计算机组成原理 第24讲-总线

1、计算机组成原理Principles of Computer Organization广义双语教学课程 校级精品课程1第10章 输入输出系统Chapter 10 Input/output SystemA bus system can be constructed with three-state gates. A three-state gate is a digital circuit that exhibits three states. Two of the states are signals equivalent to logic 1 and 0 as in a conventiona

2、l gate. The third state is a high-impedance state. The high-impedance state behaves like an open circuit, which means that the output is disconnected and does not have a logic significance.（4）2105 总线结构 物理（机械）特性 总线的物理特性是指总线在机械物理连接上的特性。包括：连线类型和数量，接插件的几何尺寸和形状，引脚排列，等。连线类型：电缆式主板插槽式连线数量：并行总线（用于短距离的高速数据传送）

3、串行总线（用于长距离传输） 总线的宽度对于数据传输率、实现的成本、可靠性（抗干扰性）影响很大。总线特性 总线（BUS）是由多个设备共享的传送信息的一簇公共的信号线及相关逻辑。3 电气特性 总线的电气特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向，信号的有效电平范围。例如：地址线一般是单向的，主控设备输出地址，从设备输入地址。数据线一般是双向的。控制线是单向的，(每条信号线)输出 / 输入。单端方式：信号线对地的电平。 （正逻辑/负逻辑）差分方式：2条信号线之间的电平差。有效电平：TTL，CMOS，其他总线特性4 功能特性总线的功能特性是指总线中每条传输线的功能。 时间特性 总线的时间特性是指总线中每

4、一条传输线在什么时间内有效，以及每一条线产生的信号之间时序关系。 时间特性可用信号时序图来说明。CLK2CLKT1T2T1T2T1T2T1T2ADSININDB总线特性5总线性能指标总线宽度：数据总线的位数。传输率：在总线上每秒能传输的最大数据量，用MB/S表示。时钟同步/异步：总线上的数据传输与时钟同步的称为同步总线，数据传输与时钟不同步的称为异步总线。总线复用：一般为地址/数据线复用。将低N位地址总线与N位的数据总线复用。访存时，先用地址总线输出高N位地址，用数据总线输出低N位地址，需要附加电路将低N位地址锁存。然后，将低N位的地址/数据线转换为数据总线。信号线数：总线控制方式：包括并发工

5、作，自动配置，仲裁方式，等。其他指标：如，负载能力，电源电压，等。610.5.2 总线组成 在系统中，能够发起一次总线传输（发出地址和控制命令）的设备称为主控设备，如处理机、通道、DMA控制器等。 只能响应读/写请求不能发出命令的设备称为从设备（Slave），如存储器。在单主控设备系统中，所有总线操作都由处理机控制。 在多主控设备系统中，需要一个仲裁机制来决定哪个主控设备可以使用总线。主控设备 Master从设备 Slave一. 总线判优控制7总线仲裁（裁决Arbitration ）需要考虑以下问题： 等级性：每个主控设备有不同优先级。优先级高的设备应先被服务。 公平性：任何设备无论优先级高低

6、都不应该永远得不到总线使用权。 尽量缩小总线仲裁的时间开销。8总线仲裁方式分两大类：集中式，分布式。 集中仲裁方式将控制逻辑集中在一个专门的总线控制器中，将所有的总线请求集中起来利用一个特定的仲裁算法进行裁决。常用：菊花链方式，计数器定时查询方式，独立请求方式，等。 分布式的仲裁方式没有专门的总线控制器，控制逻辑分散在各个部件或设备中。 常用的有：自举分布式裁决，冲突检测分布式裁决，并行竞争分布式裁决，等。The classic, simple way to prioritize interrupts or bus access was with a daisy chain.91集中仲裁方式(

7、1) 菊花链(daisy chain)仲裁方式按主控设备的优先级高低串行连接起来。总线忙总线请求总线可用总线控制器Device0Device1Devicen-1 “总线可用”线从最高优先级的设备依次向低优先级的设备串行连接。 只有在“总线忙”信号未建立时，“总线请求”才能被总线控制器响应，并发出“总线可用”信号。10菊花链(daisy chain)仲裁方式总线忙总线请求总线可用总线控制器Device0Device1Devicen-1 一个设备如果没有“总线请求”，则把“总线可用”传递给下一个设备。 当有设备发出总线请求，而且总线处于空闲状态时，“总线可用”信号有效，并逐级向下传递。 只有在“总

8、线忙”信号未建立时，“总线请求”才能被总线控制器响应，并发出“总线可用”信号。11总线忙总线请求总线可用总线控制器Device0Device1Devicen-1 在“总线可用”状态下，一个设备如果需要使用总线并已发出总线请求，则封锁“总线可用”信号的传递，并发出“总线忙”信号（表示已经获得总线使用权），同时撤消“总线请求”。“总线忙”状态在传输完成后撤消，“总线可用”也撤消。 两个设备如果同时有总线请求，只有优先级高的设备得到总线使用权。 缺点：菊花链长了，延时增加。最低优先级的设备不能保证有机会得到总线使用权。对电路故障比较敏感。菊花链(daisy chain)仲裁方式12(2) 计数器定时

9、查询方式在总线空闲时（BS=0），当总线控制器收到总线请求信号BR后，计数器开始计数，并将计数值通过一组设备线向各设备发出。 当某个有总线请求的设备的设备号与计数值一致时，该设备就获得总线使用权，建立总线忙BS，终止计数。BSBR设备线总线控制器Device 0Device 1Device n设备的优先级与计数器的初值有关。 如果每次都从0开始，则为固定优先级。如果从上次停止值开始，则是循环优先级。13(3) 独立请求方式 每个设备都有一对总线请求线和总线允许线，各个设备独立地请求总线。BR0BR1BGnBG1BG0BRn总线控制器Device 0Device 1Device n 总线控制器中

10、的判优电路根据各个设备的优先级确定允许哪个设备使用总线。缺点：控制逻辑很复杂，控制线数量多。 比较：菊花链方式只需2条裁决线，计数器定时查询方式需要log2 n条裁决线，独立请求方式需要2n条裁决线。142分布式的仲裁方式 分布式的仲裁方式没有专门的总线控制器，控制逻辑分散在各个部件或设备中。 常用的有：自举分布式裁决，冲突检测分布式裁决，并行竞争分布式裁决，等。(1) 自举分布式裁决 每个需要请求总线控制权的设备在各自对应的总线请求线上送出请求信号。 设备0设备1设备2设备3最低优先级最高优先级BR0总线忙BR1BR2BR3总线请求15(1) 自举分布式裁决设备0设备1设备2设备3最低优先级

11、最高优先级BR0总线忙BR1BR2BR3总线请求 在总线裁决期间，每个设备将有关请求线上的信号合成后，取回进行分析，看是否有其它更高优先级的设备同时发出了总线请求。 如果检测到有其它更高优先级的设备也请求总线，则本设备不立即使用总线。 如果没有，则可以立即使用总线，并通过总线忙信号阻止其它设备使用总线。16(2) 冲突检测分布式裁决每个设备独立地请求总线。 当某个设备需要使用总线时，首先检测是否有其它设备正在使用总线。如果没有，该设备就置“总线忙”，然后使用总线。 如果两个设备同时检测到总线空闲并立即使用总线，就发生冲突。当发现有冲突时，两个设备都立即停止传输。延迟一个随机时间后，再重新使用总

12、线。17(3) 并行竞争分布式裁决 总线上的每个主控设备都有一个唯一的仲裁号。仲裁号越大的设备优先级越高。每个主控设备都有自己的仲裁电路。 当一个主控设备需要使用总线时，就把自己的仲裁号通过仲裁电路送到总线上。 每个发出仲裁号的设备从仲裁线上读入仲裁号，如果与自己的仲裁号相同就赢得了总线使用权。 如果同时有两个或多个主控设备请求总线，则只有仲裁号最大的设备的仲裁号能够建立在仲裁线上。N条仲裁线可表示2N个优先级。18二. 总线通信 总线通信的定时方式有：同步协议，异步协议，半同步协议，分离事务协议，等。1同步协议方式 系统有一个公共的时钟。挂在总线上的所有设备都从该时钟获得定时信号。一个总线周

13、期由固定数目的时钟组成。同步总线的速度很高，逻辑简单。 缺点：挂在总线上的所有设备都必须以同样的时钟速率工作。由于时钟传送的偏移问题，总线不能很长。192异步协议方式 异步总线不用时钟定时。操作需要一种握手协议。传送双方根据对方给的状态信息决定自己的下一步操作，并把自己的状态也告诉对方。握手信号的作用方式有：非互锁、半互锁和全互锁三种。发送方ReadyAck接收方维持固定时间后撤消非互锁半互锁全互锁 异步总线能够连接带宽范围很大的各种设备。总线可以比较长。203半同步协议方式既有同步通信的时钟定时，又采用了异步通信的握手方式。 增加了1个等待（Wait或Ready）信号。总线传输周期不是固定的

14、时钟数，而是最少包含多少个时钟。AddressData读写命令总线传输周期Wait 当Slave的速度不够时，置Wait信号有效。Master检测到Wait信号有效就自动插入1个时钟TW。然后继续检测，直到Wait信号无效，才结束总线传输周期。214分离事务协议将1个总线传输周期分成2个子周期。 在第一个子周期中，模块A在获得总线使用权后，将命令、模块B地址、本模块编号、及其他有关信息发到系统总线上，经总线传输后由有关的模块B接收。 这个过程只需要很少的时间，一旦完成,模块A立即放弃总线使用权。 在第二个子周期中，当模块B按照模块A的命令的要求将数据准备好后，申请总线使用权。在获得总线使用权后

15、将模块A编号、模块B地址、模块A要求的数据等信息发到系统总线上，由模块A接收。 信息传输采用同步方式。数据的准备（例如，从存储器读出）过程不占用总线。总线周期中不存在空闲等待时间，提高了总线的利用率和吞吐率。2210.5.3 微机总线1 ISA总线 ISA（Industrial Standard Architecture）总线是IBM公司1984年为了推出PC系列机而制定的总线标准。ISA-8适用于IBM PC/ XT微机（Intel 8088）。62针插座。ISA-16适用于IBM PC/ AT微机（Intel 8086）。扩充了36针插座。2EISA总线 EISA（Extended Ind

16、ustrial Standard Architecture）总线是l989年由Compaq等九家公司联台推出的32位总线标准。EISA总线完全兼容ISA总线信号。 EISA总线支持CPU、DMA和总线设备对存储器的32位地址寻址。233 PCI总线 PCI（Peripheral Component Interconnect，外围元件互联）总线是INTEL公司于1992年推出的一种开放性局部总线。 PCI支持突发性读写操作，可以同时支持多组外围设备。PCI不受处理器的限制，具有广泛的兼容性。 PCI总线采用一种并行的仲裁机制。仲裁是基于访问而不是基于时间片的，任何主设备使用总线都必须提出仲裁请求

17、。 总线仲裁器根据收到的请求信号和各个设备的优先级别以及当前总线的工作状态来决定哪一个主设备获得总线的控制权。取得总线控制权的总线主控器可以使用总线进行一次总线操作。 PCI总线采用的是隐含仲裁的方式，一次仲裁可以在上一次使用的同时进行，使得总线的仲裁不必占用总线的周期。 PCI V1.0定义了32位数据总线宽度，可扩展到64位，支持33MHz的时钟频率，最大传输速率可达到133MBS。24扩展总线处理器CacheSCSI扩展总线桥系统总线PCI总线主存控制器处理器CacheDRAM主机桥主机桥PCI总线SCSI网络扩展总线桥PCIPCI桥PCI总线扩展总线 PCI V2.2标准扩展到64位，

18、允许PCI总线以66MHz的速度运行，能提供528MBS的带宽。25 PCI得到广泛应用的原因是因为支持PnP（Plug and Play，即插即用）。PnP能够在加电时，BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）自动检测机器配置，识别并自动配置各个外围设备，分配中断请求号、存储器的缓冲区等，从而避免了IRQ（中断请求）、DMA和I/O通道之间的冲突。 PCI-X总线采用32位或64位接口，工作频率可以达到133MHz，因此可以提供高达l066MBS的带宽。Many devices traditionally provided on expansion c

19、ards are now commonly integrated onto the motherboard. However, PCI is still used for certain specialized cards, although many tasks traditionally performed by expansion cards may now be performed equally well by USB devices.261. IDE和EIDE接口 IDE接口（Integrated Drive Electronics，即集成驱动器电子部件）也称为ATA接口。IDE采

20、用40线的单组电缆连接。 IDE把控制集成到驱动器内，把原来硬盘适配卡中的硬盘控制器、硬盘Cache、缓冲区管理和错误校验器等全部集成到硬盘机内和硬盘驱动器放在一起。 IDE接口最多支持两个容量不超过528MB的IDE硬盘，不支持DMA数据传送，采用PIO(Programmed InputOutput)传送模式，只能使用标准的 IO指令来传送所有的命令、状态、数据。A、 并行接口106 外设接口 EIDE （Enhanced IDE，即增强型IDE）接口，又称FAST ATA接口。EIDE支持8.4GB的大容量硬盘，可连接四台设备。27EIDE支持DMA传输模式，有更高的数据传送速率。 EID

21、E支持符合ATAPI接口（AT Attachment Packet Interface）标准的其它设备，如磁带驱动器和CD-ROM 驱动器。IDE和EIDE都是并行接口，又称PATA。 SATA（Serial Advanced Technology Attachment，串行ATA）则是一种串行接口，数据传输仅仅使用4条线。 串行ATA通过提高工作频率来提升接口传输速率，外部传输速率比PATA有很大提高，成本降低。The Serial Advanced Technology Attachment (SATA) offers advantages over the older parallel

22、ATA interface: primarily faster data transfer, the ability to remove or add devices while operating (hot s), thinner cables that let air-cooling work more efficiently, and more reliable operation.282. SCSI接口 SCSI（小型计算机系统接口）可同时连接7个外设。SCSI接口是智能化的，可以彼此通信而不增加CPU的负担。 SCSI是一个多任务接口，设有总线仲裁等功能，对主机CPU的占用率很低。在

23、SCSI总线上的适配器和置于设备内的控制器可以同时工作，在同一控制器控制下的多台设备也可以同时工作。 SCSI-1定义了8位（并行）数据总线，使用50针数据线（或25对双绞线电缆），最大数据传输率为5MBS。 SAS（Serial Attached SCSI）是SCSI总线协议的串行标准。SAS可提供比并行SCSI更快的设备连接速度，更简单的线缆连接和更高的可靠性。Small Computer System Interface, or SCSI, is a set of standards for physically connecting and transferring data betw

24、een computers and peripheral devices. The SCSI standards define commands, protocols, and electrical and optical interfaces. 293. AGP接口 AGP（Accelerated Graphics Port）即加速图形端口。是为了提高视频带宽而设计的用于主机与显示器连接的一种接口。 PCI显卡处理3D图形有两个主要缺点，一是PCI总线最高数据传输速度仅为133MBS，无法满足处理3D图形对数据传输率的要求。二是需要足够多的显示存储器，导致显卡的成本很高。 AGP接口能为显示

25、卡提供高的数据传输速率，还能利用系统主存存放3D图形数据，有效地解决了上述两个问题。 AGP分为1X、2X和4X三种工作模式，数据传输率分别为: 266MBS、533MBS、1064MBS。 AGP 4X显卡消耗电能大，发热量高，要求主板为AGP显卡提供低电压(15V)、大电流的电能和足够的散热空间。 AGP Pro的工作频率和数据传输率与AGP 4X相同，但为AGP Pro插槽提供110W的电能，是标准AGP的四倍。30B. 串行接口1 RS-232C接口 RS-232C接口能够很方便地实现计算机与计算机之间、计算机与外部设备之间的数据通讯。用RS-232C串行总线进行单向数据传输时，设备之

26、间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为20KBS。传输数据波特率一般为11种：19200，9600，4800，2400，1200，600，300，150，110，75，50。 RS-232C接口采用负逻辑工作，即逻辑“1”为-5V-15V，逻辑“0”为+5V+15V。 RS-232C标准定义了25根信号。实际使用时，只需2个数据线、6个控制线、1个地线共九个信号，使用9针标准连接口。 RS-232C接口的电平和TTL电平不兼容，要外加电路实现电平转换。31Universal Serial Bus (USB) is a serial bus standard to interface devi

27、ces to a host computer. 2 USB接口USB can connect computer peripherals such as mouse, keyboards, PDAs, gamepads and joysticks, scanners, digital cameras, printers, personal media players, and flash drives. USB（通用串行总线）是由Compaq，DEC，IBM，Microsoft， Intel，NEC和Northern Telecom等7家著名的计算机和通信公司为简化PC与外设之间的互联而共同研究

28、开发的一种标准化连接器。USB接口使用一个4针插头作为标准插头。连接简单快捷。USB支持即插即用和带电热插拔。无须外接电源。USB电源能向低压设备提供5V的电源。32 采用“级联”形式可以把所有的外设连接起来。每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座给下一个USB设备使用。 USB标准中将USB分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。USB只支持异步传输模式。USB was designed to allow many peripherals to be connected usi

29、ng a single standardized interface socket and to improve the plug-and-play capabilities by allowing hot s, that is, by allowing devices to be connected and disconnected without rebooting the computer or turning off the device.333. IEEE 1394接口标准 FireWire IEEE 1394是1994年提出的高速串行总线标准。1995年经电气和电子工程师协会(IE

30、EE)认证成为正式标准。 支持IEEE 1394的设备可相互连接传输，无须经过电脑。可将硬盘、打印机、扫描仪、数码相机、DVD播放机、视频电话、数码摄像机、VCR、HDTV、音响等各种外设和家用电器连接起来。当电脑家电化之后，只需拿起遥控器就能上Internet、玩网络游戏、控制视听影音器材，还能控制家里的电灯、电话等电器，真正实现居室智能化。 IEEE 1394是一种新型高性能、快速、低成本的串行总线，它具有64位地址空间，控制寄存器组和读写锁操作。 IEEE 1394有六根铜质导线，2条用于设备供电，4条用于数据信号传输。IEEE 1394不需任何主机对数据传输进行控制。34IEEE 13

31、94总线标准的特点：(1) 高速的数据传输速率。IEEE 1394.a最大传输速率为400 Mbps，IEEE 1394.b的最大传输速率可达3.2Gbps。(2) 支持即插即用和带电热插拔。 (3) 同时连接不同传输速度的外部设备。(4) 具备点对点(Peer to Peer)的传输模式，即可以不通过计算机进行相互串接和传输资料。 (5) IEEE 1394.a的规格，两节点间的最大距离为4.5m，而IEEE 1394.b的规格，两节点间的最大距离可达100m。(6) 最多支持63个节点的串接。 IEEE l394标准是一种基于数据包传输协议标准，既可用于底板总线传输，又可以用于设备间的电缆连接。354. IrDA接口 IrDA （Infrared Data）红外线数据传输接口。使用红外线通讯不需要连接任何连线。只需将