線周期結(jié)束前，仲裁算法：可為考慮優(yōu)先級(jí)、公平性的算法，

仲裁延遲：固定延遲(不需要主設(shè)備參加)；主設(shè)備—不參與仲裁；回下頁16*特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁，算法靈活性大；

仲裁不需要設(shè)備參與，仲裁速度快。└→現(xiàn)在均采用獨(dú)立請(qǐng)求仲裁方式！主設(shè)備1請(qǐng)求主設(shè)備2請(qǐng)求總線仲裁機(jī)構(gòu)主設(shè)備1允許主設(shè)備2允許總線使用者t空閑總線周期主設(shè)備2仲裁主設(shè)備1仲裁總線周期仲裁總線周期主設(shè)備1仲裁注：①總線仲裁可與總線周期重疊(因總線周期、仲裁延遲時(shí)長固定)；②總線仲裁機(jī)構(gòu)需偵測總線狀態(tài)(與各設(shè)備間無BS線)。轉(zhuǎn)上頁17回下頁回22頁三、總線定時(shí)

指主從設(shè)備間傳輸過程的時(shí)間及控制方法，又稱傳輸協(xié)議。*協(xié)議種類：同步、異步、半同步、分離式1、同步方式協(xié)議*信號(hào)線需求：“時(shí)鐘”信號(hào)線CLK(用于操作控制及定時(shí))*協(xié)議原理：

①主從設(shè)備傳輸過程的步驟約定以CLK為單位(控制)；②主從設(shè)備必須在1個(gè)CLK內(nèi)完成約定的動(dòng)作(定時(shí))。*協(xié)議特點(diǎn)：要求各設(shè)備速度相近、距離短(否則有漂移)。CLK地址線數(shù)據(jù)線讀操作線地址T1T2T3T4CLK地址線數(shù)據(jù)線寫操作線地址T1T2T3T4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)182、異步方式協(xié)議(又稱應(yīng)答協(xié)議或握手協(xié)議)*信號(hào)線需求：“請(qǐng)求”信號(hào)線REQ、“應(yīng)答”信號(hào)線ACK；*協(xié)議原理：傳輸過程的下一步驟在雙方同意時(shí)進(jìn)行。

協(xié)議步驟—請(qǐng)求、響應(yīng)、撤消請(qǐng)求、撤消響應(yīng)4個(gè)階段；轉(zhuǎn)上頁回下頁讀操作例—地址數(shù)據(jù)地址線Addr命令線Read請(qǐng)求線REQ數(shù)據(jù)線Data應(yīng)答線ACK下一個(gè)總線周期(主設(shè)備)請(qǐng)求線REQ

(從設(shè)備)應(yīng)答線ACK請(qǐng)求響應(yīng)撤消請(qǐng)求撤消響應(yīng)

注：①請(qǐng)求條件—從設(shè)備準(zhǔn)備好(空閑)、主設(shè)備有傳輸需求時(shí)；②響應(yīng)階段—指從設(shè)備接收到命令及地址后，內(nèi)部數(shù)據(jù)操作延遲；③撤消請(qǐng)求—指主設(shè)備接收ACK延遲及(讀操作)接收數(shù)據(jù)延遲；④傳輸結(jié)束標(biāo)志—指主從設(shè)備自身控制信號(hào)已撤消為標(biāo)志。19*協(xié)議子類型：全互鎖、半互鎖、不互鎖方式；*協(xié)議特點(diǎn)：對(duì)設(shè)備速度、距離無要求，但傳輸周期長；如何減少握手次數(shù)？←┘轉(zhuǎn)上頁(主設(shè)備)請(qǐng)求

(從設(shè)備)應(yīng)答*(a)全互鎖方式請(qǐng)求

應(yīng)答*①(b)半互鎖方式注：①--從設(shè)備估計(jì)的主設(shè)備接收延遲(傳輸及主設(shè)備接收數(shù)據(jù)延遲)；請(qǐng)求

應(yīng)答②①*(c)不互鎖方式

②--主設(shè)備估計(jì)的從設(shè)備響應(yīng)延遲(傳輸及從設(shè)備處理數(shù)據(jù)延遲)；*--主設(shè)備撤消請(qǐng)求信號(hào)后可進(jìn)行其它工作(如CPU進(jìn)行REG間操作)，主設(shè)備觀察到響應(yīng)信號(hào)無效時(shí)方可進(jìn)行下次傳輸。20五、總線標(biāo)準(zhǔn)

指設(shè)備與總線連接及傳輸時(shí)，應(yīng)遵守的協(xié)議與規(guī)范。不同時(shí)期流行的總線標(biāo)準(zhǔn)不同，總線標(biāo)準(zhǔn)與器件技術(shù)有關(guān)。1、ISA總線標(biāo)準(zhǔn)

--IndusryStandardArchitecture

兼容并擴(kuò)展了PC總線(20位A及8位D)的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。*特性：24根地址線、16根與地址分時(shí)復(fù)用的數(shù)據(jù)線；支持半同步方式傳輸，CLK≤8MHz；支持常規(guī)讀寫、塊傳輸及特殊操作模式。CLKA23～A16AD15～AD0MEM/IO讀地址T1T2T3T4數(shù)據(jù)地址CLKA23～A16AD15～AD0MEM/IO寫地址T1T2T3T4數(shù)據(jù)地址回下頁212、PCI總線標(biāo)準(zhǔn)--PeripheralComponentInterconnect*特性：32根分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)線(可擴(kuò)展至64根)；采用半同步方式傳輸，CLK≤66MHz；支持多主設(shè)備的常規(guī)、特殊及塊傳輸模式。地址2數(shù)據(jù)2CLK幀周期線地址線讀操作線主設(shè)備就緒數(shù)據(jù)線從設(shè)備就緒數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)5注：①塊傳輸周期長度由“幀周期”信號(hào)決定；②設(shè)備內(nèi)部不停地將首地址遞增/遞減。轉(zhuǎn)上頁△總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢：交換機(jī)式的點(diǎn)-點(diǎn)互連總線標(biāo)準(zhǔn)，如USB、PCI-Express、InfiniBand等。22總線互連結(jié)構(gòu)一、總線互連結(jié)構(gòu)1、單總線結(jié)構(gòu)*單總線結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中只有一種總線的互連結(jié)構(gòu)。└→指總線標(biāo)準(zhǔn)*系統(tǒng)總線定義：系統(tǒng)中各模塊間相互連接的總線。*特征：控制簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)；但傳輸性能較差(最慢部件的傳輸性能)。回下頁CPUMEM顯卡SystemBus早期(如PC/XT)的單總線結(jié)構(gòu)注—擴(kuò)展總線與系統(tǒng)總線為同一總線標(biāo)準(zhǔn)，僅所在位置不同I/OI/OCPUMEM顯卡…SystemBusI/OI/O擴(kuò)展總線接口I/O插槽I/O插槽擴(kuò)展總線……232、多總線結(jié)構(gòu)*提高傳輸性能的方法：MEMCPU顯卡集成外圍控制器擴(kuò)展總線接口…IO插槽IO插槽SystemBus②采用多總線結(jié)構(gòu)，不同速度模塊連接到不同總線上；③改變I/O方式，使MEM可與IO模塊直接通信。注：①系統(tǒng)以MEM為核心，多數(shù)模塊均需要與MEM通信；②中斷控制器為從設(shè)備，是中斷傳送方式的中斷請(qǐng)求管理機(jī)構(gòu)；

③DMA控制器是主設(shè)備，直接控制MEM與I/O模塊間的數(shù)據(jù)傳送。MEMCPU顯卡中斷控制器磁盤控制器音頻部件DMA控制器…擴(kuò)展總線接口……SystemBus轉(zhuǎn)上頁①采用集成電路技術(shù)，關(guān)聯(lián)模塊盡量集成在同一芯片中

└→模塊間傳輸不受總線標(biāo)準(zhǔn)限制24*多總線結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有兩種(及以上)總線的互連結(jié)構(gòu)；└→總線標(biāo)準(zhǔn)、總線性能不同不同總線間通過“橋”進(jìn)行連接。(1)雙總線結(jié)構(gòu)增加MEM總線(→CPU訪存性能有較大提高)；*系統(tǒng)內(nèi)總線命名：常稱為CPU總線及局部總線。└→常用總線標(biāo)準(zhǔn)命名MEMCPU顯卡集成外圍控制器擴(kuò)展總線接口…IO插槽IO插槽SystemBusMEMBus雙總線模型圖MEMCPU顯卡集成外圍控制器擴(kuò)展總線接口…IO插槽IO插槽局部BusCPUBus雙總線結(jié)構(gòu)圖(如80386微機(jī))Bridge*“橋”的作用：①所連上級(jí)總線的操作傳遞機(jī)構(gòu)；②所連下級(jí)總線的操作控制結(jié)構(gòu)(總線控制器).回下頁25(2)三總線結(jié)構(gòu)再增加I/O總線(→進(jìn)一步提高訪問IO設(shè)備的速度)；*系統(tǒng)內(nèi)總線命名：有CPU總線、局部總線及IO總線3種。ME