第7章+總線系統(tǒng)

總線系統(tǒng)1總線的基本概念馮諾依曼機(jī)控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備運(yùn)算器計(jì)算步驟和原始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果圖1-5計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2總線的基本概念總線多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路總線控制組件能夠解決爭(zhēng)用資源的仲裁問題運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線圖1-7單總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)原理圖總線的定義：為多個(gè)功能組件服務(wù)的一組公用信息線與專用連線相比，減少了信息傳輸線的數(shù)目3總線的基本概念總線的分類——按位置內(nèi)部總線—CPU內(nèi)部的寄存器與運(yùn)算部件系統(tǒng)總線—CPU與其他高速部件（存儲(chǔ)器等）I/O總線—中、低速I/O設(shè)備之間4總線的基本概念總線的分類——按功能地址總線—單向，接受源部件發(fā)送的地址信息數(shù)據(jù)總線—雙向，傳輸數(shù)據(jù)控制總線—雙向，設(shè)備之間的請(qǐng)求、仲裁、同步等5總線的基本概念控制總線控制總線上傳送一個(gè)部件對(duì)另一個(gè)部件的控制信號(hào)。在總線上，可以控制其他部件的部件稱為總線主控或主控(busmaster)，被控部件稱為從控(slave)根據(jù)不同的使用意義，有的為雙向,有的為三態(tài)，有的非三態(tài)6地址總線地址總線上傳送地址信號(hào)，總線主控用地址信號(hào)指定其需要訪問的部件（如外設(shè)、存儲(chǔ)器單元）?？偩€主控發(fā)出地址信號(hào)后，總線上的所有部件均感受到該地址信號(hào)，但只有經(jīng)過譯碼電路選中的部件才接收主控的控制信號(hào)，并與之通信。地址總線是單向的，即地址信號(hào)只能由總線主控至從控。地址總線也是三態(tài)的，非主控部件不能驅(qū)動(dòng)地址總線。7數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線上傳送數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)總線是雙向的，數(shù)據(jù)信息可由主控至從控（寫），也可由從控至主控（讀）。數(shù)據(jù)總線是三態(tài)的，未被地址信號(hào)選中的部件，不驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線（其數(shù)據(jù)引腳為高阻）。數(shù)據(jù)總線的根數(shù)稱為總線的寬度。16位總線，指其數(shù)據(jù)總線為16根。8總線的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的總線系統(tǒng)由處于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同層次上的若干總線組成，大致分為三類：

內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線、I/O總線。內(nèi)部總線CPU內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件的總線。系統(tǒng)總線

連接CPU與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他高速功能部件，如存儲(chǔ)器、通道等的總線I/O總線

中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線9系統(tǒng)總線為主機(jī)系統(tǒng)與外圍設(shè)備之間的通信通道。在主板上，系統(tǒng)總線表現(xiàn)為與擴(kuò)展插槽相連接的一組邏輯電路和導(dǎo)線，所以系統(tǒng)總線也叫I/O通道總線系統(tǒng)總線必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以便按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)各類適配卡ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP10系統(tǒng)總線ISA:IndustryStandardArchitecture——工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，16位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率8MB/sMCA:MicroChannelArchitecture——微通道體系結(jié)構(gòu)，32位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率40MB/sEISA:ExtendedIndustryStandardArchitecture——擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，32位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率33MB/sVESA:VideoElectronicStandardAssociation——視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)。VESA總線也稱為VL-bus(VESALocalBus)，32位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率133MB/s11系統(tǒng)總線PCI:PeripheralComponent——外部設(shè)備互連。32/64位標(biāo)準(zhǔn)總線，數(shù)據(jù)傳輸率132MB/sAGP:AcceleratedGraphicsPort——加速圖形接口，專為提高視頻帶寬而設(shè)計(jì)的總線規(guī)范。它是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，連接控制芯片組和AGP顯示卡，因此嚴(yán)格說AGP不能稱為總線，而是一種接口標(biāo)準(zhǔn)12I/O總線用來(lái)提供I/O設(shè)備與系統(tǒng)中其他部件間的公共通信通路。I/O總線標(biāo)準(zhǔn)化程度最高，適用各種處理器。SCSI——小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連USB——通用串行總線I/O總線本質(zhì)上應(yīng)該算作主機(jī)與外設(shè)的接口13總線的層次結(jié)構(gòu)82439TXSystemController(MTXC)82371ABPCIISAIDEXcelerator(PIIX4)1415總線的連接方式適配器、設(shè)備控制器：

可以實(shí)現(xiàn)高速主機(jī)與低速外設(shè)之間工作速度上的匹配和同步，并完成主機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送和控制。

總線都是以相同方式構(gòu)成的，其不同之處僅在于總線中數(shù)據(jù)線和地址線的數(shù)目，以及控制線的多少及其功能。然而，總線的排列方式以及與其他各類部件的連接方式對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能起著十分重要的作用。

單機(jī)系統(tǒng)中采用的總線結(jié)構(gòu)有三種基本類型：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)。

16總線的基本概念性能指標(biāo)——總線帶寬總線的最高傳輸速率，MB/s影響因素工作頻率字寬實(shí)際帶寬各個(gè)設(shè)備實(shí)際可用的通信帶寬決定于總線掛接的設(shè)備類型和數(shù)目例如：PCI總線可達(dá)64位，100MHz，帶寬為6.4Gbps17總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響

最大存儲(chǔ)容量：

在單總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，必須小于由計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)所決定的可能的地址總數(shù)。

指令系統(tǒng)：

在雙總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，訪存操作和輸入/輸出操作各有不同的指令，由指令中的操作碼規(guī)定要使用哪一條總線。吞吐量：

指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速度。取決于信息輸入主存，數(shù)據(jù)從主存取出或存入，以及所得結(jié)果從主存送給外圍設(shè)備的速度。

系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期。18總線的連接方式ALU總線19總線的連接方式單總線CPU、主存與I/O設(shè)備連在一組系統(tǒng)總線上優(yōu)點(diǎn)：統(tǒng)一編址和訪問缺點(diǎn)：效率低下共享帶寬20在單總線結(jié)構(gòu)中：1.要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運(yùn)行。2.當(dāng)CPU取一條指令時(shí)，首先把程序計(jì)數(shù)器PC中的地址同控制信息一起送至總線上。3.對(duì)輸入/輸出設(shè)備的操作，完全和對(duì)主存的操作一樣來(lái)處理。4.某些外圍設(shè)備也可以指定地址。單總線結(jié)構(gòu)：

把I/O設(shè)備與主存統(tǒng)一編址，可以省去I/O指令。單總線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是這組總線總是太忙，數(shù)據(jù)傳送速度受到限制，這對(duì)提高系統(tǒng)效率和充分利用子系統(tǒng)的功能都是不利的。21總線的連接方式雙總線保留系統(tǒng)總線、擴(kuò)展存儲(chǔ)總線優(yōu)點(diǎn)：利用專用通路降低系統(tǒng)總線壓力缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜22總線的連接方式三總線保留雙總線、增加I/O總線IOP：統(tǒng)一管理外設(shè)、負(fù)責(zé)外設(shè)與主存通信優(yōu)點(diǎn)：效率高缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜I/O處理器，IOP23總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)早期結(jié)構(gòu)處理器引腳的延伸優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：CPU是唯一控制者總線設(shè)計(jì)與CPU密切相關(guān)通用性差可用于簡(jiǎn)單、專用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)24不足之處在于：第一，CPU是總線上惟一的控制者。即使后來(lái)增加了具有簡(jiǎn)單仲裁邏輯的DMA控制器以支持DMA傳送，但仍不能滿足多CPU環(huán)境的要求。第二，總線信號(hào)是CPU引腳信號(hào)的延伸，故總線結(jié)構(gòu)緊密與CPU相關(guān)，通用性較差。當(dāng)代流行的總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU和它私有的cache一起作為一個(gè)模塊與總線相連。系統(tǒng)中允許有多個(gè)這樣的處理器模塊?？偩€控制器完成幾個(gè)總線請(qǐng)求者之間的協(xié)調(diào)與仲裁。25總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)代結(jié)構(gòu)獨(dú)立的總線系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)設(shè)備無(wú)關(guān)通用性好缺點(diǎn)：復(fù)雜數(shù)據(jù)傳送總線：地址、數(shù)據(jù)、控制仲裁總線：請(qǐng)求與授權(quán)信號(hào)中斷和同步總線：中斷請(qǐng)求和仲裁、同步信號(hào)公用總線：時(shí)鐘、電源、地、復(fù)位等26總線接口功能：位于總線和外設(shè)的設(shè)備控制器之間的適配器電路，實(shí)施信號(hào)和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。CPU總線外設(shè)（含控制器）接口接口的定位：從總線的角度來(lái)看，連接的對(duì)象是接口接口的功能：控制、緩沖、狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、整理、中斷27總線接口的基本概念一個(gè)適配器必有兩個(gè)接口：一是和系統(tǒng)總線的接口

二是和外設(shè)的接口根據(jù)外圍設(shè)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。

總線的控制和通信

1.總線的控制

當(dāng)總線上的一個(gè)部件要與另一個(gè)部件進(jìn)行通信時(shí)：

首先應(yīng)該發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，總線控制部件根據(jù)一定的判決原則，即按一定的優(yōu)先次序，來(lái)決定首先同意哪個(gè)部件使用總線。

根據(jù)總線控制部件的位置，控制方式可以分成集中式與分布式兩類。28總線控制總線多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路能夠解決爭(zhēng)用資源的仲裁問題運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線圖1-7單總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)原理圖總線控制29總線控制集中式總線控制(每個(gè)功能模塊有兩條線連到中央仲裁器)鏈?zhǔn)讲樵兎绞接?jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式獨(dú)立請(qǐng)求方式分布式總線控制30總線控制鏈?zhǔn)讲樵兎绞娇偩€控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數(shù)據(jù)線地址線BS

-總線忙BR-總線請(qǐng)求BG-總線同意過程：請(qǐng)求（BR）、傳遞BG、分配（BS）優(yōu)點(diǎn)：連線少、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展缺點(diǎn)：故障敏感、優(yōu)先級(jí)固定易造成死等31總線控制計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式BS

-總線忙BR-總線請(qǐng)求總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址過程：BR、計(jì)數(shù)、匹配、BS優(yōu)點(diǎn)：可以通過調(diào)整計(jì)數(shù)初值的實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)輪轉(zhuǎn)，可靠性高缺點(diǎn)：增加連線，擴(kuò)展性差計(jì)數(shù)器32總線控制獨(dú)立請(qǐng)求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意BR-總線請(qǐng)求過程：BR、BG優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間快、優(yōu)先級(jí)設(shè)置靈活缺點(diǎn)：增加連線33總線控制分布式總線控制（略）各個(gè)設(shè)備擁有獨(dú)立的仲裁號(hào)和仲裁器設(shè)備請(qǐng)求總線就是將仲裁號(hào)發(fā)送到仲裁線上如果發(fā)覺自己的仲裁號(hào)較小就撤銷最終仲裁線上保留仲裁號(hào)最高的請(qǐng)求34總線通信同步通信總線上的部件通信都基于一個(gè)公共時(shí)鐘信號(hào)完成同步優(yōu)點(diǎn)：傳輸速率高缺點(diǎn)：僅適用于總線長(zhǎng)度有限，部件存取時(shí)間接近的情況35總線通信異步通信又稱應(yīng)答方式，雙方?jīng)]有公用的時(shí)鐘和固定的時(shí)間間隔，依靠相互制約的“握手”信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)雙方，實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)亩〞r(shí)控制。數(shù)據(jù)RDYACK優(yōu)點(diǎn)：適用于長(zhǎng)距離、速率差異大的設(shè)備缺點(diǎn)：速率低36總線的