组成原理八章系统线

1主讲教师：胡迪青、肖亮e_mail:QQ:121374333第八章系统总线一、总线基本概念•总线：计算机系统中多个功能部件之间的连接线，通过它可以实现部件之间地址信息、数据和控制信息的传送。•总线的分类a.内部总线（又称芯片总线）在集成电路芯片内部（含CPU、运算器等）或将不同的组成连接在一起的总线。b.系统总线指计算机系统中模块与模块之间的连接总线，包含诸如ISA、PCI、AGP等总线方式。c.外部总线外总线是指计算机系统之间或计算机系统与其外设通信的总线，如RS-232通信总线、网络总线等。1、总线的特性•物理特性描述总线的形状、数量、插头的形式等特性,如地址总线有18根，RS-232的接口使用9针D型接口等。•功能特性描述每一根线的功能如：地址线的数量指明了CPU能访问的主存范围，数据总线指明了一次交换的数据位数。•电气特性描述每一根线的有效电平及传送信号的方向。如：地址线单向传输，数据线双向传输，高电平有效、低电平有效。•时间特性各线什么时间有效及相互之间的时序关系2、总线的标准化问题总线的标准化是实现兼容的一个重要的组成部分3、总线带宽指总线在单位时间内所能达到的最高传输速率，单位是MB/S。它是衡量总线性能的重要技术指标。6例1设一个32位的处理器有16位外部数据总线，时钟频率为50MHZ，若总线传输的最短周期为4个时钟周期，问处理器的最大数据传输率是多少？若想提高一倍数据传输率，可采用什么措施？解：数据传输率即单位时间内（1秒）传输的数据量数据传输率=2B*50MHZ/4=25MB/s要把总线的数据传输率提高一倍，可采取的方法有三种：1）数据总线的宽度提高到32位，此时：数据传输率=4B*50MHZ/4=50MB/s2）将总线的时钟频率提高到100MHZ，此时：数据传输率=2B*100MHZ/4=50MB/s3）将传输的最短时间缩短为2个时钟周期，此时：数据传输率=2B*50MHZ/2=50MB/s7例2某网络每秒发出30次访问请求，每次请求的数据量为64KB。问100M的网络能否承受该访问？30*64K*8=15360Kb=15Mb<100Mb二、总线的连接方式1、单总线结构•特点a.访内和访外指令相同，由地址来处分，减少了一类I/O指令b.总线简单，使用灵活，易于扩展c.所有设备分时工作，适用于慢速的小型或微型计算机系统中d.适用于高速外设的情况e.任意两外设之间可以直接交换信息（其中主设备需有总线控制能力）2、双总线结构•在单总线结构的基础上增加主存总线组成•特点a.由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。b.主存总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性。c.仍然保持了单总线结构的系统简单、易于扩充的优点。3、三总线结构•在双总线结构的基础上增加I/O总线组成•特点a.由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。b.并行性进一步提高，通道处理机分担了部分CPU的I/O功能。4、总线结构对计算机系统性能的影响•对最大存储容量的影响单总线结构对最大存储容量有影响双总线和三总线结构对最大存储容量没有影响•对指令系统的影响单总线结构没有访内/访外指令之分双总线和三总线结构访内和访外用不同的指令来区分•吞吐量单总线结构的吞吐量小三总线结构的吞吐量大双总线结构的吞吐量居中三、总线的控制1、总线的控制方式总线的控制主要是解决连接在公共总线上多个设备之间使用总线的仲裁问题，完成这一功能的部件是总线控制器。1)串行链接方式•在单总线和双总线结构的计算机中，总线控制器是CPU的一部分；在三总线结构的计算机中，它还是通道处理机的一部分。现在，总线总裁器一般是一个单独的功能模块。•工作过程分析:设备N向总线控制器发总线使用请求总线控制器检查BS信号若BS=0总线控制器发BG信号BG按照设备的物理连接次序查询，直到找到第一个发出BR的设备置BS=1。•如果有2个设备都发出了总线使用请求，此时响应哪一个设备?离总线控制器近的设备。•优点:a.设备扩充容易。b.控制器简单•缺点:a.优先级由设备的物理位置确定，设置不灵活。b.单点故障明显c.响应速度慢2)计数器定时查询方式•工作过程分析:设备N向总线控制器发总线使用请求总线控制器检查BS信号若BS=0计数器开始计数当计数值等于发出BR请求的设备号时，设备得到总线使用权置BS=1•设备的优先级别能否改变，若能，则如何改变?改变计数器的计数初始值•优点:a.不存在单点故障b.优先级改变灵活（如何体现？）•缺点:a.设备扩充较困难（增加计数线数量）b.响应速度较慢3)独立请求方式•工作过程分析:所有设备通过各自独立的BR线向控制器发总线使用请求总线控制器经过裁决通过独立的BG线响应请求•设备的优先级如何确定?由控制器中的裁决器按照一定的策略确定（可编程）•优点:a.不存在单点故障b.优先级改变灵活c.响应速度快•缺点:a.线数与设备的数量有关，设备扩充较困难。b.控制器的设计复杂4)总线控制方式总结总线控制方式总体上分为集中控制和分散控制。

集中控制：总线控制器基本集中在一起，上述的三种方式属于集中控制，其具体体现是每个设备有两根线送到总线仲裁控制器，其一是总线请求使用信号BR、另一个是总线授权信号线BG。分散控制：总线控制逻辑分散在总线各部件中。四、总线的通信方式•解决部件获得总线控制权后，采用哪种方式进行数据交换。常用的总线通信方式有同步通信和异步通信。1)同步通信•不采用应答信号•实现方法:采用统一的时钟或每个部件自带时钟，但受源部件同步时钟的同步。•优点:时序关系简单，实现简单。•缺点：在设备速度不一致时按最坏情况确定，传输线不能太长（时钟相移）。2)异步通信方式•采用应答信号•实现方法发送信息的同时还要发送本设备的时间标志信号，并用“应答方式”进行。单向应答不能判断数据是否正确传送，一般采用双向应答。有非互锁、半互锁和全互锁三种类型。全互锁

数据传输可靠

适用于传输周期不同的设备

对通讯线的长度没有严格的要求•缺点：速度慢•异步通信方式的优点:五、总线的数据传送模式1、数据传送的方式串行传送、并行传送、串并传送1)串行传送•只使用一根传输线，采用脉冲方式传送信息•每次传送1位信息•低位先传送、高位后传送•一次新的传送的开始，一定是以一个由高电平到低电平的跳变。•串行传送的数据格式编码起始位（1位）：表示一次传输的开始数据位（5~8位）：被传送的数据校验位（1位）：用于传输校验停止位（1~2位）：表示本次传输结束，高电平•两次传输之间的间隙时间内，发送端应该发送什么电平？为什么？高！采用“位时间”，即一个二进制位在传输线上占用的时间。•为了实现串行传送，在发送端的接口中需要“并行–串行”转换电路，在接收端需要“串行–并行”转换电路。•UART异步时序接收端采用外部时钟与接收的数据同步，外时钟周期和接收的每一位数据所占用的时间关系为：Tc=Td/K•如果待发送的数据中有连续相邻的1或0，接收端如何区分？•波特率的概念是指传输通道传输代码的频宽指标，单位是位/秒。不同于时钟频率（单位是HZ/秒）、不同于数据的传输速率（单位是字符/秒或bps，是指传输的数据位）•应用举例数据传输速率是120字符/秒，而每个字符格式规定包含十个代码位，则此时传送的波特率为多少？10*120字符/秒=1200位/秒=1200波特•反过来有波特如何求数据的传输速率？2、各种典型的总线类型•常用的总线：STD、ISA、EISA、VESA、PCI、AGP、infiniBaud等总线•STD（STanDardBus）总线是规模最小，面向工业控制的8位系统总线•ISA（IndustrialStandardArchitecture）最早制定的总线技术，频率5~8MHZ，带宽5-8MB/s。（８位／16位兼容的AT总线称为ISA）•EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）总线。

在ISA总线的基础上，为32位微机开发

由VESA于1992年5月推出。具有132MB/S的数据传输率。采用了开放性结构、协议简单、传输率高、价格低廉、能支持多种硬件器件。但规范性、兼容性和扩展性均较差，结构偏简单，无缓冲器，只能支持３个外设插接板，而且有时还随所用的CPU和其工作频率而变。并且只是对CPU总线的直接扩充，其规范只发挥了Intel486CPU的功能，对于Pentium并没有充分支持。•VESA总线该总线可分为PCI

1.0和PCI2.0。PCI1.0为32位总线，时钟频率33MHz，总线最大传输率为32×33／8＝132MB/S，而PCI2.0为64位总线，时钟频率66MHz，最大传输率264MB/S。PCI2.1版本对于Pentium有充分支持。•

AGP（AcceleratedGraphicsPort）AGP总线的平均频率是66MHz，最大传输速率是533Mbps，这是PCI总线方式传输速度的4倍。•

PCI（PeripheralComponentInterconnect）由Intel公司提出，带宽为12Mbps，可接入多达127个设备，随着计算机外设越来越多，PC机内有限的插槽和接口已经不能满足要求，USB缓解了这一矛盾；可以热插拔，在电脑通电的情况下可以随时热插拔所连接的设备；即插即用。USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游（Downstream)设备提供电源。全速12Mbps的传输数据；对于低速外设则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。USB系统采用级联星型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：主机（Host)，集线器（Hub)和功能设备。•

USB（UniversalSerialBus即通用串行总线）USB总线结构拓补控制传输类型支持外设与主机之间的控制、状态、配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令/状态信息。等时传输类型支持有周期性、有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机－电话集成系统（CTI）和音频系统与主机的数据传输。中断传输类型支持像游戏手柄、鼠标和键盘等输入设备，这些设备与主机间数据传输量小、无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。数据块（Bulk）传输类型支持打印机、扫描仪、数码相机等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。•由于其连接的方便性，得到了广泛的应用

1.USB存储设备（U盘，移动硬盘，移动刻录机）

2.调制解调器

3.USB摄像头

4.USB键盘、鼠标、打印机，游戏手柄、扫描仪

5.USBHUBInfiniBand是PCI总线的替代品，采用了与PCI完全不同的架构，具有极高带宽和灵活的扩展能力，理论带宽分别可以达到500MB/s、2GB/s和6GB/s；同时，可以让应用程序在无需CPU协助直接访问外围设备；它还解决了PCI总线中设备的距离问题，外部设备可以放到距离服务器很远的地方工作（如果使用的是光缆，最远距离可以达到0.3-10千米），服务器的体积也因此缩小了许多。还支持热交换。是存储网络和集群最好的连接技术•InfiniBand总线技术有三种网络技术可能为存储网络提供普通的连接层体系结构，分别是光纤通道、以太网（尤其是千兆以太网）、InfiniBand。a)光纤通道·优点：高速、低延迟，具有高级流量控制（千兆具有，百兆没有），可以适应存储I/O等突发流量。·缺点：难于实现和管理·应用：最初是作为通用连接技术出现，现在已经成为事实上的SAN的标准。•三种连接层技术比较与分析c)InfiniBand是一种用于代替PCI主机I/O总线的串行总线。由Intel公司组织开发，并受到Compaq、HP、SUN、IBM等公司的支持，作为期望在PC和UNIX平台使用的主要系统组件。·优点：技术成熟、管理方便，具有高带宽和流量控制功能。·缺点：不能适应大容量事务处理对网络