第一课总线概述.ppt

1,第一章计算机总线,2,1.1计算机总线概述,*部件之间的连接方式：有分散连接和总线连接两种形式。,分散连接的特点通信性能好、可扩展性差；总线连接的特点可扩展性好、易产生通信瓶颈。,一、总线的基本概念,*总线定义：模块或设备间用于传输信息的一组公共信号线。,3,2、按信号线功能分类*数据总线：用于传输数据，双向总线，数据总线宽度=每次传送的二进制位数；*地址总线：用于传输目标设备及数据地址，单向总线，地址总线宽度=log2设备及数据地址空间；,二、总线的分类,*控制总线：用于传输过程控制，单向总线，有控制信号线和状态信号线两种形式。(主动方发出)(被动方发出),1、按数据传送方式分类*并行传输总线：同时传送多位二进制数据(多根数据线)；*串行传输总线：同时传送1位二进制数据(1根数据线)。,4,3、按总线功能分类*内部总线：又称片内总线，用于芯片内/模块内部件间的信息传输，如CPU内部的数据通路；*系统总线：用于系统内各模块间的信息传输，如CPU与主存、I/O模块之间的总线；*通信总线：又称外部总线，用于系统间/系统与外部设备间的信息传输，如RS-232/485、USB等总线。,总线标准化：为提高模块和设备的通用性，系统总线/局部总线/通信总线常采用总线标准形式(如ISA、PCI、USB总线标准等)。,系统总线的发展：CPU总线系统内部分模块间(与CPU直接连接)的总线；局部总线系统内部分模块间(不与CPU直接连接)的总线，如I/O模块与主存之间的总线。,5,三、总线特性及性能指标,1、总线的特性*物理特性：指总线上模块或设备约定的物理连接方式，包括线宽、线间距离、插头/插座形状等。(总线标准化所需),*功能特性：指按传输功能及方式需求，约定的信号线数量、各信号线功能、传输方向等；,*电气特性：指信号线上表示逻辑信息的电压值及功率等；,*时间特性：又称逻辑特性，指传输过程中各信号线上信号有效的时长及前后顺序关系(时序特性)。,6,2、总线性能指标(1)性能参数*总线宽度：又称总线位数，指数据总线每次可传输的二进制位数(通常1根线对应1位数据)，常用bit表示；*时钟同步/异步：同步总线总线上数据与时钟同步，异步总线总线上数据与时钟不同步；*总线工作频率：指同步总线的时钟频率，常用MHz表示；*总线复用：指同一信号线上是否分时传送2种信号，如地址线/数据线常采用复用方式；*总线工作模式：指总线传输过程的传输模式(稍后讨论)。,回下页,7,(2)总线性能指标*最大传输率：又称总线带宽，指总线上每秒最大可传输的数据总量，常用MB/s(或MBps)表示；最大传输率=(总线宽度/8位)最大传输次数/秒,例1PC总线数据宽度8位、总线工作频率4MHz，每次总线传输需4个总线时钟；其总线带宽=(8/8)(4/4)=1MB/s。,例2PCI总线数据宽度32位、总线工作频率33.3MHz，支持突发传输模式(连续传输时每次传输需1个总线时钟)，其总线带宽=(32/8)(33.3/1)=133MB/s。,*总线负载能力：指总线上保持逻辑电平在正常范围内的所能连接的模块或设备数量，常用个数表示。注通常不关注该指标(可用相关电路扩展驱动能力),转上页,8,1.2总线传输与控制,*相关术语：主设备能够发起总线传输的模块/设备；从设备只能响应总线传输的模块/设备；总线周期一次总线传输的时长。,*主要讨论内容：总线周期的操作包含哪些步骤？有哪些方法确定总线归某主设备使用？如何表示传输各步骤的开始及结束？如何提高总线传输的功能或性能？,回下页,9,一、总线操作步骤,总线操作步骤通常由4个阶段组成。,总线请求与仲裁阶段：主设备信号线配置各主设备均有“总线请求”及“总线允许”信号线；主设备有操作需求时，发出“总线请求”信号；总线仲裁机构根据各“总线请求”信号，确定下个总线周期可使用总线的主设备，向该主设备发出“总线允许”信号；,转上页,10,寻址阶段：已获得总线使用权的主设备发出目标地址和操作命令;注：a)已取得指总线周期开始前就已知道b)目标地址包括从设备地址及其数据空间的地址从设备根据目标地址和操作命令判断是否为目标设备,目标设备(一般只有1个)进行操作响应；,回下页,11,数据传送阶段：主设备根据操作类型(R或W)，接收或发送数据；目标从设备根据操作类型(R或W)，发送或接收数据；,结束阶段：主设备和从设备将所控制总线信号恢复为原始状态。,转上页,12,二、总线仲裁,*仲裁策略：考虑优先级、保证公平性。,1、集中式仲裁-通过集中的总线仲裁机构实现(1)菊花链查询方式(又称串行链查询方式)*仲裁信号线数量：3根(BR、BG、BS)；*仲裁信号线连接：各主设备的“总线请求”线BRi及“总线忙”线BSi用“线或”方式连接，“总线允许”线BGi串行连接；,回下页,13,*仲裁原理：采用轮询方式进行仲裁总线仲裁机构BR=1且BS=0时开始仲裁(使BG=1)，BS=1时仲裁完成(BSi=1的主设备获胜)；主设备被询问且有请求时获得下个周期总线使用权，即BSi=BGiin&BRi、BGiout=BGiin&BRi；,*特点：静态优先级仲裁，某主设备异常将导致BG链断开。,转上页,回下页,14,(2)计数器定时查询方式(又称计数器查询方式)*仲裁信号线数量：2根(BR、BS)+log2n根(BG)；*仲裁信号线连接：各主设备“设备号”信号线并行连接；,*特点：静态+循环优先级仲裁，某主设备异常不影响仲裁。,转上页,回下页,*仲裁原理：采用定时查询方式进行仲裁总线仲裁机构BR=1且BS=0时，开始仲裁(使“设备号”定时、循环变化)，BS=1时仲裁结束(BSi=1的主设备获胜)；响应延迟主设备有请求且设备ID=“设备号”时获得总线使用权，即BSi=BRi&(设备ID=“设备号”信号?)；,15,(3)独立请求方式*仲裁信号线数量：2n根(BR、BG)；*仲裁信号线连接：各主设备的BRi及BGi线独立连接；,转上页,*仲裁原理：总线仲裁机构仲裁时机：BRi=1、总线空闲/总线周期结束前，仲裁算法：可为考虑优先级、公平性的算法，,回下页,16,*特点：动态优先级仲裁，算法灵活性大；仲裁不需要设备参与，仲裁速度快。现在均采用独立请求仲裁方式！,转上页,17,2、分布式仲裁-通过各主设备自己的仲裁器实现(1)自举式*仲裁信号线数量：n+1根(n个BR、1个BS)；*仲裁信号线连接：约定各主设备优先级固定；连接各主设备按优先级连接部分仲裁信号线；,*仲裁原理：当BS=0时，有请求的主设备置BRi=1并检测其他设备的请求线，若自身优先级最高(其他设备“无请求”)时，获得总线使用权(置BS=1)；否则放弃总线请求(置BRi=0)；*特点：请求线较多、不易扩展。,回下页,18,(2)并行竞争式*仲裁信号线数量：log2n+1根(仲裁线、BS)；*仲裁信号线连接：约定各主设备优先级固定(有惟一的仲裁号)；连接各主设备均连接共用的log2n根仲裁线；,*仲裁原理：BS=0时，有请求的主设备发送自身仲裁号；优先级仲裁，从高位开始检测自身仲裁号与仲裁线编码，若自身仲裁号bi仲裁线bi时撤消请求，竞争获胜者获得总线使用权(置BS=1)。,附：串行竞争式分布仲裁2跟仲裁信号线，串行发送仲裁号，仲裁原理与并行竞争相同。(P的APIC使用该方法),转上页,19,回下页,回22页,三、总线定时,指主从设备间传输过程的时间及控制方法，又称传输协议。*协议种类：同步、异步、半同步、分离式,1、同步方式协议*信号线需求：“时钟”信号线CLK(用于操作控制及定时)*协议原理：主从设备传输过程的步骤约定以CLK为单位(控制)；主从设备必须在1个CLK内完成约定的动作(定时)。,*协议特点：要求各设备速度相近、距离短(否则有漂移)。,20,2、异步方式协议(又称应答协议或握手协议)*信号线需求：“请求”信号线REQ、“应答”信号线ACK；*协议原理：传输过程的下一步骤在双方同意时进行。,协议步骤请求、响应、撤消请求、撤消响应4个阶段；,转上页,回下页,读操作例,21,*协议子类型：全互锁、半互锁、不互锁方式；,*协议特点：对设备速度、距离无要求，但传输周期长；如何减少握手次数？,转上页,22,3、半同步方式协议*信号线需求：“时钟”CLK信号线，“就绪”Ready或“等待”Wait信号线；*协议原理：传输过程采用同步方式定时；在CLK的前沿或后沿判断控制/状态信号，实现异步方式控制的传输操作。,转19页,*半同步方式协议应用优化：优化方法主设备、从设备均允许采用异步控制方式；信号线需求CLK、“主就绪”IRDY、“从就绪”TRDY线。,23,4、分离事务方式协议*协议原理：总线周期分成两个子周期(地址期和数据期)，总线传输操作的两个子周期可重叠(流水)；*信号线需求：根据按序/乱序流水，信号线有所不同。,24,四、总线传输模式,指总线为增加功能和提高性能所支持的数据传送方式。,25,五、总线标准,指设备与总线连接及传输时，应遵守的协议与规范。不同时期流行的总线标准不同，总线标准与器件技术有关。,1、ISA总线标准-IndusryStandardArchitecture兼容并扩展了PC总线(20位A及8位D)的一种总线标准。*特性：24根地址线、16根与地址分时复用的数据线；支持半同步方式传输，CLK8MHz；支持常规读写、块传输及特殊操作模式。,回下页,26,2、PCI总线标准-PeripheralComponentInterconnect*特性：32根分时复用的地址/数据线(可扩展至64根)；采用半同步方式传输，CLK66MHz；支持多主设备的常规、特殊及块传输模式。,转上页,总线标准的发展趋势：交换机式的点-点互连总线标准，如USB、PCI-Express、InfiniBand等。,27,1.3总线互连结构,一、总线互连结构,1、单总线结构*单总线结构：系统中只有一种总线的互连结构。指总线标准,*系统总线定义：系统中各模块间相互连接的总线。,*特征：控制简单、可扩展性强；但传输性能较差(最慢部件的传输性能)。,回下页,28,2、多总线结构*提高传输性能的方法：,采用多总线结构，不同速度模块连接到不同总线上；,改变I/O方式，使MEM可与IO模块直接通信。,转上页,采用集成电路技术，关联模块尽量集成在同一芯片中模块间传输不受总线标准限制,29,*多总线结构：系统中有两种(及以上)总线的互连结构；总线标准、总线性能不同不同总线间通过“桥”进行连接。,(1)双总线结构增加MEM总线(CPU访存性能有较大提高)；*系统内总线命名：常称为CPU总线及局部总线。常用总线标准命名,*“桥”的作用：所连上级总线的操作传递机构；所连下级总线的操作控制结构(总线控制器).,回下页,30,(2)三总线结构再增加I/O总线(进一步提高访问IO设备的速度)；*系统内总线命名：有CPU总线、局部总线及IO总线3种。,转上页,回下页,回35页,31,3、多总线结构的应用与发展*南北桥结构：将芯片集成技术与多总线技术结合起来；,转上页,回下页,32,*中心结构：将南北桥之间的总线用高速接口代替。,现在又习惯于将中心结构称为南北桥结构。,转上页,33,二、总线互连的实现,1、设备-总线的互连实现,*总线接口电路：指设备(含“桥”)与总线连接时，实现内部操作与总线操作相互转换的电路。CPU、MEM、I/O设备均需有总线接口电路，通常分别称为总线接口单元、MEM控制器、I/O接口(或适配器)。,*总线接口电路的主要功能：侦测总线状态按总线标准的协议要求准确获得任何时刻的总线状态(空闲/地址/数据等)；提出总线使用请求及接收仲裁结果主设备有该功能；,回下页,34,总线侧操作控制按总线标准协议及总线状态决定是否发起(主设备)/响应(目标从设备)总线操作，按总线标准协议完成与总线的操作过程；,设备侧操作控制按设备的操作要求(协议)向设备发送操作信息(中转总线侧的操作)，或接收设备操作请求(中转设备侧的操作)，按设备的操作协议完成与设备的操作过程；,数据缓冲/锁存暂存来自总线或设备的数据，解决设备-总线的速度差异；格式转换按数据传输方向将数据转换成目标方(总线或设备)所要求的格式，解决设备-总线的信号差异，如并-串、电平转换等。,总线接口电路实际上是一个信号及时序转换器！,转上页,35,2、总线-总线的互连实现通过总线桥实现总线-总线的互连。,*多总线的结构特征：每个“桥”对应一条总线(所有总线的编号均不同)；“桥”可看作是总线上的特殊设备(传递或控制操作)；每条总线上可挂接多个“桥”。,*多总线的数据传输方法：主设备与单总线的数据传输类似，发起总线操作的地址由总线号+目标地址组成(常用地址高位作总线号)；总线桥负责控制/传递/屏蔽总线操作；从设备与单总线的数据传输相同，判断总线上目标地址，决定是否响应总线操作。,转30页,回下页,36,*多总线的数据传输实现问题：,操作系统(OS)在系统开机时负责完成下列任务：检测Host总线上所有