大學計算機組成原理-第7章、系統(tǒng)總線

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第七章、系統(tǒng)總線

outline總線基本概念總線的仲裁與通信總線上的信息傳送常用總線2總線基本概念總線連接方式總線內部結構總線結構與系統(tǒng)性能3總線(BUS)基本概念總線是系統(tǒng)部件間傳送信息的公共通路。內部總線(CPU內各功能單元間的連線）系統(tǒng)總線（系統(tǒng)內各部件間的連線）I/O總線(I/O設備間的連接總線）處理器總線4CLACLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALU000021000030ADD30CLA指令譯碼器操作控制器時序產生器程序計數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUSSTA40+10000040000065總線特性物理特性-----根數(shù)，插頭、座的形狀，引線的排列方式功能特性-----地址,數(shù)據(jù),控制總線三類電氣特性-----單/雙向,電平高有效/低有效及范圍時間特性6總線標準化不同廠家的相同功能部件可互換使用.ISAEISAVESAAGPPCI7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：Byte/s設總線在同一個時鐘周期內能并行傳送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*fDr=4Byte×33.3MHz=133MB/s8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/s9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)性能單總線結構雙總線結構三總線結構10單總線結構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：結構簡單，易于擴充;

多部件共用一根總線，分時工作,傳輸效率較低。11單總線速度瓶頸12雙總線結構CPU內存設備接口設備············

系統(tǒng)總線適配器設備CPU與內存有專用高速總線,減輕系統(tǒng)總線的負擔;內存可通過系統(tǒng)總線與外設進行DMA操作,而不必經過CPU.存儲總線13三總線結構CPU內存

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14三總線結構特點:雙總線基礎上增加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)外設與內存間的數(shù)據(jù)傳送.15總線結構與系統(tǒng)性能關系最大存儲容量單總線系統(tǒng)中,內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.16信息傳送方式串行傳送并行傳送串并行傳送17串行傳送并-串轉換串-并轉換發(fā)送部件接收部件00000101T1T2T3T4T5T6T7T8低位高位位時間傳送脈沖1010000018串行傳送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.19并行傳送發(fā)送部件低位高位1接收部件01000000

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.20發(fā)展趨勢并行傳輸距離受限且線間串擾嚴重串行傳輸距離長無串擾現(xiàn)象隨著總線頻率的增加，并行逐漸轉向串行21串并行傳送信息比特位分組組內并行，組間串行22總線仲裁、通信總線仲裁總線定時23總線的仲裁總線仲裁：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,仲裁方式分為兩類:集中式總線仲裁（常用）分布式總線仲裁24集中式仲裁鏈式查詢方式（串行鏈接方式）計數(shù)器定時查詢方式獨立請求方式25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）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.總線26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.27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BR1BR2BRnBG1BG2BGn中央仲裁器接口1接口2接口n28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29總線通信方式（定時）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)返回為了同步主方、從方的操作，必須制定定時協(xié)議定時分類：同步通信（同步定時）；異步通信（異步定時）30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31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32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。33常用總線ISA/EISA/VESAAGPUSBPCI/PCI-XNGIOFutureI/OInfiniBand34IBMPC/XT（PC機流行的開始）1974，Altair8800牛郎星（EdwardRoberts,MITS）1981IBMPC/XT1976，AppleII35IBMPC/XT（PC機流行的開始）1981年與IBM個人計算機同時推出的圍繞當時的Intel8088芯片而設計。具有開放式結構，底板上使用總統(tǒng)擴展插座62根信號線。其中數(shù)據(jù)線8根，地址線20根，控制線26根（含時鐘信號），電源5根，地線3根。36IBMPC/ATIBM公司1984年為推出PC/ATISA（industrialstandardarchitecture）總線標準,也叫AT總線對XT總線的擴展，以適應8/16位數(shù)據(jù)總線要求它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機中還保留有ISA總線插槽ISA總線有98只引腳

37ISA/EISA

（IndustryStandardArchitecture/

ExtendedIndustryStandardArchitecture）ISA是IBM為286計算機制定的工業(yè)標準總線寬度是16位，頻率為8MHz。EISA是為32位中央處理器（386、486、586等等）設計的包括ISA總線的所有性能把總線寬度從16位擴展到32位、總線頻率從8.3MHz提高到16MHz38EISA39VESAvideoelectronicsstandardassociation1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESAlocalbus)總線CPU與主存和Cache的直接相連，為CPU總線，其他設備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。數(shù)據(jù)、地址總線寬度均為32位。尋址空間為4GB。總線最高傳輸率為132MB/S.是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。

40PCI（PeripheralComponentInterconnect）是美國SIG（即美國計算機協(xié)會專業(yè)集團）推出的新一代32～64位總線頻率為33～66MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為132～528MB/s。

由于很多用戶還在使用ISA總線或EISA總線接口卡，大多數(shù)586系列主板仍保留了EISA總線。

41PCI總線結構處理器處理器主存控制器主存PCI設備PCI設備HOST橋主設備目標設備PCI/LAGACY總線橋PCI/PCI橋LAGACY設備LAGACY設備PCI設備PCI設備HOST總線PCI總線PCI總線LAGACY總線（遺留）42PCI總線特點允許智能設備在適當?shù)臅r候取得總線控制權以加速數(shù)據(jù)傳輸和對高度專門化任務的支持支持猝發(fā)傳輸模式。在這種模式下，PCI能在極短時間內發(fā)送大量數(shù)據(jù)，特別適合于圖象快速顯示與ISA／EISA／MCA兼容設有特別的緩存，實現(xiàn)外設與CPU隔離，外設或CPU的單獨升級都不會帶來問題同步時序、集中式仲裁43AGP（AcceleratedGraphicsPort）AGP總線就是局部總線的一種。AGP即高速圖形接口。專用于連接主板上的控制芯片和AGP顯示適配卡，為提高視頻帶寬而設計的總線規(guī)范，目前大多數(shù)主板均有提供。

4445AGPIntel于1996年7月發(fā)布1.0以PCI2.1版規(guī)范為基礎、66MHz、分為1x和2x模式，數(shù)據(jù)傳輸帶寬分別為266MB/s和533MB/s。1998年，AGP2.0版規(guī)范發(fā)布，并且增加了4x模式，這樣它的數(shù)據(jù)傳輸帶寬達到了1066MB/s.允許AGP顯卡直接訪問系統(tǒng)內存大大緩解了對于顯存容量的需要，有效的控制了顯卡的制造成本。46USB（UniversalSerialBus即通用串行總線）USB1.1Intel公司，1995，12Mbps1999USB2.0480Mbps多達127個設備隨時熱插拔所連接的設備即插即用47硬件結構四線電纜，兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道，兩根為下游（Downstream)設備提供電源采用級聯(lián)星型拓撲，由三個基本部分組成：主機（Host)集線器（Hub)功能設備48總線結構拓補49應用由于其連接的方便性，得到了廣泛的應用

1.USB存儲設備（U盤，移動硬盤，移動刻錄機）

2.調制解調器

3.USB攝像頭

4.USB鍵盤、鼠標、打印機，游戲手柄、掃描儀

5.USBHUB50新一代總線技術PCI-X