计算机系统第九章总线分析PPT课件

11.05.2020,-,1,第九章计算机总线技术BusTechnologyofComputer,AutomationResearchInstitute,BUCT,-计算机控制系统-,11.05.2020,-,2,本章主要内容,计算机总线的一般概述计算机总线的体系结构内部总线外部总线总线的未来,11.05.2020,-,3,第一节Unit1,计算机总线的一般概述IntroductionofComputerBus,11.05.2020,-,4,本节主要内容,总线结构连接总线的分类总线的模板化结构总线：一组进行互连和传输信息的信号线。好比是连接计算机系统各个部件之间的桥梁。广义上也将AGP(图形加速端口)接口、USB(通用串行总线)接口等称为AGP总线、USB总线。,11.05.2020,-,5,2-1概述,总线的定义：一组公用线的集合规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路(起到桥梁作用)符合某种总线的标准实际上是计算机系统真正的核心总线技术通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等总线的标准、结构不同，性能差异很大,11.05.2020,-,6,2-1-1总线结构连接（1）,总线结构连接示意图,总线与总线接口一起便称之为总线结构,11.05.2020,-,7,2-1-1总线结构连接（2）,总线结构连接的优点结构由面向CPU变为面向总线硬件、软件模块化设计与生产结构清晰,便于灵活组态、扩充、改进与升级符合同一总线标准的产品兼容性强满足用户不同的需要,容易构成各种用途的计算机应用系统,11.05.2020,-,8,2-1-2总线的分类（1）,根据总线的功能和应用场合，总线有内部总线（InternalBus)用于计算机内部模块（板）之间通信外部总线（ExternalBus)：又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信根据总线的结构，总线可分为并行总线：每个信号都有自己的信号线串行总线：所有信号复用一对信号线,11.05.2020,-,9,2-1-2总线的分类（2）,内部总线：又称系统总线或模板级总线常用的有PC、STD、VME、MULTIBUS等数据总线D：用于传递数据信息地址总线A：用于传递地址信息控制总线C：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息电源总线P：向总线提供电源外部总线如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等,11.05.2020,-,10,2-1-2总线的分类（3）,局部总线、系统总线、通信总线局部总线-是在传统的ISA/EISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，这是因为ISA/EISA已远远不能适应系统高传输能力的要求，如PCI。系统总线即内部总线通信总线即外部总线,11.05.2020,-,11,2-1-2总线的分类（4）,计算机内部总线结构示意图,11.05.2020,-,12,决定总线性能的因素,总线时钟频率(即总线工作频率，单位MHz)；总线宽度即数据总线的位数，单位为bit；总线传输速率即总线带宽，在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/s，每秒处理多少兆字节。它们之间的相关计算公式：传输速率=总线时钟频率*总线宽度/8,11.05.2020,-,13,2-1-3总线的模板化结构,模板化结构按功能划分计算机的各个部件，并按总线标准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、A/D、D/A、DI、DO等模板化结构的优点增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性为系统的维修提供了方便,11.05.2020,-,14,第二节Unit2,计算机总线的体系结构ArchitectonicsofComputerBus,11.05.2020,-,15,本节主要内容,计算机技术的发展过程在一定意义上来说是总线技术的发展史，每一次新的主流总线技术的出现都给计算机带来了全面的革新。总线的体系结构总线的控制方式,11.05.2020,-,16,2-2-1总线的体系结构（1）,主控模块（Master,主模块)可以控制总线并启动数据传送的任何模块受控模块（Slave,从模块)能够响应总线主模块发出命令的任何模块体系结构指由总线本身定义地址空间、数据长度、操作定时信号以及传输协议等，以保证CPU的性能得到充分发挥而与CPU无关。,11.05.2020,-,17,2-2-1总线的体系结构（2）,单总线体系结构(SingleBusArchitecture)所有模块都连到单一总线上，只有一个数据通路，仅适用于慢速的计算机。,11.05.2020,-,18,2-2-1总线的体系结构（3）,单总线体系结构(SingleBusArchitecture),11.05.2020,-,19,2-2-1总线的体系结构（4）,并发总线体系结构(ConcurrentBusArchitecture)将存储器和I/O的数据通路分开，以解决CPU与存储器、I/O之间数据传输的速度不一的矛盾。,11.05.2020,-,20,2-2-1总线的体系结构（5）,并发总线体系结构(ConcurrentBusArchitecture),11.05.2020,-,21,2-2-1总线的体系结构（6）,带cache的并发总线体系结构(ConcurrentBusArchitectureWithcache)类似于并发总线体系结构，只是在CPU和存储器的数据通路上多了一个高速缓冲存储器cache及cache控制器。,11.05.2020,-,22,2-2-1总线的体系结构（7）,带cache的并发总线体系结构,11.05.2020,-,23,2-2-2总线的控制方式（1）,总线控制总线上可以挂多个主模块,但在同一时刻只能有一个主模块控制总线；对信息的传送需要控制,以防止信息丢失。总线控制线路包括总线判优或仲裁逻辑、总线控制驱动器和中断逻辑等。,11.05.2020,-,24,2-2-2总线的控制方式（2）,用硬件进行总线裁决（控制）的方式串行链接式总线裁决定时查询方式独立请求式总线裁决,11.05.2020,-,25,2-2-2总线的控制方式（3）,串行链接式总线裁决,图中，请求线是公共的，图中部件0的优先级最高。,11.05.2020,-,26,2-2-2总线的控制方式（4）,定时查询方式,这种方式中，优先级可以用程序控制，灵活性较强。计数值有2种方式。,11.05.2020,-,27,2-2-2总线的控制方式（5）,独立请求式总线裁决,这种方式中，总线控制器根据某种算法对同时来的请求进行裁决。,11.05.2020,-,28,2-2-2总线的控制方式（6）,总线裁决采用的主要算法静态优先级算法（又称作菊花链算法）固定时间算法动态优先级算法先来先服务算法,11.05.2020,-,29,2-2-2总线的控制方式（7）,总线的通信方式(1)同步式通信(SynchronousTransfer)数据的传输在一个共同的时钟信号控制下进行优点是模块间的配合简单一致,缺点是对所有模块都强求一致的同一时限,设计缺乏灵活性(2)异步式传输(AsynchronousTransfer)利用数据发送部件和接收部件之间的“握手(Handshaking)”信号线来实现总线数据传送可以实现不同速度的设备之间的数据传送,11.05.2020,-,30,第三节Unit3,内部总线InternalBus,11.05.2020,-,31,本节主要内容,STD总线当前主流总线,11.05.2020,-,32,2-3-1STD总线（1）,STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构,尺寸为165114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构拥有丰富的I/O功能模板的小尺寸设计,减少冲击和震动的影响,11.05.2020,-,33,2-3-1STD总线（2）,STD总线的信号分配56根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类(1)逻辑电源线6根(引线16)(2)数据总线8根(引线714)(3)地址总线16根(引线1530)(4)控制总线22根(引线3152)(5)辅助电源线4根(引线5356),11.05.2020,-,34,2-3-1STD总线（3）,STD总线与存储器和I/O的连接与存储器的连接方法总线低位地址A0A12直接连接到各存储器芯片,高位地址A13A15用来选片（可选64K基本存储器，通过扩展，可增至128K）与I/O的连接地址码的低位字节连接到总线译码器,形成选板信号和选口信号,选通I/O端口工作（可选128个口，扩展后可增至256个口）,11.05.2020,-,35,2-3-2主流总线与IPC机,IPC机的优点(1)IPC机与PC机的软件完全兼容；(2)开放性的结构和软硬件标准的公开；(3)各类高性能I/O模板成熟,性能价格比提高；(4)IPC机本身的性能指标不断提高,已能适应工业环境的基本要求；(5)通信与网络技术的引入，便于通过网络连接,组成可靠性高、灵活性强的多级系统体系。,11.05.2020,-,36,2-3-2主流总线的发展,PC系列总线IBM公司1981年推出基于8位机的PC/XT总线，PC总线1984年推出基于16位机的PC/AT总线，AT总线但从未公开过AT总线的技术规格Intel公司、IEEE和EISA集团联合推出与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA(IndustryStandardArchitecture)总线，即8/16位的“工业标准结构”：数据传输率最高8MB/s,寻址空间为224=16MB,11.05.2020,-,37,ISA总线,总线的元老特点：CPU为唯一主模块，插卡数量亦有限缺少中枢寄存器，不能动态分配资源已接近淘汰但因许多老设备如声卡、Modem等仍离不开它，故许多主板芯片给依然提供对其的支持(如下页的主板示意图等),11.05.2020,-,38,11.05.2020,-,39,用到ISA总线的声卡示意图,11.05.2020,-,40,过渡总线,MCA(MicroChannelArchitecture)IBM提出的支持386的系统总线标准，数据宽度32位(支持4G的寻址能力)，传输率33MB/s，与ISA不兼容，技术未公开EISA(ExtendedISA)总线由Compaq、HP等九家公司在1988年推出的与MCA抗衡的总线，与ISA有良好的兼容性,11.05.2020,-,41,PCI局部总线,PCI(PeripheralComponentInterconnect)现在是主板上最常见的插槽(如下页图示)不依附于某个具体的处理器结构上是在CPU与原来的系统总线间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对该层的管理；提供信号缓存，支持10种外设数据总线32/64位，最大传输速率达132MB/s可同时支持多组外围设备,11.05.2020,-,42,11.05.2020,-,43,采用PCI的显卡,11.05.2020,-,44,PC/I04(1),专门为嵌入式控制而定义的工控总线实质上是一种紧凑型，小型化的IEEE-P996.其型号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。PC/104总线产品软件上与PC/AT完全兼容。,11.05.2020,-,45,PC/I04(2),11.05.2020,-,46,PC/I04硬件特点,小尺寸结构,标准模块：96x90mm堆栈式，“针”“孔”总线连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连,有极好的抗震性。4mA总线驱动既可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量自我堆栈式连接，无须母板,11.05.2020,-,47,PC/I04版本,PC/104,8位，16位分别与PC和PC/AT相对应PC/104plus则与PCI总线相对应一个PC/104CPU模块则可以同时拥有PC/104和PC/104plus总线,11.05.2020,-,48,AGP总线(1),AGP(AcceleratedGraphicsPort)更确切地说为图形加速接口，是Intel公司推出的新一代图形显示卡专用数据通道，它只能安装AGP的显示卡。它将显示卡同主板内存芯片组直接相连，大幅提高了电脑对3D图形的处理速度，信号的传送速率可以提高到533MB/s。AGP的工作频率为66.6MHz，是现行PCI总线的一倍。,11.05.2020,-,49,AGP总线(2),AGP显示卡和内存之间有一条高速的通道，它要直接使用系统内存来处理图像数据，不过宝贵的系统内存就会被占用了。现在的SLOT1主板、SUPER7主板都提供了AGP接口。,AGP接口图示,11.05.2020,-,50,SLOT1主板,11.05.2020,-,51,USB接口(1),USB(UniversalSerialBus)是由个人电脑协会和电讯工业厂家(包括Compaq、IBMNEC、Microsoft等)共同开发的新一代的多媒体电脑的外设接口。将不同的接口统一用一个4针标准插头。所有的USB外设利用“One-Size-Fits-All”连接器简单方便地连接入计算机。,11.05.2020,-,52,USB接口(2),使用新的、通用标准连接器，在计算机上添加设备时不必再打开机箱，安装板卡，甚至都不必重新启动，就可以使用新的设备，USB使您的计算机更易使用。,USB接口示意图,11.05.2020,-,53,USB接口(3),连结的设备数一个USB最多可以连结127个设备传输速度若是使用鼠标或者键盘等不需要高速的设备时，它就采用1.5Mbps的传输速率若是使用MODEM，音箱、打印机等需要高速传输数据的设备时，则采用12Mbps的同步传输速率(结点间距离5米)。最新USB2.0标准的MAX传输率480Mbps.,11.05.2020,-,54,另外的一些总线,IEEE1394总线IDE总线SCSI总线AMR总线,11.05.202