第11周大课 总线技术

1、1/38计算机组成技术计算机组成技术文字的表示文字的表示定点加法、减法运算定点加法、减法运算2/38计算机组成技术计算机组成技术总线概述总线概述总线的设计与实现总线的设计与实现总线的控制总线的控制 总线的性能指标总线的性能指标3/38计算机组成技术计算机组成技术掌握总线的基本概念；了解总线的分类原则；掌握总线的基本概念；了解总线的分类原则；熟练掌握总线的性能指标（总线带宽）；熟练掌握总线的性能指标（总线带宽）；熟悉总线的结构。熟悉总线的结构。掌握总线仲裁的原则，掌握集中式仲裁的几种方式。掌握总线仲裁的原则，掌握集中式仲裁的几种方式。4/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述

2、 总线是计算机系统中各个部件之间（甚至各个系总线是计算机系统中各个部件之间（甚至各个系统之间）传递信息的一组共享的电导线。每一根导线负统之间）传递信息的一组共享的电导线。每一根导线负责传输一个电脉冲信号，这个信号就代表一位二进制数责传输一个电脉冲信号，这个信号就代表一位二进制数据。若干根导线就可以同时传输若干位二进制数据。据。若干根导线就可以同时传输若干位二进制数据。 总线一般由传输线、接口和总线控制器组成。传总线一般由传输线、接口和总线控制器组成。传输线包括信息线、电源线、地线等。由于总线与其上所输线包括信息线、电源线、地线等。由于总线与其上所挂的部件是物理相连的，但是从逻辑上有输入、输出、

3、挂的部件是物理相连的，但是从逻辑上有输入、输出、断开三种状态，所以总线上的部件需要通过由一些三态断开三种状态，所以总线上的部件需要通过由一些三态门和缓冲寄存器组成的接口与总线连接门和缓冲寄存器组成的接口与总线连接 。 5/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述总线具有以下总线具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性：指总线中的每一根传输线具有特定的功能功能特性：指总线中的每一根传输线具有特定的功能 按照所传输信息的性质分，总线分为地址总线、数按照所传输信息的性质分，总线分为地址总线、数据总线和控制总线。据总线和控制总线。 按照连接的部件分，总线分为系统总线（也叫处理按照连

4、接的部件分，总线分为系统总线（也叫处理器总线）和输入器总线）和输入/输出总线（即输出总线（即I/O总线）。总线）。 按照在计算机系统中的位置分总线分为片内总线、按照在计算机系统中的位置分总线分为片内总线、底板总线、板间总线和通信总线。底板总线、板间总线和通信总线。 6/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述总线具有以下总线具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性：指总线中的每一根传输线具有特定的功能功能特性：指总线中的每一根传输线具有特定的功能 对于通信总线，根据所传数据的位数又可以将其对于通信总线，根据所传数据的位数又可以将其分为串行总线和并行总线。分为串行总线和并行总

5、线。 2. 物理特性：又称机械特性，指总线的物理连接标准，包物理特性：又称机械特性，指总线的物理连接标准，包括插头和插座的几何形状与尺寸、引脚的数量与排列方括插头和插座的几何形状与尺寸、引脚的数量与排列方式、固定方式等。式、固定方式等。 串行串行并行并行7/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述总线具有以下总线具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 按照允许信息传输的方向分，总线分为单向总线和按照允许信息传输的方向分，总线分为单向总线和双向总线。双向总线又分为全双工和半双工。全双工是双向总线。双向总线又分为全双工和半双工。全双工是指同一时刻允许信息分别沿两个方向

6、传输，半双工是指指同一时刻允许信息分别沿两个方向传输，半双工是指同一时刻只允许信息沿一个方向传输而另一个方向的信同一时刻只允许信息沿一个方向传输而另一个方向的信息传输要等到下一时刻。息传输要等到下一时刻。2. 物理特性物理特性3. 电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电平范围。平范围。 8/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述总线具有以下总线具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 通常规定送入微处理器的信号为输入信号（通常规定送入微处理器的信号为输入信号（IN），），从微处理器发出的信号为输出信号（从微

7、处理器发出的信号为输出信号（OUT）。）。 例如，地址总线为输出信号线，数据总线为双向信例如，地址总线为输出信号线，数据总线为双向信号线，控制总线中既有输出信号线，又有输入信号线，号线，控制总线中既有输出信号线，又有输入信号线，但都是单向的。但都是单向的。 2. 物理特性物理特性3. 电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电平范围。平范围。 9/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述总线具有以下总线具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 将总线中高电平定义为将总线中高电平定义为“逻辑逻辑1”，称为正逻辑；，

8、称为正逻辑； 将低电平定义为将低电平定义为“逻辑逻辑1”，称为负逻辑。，称为负逻辑。 大多数总线信号采用正逻辑，但是也有个别总线信号大多数总线信号采用正逻辑，但是也有个别总线信号采用负逻辑采用负逻辑 。 2. 物理特性物理特性3. 电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电电气特性：定义每根传输线上信号的传递方向和有效电平范围。平范围。 10/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述总线具有以下总线具有以下4方面特性方面特性 1. 功能特性功能特性 规定了每一根传输线上的信号在什么时间内才是有规定了每一根传输线上的信号在什么时间内才是有效的，即总线上各种信号的时序关系。

9、效的，即总线上各种信号的时序关系。 时间特性可以用信号时序图来表示。时间特性可以用信号时序图来表示。 2. 物理特性物理特性3. 电气特性电气特性4. 时间特性时间特性11/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述5. 2 总线的设计与实现总线的设计与实现 总线的设计与实现主要关注的是采用何种总线的设计与实现主要关注的是采用何种总线结构，选择总线结构需要综合考虑通信带总线结构，选择总线结构需要综合考虑通信带宽、成本及可靠性等因素。宽、成本及可靠性等因素。 典型的总线结构有单总线结构和多总线结典型的总线结构有单总线结构和多总线结构。构。 12/38计算机组成技术计算机组成技术

10、CPU M.M I/O接口接口 外部外部 设备设备1 外部外部 设备设备2 I/O接口接口 外部外部 设备设备n I/O接口接口单总线（系统总线）单总线（系统总线）13/38计算机组成技术计算机组成技术主存总线主存总线I/O总线总线 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存通道通道双总线结构双总线结构14/38计算机组成技术计算机组成技术三总线结构三总线结构主存总线主存总线DMA总线总线系统总线系统总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口15/38计算机组成技术计算机组成技术层次结构层次结构的三总线的三总

11、线16/38计算机组成技术计算机组成技术三总线结构的另一形式三总线结构的另一形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI主存主存17/38计算机组成技术计算机组成技术四总线结构四总线结构主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSI多媒体多媒体CPU调制解调器调制解调器串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥18/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述5. 2 总线的设计与实现总线的设计与实现5. 3 总线

12、的控制总线的控制 5. 3. 1 总线仲裁总线仲裁 电子计算机的总线具有两个特性：发送的互斥电子计算机的总线具有两个特性：发送的互斥性和接受的共享性。性和接受的共享性。 为了协调总线上各个部件对总线的争用、避免发为了协调总线上各个部件对总线的争用、避免发生总线冲突，必须有一个总线控制器来对总线的使生总线冲突，必须有一个总线控制器来对总线的使用进行分配和管理。用进行分配和管理。 拥有总线控制权的总线部件，称为总线的主部件拥有总线控制权的总线部件，称为总线的主部件。被主部件访问的部件称为从部件。被主部件访问的部件称为从部件。 19/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3. 1 总线仲裁总线仲裁

13、n当总线上有多个候选的主部件同时申请使用当总线上有多个候选的主部件同时申请使用总线时，必须有一个总线控制机构按照某种总线时，必须有一个总线控制机构按照某种策略（优先次序）对申请进行裁决，这就叫策略（优先次序）对申请进行裁决，这就叫做总线仲裁。做总线仲裁。n如果总线仲裁逻辑基本上集中在一处，就称如果总线仲裁逻辑基本上集中在一处，就称为集中式总线仲裁。如果总线仲裁逻辑分散为集中式总线仲裁。如果总线仲裁逻辑分散在总线上的各个部件中，则称为分布式总线在总线上的各个部件中，则称为分布式总线仲裁。仲裁。 20/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3. 1 总线仲裁总线仲裁 1. 集中式控制集中式控制 串

14、行链接串行链接/链式查询链式查询 定时查询定时查询/计数器定时查询计数器定时查询 独立请求独立请求21/38计算机组成技术计算机组成技术串行链接方式串行链接方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/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-总线可用总线可用I/O接口接口122/38计算机组成技术计算机组成技术 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址定时查询方式定时查询方式I/O接口接口1 计数器

15、计数器设备地址设备地址 123/38计算机组成技术计算机组成技术排队器排队器排排 队队独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线可用总线可用BR-总线请求总线请求24/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3 总线的控制总线的控制5. 3. 1 总线仲裁总线仲裁5. 3. 2 总线通信控制总线通信控制 总线通信中，发出数据的部件称为总线通信中，发出数据的部件称为源部件源部件，接收数据的部件称为接收数据的部件称为目的部件目的部件。 为了完成一次有效的通信，源部件与目的部为了

16、完成一次有效的通信，源部件与目的部件之间需要进行一系列有时序限制的操作。为此件之间需要进行一系列有时序限制的操作。为此，通信双方需要，通信双方需要“感知感知”对方的操作及操作效果对方的操作及操作效果，这个，这个“感知感知”由由总线通信控制总线通信控制来实现的。来实现的。 25/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3. 2 总线通信控制总线通信控制n总线通信控制的方法只要分两大类：无须感知和需要感总线通信控制的方法只要分两大类：无须感知和需要感知。无须感知表示通信双方是相互信任的、是心有灵犀知。无须感知表示通信双方是相互信任的、是心有灵犀的，每一个通信步骤都会在规定的时间内正确完成。如的，每一

17、个通信步骤都会在规定的时间内正确完成。如果通信双方不能完全相互信任，那么就需要感知了。果通信双方不能完全相互信任，那么就需要感知了。n基于基于“无须感知无须感知”观点进行总线通信控制的通信称为观点进行总线通信控制的通信称为同同步通信步通信，基于，基于“需要感知需要感知”观点进行总线通信控制的通观点进行总线通信控制的通信称为信称为异步通信异步通信。26/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3. 2 总线通信控制总线通信控制n同步通信是指参与通信的两个部件之间的信息传送是由同步通信是指参与通信的两个部件之间的信息传送是由定宽、定距的时标来控制的。定宽、定距的时标来控制的。n每隔一个时标，源部件就

18、向总线发送一个数据，而不去每隔一个时标，源部件就向总线发送一个数据，而不去对目的部件是否收到数据进行确认；同样地，目的部件对目的部件是否收到数据进行确认；同样地，目的部件每隔一个时标就对总线进行采样来获取数据，而不去确每隔一个时标就对总线进行采样来获取数据，而不去确认数据是否已发出，也不向源部件确认收到的数据是正认数据是否已发出，也不向源部件确认收到的数据是正确的。确的。27/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3. 2 总线通信控制总线通信控制n异步通信是指参与通信的两个部件需要异步通信是指参与通信的两个部件需要“感知感知”对方的对方的操作，这个操作，这个“感知感知”是通过是通过“握手握手

19、”信号实现的。异步信号实现的。异步通信主要应用于工作速率不同的部件之间相互通信或者通信主要应用于工作速率不同的部件之间相互通信或者通信线路受到干扰的场合。通信线路受到干扰的场合。n异步通信的异步通信的“握手握手”协议分为单边控制和双边控制协议分为单边控制和双边控制单边控制是指通信过程是由源部件或目的部件控制单边控制是指通信过程是由源部件或目的部件控制双边控制是指通信过程由源部件和目的部件共同控制双边控制是指通信过程由源部件和目的部件共同控制28/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3. 2 总线通信控制总线通信控制n异步单边控制异步单边控制29/38计算机组成技术计算机组成技术5. 3. 2

20、 总线通信控制总线通信控制n异步双边控制异步双边控制30/38计算机组成技术计算机组成技术3. 半同步通信半同步通信（同步同步、异步异步 结合）结合） 增加一条增加一条 “就绪就绪(READY)”响应信号响应信号 n宏观上按同步通信组织通信过程，局部上用异步应宏观上按同步通信组织通信过程，局部上用异步应答方式实现通信双方速度的配合。答方式实现通信双方速度的配合。n每个操作只能在固定时钟确定的一定时刻发生（这每个操作只能在固定时钟确定的一定时刻发生（这是同步通信的特征），控制信号的时间间隔却是可是同步通信的特征），控制信号的时间间隔却是可变长的（这是异步通信的特征）。当然时间间隔的变长的（这是异

21、步通信的特征）。当然时间间隔的长度必须是时钟周期的整数倍，这样就兼顾了同步长度必须是时钟周期的整数倍，这样就兼顾了同步通信和异步通信的优点通信和异步通信的优点 31/38计算机组成技术计算机组成技术半同步通信时序半同步通信时序T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 主模块检测主模块检测“READY”信号信号T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw 若若“READY” 为低电平，插入一个等待周期为低电平，插入一个等待周期TWTw 若若“READY” 为低电平，插入一个等待周期为低电平，插入一个等待周期TW32/38计算机组成技术计算机组成技

22、术5. 4 总线的性能指标总线的性能指标n总线的位宽总线的位宽n总线的工作时钟频率总线的工作时钟频率 n单个数据传送周期数单个数据传送周期数 先发地址，再传输数据。先发地址，再传输数据。循环往复循环往复2022-7-5正常传输正常传输猝发传输猝发传输第第1个周期发数据首地址，然个周期发数据首地址，然后连续传输一组数据。后连续传输一组数据。使用一次总线的过程称为使用一次总线的过程称为总线事务总线事务（Transaction）33/38计算机组成技术计算机组成技术5. 1 总线概述总线概述5. 2 总线的设计与实现总线的设计与实现5. 3 总线的控制总线的控制 5. 4 总线的性能指标总线的性能指

23、标n总线的位宽总线的位宽n总线的工作时钟频率总线的工作时钟频率 n总线的负载能力总线的负载能力 n总线的数据传输速率总线的数据传输速率 总线一次同时传送的信总线一次同时传送的信息位数或所需的线数。息位数或所需的线数。例如，例如，ISA总线的数据总总线的数据总线位宽是线位宽是16位，地址总位，地址总线的位宽是线的位宽是24位。位。 控制总线中的时钟信号线所控制总线中的时钟信号线所提供的时钟频率。如提供的时钟频率。如ISA和和EISA总线为总线为8MHz，PCI总总线为线为33.3 MHz。 34/38计算机组成技术计算机组成技术5. 4 总线的性能指标总线的性能指标n总线的位宽总线的位宽n总线的工作时钟频率总线的工作时钟频率 n总线的负载能力总线的负载能力 n总线的数据传输速率总线的数据传输速率 总线上所能连接部件的最总线上所能连接部件的最大个数。例如，大个数。例如，ISA总线总线的负载能力是的负载能力是8，PCI总线总线的负载能力是的负载能力是3。总线在一秒钟内所能稳定总线在一秒钟内所能稳定传输