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第六章

第六章. 总线系统. 6.1 单机系统的总线结构. 6.1.1 总线的基本概念. 总线 :它是构成计算机系统的互连结构,是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。. 一个单处理器系统中的总线,大致可 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。. (2) 系统总线:. CPU 同计算机系统的其他高速功能部件,如乘、除法器、通道等互相连接的总线。. (3) I / O 总线 :. 中、低速 I / O 设备之间互相连接的总线。. 1. 总线的特性 :.

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Presentation Transcript


  1. 第六章 总线系统

  2. 6.1 单机系统的总线结构 6.1.1 总线的基本概念 总线:它是构成计算机系统的互连结构,是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。 一个单处理器系统中的总线,大致可分为三类: (1)内部总线: CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 (2)系统总线: CPU同计算机系统的其他高速功能部件,如乘、除法器、通道等互相连接的总线。 (3) I /O总线: 中、低速I / O设备之间互相连接的总线。

  3. 1. 总线的特性: (1)物理特性:它是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,引脚线的排列方式等等。 (2)功能特性:它描述总线中每一根线的功能。 (3)电气特性:电气特性定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。 (4)时间特性:时间特性定义了每根线在什么时间有效。也就是说,只有规定了总线上个信号有效的时序关系,CPU才能正确无误地使用。

  4. 2. 总线的标准化 相同的指令系统,相同的功能,各不同厂家生产的各功能部件,若要实现相同功能部件互换,必须遵守相同的系统总线的要求。这就是系统总线的标准化问题。 微机中用的总线有:ISA、EISA、MCA、PCI。 (1)ISA(Industry Standard Architecture) 工业标准体系结构,也称PC/XT总线:1981年,它是针对8088设计的,8位总线,后来扩充为16位。 (2)EISA(Extension Industry Standard Architecture)扩展的工业标准体系结构:与老的IBM PC系列机兼容,总线支持多个总线主控器,加强了DMA功能。增加了突发方式传输,是一种32位标准总线。

  5. (3)PCI:Intel公司推出。与VL—BUS不同,PCI在CPU和外设间插入一个复杂的管理层(称为PCI桥)。与微处理器无关,并在高时钟频率下保持最高的性能。支持了3—4个扩展槽。支持32/64位数据传送。(3)PCI:Intel公司推出。与VL—BUS不同,PCI在CPU和外设间插入一个复杂的管理层(称为PCI桥)。与微处理器无关,并在高时钟频率下保持最高的性能。支持了3—4个扩展槽。支持32/64位数据传送。 总 线 性 能 比 较

  6. 它定义为总线本身所能达到的最高传输速度,单位是兆字节每秒(MB/S)。它定义为总线本身所能达到的最高传输速度,单位是兆字节每秒(MB/S)。 总线带宽: 总线带宽会受到 总线布线长度、总线驱动器/接收器性能、连接总线上的模块数等因素的影响。 例题:(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据,假设一个总线周期等于一个总线时钟周期,总线时钟频率为33MHz,求总线带宽是多少?(2)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66MHz,求总线带宽是多少? 解: (1)设总线带宽用 Dr 表示,总线时钟周期用T=1/f表示,一个总线正确传送的数据量用D表示,根据定义可得: Dr=D/T=D*f=4B*33*106s=132MB/s (2)64位=8B, Dr=D*f= 8B*66*106s=528MB/s

  7. 3.通用串行总线USB(Universal Serial Bus) USB是由Intel 提出的一种新型接口标准,目前是主流规范。USB接口就是为解决现行PC与周边设备的通用连接而设计的。 USB的几大特点: ①可连接:键盘、鼠标、扫描仪、数字音箱、Modem、数码相机。 ②可支持功能传递:用户只需要为支持USB标准的设备准备一个USB接口即可使外设相互连接成串。 ③即插即用功能 ④USB可以树状结构连接127个几乎目前所有的外部设备。 ⑤最大数据传输速率为12Mbps。 ⑥支持多数据流。 ⑦支持多个设备并行操作。 ⑧支持自动处理错误并进行恢复。 ⑨支持设备热插拔。

  8. 6.1.2 总线的连接方式 CPU与外设之间的连接由“接口”部件来完成,大多数总线都是以相同方式构成的,不同之处是:总线的线数目不同和控制线的功能不同。总线的连接方式对计算机系统的性能有十分重要的作用。 单总线结构 双总线结构 三总线结构 单机系统中采用的总线有三种类型:

  9. 1.单总线结构: 特点:简单、易扩展、速度慢。 CPU 主存 设备 适配器 设备 适配器 单总线结构示意图

  10. 2.双总线结构: 特点:简单、易扩展、速度比单总线结构快。增加了硬件开销。 系统总线 存储总线 CPU 主存 I/O 适配器 设备 适配器 … 双总线结构示意图

  11. 处理机总线 主存 当前计算机通常采用多总线结构 CPU 二总线结构 4B~8B 32MHz 扩展总线 控制线路 8.33MHz 1 , 2 , 4 B ISA / EISA I/O设备1 I/O设备2 . . . . .

  12. 3.三总线结构: 特点:效率高、硬件结构复杂、一般用在大中型机中。 系统总线 存储总线 CPU 主存 IOP (通道) 三总线结构示意图 … I/O 适配器 I/O 适配器

  13. 三总线结构 处理机总线 主存 CPU 66MHz 4B~8B - PCI桥 33MHz 4B PCI BUS 接快速设备 I/O设备3 I/O设备4 扩展总线 控制线路 8.33MHz 1 , 2 , 4 B ISA / EISA 接慢速设备 I/O设备1 I/O设备2 . . . . .

  14. CPU-cache模块 存储器模块 I/O 适配器 总线 控制器 数据传送总线(地址、数据、控制线) 主板 仲裁总线 中断和同步总线 公用线 当代总线的内部结构

  15. 6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响 1. 最大存储容量 单总线结构:地址总线与最大存储容量有一定的影响。内存与外设用同一个地址线。 双总线结构:内存地址与外设地址出现在不同总线上,存储容量不会受外围设备多少影响。 2. 指令系统 单总线结构:访问内存和I/O传送却使用相同的操作码,或者说使用相同的指令,但它们使用不同的地址。 双总线结构:CPU对内存总线和系统总线必须有不同的指令系统。

  16. 3.吞吐量: 它是指流入、处理和流出系统的信息的速率。它主要取决于主存的存取周期和并行读出的位数。 由于上述原因,采用双端口存储器可以增加主存的有效速度,可以更多的信息从内存输入输出。 三总线系统中,CPU的一部分功能下放给通道,有通道对外围设备统一管理并实现外围设备与内存之间的数据传送,因而系统的吞吐能力比单总线系统强。

  17. Pentium计算机主板总线结构图 Socket 7 插座 Pentium CPU CPU总线 北桥 芯片可选 120脚 南桥 PCI总线 鼠标 62脚(长槽) 键盘 36脚(短槽) ISA总线

  18. SDR/DDR内存总线 AGP总线 MCLK HCLK PCLK PCI总线 ATA33/66/100 SMBUS 网络 外围设备控制器 6 USB GPIO ACPI LPC Apollo Pro266芯片组架构框图

  19. 6.2 总线接口 6.2.1 信息的传送方式 数字计算机使用二进制数,她们或用电位的高、低表示,或用脉冲的有、无表示。 串行传送 并行传送 传输信息基本有四种方式: 并、串行传送 分时传送

  20. 1. 串行传送 特点:只有一条传输线,且采用脉冲串行传送。 发送部件 接收部件 传送数据 并-串 变换 串-并 变换 0000 0101 位时间 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T1 低位 高位 传送脉冲 1 0 1 0 0 0 0 0 串行传送

  21. 2. 并行传送 特点:适应于短距离传送,数据传送快,成本高。 发送 部件 接收 部件 高位 1 0 1 0 1 1 0 0 低位 并行传送

  22. 3. 并串行传送 先传8 位,再传8 位。 高8位 高8位 8 位 低8位 低8位 并串行传送 4.分时传送 分时传送有两种概念: ①采用总线复用方式,某个传输线上既传送地址信息,又传送数据信息。 ②共享总线的部件分时使用总线。

  23. 6.2.2 接口的概念 接口:设备之间通过总线进行连接的逻辑部件,连接两部件的“转换器”叫做接口。 CPU 接 口 外围 设备 地址线 控制状态线 数据线 外围设备的连接方式

  24. 典型的接口通常具有如下功能: ①控制:它靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。 ②缓冲:补偿各种设备在速度上的差异。 ③状态:它监视外围设备的工作状态并保存状态信息。 ④转换:它可以完成任何要求的数据转换。 ⑤整理:它可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。 ⑥程序中断:外设向软件请求某种动作时,接口即发出一个中断信号。 一是系统总线的接口 一个适配器必须有两个接口: 二是和外设的接口

  25. 6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式6.3.1 总线的仲裁 连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。主方可以启动一个总线周期,从方只能响应主方的请求。每次总线操作,只能有一个主方占用总线控制权,但同一时间里可以有一个或多个从方。 对多个设备提出的占用总线请求,一般采用优先级或公平策略进行仲裁。 主方持续控制总线的时间称为总线占用期。 按照总线仲裁电路的位置不同,仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。

  26. 1、集中式仲裁 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央制裁器:一条是送往制裁器的总线请求信号线 BR,一条是仲裁器送出的总线授权信号线 BG。 链式查询方式; 计数器定时查询方式; 独立请求方式。 集中式仲裁又可分为:

  27. ⑴链式查询方式 优点:简单,几根线就可以实现优先次序总线控制,易 扩充。 缺点:对询问链的电路故障很敏感。 D 中央仲裁器 A BS BR 设备接口 0 设备接口1 设备接口n BG 链式查询方式

  28. ⑵计数器定时查询方式 计数器定时查询方式:定时依次核查哪个设备发出了请 求信号。 优点:优先次序可以方便地改变。 中央仲裁器 设备地址 BS BR 设备接口0 设备接口1 设备接口n 计数器定时查询方式

  29. ⑶独立请求方式 独立请求方式:每一个共享总线的设备均有自己的一对总线请求BRn和总线同意BGj 。 优点:响应速度快,对优先次序的控制相当灵活。 中央仲裁器 BGn BRn BG1 BR1 BG0 BR0 设备接口0 设备接口1 设备接口n 计数器定时查询方式

  30. 2、分布式仲裁 分布式仲裁不需要中央仲裁器,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,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。 总线上 比 如果仲裁总线上的号大 则它的总线请求不予响应,并撤消它的仲裁号。 总线上 最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。 显然,分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

  31. 6.3.2 总线的定时 所谓定时:是指事件出现在总线上的时序关系。 同步定时 数据传送过程中通常采用以下两种定时方式: 异步定时 (1)同步定时 总线时钟 启动信号 读命令 地址线 地址 数据线 数据 认可 同步通信:采用一个公共的时针信号进行同步 这种方式称为同步通信。 在同步协议中,事件出现在总线上的时刻有总线时钟信号来确定。

  32. 同步通信 总线时钟 地址和方式信息 数据 总线周期 特点: ①采用公共时钟; ②每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时针规定; ③传输率较高; ④适用于总线长度较短,各部件存取时间较接近的情况。

  33. (2)异步定时 在异步定时协议中,后一事件出现在总线上的时刻取决与前一事件的出现,即建立在应答式或互锁机制基础上。 读命令 地址线 地址 数据线 数据 主同步(MSYN) 从同步(SSYN) 异步时序(全互锁方式) 数据

  34. (3)同步定时与异步定时的优缺点: ①同步定时协议 优点是采用公共时钟,具有较高的传输率。 但由于总线必须按最慢的模块来设计公共时钟,当各功能模块存取时间相差很大时,会大大损失总线效率。 ②异步定时协议 优点是总线周期长度可变,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都能连接到同一总线上。 异步定时增加了总线的复杂性和成本。

  35. 6.4.1 多总线结构 6.4 PCI 总线 PCI 是一个与处理器无关的高速外围设备总线,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。 PCI 总线结构图,也是高档 PC 机和服务器的主板总线框图。如下图:

  36. 主存 控制器 处理器/cache 处理器/cache 主存 HOST总线 主设备 目标设备 RAM 目标设备 I/O PCI设备 PCI设备 HOST桥 PCI总线 PCI/LAGACY总线桥 PCI/PCI桥 LAGACY总线 PCI总线 (ISA、EISA、 MCA、。。。 ) LAGACY 设备 LAGACY 设备 PCI设备 PCI设备 PCI 总线结构框图

  37. 上图中,整个系统有三种不同的总线: (1)HOST 总线 CPU 总线、系统总线、主存总线等多种名称。 (2)PCI 总线 在 PCI 总线体系结构中有三种桥,桥的功能是: ①它连接两条总线,使彼此间相互通信; ②桥又是一个总线转换部件,可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上,从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。 ③PCI 总线的基本传输机制是猝发式传送,利用桥可以实现总线间的猝发式传送。桥的作用可使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。 ④由上可见,以桥连接实现的PCI总线结构具有很好的扩充性和兼容性,允许多条总线并行工作。 (3)LAGACY 总线 ISA、EISA、MCA 等性能较低的总线

  38. 6.5 ISA 总线和Futurebus+总线 6.5.1 ISA 总线 ISA 总线的时钟频率典型值为8.33MHz 。 6.5.2 Futurebus+总线 Futurebus+总线标准是VME国际贸易协会、IEEE微处理机标准委员会等团体以及来自公司、大学的专家们协作下开发的。 Futurebus+总线是迄今为止最复杂的总线标准,能支持64位地址空间,64位、128位、256位数据传输,为下一代的多处理机系统提供了一个稳定的平台。

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