计算机组织及结构课件 第6章 总线及接口组织

1、公司公司徽标徽标第6章 总线与接口组织本章结构16.1 互连结构互连结构26.2 总线互连总线互连36.3 总线标准及举例总线标准及举例46.4 外部总线接口外部总线接口6.1 互连结构 CPU、存储器和输入输出接口需要交换的信息种类 ： 几种常见的部件互连结构 环型 全互连 星型 总线型 6.2 总线互连 总线的基本概念 总线互连结构 总线的控制方式 1.总线的基本概念 总线（BUS）是一组信号线，用于将两个或两个以上部件连接起来，形成部件之间的公共通信通路，每个部件将自己的信号线与总线相连。 总线具有以下两个最主要的特点：共享性。总线是供所有部件进行通信所共享的，任何两个部件之间的数据传输

2、都是通过共享的公共总线进行的。独占性。一旦有一个部件占用总线与另一个部件进行数据通信，其它部件就不能再使用总线，也就是说，一个部件对总线的使用是独占的。 根据总线的功能划分，总线包括地址总线（Address Bus，AB）数据总线（Data Bus，DB）控制总线（Control Bus，CB） 另外，总线也提供电源线和接地线等。 地址总线：地址总线上传送的是由CPU等主设备发往从设备的地址信号。当CPU对存储器或I/O接口进行读写时，必须首先给出所要访问的存储器单元的地址或I/O端口的地址，并在整个读写周期一直保持有效。 数据总线：数据总线上传送的是各部件之间交换的数据信息。数据总线通常是双

3、向的，即数据可以是由从设备发往主设备（称为读或输入），也可以是由主设备发往从设备（称为写或输出）。 控制总线：控制总线上传送的是一个部件对另一个部件的控制或状态信号，如CPU对存储器的读、写控制信号，外部设备向CPU发出的中断请求信号等。 总线按其所连接的不同部件或设备划分包括以下几类：系统总线局部总线外部总线 系统总线 ：用于将CPU、存储器和输入输出接口及I/O通道连接起来的一组信号线就称为系统总线。 例：ISA、EISA、MCA、STD、VME、MultiBus、PCMCIA、PCI等。 局部总线 ：随着计算机对CPU访存速度和图像处理速度的要求越来越高，现代机器往往采用多总线结构设计，

4、即将CPU与存储器及显示器适配器相连接的信号线从系统总线中分离出来，形成CPU与存储器和CPU与显示器适配器之间的专用总线，称为局部总线。 外部总线 ：外部总线主要是指计算机与计算机、计算机与外部设备之间的通信总线。 例如，用于微型计算机之间进行串行数据通信之用的RS-232/RS-485接口标准，近几年发展和流行起来的微机与外部设备之间的USB和IEEE1394通用串行总线接口标准等。 衡量总线性能的主要技术指标是总线带宽，它是指总线所能达到的最高数据传输率，单位是兆字节/秒（MB/s）。2.总线互连结构 计算机各部件之间的总线互连结构随着计算机性能的不断提高也在不断发生着变化，这种变化主要

5、体现在两个方面：一是由单总线结构向多总线结构发展；二是通过增加局部总线，提高CPU与一些部件之间数据交换的速度。 单总线结构：CPU、存储器和各种设备接口之间通过单条总线相连 局部总线结构 多总线结构：根据所连接部件或设备性能的不同，在机器系统中配置多条总线，原则上根据部件或设备的速度进行分类，将高速部件通过高速总线与CPU互连，低速部件通过低速总线与CPU互连。 多总线结构例3. 总线的控制方式总线的控制方式 总线的仲裁 总线的定时 总线的数据传输 总线的仲裁 对主设备占用总线进行裁决。 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种。 集中式仲裁：由一个称为总线控制器或

6、仲裁器的硬件设备负责对多个主设备使用总线申请的裁决。 常用的集中式仲裁方式主要有：链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式等。 采用独立请求方式的集中式总线仲裁电路图 分布式仲裁：总线仲裁电路分散于连接在总线上的各个主设备中。 分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个主设备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，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。 总线的定时 总线的定时是指为完成一次总线操作主、从设备所给出的地址、数据及控制信号在时

7、序上的关系。 总线的时序关系分为同步时序和异步时序。 同步时序：总线中包含有一条时钟信号线，总线上的所有操作都与时钟信号同步。 时钟信号是一个由等宽的高、低电位交替出现的规则信号，一次高、低电位的交替称为一个时钟周期。 每一个时钟周期中都含有一个上升沿和一个下降沿，总线上的操作正是通过由时钟周期的上升沿或下降沿触发来实现同步的。 一个典型的同步总线操作时序 同步时序的优点是控制简单、实现容易；缺点是对各种操作来说总线周期往往是相同的，这对于短操作（所需时间短）来说，在时间上就有些浪费。 异步时序：在异步时序中，后一操作出现在总线上的时刻取决于前一操作的发生，即前后操作建立在应答式基础上，各种操

8、作的产生不需要统一的公共时钟信号。 一个典型的异步总线操作时序 异步时序的优点是总线周期长度可变，这对于快速和慢速的操作来讲都能做到高效；缺点是控制复杂，需要以更多的硬件成本为代价。 总线的数据传输 当代的总线标准大都能支持以下四种模式的数据传输：单个字的读、写操作块传送操作写后读、读后写操作广播操作 单个字的读、写操作：即一次总线操作完成一个字的或写操作，字的宽度通常与总线宽度一致。读/写操作都是由主设备发起，读操作是由从设备到主设备的数据传送；写操作是由主设备到从设备的数据传送。每次的字传输操作都是首先由主设备给出字单元地址，然后给出读/写控制信号。一次字的读/写操作一般在一个总线周期完成

9、。 块传送操作：又称为猝发式传送。每次完成一个数据块的传输，每次传输主设备只需给出数据块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入，直到一个数据块全部传输完成。 写后读、读后写操作：每次操作只给出地址一次，然后对同一地址单元的内容或进行“先写后读”操作，或进行“读后写”操作。“先写后读”操作主要用于对如存储器的校验，即将一个数据先写入某一地址单元，然后读出比较，据此判定存储单元是否存在故障。“读后写”操作用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。无论是“先写后读”还是“读后写”，整个操作都是不可分的。 广播操作：总线传送通常是在一个主设备和一个从设备之间进行，但有些总线允许一个主设

10、备同时对多个从设备进行写操作，这种操作称为广播。6.3 总线标准及举例 总线标准 ISA总线 PCI总线 现代微机总线配置 1.总线标准 总线标准是指芯片之间、部件之间、插板之间或系统之间通过总线进行连接和通信时应遵守的一些协议与规范。 总线标准主要定义以下几个方面特性（规范）：物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线信号线的条数，总线的插头、插座的形状和物理尺寸，引脚线的排列方式等。电气特性：定义每一条线上信号的传递方向及有效电平范围。功能特性：描述总线中每一条线的功能，如定义地址线、数据线和各种控制及状态信号线。时间特性：即定义信号线之间的时序关系。 2. ISA总线总线 1981年IBM

11、公司推出了基于8088 CPU的IBM PC微型计算机，其上使用的是一个62条引脚的XT总线。 1984年IBM公司又推出了基于80286 CPU的IBM PC/AT机，其上使用的总线称为AT总线。 AT总线是在原XT总线的基础上扩充而来，总线引脚在原来的62条基础上增加了36条，从而扩充到98条引脚。 1987年IEEE以XT/AT总线为蓝本，定义了工业标准体系结构ISA（Industry Standard Architecture），其中原XT总线定义为8位ISA总线，原AT总线定义为16位ISA总线。 ISA总线插槽XT总线62引脚插槽AT总线新增36引脚插槽3. PCI总线总线 Int

12、el公司首先提出了PCI（Peripheral Component Interconnect）总线概念。之后Intel联合IBM、Compaq、AST、HP、 Apple、NCR、DEC 等100多家公司共同开发总线，并于1993年推出了PCI总线标准。目前PCI已称为一种新的总线标准，广泛用于微机、工作站以及便携式计算机中。 PCI总线主要有以下一些特点：数据传输率高 支持猝发传输(Burst Transmission)支持多主设备独立于处理器支持即插即用(Plug and Play)适用于多种机型 PCI总线的系统结构：PCI总线属于局部总线，它支持多总线结构，允许PCI总线和CPU总线及

13、其它总线在同一个机器系统中并存。 PCI总线和CPU总线及其它总线之间通过“桥”互连。 PCI总线信号定义 4. 现代微机总线配置现代微机总线配置 现代微型计算机采用的就是多总线结构，如图6-12是一个典型的主板总线结构图 。 其中，北桥芯片（North Bridge）是主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分，也称为主桥（Host Bridge）。 北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP数据等在北桥内部传输。 北桥芯片就是主板上离CPU最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而缩短传输距离。 一般来说，芯片组的名称就是以北桥芯片的名称来命名的，例如I

14、ntel 845E芯片组的北桥芯片是82845E，Intel 875P芯片组的北桥芯片是82875P等等。 南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。 南桥芯片（South Bridge）是主板芯片组的另一重要组成部分，一般位于主板上离CPU插槽较远的下方，PCI插槽的附近，这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。 南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的方式（不同厂商各种芯片组有所不同）与北桥芯片相连。知识拓展：前端总线知识拓展：前端总线 前端总线的英文名字是Fron

15、t Side Bus，通常用FSB表示，这个名称是由AMD公司在推出K7 CPU时提出的，它指的是将CPU连接到北桥芯片的总线。北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。 前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能影响很大，如果没有足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽（总线频率数据位宽）/8。目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333M

16、Hz、400MHz、533MHz、800MHz等几种，前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。在同等条件下，前端总线越快，系统性能越好。 前端总线的频率与计算机外频是两个不同的概念，通常所说的外频指的是CPU与主板连接的速度，这个概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，而前端总线的速度指的是数据传输的速度，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz64bit/8Byte/bit=800MB/s。6.4 外部总线接口 计算机与外部设备之间除了通过设

17、备适配器经系统总线互连外，还可通过一些标准的外部总线连接。 一般来讲，计算机主板上集成了一些常用的标准外部总线接口，如USB接口、IEEE1394接口、SCSI接口等。 1. SCSI接口接口 SCSI是小型计算机系统接口（Small Computer System Interface）的缩写，是一种外部总线接口标准。 SCSI是由美国的Shugart Associates和NCR公司在1979年发明的,开始的名字为SASI，即Shugart Associates Systems Interface。 1982年4月美国国家标准委员会ANSI将其改名为SCSI，使其有一个更通用的名字。1986

18、年6月ANSI发布SCSI-1标准，从此真正开始SCSI的应用和发展历程。 SCSI最初用于小型计算机系统，随着微型计算机技术的发展，后来也用于微机系统，但主要应用于对性能要求较高或专业性较强的场合，如网络服务器等。SCSI接口特点 应用面广：SCSI是一种连结主机和外围设备的接口，它不仅仅用于连接磁盘驱动器、磁带机、光驱等辅存设备，还支持其它多种输入输出设备。 适应性强：SCSI接口适配器（又称SCSI控制器）中包含了一个相当于小型CPU功能的控制逻辑，它有自己的命令集和缓冲存储器。SCSI的命令与设备和主机无关，无论主机采用什么类型的设备级接口、设备甚至系统总线结构，SCSI总线都有相同的

19、物理和逻辑特性。 扩展性好：SCSI系统可以是一个主机，即一个主适配器和一个外设控制器的最简单的形式，也可以是一个或多个主机与多个外设控制器的组成。 SCSI规定系统至多有的SCSI设备数目为SCSI总线数据的位数，如采用32位数据总线，则至多有32个SCSI设备。而微型计算机上的IDE接口最多只能连接4个设备。因此，SCSI具有良好的可扩展性。 速度快：SCSI总线在刚推出时最大数据传输速率仅为5 MB/s，而新一代的SCSI接口标准最大数据传输率可达640 MB/s，甚至上千MB/s。 SCSI家族 SCSI有多种版本，但作为标准来说，主要包括三种：SCSI-1、SCSI-2和SCSI-3

20、，另外即将推出的SCSI-4和SCSI-5也将加入SCSI家族的行列。 SCSI-1：它是最早的SCSI接口，在1979年由Shugart制订，并于1986年由ANSI发布正式标准。它支持8位并行数据传输，可同时连接7台SCSI设备，最大数据传输率为 5MB/s。 SCSI-2：它是继SCSI-1后的接口标准，于1992年推出，也称为 Fast SCSI（快速SCSI）。其中，采用8位并行数据传输的SCSI称为“Fast SCSI”（ Narrow 模式），它的数据传输率为10MB/s，最大支持连接设备数为7台；后来出现的采用16位并行数据传输的SCSI称为“Fast Wide SCSI”（快

21、速宽带SCSI），它的数据传输率提高到了20MB/s，最大支持连接设备数为15台。 SCSI-3：它是在SCSI-2之后推出的“Ultra SCSI”（超级SCSI）类型，在这个大类中也按数据位宽的不同先后推出了两个小类。采用8位并行数据传输时称为“Ultra SCSI”，它的数据传输率为20MB/s，最大支持连接设备数为8台。在将并行数据传输的总线带宽提高到16位后出现了“Ultra Wide SCSI”，它的传输率又成倍提高，达到了40MB/s，最大支持连接设备数为15台。 Ultra2 SCSI：它是在Ultra SCSI的基础上推出的SCSI接口类型，于1997年提出。 8位的Narr

22、ow 模式即为“Ultra2 SCSI”，它的传输率为40MB/s，最大支持连接设备数为7台；而采用16位的Wide模式则称为“Ultra2 Wide SCSI”，它将传输率提高到了80MB/s，最大支持连接设备数为15台。 Ultra3 SCSI：它是Ultra2 SCSI的更新接口，于1998年9月份提出。 Ultra3 SCSI 的传输率是Ultra2 SCSI的两倍，即最高可达160MB/s； Ultra320 SCSI：它的全称为“Ultra320 SCSI SPI-4”技术规范。Ultra320 SCSI 单通道的数据传输速率最大可达320M/S，如果采用双通道SCSI控制器可以达

23、到640M/s。 SCSI的配置结构 一个SCSI适配器通过一组SCSI总线与多个SCSI设备连接，它们构成一个独立的I/O子系统，称为一个SCSI域。在一台机器中可以有多个SCSI域 。 SCSI设备是沿着一条SCSI总线构成菊花链接的结构，即一个SCSI设备的输出利用SCSI电缆连接到另一个设备的输入。 SCSI的接口类型 SCSI连接器分为内置和外置两种，内置接口的外型和IDE接口类似，只是针数和规格稍有差别，主要用于连接光驱和硬盘。外置接口主要包括50针接口、68针接口和80针接口等。（a）50针SCSI接口（b）68针SCSI接口（c）80针SCSI接口2. IEEE1394接口接口

24、 IEEE1394最初是由美国Apple苹果电脑公司在上世纪八十年代中期开始研发。当初苹果公司称之为FireWire（火线）。 1994年9月由IEEE成立了IEEE1394行业协会，由Adaptec、 AMD、Apple、Cirrus Logic、IBM、Microsoft、Molex、Philips、Skip stone、Sony和TI等公司组成执行委员会，制定了总线接口标准，即IEEE1394-1995技术规范。 IEEE1394是一个高速串行总线接口标准，既可作为总线标准应用于计算机主板，也可作为外部接口标准应用于计算机与各种外设的连接，尤其是与一些现代数码电器产品的连接，如实现与数码

25、相机、数码摄像机及各种数字音频视频设备之间的高速、宽带的数据传输等。 IEEE1394接口特点 高速率：IEEE1394-1995中规定标准数据传输速率为100Mbit/s到400Mbit/s。新的IEEE1394b中更高的速度是800Mbit/s到3.2Gbit/s。 传输距离长：虽然IEEE1394-1995标准允许其总线长度只有4.5米，但新的IEEE 1394b标准可以实现100米范围内的设备互连。 支持热插拔和即插即用 接口简单、廉价：IEEE1394-1995标准规范规定总线中包含4根信号线和2根电源线，使用细缆连接，这使得连接和安装都十分简单。 互联设备多：IEEE 1394最多

26、只可支持63个节点的1394设备串联。 支持对等传输：两台IEEE 1394设备无需通过计算机即可实现点到点的直接相连和数据传输。这意味着只要设备支持，我们就可以方便地将如数码相机等与具有IEEE 1394接口的硬盘等连接，并直接将数码相机中的数据存储到硬盘中。 灵活的传输模式：IEEE 1394的传输模式主要有“Backplane”和“Cable”两种。“Backplane”模式是一种基于主板的总线模式，其所实现的数据速率分别为12.5 Mbps、25 Mbps、50 Mbps，可以用于多数的带宽要求不是很高的应用环境，如Modem（包括ADSL、Cable Modem）、打印机、扫描仪等。

27、 “Cable”模式是一种快速接口模式，其所能达到的数据速率分别为100 Mbps、200 Mbps 和400 Mbps几种，主要应用于一些数码设备的数据传输。IEEE1394的配置结构 IEEE1394采用菊花链式配置，也允许树形结构配置。 IEEE1394接口需要一个主适配器和系统总线相连。在PC机中，这个主适配器的功能逻辑集成在主板的核心芯片组的桥芯片中，称之为主端口。主端口是1394接口树形配置结构的根节点。一个主端口最多可连接63台设备。 IEEE1394的接口类型 IEEE1394有6针和4针两种接口类型，也就是常说的大口和小口，如图6-16所示。 6针接口外观为6角形，4针接口外观为小型四角形。最早苹果公司开发的IEEE1394接口是6针的，后来，SONY公司看中了它数据传输速率快的特点，将早期的6针接口进行改良，重新设计成为现在大家所常见的4针接口，并且命名为i.Link。这种连接器如果要与标准的6导线线缆连接的话，需要使用转换器。 6针和4针两种接口的区别在于能否