计算机组成原理 第六章 总线系统

1、1复习：中央处理器n微指令有哪几种编码方法？n硬连线控制器的输入信号有哪些？n并行有两种含义，是？n时间并行与空间并行各指什么？n按并行等级分类，流水线有几种？n流水线中的冲突主要有哪些？2第六章总线系统第六章总线系统n总线是什么？为什么总线是什么？为什么需要总线（好处）？需要总线（好处）？n举出你知道的总线的举出你知道的总线的例子例子n总线系统有什么问题总线系统有什么问题要解决？要解决？（1）简化软、硬件的设计；（2）简化了系统结构；（3）便于系统的扩充和更新。PCI总线总线本身特性、仲裁、同步、标准化36.1 总线的概念和结构形态一、总线的基本概念n总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系

2、统功能部件之间进行数据传送的公共通路。n一个单处理器系统中的总线，大致分为三类： (1)内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 ( (3)I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。41.总线的特性n物理特性物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线：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，引脚线的的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。排列方式等。n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。n电气特性电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。有效电平范围。n时间特性

3、时间特性: :定义了每根线在什么时间有效。规定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各信号有效的时序关系，定了总线上各信号有效的时序关系，CPUCPU才能才能正确无误地使用。正确无误地使用。52.总线的标准化n标准化的意义n总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率，是衡量总线性能的重要指标，单位兆字节每秒(MB/s)。n有哪些因素会影响总线的带宽？6【例【例1 1】n(1)(1)某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4 4个字节的数据，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，总线时钟频率为率为3333MHzMHz

4、，则总线带宽是多少则总线带宽是多少? ?n(2)(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6464位数据，总线时钟位数据，总线时钟频率升为频率升为6666MHzMHz，则总线带宽是多少则总线带宽是多少? ? 解解 (1) (1)设总线带宽用设总线带宽用DrDr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1/fT=1/f表示，表示，一个总线周期传送的数据量用一个总线周期传送的数据量用D D表示，表示， 根据定义可得根据定义可得 Dr = D/T = DDr = D/T = D1/T = D1/T = Df f =4B=4B33331000000/s=132MB/s1000000/

5、s=132MB/s (2)64 (2)64位位=8=8B B， Dr= D Dr= Df =8Bf =8B66661000000/s=528MB/s1000000/s=528MB/s 此处的MB/S是多少？7二、二、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 在许多单处理器的计算机中，在许多单处理器的计算机中，使使用一条单一的系统总线来连接用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、主存和主存和I/OI/O设备设备，叫做单总线结构。，叫做单总线结构。总线适配器IO设备实验仪？82.2.多总线结构多总线结构( (分层的分层的) )9三、三、总线的内部结构总线的内部结构n早期总线实际上是

6、处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。n简单总线结构的不足之处在于： CPU是总线上的唯一主控者;总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。10n当代流行的总线当代流行的总线是一些标准总线，追求与结构、是一些标准总线，追求与结构、CPUCPU、技术无关的开发标准，并满足包括多个技术无关的开发标准，并满足包括多个CPUCPU在内的主控者环境需求。在内的主控者环境需求。11四、四、总线结构实例总线结构实例n大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较大的设备模块使用不这种结构中，速度差异较大的

7、设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。一类总线。nPentiumPentium计算机主板的总线结构：计算机主板的总线结构：CPUCPU总线、总线、PCIPCI总线、总线、ISAISA总线。总线。12总线桥北桥南桥136.26.2 总线接口总线接口一、一、信息的传送方式信息的传送方式 n计算机系统中，计算机系统中，传输信息采用三种方式传输信息采用三种方式：串行传送串行传送、并行传送并行传送和和分时传送分时传送。但是。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用传送的信息必须采用并行传送

8、并行传送方式。方式。143.3.1.1.串行传送与串行传送与并行传送，对比并行传送，对比153.3.分时传送分时传送n分时传送有两种概念。分时传送有两种概念。n一是采用一是采用总线复用方式总线复用方式，某个传输线上既传送，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。和传送数据的任务。n分时传送的另一种概念是分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时共享总线的部件分时使用总线使用总线。计算机系统中，传输信息采用计算机系统中，传输信息采用三种方式：串

9、行传送、并行传三种方式：串行传送、并行传送和分时传送。送和分时传送。想想想想-这个分类合适吗？16二、二、接口的基本概念接口的基本概念 I/O接口(适配器中的接口)17典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能：1.1.控制：控制：控制外围设备的动作，如启动、关闭设控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。备等。2.2.缓冲：缓冲：作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。度上的差异。3.3.状态：状态：接口监视外围设备的工作状态并保存状接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。态信息。4.4.转换：转换：例如并串转换或串并转换例如并串转换或串并

10、转换5.5.整理：整理：例如在需要时可以修改字计数器或当前例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。内存地址寄存器。6.6.程序中断：程序中断：每当外围设备向每当外围设备向CPUCPU请求某种动作请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到时，接口即发生一个中断请求信号到CPUCPU。一个适配器至少一个适配器至少有几个接口？有几个接口？18【例【例2 2】n利用串行方式传送字符，每秒钟传送的数据位数常称为波特率。假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个数据位(起始位、停止位、8个数据位)，问传送的波特数是多少?每个数据位占用的时间是多少?【解】：n波特数为：10

11、位120/秒=1200波特 n每个数据位占用的时间Td是波特数的倒数：Td=1/1200=0.8330.001s=0.833ms196.36.3 总线的仲裁总线的仲裁一、一、总线的仲裁总线的仲裁 n连接到总线上的功能模块有连接到总线上的功能模块有主动主动和和被动被动两种形态。两种形态。n主方和从方，同时，一个对多个主方和从方，同时，一个对多个n为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，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主设备作为，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请总线的下一次主方。对多个

12、主设备提出的占用总线请求，一般采用求，一般采用优先级优先级或或公平策略公平策略进行仲裁。进行仲裁。 n按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式集中式仲裁仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁两类。两类。201.1.集中式仲裁集中式仲裁( (链式查询方式、计数器方式、独链式查询方式、计数器方式、独立请求方式立请求方式) )n集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线送往仲裁器的总线请求信号线BRBR，一条是一条是仲裁器送出的总线授权信号线仲裁器送出的总线授权信号线BGB

13、G。链式查询方式的优先级如何确定？优缺点计数器定时查询方式？(有两种开始计数方式)21优缺点？222.2.分布式仲裁分布式仲裁n分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能，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，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

14、的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留应，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。显然，在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础略为基础。236.4 6.4 总线定时和数据传送模式总线定时和数据传送模式 一、一、总线的定时总线的定时 n总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：n请求总线，总线仲裁，寻址请求总线，总线仲裁，寻址( (目的地址目的地址) )，信息传送，信息传送，状态返回状态返回( (或错误报告或错误报告) )n为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。为了同步主方、从方的操

15、作，必须制订定时协议。n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。241.1.同步定时同步定时( (用公共的时钟用公共的时钟) )n同步定时同步定时适用于总线长度较短、各功能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模块存取时间比较接近的情况。2.2.异步定时异步定时( (应答式应答式) )n允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。但这以增加总线的复杂性和成本为代价。但这以增加总线的复杂性和成本为代价。2526三、三、总线数据传送模式总线数据传送模式 n当代的总线标准大都能支持以下四类模当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据传送：式的数据传送：n读、写操作读、写操作n 块传送操作块传送操作n写后读、读修改写操作写后读、读修改写操作n广播、广集操作广播、广集操作276.5HOST总线和总线和PCI总线总线一、一、多总线结构28二、二、多总线结构多总线结构 中的中的PCInPCI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。n在PCI总线体系结构中有三种桥。桥连接两条总线，使彼此间相互通信。 桥又是一个总线转换部件，可以把一