计算机组成原理(第六章1)

1、第六章第六章 总线系统总线系统 系系 统统 总总 线线CPU控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线系统软件总线系统总线系统计算机系统的基本组成：计算机系统的基本组成：“系统硬件系统硬件+系统软件系统软件+总线系统总线系统”可见：总线系统在计算机组成可见：总线系统在计算机组成中的作用。中的作用。寄存器组寄存器组ALU I/O 系统系统CU课程教学要求本章内容本章内容： 6.1 总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态 6.2 总线接口总线接口 6.3 总线的仲裁总线的仲裁 6.4 总线的定时和数据传送模式总线的定时和数据传送模式 6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线 6.6 In

2、finiBand 标准标准 本章小结本章小结6.1 总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态 讨论问题：讨论问题：1 1 总线的基本概念总线的基本概念 2 2 总线的连接方式总线的连接方式 3 3 总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响 4 4 总线的内部结构总线的内部结构 5 5 总线结构实例总线结构实例总线系统总线系统6.1.1 总线的基本概念总线的基本概念 什么是总线什么是总线： 计算机系统中计算机系统中连接各个部件的信息传输线，称为连接各个部件的信息传输线，称为“总线总线”。 系统各功能部件系统各功能部件共享的传输介质，是共享的传输介质，是传送数据或信息的公共通路

3、。传送数据或信息的公共通路。总线系统总线系统总线上信息的传送方式总线上信息的传送方式：串行：串行：并行：并行：(逐位传送逐位传送)(并位传送并位传送)单处理器系统中的总线单处理器系统中的总线，一般分为三类：，一般分为三类： (1) 内部总线内部总线：CPU内部（含运算器）各部件之间内部（含运算器）各部件之间的总线。（又称：片内总线）的总线。（又称：片内总线） (2) 系统总线系统总线：CPU同计算机系统的其它高速同计算机系统的其它高速I/O部件，如存储器、通道等互相连接的总线。部件，如存储器、通道等互相连接的总线。 (3) I/O总线总线：中、低速：中、低速I/O设备之间互相连接的总设备之间互

4、相连接的总线。线。总线的分类：CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板1、总线（总线（BUS）物理实现）物理实现BUS主板主板计算机计算机主板主板各类接各类接口插槽口插槽2.2.总线总线（BUS）的特性的特性( (教材教材P185) ) 物理特性物理特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序尺寸、形状、管脚数及排列顺序等。等。 功能特性功能特性：描述总线中每一根线的功能：描述总线中每一根线的功能 电气特性电气特性：传输方向传输方向和有效的和有效的电平电平范围范围。 时间特性时间特性: 各信号的时序关系。各信号的时序关系。 总线系统总线系统地址地址数据数据控制控制模块模块模块模块系统系统总总线

5、线标标准准系统系统标标 准准 界界 面面ISA (16位位)EISA (32位位)VESA (32位位)PCI (64位位)AGPRS-232USB3、总线的标准化、总线的标准化什么是标准化？什么是标准化？Industrial Standard Architecture 即：不同厂家生产的各功能部件在实现方法上各自即：不同厂家生产的各功能部件在实现方法上各自不同，然而不同，然而, , 通过标准接口可组合成一个系统，或通过标准接口可组合成一个系统，或者互换使用相同功能的部件。者互换使用相同功能的部件。原因原因: : 它们都遵守相同的系统总线的要求，可以通它们都遵守相同的系统总线的要求，可以通过过

6、总线标准接口界面总线标准接口界面实现互连，这就是总线实现互连，这就是总线标准化标准化的的作用和意义作用和意义。总线系统总线系统4、总线、总线(BUS)的主要性能指标的主要性能指标1) 总线宽度总线宽度2) 总线带宽总线带宽*3) 同步同步/ /异步异步4) 信号线总数信号线总数并行传输线并行传输线的条数的条数 单位时间内最大传输字节数（单位时间内最大传输字节数（MB/s）同步定时总线、异步同步定时总线、异步定时总线定时总线地址线、数据线和控制线的总和地址线、数据线和控制线的总和【例例1 1】(1)(1)已知某总线在一个总线周期中并行已知某总线在一个总线周期中并行传送传送4个字节的数个字节的数据

7、，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f=33MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少? （教材（教材P186）(2)如果一个总线周期中并行传送如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为位数据，总线时钟频率升为f= 66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少? 解：解：(1)设总线带宽用设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用=1/f表示，一表示，一个总线周期传送的数据量用个总线周期传送的数据量用D表示。表示。则则: Dr = D1/= Df =4B33 M/s=132 MB/s(2) 6

8、4位位=8B， Dr= Df =8B66 M/s=528 MB/s 6.1.2 总线的连接方式总线的连接方式 1.1.单总线结构单总线结构 在单处理器的在单处理器的计算机中，若使用一条单一的系统总计算机中，若使用一条单一的系统总线把线把CPU、主存和、主存和I/O设备连接在一起，称为：单总线设备连接在一起，称为：单总线结构。结构。CAI演示演示。总线系统总线系统包括：单总线结构和多总线结构包括：单总线结构和多总线结构单总线结构框图：单总线结构框图：单总线单总线（系统总线）（系统总线） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n

9、I/O接口接口单总线上进行的操作单总线上进行的操作： (1)(1)取出指令取出指令：当：当CPU取一条指令时，首先把指令取一条指令时，首先把指令地址（地址（PC值）与控制信息一起送至总线上，通过总线值）与控制信息一起送至总线上，通过总线选定并访问选定并访问 I-Cache，读出的指令，并通过总线送到，读出的指令，并通过总线送到IR,完成完成“取指令取指令”操作。操作。(2) 存取数据存取数据：CPU按指令要求，通过总线与按指令要求，通过总线与D-Cache进行数据交换。进行数据交换。总线系统总线系统 (3) I/O操作操作：如果：如果CPU给出的是外围设备地址，给出的是外围设备地址，被选中的被

10、选中的I/O设备通过总线与设备通过总线与CPU或其它或其它I/O设备之间设备之间进行数据交换。进行数据交换。（与访问内存单元类似与访问内存单元类似）(4) DMA操作操作: 某些外围设备还可以通过总线直接某些外围设备还可以通过总线直接与主存进行数据的批量交换与主存进行数据的批量交换 (DMA操作操作)。(5) 单总线结构易于系统扩展单总线结构易于系统扩展：只需在系统总线上：只需在系统总线上挂接增添部件即可。挂接增添部件即可。 注意到：注意到： 在单总线结构的计算机中，总线在单总线结构的计算机中，总线是多种部件共享是多种部件共享共用的唯一的信息传送通路，这就共用的唯一的信息传送通路，这就要求挂接

11、在总线上要求挂接在总线上的各部件都应当的各部件都应当高速运行并及时释放总线高速运行并及时释放总线，以便使各，以便使各设备都能迅速获得总线控制权。设备都能迅速获得总线控制权。 以保证总线资源的得到充分使用。以保证总线资源的得到充分使用。 显然：显然：这种总线结构不能适应计算机系统中包含这种总线结构不能适应计算机系统中包含各类不同速度资源对总线的高效使用要求各类不同速度资源对总线的高效使用要求。慢速设备如何接入慢速设备如何接入？ 需要多层次总线技术的支持！单总线无单总线无法兼顾！法兼顾！（传统总线的多总线结构改进传统总线的多总线结构改进）IBUSBUSDBUSDBUS2.2.现代多总线结构现代多总

12、线结构（现代机器现代机器）CPU、主存、主存、I/O之间的互联采用多总线结构。如图所示。之间的互联采用多总线结构。如图所示。 （教材教材P188图图6.2）有何特有何特点？点？PCI北桥北桥南桥南桥n CPU总线总线：在：在CPU和和cache之间采用。之间采用。 n 系统总线系统总线：主存总线，通过：主存总线，通过“北桥北桥”与与CPU总线相连。总线相连。 n 高速总线高速总线：连接各类并行传输信息的高速设备。如：连接各类并行传输信息的高速设备。如：LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、接口（支持本地磁

13、盘驱动器和其他外设）、Firewire接接口（口（支持大容量并行支持大容量并行I/O设备设备）等。）等。n 扩充总线扩充总线：连接串行方式工作的中、低速连接串行方式工作的中、低速I/O设备设备。 扩充总线通过扩充接口扩充总线通过扩充接口(南桥南桥)与高速与高速PCI总线相连。总线相连。现代总线特点现代总线特点: :n “桥桥”实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路芯片，用于粘接、贯通不同的总线。逻辑电路芯片，用于粘接、贯通不同的总线。 n 多总线结构使得多总线结构使得高速高速、中速中速、低速设备低速设备可以挂接挂接在不同的总线上并可以并行工作，从而

14、解决了不同在不同的总线上并可以并行工作，从而解决了不同速度资源对总线的传输速度要求，提高了系统总线速度资源对总线的传输速度要求，提高了系统总线的整体效率，而且处理器结构的变化不影响高速总的整体效率，而且处理器结构的变化不影响高速总线的工作性能。线的工作性能。 多层次总线的技术特色多层次总线的技术特色6.1.3 总线的内部结构总线的内部结构 早期总线的内部结构如图所示，早期总线的内部结构如图所示，CAI演示演示。 这种简单的总线一般由这种简单的总线一般由50100条线组成，这些线条线组成，这些线按其功能可分为三类：按其功能可分为三类：地址线地址线、数据线数据线和和控制线控制线。 ( (见后图见后

15、图) )总线系统总线系统ABUSDBUSCBUS简单总线结构的简单总线结构的不足之处不足之处在于：在于：（1）CPU是总线上的唯一主控者，增加是总线上的唯一主控者，增加CPU 的工作负担的工作负担;（2）总线信号是总线信号是CPU引脚信号的延伸，即：引脚信号的延伸，即： 总线结构与总线结构与CPU外部结构紧密相关，因外部结构紧密相关，因 而通用性较差。而通用性较差。现代流行的总线内部结构如图现代流行的总线内部结构如图6.4(教材教材P189)。 CAI演示演示 在现代总线结构中，在现代总线结构中，CPU和它片内的和它片内的Cache一起作为一个一起作为一个模块与总线相连，系统中允许有多个这样的

16、处理器模块。模块与总线相连，系统中允许有多个这样的处理器模块。 由总线控制器负责完成多个总线请求者之间的仲裁与协调。由总线控制器负责完成多个总线请求者之间的仲裁与协调。现代总线特点现代总线特点： 追求一种与系统结构、追求一种与系统结构、CPU组成、系统集成技术无关的组成、系统集成技术无关的开发标准，并能满足包括单核或多开发标准，并能满足包括单核或多核系统的主控者对环境的核系统的主控者对环境的需求。需求。现代总线通常包括四部分：现代总线通常包括四部分： 1 数据传送总线数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线由地址线、数据线、控制线 组成。组成。 2 仲裁总线仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权

17、线。包括总线请求线和总线授权线。 3 中断和同步总线中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操：用于处理带优先级的中断操 作，包括中断请求线和中断授权线。作，包括中断请求线和中断授权线。 4 公用线公用线： 包括时钟信号线、电源线、地线、包括时钟信号线、电源线、地线、 系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。6.1.4 总线结构总线结构实例实例 （教材（教材P189)P189) 现代现代计算机通常采用分层的多总线结构。在这种计算机通常采用分层的多总线结构。在这种结构中，根据设备模块传送信息的速度，分成不同层结构中，根据设备模块传送信息的速度，分成不同层次的

18、总线。次的总线。 以以pentium计算机为例，主板的总线结构如图，其计算机为例，主板的总线结构如图，其按速度分成：按速度分成：CPU总线、总线、PCI总线、总线、 ISA总线等。总线等。 （见教材（见教材P190图图6.5）。CAI演示演示PCI设备设备PCI设备设备PCI设备设备北桥南桥 Pentium机总线的三层结构：机总线的三层结构： CPU总线总线PCI总线总线ISA总线总线： 64位数据线和位数据线和32位地址线的位地址线的高速同步总线高速同步总线32位位(或或64位位)的较高速同步总线，的较高速同步总线，数据数据/地址线是分时复用。地址线是分时复用。中、低速中、低速I/O总线总线

19、CPU总线特点总线特点：也称也称CPU存储器存储器总线。总线。 主存扩充容量是以内存条形式插入主板有关插座主存扩充容量是以内存条形式插入主板有关插座来实现的。来实现的。 该总线接有该总线接有L2级级cache，CPU对主存和对主存和cache的存的存取操作管理，由主存取操作管理，由主存/cache控制器芯片实现。控制器芯片实现。 CPU是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制权。控制权。总线系统总线系统 64位数据线和位数据线和32位地址线的高速同步总线位地址线的高速同步总线PCI总线总线： PCI总线总线用于连接高速用于连接高速的的I/O设备模块。设备

20、模块。通过通过“桥桥”芯片芯片: 与更高速的与更高速的CPU总线相连总线相连; 与低速的与低速的ISA总线相接。总线相接。 PCI总线采用总线采用集中式仲裁方式集中式仲裁方式，配有专用的，配有专用的PCI总总线仲裁器。主板上一般至少有线仲裁器。主板上一般至少有3个个PCI总线扩充槽。总线扩充槽。总线系统总线系统32位位(或或64位位)的较高速同步总线，数据的较高速同步总线，数据/地址线是分时复用。地址线是分时复用。ISA总线总线： Pentium机使用该总线与中、低速机使用该总线与中、低速I/O设备连接。设备连接。主板上一般留有主板上一般留有3 4个个ISA总线扩充槽，以便使用各总线扩充槽，以

21、便使用各种中、低速设备。（支持种中、低速设备。（支持7个个DMA通道和通道和15级可屏级可屏蔽硬件中断蔽硬件中断)总线系统总线系统 不同的总线通过不同的总线通过“桥桥”芯片被芯片被“粘合粘合”成一个整体。成一个整体。系统升级换代系统升级换代：只需更新处理器芯片，升级：只需更新处理器芯片，升级“桥桥”芯片芯片即可，无需改变系统其它结构。即可，无需改变系统其它结构。 Pentium机总线系统中，使用一个核心逻辑芯机总线系统中，使用一个核心逻辑芯片组（又称片组（又称PCI芯片组），它包括：芯片组），它包括：“主存主存/Cache控制控制器器芯片、北桥芯片和南桥芯片芯片、北桥芯片和南桥芯片”等。等。

22、显然，该芯片组在系统中起着至关重要的控制与协调显然，该芯片组在系统中起着至关重要的控制与协调作用。作用。总线系统总线系统6.2 总线接口总线接口 1 1 信息的传送方式信息的传送方式 2 2 接口的基本概念接口的基本概念总线系统总线系统6.2.1 信息的传送方式信息的传送方式 计算机通常使用二进制数码，它们可用电位计算机通常使用二进制数码，它们可用电位的高、低来表示，也可用脉冲的有、无来表示。的高、低来表示，也可用脉冲的有、无来表示。 计算机中传输信息常采用三种方式：计算机中传输信息常采用三种方式： 串行传送串行传送 并行传送并行传送 分时传送分时传送。 出于速度和效率上的考虑，总线上传送的信

23、息出于速度和效率上的考虑，总线上传送的信息通常采用通常采用并行传送并行传送方式；方式； 而出于传送距离、性价比及可靠性考虑，总线上而出于传送距离、性价比及可靠性考虑，总线上的信息又可采用的信息又可采用串行传送串行传送方式。方式。总线系统总线系统1.1.串行传送串行传送串行方式传送特点：串行方式传送特点： 只有一条传输线，且通常采用只有一条传输线，且通常采用( (电流电流) )脉冲传送脉冲传送。即：即：以以脉冲信号脉冲信号“有或无有或无”形式形式传送数据传送数据“1或或0”，每拍（每拍（位时间位时间）传一位信息。）传一位信息。总线系统总线系统 主机内部流动的通常都是并行多位数据主机内部流动的通常

24、都是并行多位数据 在串行传送时，被传送的数据需要先进行并在串行传送时，被传送的数据需要先进行并/ /串串变换，这称为变换，这称为拆卸拆卸；而在接收部件中又需要进行串；而在接收部件中又需要进行串/ /并变换，这称为并变换，这称为装配装配，才完成一个多位并行数据，才完成一个多位并行数据的传送。的传送。便于远距离传送便于远距离传送串行传送串行传送的优点：的优点： 串行、逐位地采用串行、逐位地采用电流脉冲信号电流脉冲信号传送，这对于长距离传输传送，这对于长距离传输显得特别重要。并且只需要一条传输线，可靠性高，成本低廉。显得特别重要。并且只需要一条传输线，可靠性高，成本低廉。串串- -并并变换变换传送方

25、法：传送方法：并行数据并行数据并行数据并行数据0000010100000101 0 0 0 0 0 1 0 1Ti为传送为传送位周期位周期 显然，串行传送方式的特点和优势，在于远距显然，串行传送方式的特点和优势，在于远距离、可靠性，不在信息传送的速度和效率上。离、可靠性，不在信息传送的速度和效率上。 当需要高速、高效传送信息时，总线上通常采用当需要高速、高效传送信息时，总线上通常采用并行传送并行传送方式。方式。2.2.并行传送并行传送(多位并行传送多位并行传送)并行方式传送特点并行方式传送特点： 每位数据都占用一条单独传输线，多位二进制数每位数据都占用一条单独传输线，多位二进制数码可以在同一时

26、刻同时传送。码可以在同一时刻同时传送。总线系统总线系统 并行传送一般采用并行传送一般采用电位电位传送传送。由于所有位数位被同。由于所有位数位被同时传送，所以其信息的时传送，所以其信息的传送传送速率速率比比串行传送串行传送快得多。快得多。串、并行传送的小结串、并行传送的小结： CAI演示演示。 （参见教材参见教材P191）010110001011003.3.分时传送分时传送分时传送有两种概念分时传送有两种概念: :一、总线复用方式一、总线复用方式 在不同的时间间隔中，同一总线上可以分别完成在不同的时间间隔中，同一总线上可以分别完成地址传送和数据传送的任务。（地址传送和数据传送的任务。（复用复用）

27、二、部件分时使用方式二、部件分时使用方式 当多部件共享总线时，各部件根据控制命令，当多部件共享总线时，各部件根据控制命令，分时使用总线来完成自己的数据传送任务。（分时使用总线来完成自己的数据传送任务。（分时分时）总线系统总线系统6.2.2 总线接口总线接口(Interface)的基本概念的基本概念 接口接口：又称又称I/O适配器，具体指适配器，具体指CPU与主存、外围与主存、外围设备之间通过总线进行相互连接的标准逻辑部件。设备之间通过总线进行相互连接的标准逻辑部件。CPU接口接口外部外部设备设备演示演示InterfaceABDBCBBUS 接口部件在所连接的两个部件之间起着接口部件在所连接的两

28、个部件之间起着“缓冲缓冲、转换器转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息交互。的作用，以便实现彼此之间的信息交互。为了使各类外围设备能接入系统，并与为了使各类外围设备能接入系统，并与CPU正正确地交互工作，确地交互工作，CPU必须通过各设备的接口，来协必须通过各设备的接口，来协调与不同设备之间信息的传送与控制。调与不同设备之间信息的传送与控制。 设备接口的作用设备接口的作用 连接连接CPU连接外设连接外设1n接口部件充当的双重角色： 1. 外设控制外设控制接口能接受接口能接受CPU发来的控制信息，并控制外围设发来的控制信息，并控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。备的动作，如启动、关闭设备等。

29、 启动启动/ /关闭关闭常用接口通常具有如下典型功能常用接口通常具有如下典型功能: :CPU接口接口外部外部设备设备CBDBAB2. 数据缓冲数据缓冲接口在外围设备与主机、或与其它外部设备之接口在外围设备与主机、或与其它外部设备之间用作为一个缓冲器，以补偿或调整各种设备之间间用作为一个缓冲器，以补偿或调整各种设备之间在速度上的差异。在速度上的差异。3. 状态反馈状态反馈接口负责监视并保存外围设备的工作状态信息。接口负责监视并保存外围设备的工作状态信息。例如例如: 数据数据“准备就绪准备就绪”、“设备忙设备忙”、“数据错数据错误误”等，供等，供CPU查询及分析之用。查询及分析之用。 4.4.数据

30、转换数据转换接口可以根据需要完成各类数据转换，如：并接口可以根据需要完成各类数据转换，如：并/ /串串转换、串转换、串/ /并转换等，以保证数据能在外围设并转换等，以保证数据能在外围设备和备和CPU之间正确地进行传送。之间正确地进行传送。 5. 信息整理信息整理接口可以完成一些特别的功能，如：在需要时可接口可以完成一些特别的功能，如：在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器等。以修改字计数器或当前内存地址寄存器等。 6. 程序中断程序中断当外围设备向当外围设备向CPU请求某种操作时，准备就绪后，请求某种操作时，准备就绪后，接口负责向接口负责向CPU发出发出“中断请求信号中断请求信号”。总线

31、系统总线系统 一个适配器通常包含两个接口单元一个适配器通常包含两个接口单元: :1、与系统总线的接口与系统总线的接口： 并行数据接口并行数据接口2 2、与外设的接口与外设的接口： 并行或串行数据接口并行或串行数据接口 串行传送：通常用串行传送：通常用波特率波特率或比特率比特率来表示。来表示。波特率波特率：每秒钟传送的数据位数，称为每秒钟传送的数据位数，称为波特率波特率。比特率比特率：每秒钟传送的每秒钟传送的有效数据有效数据位数，称为位数，称为比特率比特率。数据传送速率的常用性能表示：数据传送速率的常用性能表示： 并行传送并行传送： MB/s （带宽带宽）【例例】 利用串行方式传送字符，假设数据

32、传送速率是利用串行方式传送字符，假设数据传送速率是120个字符个字符/秒，每一个字符格式规定包含秒，每一个字符格式规定包含10个数据位个数据位bit(起始位、停止位、起始位、停止位、8个数据位个数据位)，问传送的波特率是，问传送的波特率是多少多少? 每个数据位占用的时间是多少每个数据位占用的时间是多少? 比特率又是多少？比特率又是多少？ （教材（教材P193)【解解】: (1) 波特率：波特率：10位位120/秒秒=1200 （位（位/秒）秒） (2) 每个数据位占用的时间每个数据位占用的时间Td是波特率的倒数：是波特率的倒数： Td=1/1200= 0.83310-3 s= 0.833ms

33、(3) 比特率：比特率： 8位位120/秒秒=960 （位（位/秒）秒） 6.3 总线的仲裁总线的仲裁总线系统总线系统连接到总线上的功能模块都有连接到总线上的功能模块都有主动主动和和被动被动两种形两种形态。当有多个设备同时申请竞争总线主方控制权时，态。当有多个设备同时申请竞争总线主方控制权时，必须具有必须具有总线仲裁部件总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个设，以某种方式选择其中一个设备作为总线的下一次主方设备，称为：备作为总线的下一次主方设备，称为：总线仲裁总线仲裁。总线系统总线系统【什么叫什么叫总线仲裁总线仲裁】：确定主方设备确定主方设备I/O接口接口0BR (总线请求总线请求)I/O接口接

34、口1I/O接口接口n主设备主设备(模块模块): 接管总线接管总线控制权控制权，并选择从设备并选择从设备 从设备从设备(模块模块)响应响应从主设备发来的总线命令，从主设备发来的总线命令，完成规定的操作。完成规定的操作。总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BRI/O接口接口1I/O接口接口n依据仲裁策略进行仲裁依据仲裁策略进行仲裁BG(授权主设备授权主设备) 对多个主设备提出的总线请求，一般采用优先对多个主设备提出的总线请求，一般采用优先级策略或公平策略进行仲裁。级策略或公平策略进行仲裁。 按照总线仲裁电路的不同位置设置，仲裁方式按照总线仲裁电路的不同位置设置，仲裁方式可分为两类形式：可分为两

35、类形式：【如何仲裁如何仲裁】： 仲裁策略与方式仲裁策略与方式 总线仲裁控制总线仲裁控制分布式分布式集中式集中式*链式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式特点特点：每个功能模块都至少有两条线通过自己的接口：每个功能模块都至少有两条线通过自己的接口连到总线控制部件的中央仲裁器上：连到总线控制部件的中央仲裁器上： 总线请求信号线总线请求信号线BR 送往仲裁器送往仲裁器； 总线授权信号线总线授权信号线BG 仲裁器送出的授权仲裁器送出的授权。1.1.集中式仲裁集中式仲裁（教材P195图6.10) )总线系统总线系统总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BR请求线请求线I/O

36、接口接口1I/O接口接口nBG授权线授权线“总线授权总线授权”常用如下三种方法：常用如下三种方法： 链式查询方式链式查询方式 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 独立请求方式独立请求方式各实现方法的特点不同。（教材（教材P195 图图6.10)(1) (1) 链式查询方式链式查询方式基本思想基本思想： 各设备通过单一的共享请求各设备通过单一的共享请求线，向中央仲裁器发线，向中央仲裁器发出出总线请求总线请求“BR ”。在总线不忙（。在总线不忙（BS=0 ）的情况下，仲）的情况下，仲裁器向外发出总线授权信号裁器向外发出总线授权信号“BG”。 BG信号串行地依次查询各信号串行地依次查询各I/O接口

37、，一旦查到发出接口，一旦查到发出总线请求的接口，即给该总线请求的接口，即给该I/O接口以总线控制权接口以总线控制权（同（同时，时，置置: BS=1）, BG信号不再继续查询。信号不再继续查询。总线系统总线系统见查询、授权过程示意图链式查询仲裁过程链式查询仲裁过程:总总线线仲仲裁裁器器I/O接口接口0BSBRI/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求BG总线授权总线授权被总线授权被总线授权I/O接口接口101链式查询方式的优点链式查询方式的优点: 只用很少几根线只用很少几根线, 就能实现按一定优先次序实现就能实现按一定优先次序实现多个设备的总线仲裁，并且很

38、容易扩充设备。多个设备的总线仲裁，并且很容易扩充设备。显然，这种方式中，优先权限与设备的物理位置有显然，这种方式中，优先权限与设备的物理位置有关，离中央仲裁器越近的设备优先级就越高。关，离中央仲裁器越近的设备优先级就越高。有何缺点？问题与缺点问题与缺点: 1. 需要逐个设备去查询请求，故：需要逐个设备去查询请求，故：授权速度较慢。授权速度较慢。 2. 对查询链电路对查询链电路(单线单线)的故障很敏感。一旦由于某的故障很敏感。一旦由于某种原因造成种原因造成“断链断链”，那么，断点以后的设备都将无，那么，断点以后的设备都将无法获得总线授权。法获得总线授权。（如图如图）链式查询方式链式查询方式问题问

39、题?总线仲裁器总线仲裁器链式查询方式链式查询方式 3. 3. 查询链的优先级是物理固定的，无法调整。如查询链的优先级是物理固定的，无法调整。如果优先级高的设备频繁的出现请求时，优先级较低的果优先级高的设备频繁的出现请求时，优先级较低的设备就可能长期无法使用总线。设备就可能长期无法使用总线。权利的过度不均等权利的过度不均等！问题问题?总线仲裁器总线仲裁器(2)(2)计数器定时查询方式计数器定时查询方式基本思想基本思想： 总线上的任一设备要求使用总线时，仍然通过共总线上的任一设备要求使用总线时，仍然通过共享的享的BR线向中央仲裁器发出总线请求。线向中央仲裁器发出总线请求。区别区别： 仲裁器接到请求

40、信号以后，在总线不忙（仲裁器接到请求信号以后，在总线不忙（BS=0 ）的情况下，启动仲裁地址计数器开始计数，并把计数的情况下，启动仲裁地址计数器开始计数，并把计数值作为授权码，通过值作为授权码，通过一组地址线一组地址线发向各设备。发向各设备。 每个设备接口都有一个每个设备接口都有一个设备地址比较电路设备地址比较电路，当地，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备立即占用总线（设备立即占用总线（置置BS=1 1），从而获得总线使用权，），从而获得总线使用权，同时立即停止计数器的计数。同时立即停止计数器的计数。原理示意图原理示意图 计数器

41、定时查询方式原理计数器定时查询方式原理 ： 当当“BR”被受理，则仲裁器启动计数器开始计数，并被受理，则仲裁器启动计数器开始计数，并作为设备地址号发送出来，一旦比对查到发出作为设备地址号发送出来，一旦比对查到发出“BR”信号的信号的设备，计数器立即停止计数，并授权该设备使用总线。设备，计数器立即停止计数，并授权该设备使用总线。设备地址比对查询设备地址比对查询仲仲裁裁器器比对匹配比对匹配获得总线授权获得总线授权启动计数器启动计数器思考：带来哪些变化？思考：带来哪些变化？1计数器查询方式的特点分析：计数器查询方式的特点分析： 1. 1. 若每次接受到总线请求若每次接受到总线请求BR后，计数器都从后

42、，计数器都从“0”开始计数，开始计数，则：各设备的优先次序与链式查询法相则：各设备的优先次序与链式查询法相同，即：优先级的顺序同，即：优先级的顺序是固定的。是固定的。 2. 2. 若每次计数器启动都从上次的中止点开始计数，则：若每次计数器启动都从上次的中止点开始计数，则：每个设备使用总线的优先权均等。每个设备使用总线的优先权均等。仲仲裁裁器器计数器计数器 当然，这种灵活性是以增加授权查询线数作为代价当然，这种灵活性是以增加授权查询线数作为代价（如：增加为（如：增加为3 3根线，可管理根线，可管理2 23 3=8=8个设备；增加为个设备；增加为4 4根线，根线，则可管理则可管理2 24 4=16

43、=16个设备等）个设备等）。3. 3. 可可用程序来设置用程序来设置计数器的初值，因而可以方便地改变计数器的初值，因而可以方便地改变优先授权顺序。优先授权顺序。仲仲裁裁器器(3)(3)独立请求方式独立请求方式（现代机器常用方式现代机器常用方式）基本思想基本思想： 共享总线上的每一个设备，都有一对共享总线上的每一个设备，都有一对独立的独立的总线总线请求线请求线BRi和总线授权线和总线授权线BGi，连到仲裁器上。连到仲裁器上。 任何一个设备都可独立地向仲裁器发出自己的总线任何一个设备都可独立地向仲裁器发出自己的总线 请求请求BRi，仲裁器亦可对其单独直接授权，仲裁器亦可对其单独直接授权BGi。 中

44、央仲裁器中有专门的排队和屏蔽电路，可根据中央仲裁器中有专门的排队和屏蔽电路，可根据需要，决定首先响应哪个设备的请求，并可立即给该需要，决定首先响应哪个设备的请求，并可立即给该设备以授权信号设备以授权信号BGi。总线系统总线系统原理示意图原理示意图 每个设备都可以独立地向每个设备都可以独立地向仲裁器发出自己的仲裁器发出自己的请求信号请求信号BRi，并独立地接受总线授权并独立地接受总线授权BGi 。仲仲裁裁器器设备设备n被总线授权被总线授权排队电路排队电路独立的独立的请求请求BRi独立的独立的授权授权BGi独立请求方式的特点独立请求方式的特点： 1. 响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，

45、无响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，无需逐个设备地查询。需逐个设备地查询。 2. 优先顺序既可以预先固定，也可以通过程序来方便地改变，优先顺序既可以预先固定，也可以通过程序来方便地改变，因此可灵活地确定设备优先顺序；因此可灵活地确定设备优先顺序； 3. 可以用屏蔽可以用屏蔽(禁止禁止)请求的办法，封锁来自某些无效设备的请求的办法，封锁来自某些无效设备的请求。请求。（对设备的总线请求进行干预和管理对设备的总线请求进行干预和管理） 4. 这种方式需增加的线数较多（这种方式需增加的线数较多（N个设备，需要个设备，需要2N根线），根线），仲裁器的结构相应也要复杂一些。仲裁器的结构相应也要复

46、杂一些。集中式总线仲裁方式集中式总线仲裁方式演示演示2 分布式仲裁分布式仲裁主要主要特点特点： 取消取消中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁单元电路。自己的仲裁号和仲裁单元电路。总线系统总线系统实现方法实现方法： 各设备可以自行竞争总线主方，当前占用总线各设备可以自行竞争总线主方，当前占用总线的主模块，必须把自己的仲裁号的主模块，必须把自己的仲裁号保留（公示）在仲保留（公示）在仲裁总线上裁总线上。 当其它模块有总线请求时，各自的仲裁电路把仲当其它模块有总线请求时，各自的仲裁电路把仲裁总线上公示的号与自己的号进行比较。裁总线上公示的号与自

47、己的号进行比较。l 如果自己的号小，则总线请求暂不予响应，并撤如果自己的号小，则总线请求暂不予响应，并撤消自己的仲裁号比较，等下个总线周期再竞争。消自己的仲裁号比较，等下个总线周期再竞争。l 最后获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。最后获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。注意到注意到：虽然分布式仲裁取消了中央仲裁器，但仍然：虽然分布式仲裁取消了中央仲裁器，但仍然是以是以“优先级仲裁策略优先级仲裁策略”为基本仲裁原则。为基本仲裁原则。分布式仲裁器的逻辑结构图见教材分布式仲裁器的逻辑结构图见教材P196图图6.11（自阅）（自阅）6.4 总线的定时与数据传送模式总线的定时与数据传送模式 1、总线定时总线定

48、时总线定时总线定时：总线上总线上各各事件出现的时序关系事件出现的时序关系。 总线上传送一次信息的完整过程总线上传送一次信息的完整过程: : 请请 求求 总总 线线总总 线线 仲仲 裁裁 寻寻 址址 从从 方方信信 息息 传传 送送状状 态态 返返 回回总线传送过程总线传送过程获得总线授权获得总线授权 总线传输周期：总线传输周期：主模块申请主模块申请，总线仲裁决定是否授权，总线仲裁决定是否授权申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段主模块发出主模块发出 地址地址和和命令命令，选定从模块选定从模块 主模块与从模块主模块与从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤消有关

49、信息撤消有关信息，释放总线释放总线。 为了同步主方为了同步主方/从方的操作，双方必须制订从方的操作，双方必须制订定时协议定时协议。定时定时：事件出现在总线上的时序关系。事件出现在总线上的时序关系。 定时控制的目的定时控制的目的： 解决通信双方的解决通信双方的协调与配合协调与配合问题。问题。定时方式定时方式： 同步定时；同步定时； 异步定时异步定时(1) (1) 同步定时同步定时 在同步定时协议中，由总线时钟信号来确定各事在同步定时协议中，由总线时钟信号来确定各事 件出现在总线上的时刻。件出现在总线上的时刻。 由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发

50、送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定 时具有较高的传输频率。时具有较高的传输频率。 同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取 时间比较接近的情况。时间比较接近的情况。总线系统总线系统（同步总线操作时序，见（同步总线操作时序，见教材教材P197）（同步总线操作时序）（同步总线操作时序） 读读命令命令【同步定时数据输入同步定时数据输入】: :T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 数据数据总线时钟总线时钟 数据数据T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命

51、令【同步定时数据输出同步定时数据输出】: :可见：可见： 在同步定时方式中，每个总线传送周期，主、在同步定时方式中，每个总线传送周期，主、从功能模块什么时候执行什么操作，都由统一的总从功能模块什么时候执行什么操作，都由统一的总线时钟严格控制，因此，同步定时具有较高的传输线时钟严格控制，因此，同步定时具有较高的传输速率。速率。 当然，这种定时方式主要适合于各功能模块存当然，这种定时方式主要适合于各功能模块存取时间比较接近的情况。取时间比较接近的情况。(2) (2) 异步定时异步定时 在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻，取决于前一事件的出现，即建

52、立在刻，取决于前一事件的出现，即建立在应答式应答式或或互锁机互锁机制制基础上。在这种系统中，不需要统一的公共时钟信基础上。在这种系统中，不需要统一的公共时钟信号，号，总线周期的长度是可变、不固定的总线周期的长度是可变、不固定的。总线系统总线系统（教材教材P198例例3）本次本次交换交换结束结束不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答异步通信三种模式异步通信三种模式: :异步定时的优点异步定时的优点: : 总线传输周期长度可变，不把响应时间强加到功总线传输周期长度可变，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在同一总能模块上，因而允许快速和慢

53、速的功能模块在同一总线上实现相互通信。当然，这需要增加总线控制的复线上实现相互通信。当然，这需要增加总线控制的复杂性和成本。杂性和成本。 读数据的同步时序和异步时序读数据的同步时序和异步时序演示演示。6.4.2 总线总线数据传送模式数据传送模式 当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据传送：传送：(教材教材P199)1 1、读、写操作读、写操作读操作读操作：由从方：由从方 主方的数据传送；主方的数据传送； 写操作写操作：由主方：由主方 从方的数据传送。从方的数据传送。一般过程一般过程为：主方先用一个总线时钟周期发出命令和为：主方先用一个总线时钟周期发

54、出命令和从方地址，待从方准备就绪后从方地址，待从方准备就绪后( (一定的延时一定的延时) )，开始数开始数据传送总线周期。据传送总线周期。 为了提高总线利用率，减少延时损失，主方为了提高总线利用率，减少延时损失，主方完成寻址总线周期后，可让出总线控制权，以使其完成寻址总线周期后，可让出总线控制权，以使其它主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，它主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数据传送总线周期。完成数据传送总线周期。 注意到注意到：总线定时控制的共同点：总线定时控制的共同点：以一个总线传输周期为例（如：输入数据）以一个总线传输周期为例（如：输入数据） 主模块发地址主模块发地址

55、、命令、命令 从模块准备数据从模块准备数据 从模块向主模块收发数据从模块向主模块收发数据（总线空闲总线空闲）占用总线占用总线不占用总线不占用总线占用总线占用总线1. 各模块都有权申请占用总线各模块都有权申请占用总线“半同步定时半同步定时”或或“分离式定时分离式定时”特点：特点： 充分提高总线的有效占用。充分提高总线的有效占用。2. 采用同步方式通信，不等对方回答采用同步方式通信，不等对方回答3. 各模块准备数据时，不占用总线各模块准备数据时，不占用总线4. 总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲 2 2、块传送操作块传送操作只需给出块的起始地址，然后按只需给出块的起始地址，然后按固定块长度固

56、定块长度、依、依次连续地读出或写入整块数据。次连续地读出或写入整块数据。 CPU(主方主方)与存与存储器储器(从方从方)之间的块传送，常称为之间的块传送，常称为猝发式传送猝发式传送。PCI总线支总线支持此类传送持此类传送块长一般固定为数据线宽度块长一般固定为数据线宽度(存储存储器字长器字长)的整数倍，如的整数倍，如4倍等。倍等。3 3、先写后读、先读后写操作先写后读、先读后写操作这两种操作都由主方掌管总线，直到整个操作完这两种操作都由主方掌管总线，直到整个操作完成。成。 对同一地址单元，进行对同一地址单元，进行先写后读先写后读操作，用于校操作，用于校验目的；或进行验目的；或进行先读后写先读后写

57、操作，用于多道程序系统中操作，用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。对共享存储资源的保护。 4 4、 广播、广集操作广播、广集操作当总线允许当总线允许一个主方对多个从方一个主方对多个从方进行写操作，这进行写操作，这种操作称为种操作称为广播广播。 一个主方一个主方同时同时对多个从方对多个从方进行读操作称为进行读操作称为广集广集。例如例如： 将选定的多个从方数据在总线上完成将选定的多个从方数据在总线上完成AND 或或 OR等逻辑操作，再送到主方，用以检测多个等逻辑操作，再送到主方，用以检测多个 信号源或中断源信号源或中断源 广集操作广集操作。总线系统总线系统6.5HOST总线和总线和PCI总线总

58、线 6.5.1 现代多总线结构现代多总线结构6.5.2 PCI总线信号（自阅）总线信号（自阅）6.5.3 总线周期类型（自阅）总线周期类型（自阅）6.5.4 PCI总线周期操作（自阅）总线周期操作（自阅）6.5.5 PCI总线仲裁（自阅总线仲裁（自阅）总线系统总线系统6.5.1 现代多总线结构现代多总线结构 可见可见：现代主流多总线架构为：现代主流多总线架构为： HOST总线（总线（“宿主宿主”总线）总线） PCI总线总线 LAGACY (ISA, EISA, MCA等中、低速总线）等中、低速总线）总线系统总线系统典型的多总线结构典型的多总线结构框图框图演示演示。HOST总线总线该总线该总线有

59、有CPU总线、系统总线、主存总线等多种总线、系统总线、主存总线等多种名称，各自反映总线功能的一个方面。名称，各自反映总线功能的一个方面。HOST总线总线不仅连接主存，还可以连接多个不仅连接主存，还可以连接多个CPU。总线系统总线系统PCI总总线线用于用于连接各种高速的连接各种高速的PCI设备。设备。PCI既是一个与既是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。它采用线。它采用同步时序协议同步时序协议和和集中式仲裁策略集中式仲裁策略，并具有，并具有自动配置能力。自动配置能力。总线系统总线系统LAGACY总线总线 是速度性能较低的传统总线

60、，可以充分利用市场是速度性能较低的传统总线，可以充分利用市场上丰富的适配器卡，支持中、低速上丰富的适配器卡，支持中、低速I/O设备设备。总线系统总线系统本章小结本章小结 PCI总线的基本传输机制是总线的基本传输机制是猝发式传送猝发式传送，利用桥可，利用桥可以实现总线间的猝发式传送。写操作时，桥把上层总以实现总线间的猝发式传送。写操作时，桥把上层总线的写周期内容先缓存起来，以后的时间再在下层总线的写周期内容先缓存起来，以后的时间再在下层总线上生成写周期，即线上生成写周期，即延迟写延迟写。读操作时，桥可早于上。读操作时，桥可早于上层总线，直接在下层总线上进行层总线，直接在下层总线上进行预先读预先读