《第7章--总线系统要点课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第7章--总线系统要点课件.ppt（57页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,总线的基本概念 总线结构 总线控制 总线接口 常用总线,第七章 总线系统,计算机系统中各部件之间的互联方式：分散式连接总线式连接,7.1 总线的基本概念,总线：是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。,7.1 总线的基本概念,总线的两个基本特征：共享性：指多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。分时性：同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息，系统中的多个部件不能同时传送信息。,7.1 总线的基本概念,1.总线的特性：物理特
2、性：指总线的物理连接方式。功能特性：总线中每一根线的功能。电气特性：每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。时间特性：每根线在什么时间有效。,7.1 总线的基本概念,2.总线的分类*注：按照不同的分类标准，有多种分类方法一、按照总线传输的内容分类（1）数据总线（2）地址总线（3）控制总线二、按照总线在单处理器系统中的位置，分为三类：（1）片内总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。（片级总线）（2）系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件之间互相连接的总线。（内部总线）（3）I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线（外部总线）。,7.1 总线的基本概念,3.总线的性能指
3、标总线宽度：数据总线的条数，用bit（位）表示，目前常用的是32位和64位数据总线。总线带宽：总线上每秒能传输的最大字节量，单位是MB/s。例如，PCI总线的宽度为32位，总线时钟频率为33 MHz，则最大数据传输速率为信号线数：地址、数据、控制总线的总和，信号线数与性能不成正比，但反映了总线的复杂程度。,7.1 总线的基本概念,132 MB/s。,总线时钟频率：总线中各种信号的定时基准。总线时钟的周期称为总线周期。（同步总线和异步总线）多路复用技术：为了提高总线效率，将数据总线与地址总线共用一组物理线路，总线在某一时刻传输地址码，而在另一时刻传输数据信号或命令信号,7.1 总线的基本概念,4
4、.总线的组成信号线：包括地址线、数据线、控制、时序和中断信号线、电源线、备用线。总线控制器：总线判优控制逻辑和通信控制逻辑。接口电路：总线与各个部件之间需要通过接口进行连接。,7.1 总线的基本概念,5.总线的数据传输方式串行传送按顺序传送一个数码的所有二进制位，每次一位。被传送的数据需要在发送部件进行并串变换，称为拆卸，反之称为装配。并行传送 对每个数据位需要单独一条传输线，信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线。并串传送 传送单字节数据是采用并行方式，传送多字节时才用串行方式。分时传送 传输线上采用总线复用方式传送地址和数据信息；共享总线的部件分时使用总线。,7.1 总线的基本概念,7
5、.2 总线结构,根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有两种基本类型：单总线系统多总线系统,1、单总线结构,单总线结构特点：优点：结构简单，容易扩充；缺点：共享总线的各个部件需要分时使用总线，所以信息传输吞吐量受到限制，会导致很大的时间延迟。,由于CPU与主存交换数据的机会多，故增加了存储总线解决此问题，减轻了总线的负担。,2、双总线结构,以存储器为中心的双总线结构,存储总线（M总线）用来连接CPU和主存，I/O总线连接CPU和外部设备。但外部设备和主存交换信息仍需要占用CPU，影响了CPU的工作效率。,以CPU为中心的双总线结构,通道的功能：对外设的统一管理；完成外设与主存，CPU之间的
6、数据传送。,3、三总线结构,主存总线：负责CPU和主存的信息传递；I/O总线：负责外设和CPU的信息传递；DMA总线：负责外设和主存的信息传递,4、四总线结构,PCI总线结构示意图,5、总线结构举例,总线仲裁总线通信控制,7.3 总线控制,连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。CPU及I/O模块都可以作为主设备提出总线请求。每次总线操作只能有一个主方占用总线控制权。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，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。,一、总线仲裁,按照总线仲裁电路的设置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。集中式链式查询方式计数器定时查询
7、方式独立请求方式 分布式,总线仲裁,（1）链式查询方式,1.集中式仲裁,BG,BR,BS,BR-总线请求信号；BG-总线授权信号；BS-总线忙,链式查询的过程：总线仲裁器接到总线请求后，若BS=0，则总线授权信号串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口；假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询，该I/O接口就获得了总线控制权，使BS=1。,特点：判优方法简单，扩充设备容易；总线请求优先级较低的设备容易被忽略；总线授权信号串行传送，因设备的差错，容易造成堵塞。,优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁。缺点：对询问链的电路故
8、障很敏感。,（2）计数器定时查询方式,总线仲裁,计数器定时查询过程：各设备经BR发出请求；总线仲裁电路判断：当BS=0时，开始计数；计数值经地址线送各设备：计数值=某设备地址，该设备获总线授权；当计数从0开始时，谁的地址号越小越优先，当计数值从终止点开始，所有设备优先级相同。优点：比较灵活。缺点：线数比较多。,（3）独立请求方式,总线仲裁,BG0,BR0,BR1,BG1,BGn,BRn,过程：每个设备有独立的总线请求线BR至总线仲裁；总线总裁也对每个设备送总线授权线。当有总线请求时，有总线总裁内部进行判优裁决。优点：判优及相应的速度快；优先次序控制灵活。缺点：设备、电路复杂。,2.分布式仲裁不
9、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。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。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。,总线仲裁,中央处理器,设备接口0,设备接口1,设备接口N,3,1,2,1.总线的定时总线的一次信息传送过程，大致可分为四个阶段：总线请求及仲裁，寻址，信息传送，结束阶段定时：指事件出现在总线上的时序关系。数据传送过程中采用两种定时方式：同步定时和异步定时,二、总线的定时和数据传
10、输模式,（1）同步定时,同步总线读操作时序,同步总线写操作时序,同步定时特点：出现在总线上的地址或数据都由统一的时钟信号定时控制；具有较高的传输频率；对所有模块都用同一限时，必须按最慢速度部件来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会严重影响总线的工作效率，适用于总线长度较短、各功能模块存取时间应比较接近的情况。,（2）异步定时,没有统一的时钟周期划分，不要求严格使用统一的动作时间，而采取应答方式，又叫握手方式，即当主模块发出请求信号时，一直等待从模块反馈回来“响应”信号后，才开始通信。异步定时方式可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型,异步定时,异步总线读操作时序,主同步/请求信号,从
11、同步/响应信号,异步定时特点：无公共时钟信号；挂在总线上的模块的存取时间差别较大；传送方式依靠应答信号，总线周期长度不固定。,读、写操作块传送操作写后读、读修改写操作广播、广集操作,2.总线数据传送模式,用于连接主机与I/O设备的这个转换机构称为I/O接口电路，简称接口，接口也叫适配器,7.4 总线接口,接口的主要功能：1设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应CPU与外设之间的速度差异；2能够进行数据类型、格式等方面的转换；3能够协调CPU和外设两者在信息的类型和电平方面的差异；4协调时序差异；5地址译码和设备选择功能；6设置中断和DMA控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求
12、信号，并在接收到中断和DMA应答之后完成中断处理和DMA传输。,各厂家生产的相同功能部件可以互换使用-总线的标准化总线标准：系统总线和设备总线。,7.5 常用系统总线及设备总线举例,1.总线的标准化,2.系统总线,（1）工业标准结构总线（ISA总线）(Industry Standard Architecture）数据16位，地址24位，工作频率8MHz，最大数据传输率16.67MB/S。ISA总线是286时代所定义的8/16位总线，在PIII时代的主板甚至还保留1、2个ISA扩充插槽。ISA主要是用来匹配速度较慢的接口卡，如串/并行口卡、网络卡等。通常PC内ISA插槽用黑塑料制作。,（2）扩充
13、的工业标准总线（EISA总线）(Extended Industrial Standard Architecture)ISA总线的增强版，数据和地址总线都是32位，工作频率仍是8.33MHz，直接寻址范围为4GB，最大传输率为33MB/S。与ISA具有良好的兼容性，同时发挥了32位处理器的功能，使之在图形技术、网络和数据处理等发挥作用。EISA插槽通常用褐色塑料制作。,（3）视频电子标准协会总线（VESA总线）(Video Electronic Standard Association)为了支持早期高性能WINDOWS图形显示卡和存储设备而设计此总线。速度高达40MHz，但是超过33MHz后稳定
14、性较差。最大传输率为133MB/S。但没有流行多久就被PCI总线所代替。,（4）PCI总线Peripheral component interconnect（周边元件扩展接口)由Intel公司1991年提出，很快为IBM，DEC，Compaq，Apple公司接受。后成立PCI集团。目前PC计算机都以PCI为主的系统总线。,PCI插槽形状,主要系统总线性能比较:,好,很好,有,有,有,无限,132/264/528,32/64位,PCI,差,差,无,无,无,有限,132,32位,VESA,较好,好,无,无,有,有限,33,32位,EISA,较好,差,无,无,无,无,8,16位,总线,数据总线,带宽
15、（MB/S）,猝发方式,自动配置,并行工作,支持3.3V,规范性,可扩展性,ISA,（5）PCI-E总线 PCI-Express是最新的总线和接口标准，它原来的名称为“3GIO”，是由英特尔提出的，很明显英特尔的意思是它代表着下一代I/O接口标准。它的主要优势就是数据传输速率高，目前最高的16X 2.0版本可达到10GB/s，而且还有相当大的发展潜力,PCI VS PCI Express,PCI 采用并行的信号机制传输速率从33MT/S 到 266MT/S总线带宽有32bit/64bit 两种支持边带(Side band)信号控制Load-Store 架构内存，I/O，配置PCI 电源管理奇偶
16、和ECC,串行差分接口传输速率达到了10GB/s多种传输模式，非常灵活：1X，2X.32XIn-band 控制Load Store 架构内存，I/O，配置和信息增强控制机制与目前的PCI 软件100%兼容高级电源管理高级RAS，支持热插拔支持QoS(服务质量),PCI-E总线与其他总线性能的比较,3.设备总线,主要用于计算机系统的主机与外部设备之间的互联，也称外部总线。,（1）ATA（IDE）接口集成设备电路（IDE）,是连接硬盘的接口标准。并行ATA标准：ATA/ATAPI-7，传输速率133MB/s串行ATA标准ATA：SATA1.0，最高数据传输率为150MB/s，速率还可扩展到2X和4
17、X（300MB/s和600MB/s），SATA3.0可达6Gb/s。,(2)SCSI总线Small Computer System Interface，“小型计算机系统接口”，用来连接外设设备如硬盘、光驱、扫描仪、磁带机、打印等等。,(3)USB总线USB(Universal Serial Bus)“通用串行总线”。由IBM、Intel等七大公司推出的新一代I/O接口标准。USB使用一个4针插头作为标准插头。,（4）IEEE 1394 IEEE1394，又称为 FireWire或iLink，是一种高效的串行接口，是面向计算机外设和消费类电器产品的高速串行总线，被用于硬盘、扫描仪、打印机和数字视频设备。特点：极高的传输速度，最高可达3.2Gb/s的高速同步数据传输速度；通过6针缆线与外设相连，并支持热插拔；,
