萝卜家园第六章.ppt

第六章,总线系统,总线：它是构成计算机系统的互连结构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。,中、低速I / O设备之间互相连接的总线。,6.1.1 总线的基本概念,CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。,一个单处理器系统中的总线，大致可分为三类：,（1）内部总线：,（2）系统总线：,CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如乘、除法器、通道等互相连接的总线。,（3） I /O总线：,6.1 单机系统的总线结构,（1）物理特性：它是指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等等。 （2）功能特性：它描述总线中每一根线的功能。 （3）电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。 （4）时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效。也就是说，只有规定了总线上个信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。,1. 总线的特性：,相同的指令系统，相同的功能，各不同厂家生产的各功能部件，若要实现相同功能部件互换，必须遵守相同的系统总线的要求。这就是系统总线的标准化问题。,（2）EISA（Extension Industry Standard Architecture)扩展的工业标准体系结构：与老的IBM PC系列机兼容，总线支持多个总线主控器，加强了DMA功能。增加了突发方式传输，是一种32位标准总线。,微机中用的总线有：ISA、EISA、MCA、PCI。,（1）ISA（Industry Standard Architecture) 工业标准体系结构，也称PC/XT总线:1981年，它是针对8088设计的，8位总线，后来扩充为16位。,2. 总线的标准化,（3）PCI：Intel公司推出。与VLBUS不同，PCI在CPU和外设间插入一个复杂的管理层（称为PCI桥）。与微处理器无关，并在高时钟频率下保持最高的性能。支持了34个扩展槽。支持32/64位数据传送。,总 线 性 能 比 较,总线带宽会受到 总线布线长度、总线驱动器/接收器性能、连接总线上的模块数等因素的影响。,例题：（1）某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，求总线带宽是多少？（2）如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，求总线带宽是多少？,（1）设总线带宽用 Dr 表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线正确传送的数据量用D表示，根据定义可得： Dr=D/T=D*f=4B*33*106s=132MB/s,（2）64位=8B， Dr=D*f= 8B*66*106s=528MB/s,它定义为总线本身所能达到的最高传输速度，单位是兆字节每秒（MB/S）。,总线带宽：,解：,USB是由Intel 提出的一种新型接口标准，目前是主流规范。USB接口就是为解决现行PC与周边设备的通用连接而设计的。,USB的几大特点：,可支持功能传递：用户只需要为支持USB标准的设备准备一个USB接口即可使外设相互连接成串。,可连接：键盘、鼠标、扫描仪、数字音箱、Modem、数码相机。,支持设备热插拔。,即插即用功能,USB可以树状结构连接127个几乎目前所有的外部设备。,最大数据传输速率为12Mbps。,支持多数据流。,支持多个设备并行操作。,支持自动处理错误并进行恢复。,3.通用串行总线USB（Universal Serial Bus),6.1.2 总线的连接方式,CPU与外设之间的连接由“接口”部件来完成，大多数总线都是以相同方式构成的，不同之处是：总线的线数目不同和控制线的功能不同。总线的连接方式对计算机系统的性能有十分重要的作用。,单机系统中采用的总线有三种类型：,单总线结构 双总线结构 三总线结构,1.单总线结构：,特点：简单、易扩展、速度慢。,CPU,主存,设备 适配器,设备 适配器,单总线结构示意图,2.双总线结构：,特点：简单、易扩展、速度比单总线结构快。增加了硬件开销。,CPU,主存,I/O 适配器,设备 适配器,双总线结构示意图,系统总线,存储总线,当前计算机通常采用多总线结构,CPU,主存,扩展总线 控制线路,I/O设备1,I/O设备2,处理机总线,32MHz,4B8B,ISA / EISA,8.33MHz 1 , 2 , 4 B,二总线结构,. . . . .,3.三总线结构：,特点：效率高、硬件结构复杂、一般用在大中型机中。,CPU,主存,I/O 适配器,三总线结构示意图,系统总线,存储总线,I/O 适配器,IOP （通道）,-,CPU,主存,PCI桥,I/O设备1,I/O设备2,处理机总线,66MHz,4B8B,ISA / EISA,8.33MHz 1 , 2 , 4 B,三总线结构,. . . . .,PCI BUS,33MHz 4B,扩展总线 控制线路,I/O设备3,I/O设备4,接快速设备,接慢速设备,CPU-cache模块,存储器模块,I/O 适配器,总线 控制器,数据传送总线（地址、数据、控制线）,仲裁总线,中断和同步总线,公用线,主板,当代总线的内部结构,6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响,单总线结构：访问内存和I/O传送却使用相同的操作码，或者说使用相同的指令，但它们使用不同的地址。 双总线结构：CPU对内存总线和系统总线必须有不同的指令系统。,单总线结构：地址总线与最大存储容量有一定的影响。内存与外设用同一个地址线。 双总线结构：内存地址与外设地址出现在不同总线上，存储容量不会受外围设备多少影响。,1. 最大存储容量,2. 指令系统,它是指流入、处理和流出系统的信息的速率。它主要取决于主存的存取周期和并行读出的位数。 由于上述原因，采用双端口存储器可以增加主存的有效速度,可以更多的信息从内存输入输出。,3.吞吐量：,三总线系统中，CPU的一部分功能下放给通道，有通道对外围设备统一管理并实现外围设备与内存之间的数据传送，因而系统的吞吐能力比单总线系统强。,Pentium CPU,CPU总线,北桥,芯片可选,PCI总线,南桥,ISA总线,36脚（短槽）,62脚（长槽）,120脚,Socket 7 插座,键盘,鼠标,Pentium计算机主板总线结构图,AGP总线,PCI总线,SDR/DDR内存总线,MCLK,HCLK,PCLK,ATA33/66/100,6 USB,LPC,网络,SMBUS,外围设备控制器,GPIO ACPI,Apollo Pro266芯片组架构框图,6.2.1 信息的传送方式,数字计算机使用二进制数，她们或用电位的高、低表示，或用脉冲的有、无表示。,传输信息基本有四种方式：,串行传送,并行传送,并、串行传送,分时传送,6.2 总线接口,1. 串行传送,并-串 变换,串-并 变换,发送部件,接收部件,传送数据,0000 0101,T1,T8,T7,T6,T5,T4,T3,T2,0,0,0,0,0,0,1,1,位时间,传送脉冲,高位,低位,串行传送,特点：只有一条传输线，且采用脉冲串行传送。,2. 并行传送,特点：适应于短距离传送，数据传送快，成本高。,发送 部件,接收 部件,高位,低位,1,0,0,0,0,1,1,1,并行传送,3. 并串行传送,先传8 位，再传8 位。,高8位,低8位,高8位,低8位,8 位,并串行传送,4.分时传送,采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。 共享总线的部件分时使用总线。,分时传送有两种概念：,6.2.2 接口的概念,接口：设备之间通过总线进行连接的逻辑部件，连接两部件的“转换器”叫做接口。,CPU,接 口,外围 设备,控制状态线,数据线,地址线,外围设备的连接方式,典型的接口通常具有如下功能：,控制：它靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。,缓冲：补偿各种设备在速度上的差异。,状态：它监视外围设备的工作状态并保存状态信息。,转换：它可以完成任何要求的数据转换。,整理：它可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。,程序中断：外设向软件请求某种动作时，接口即发出一个中断信号。,一个适配器必须有两个接口：,一是系统总线的接口,二是和外设的接口,6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式 6.3.1 总线的仲裁,连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。主方可以启动一个总线周期，从方只能响应主方的请求。每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方。,按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。,主方持续控制总线的时间称为总线占用期。,对多个设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。,1、集中式仲裁,链式查询方式； 计数器定时查询方式； 独立请求方式。,集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央制裁器：一条是送往制裁器的总线请求信号线 BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线 BG。,集中式仲裁又可分为：,链式查询方式,优点：简单，几根线就可以实现优先次序总线控制，易 扩充。,缺点：对询问链的电路故障很敏感。,中央仲裁器,设备接口 0,设备接口n,设备接口1,D,A,链式查询方式,BR,BS,BG,计数器定时查询方式,优点：优先次序可以方便地改变。,中央仲裁器,设备接口0,设备接口n,设备接口1,计数器定时查询方式,设备地址,BR,BS,计数器定时查询方式:定时依次核查哪个设备发出了请 求信号。,独立请求方式,独立请求方式：每一个共享总线的设备均有自己的一对总线请求BRn 和总线同意BGj 。,优点：响应速度快，对优先次序的控制相当灵活。,中央仲裁器,设备接口0,设备接口n,设备接口1,计数器定时查询方式,BR0,BG0,BR1,BG1,BRn,BGn,2、分布式仲裁,最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。,分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。,当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。,如果仲裁总线上的号大,总线上,则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。,比,显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。,总线上,6.3.2 总线的定时,所谓定时：是指事件出现在总线上的时序关系。,数据传送过程中通常采用以下两种定时方式：,（1）同步定时,同步通信：采用一个公共的时针信号进行同步,在同步协议中，事件出现在总线上的时刻有总线时钟信号来确定。,地址,数据,这种方式称为同步通信。,总线时钟,启动信号,读命令,地址线,数据线,认可,同步定时,异步定时,总线时钟,地址和方式信息,数据,总线周期,同步通信,适用于总线长度较短，各部件存取时间较接近的情况。,特点：,每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时针规定；,传输率较高；,采用公共时钟；,数据,（3）同步定时与异步定时的优缺点：,但由于总线必须按最慢的模块来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会大大损失总线效率。,优点是总线周期长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，因而允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。,优点是采用公共时钟，具有较高的传输率。,异步定时增加了总线的复杂性和成本。,异步定时协议,同步定时协议,6.4.1 多总线结构,PCI 是一个与处理器无关的高速外围设备总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。,PCI 总线结构图，也是高档 PC 机和服务器的主板总线框图。如下图：,6.4 PCI 总线,处理器/cache,处理器/cache,主存 控制器,主存,PCI设备,PCI设备,HOST桥,主设备,目标设备 RAM,目标设备 I/O,PCI/LAGACY总线桥,PCI/PCI桥,LAGACY 设备,PCI设备,PCI设备,PCI 总线结构框图,HOST总线,PCI总线,LAGACY总线,（ISA、EISA、,MCA、。 ）,LAGACY 设备,PCI总线,上图中，整个系统有三种不同的总线：,（1）HOST 总线,（2）PCI 总线,（3）LAGACY 总线,在 PCI 总线体系结构中有三种桥，桥的功能是： 它连接两条总线，使彼此间相互通信； 桥又是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。 PCI 总线的基本传输机制是猝发式传送，利用桥可以实现总线间的猝发式传送。桥的作用可使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。 由上可见，以桥连接实现的PCI总线结构具有很好的扩充性和兼容性，允许多