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1、第六章 总线系统,6.1 总线的概念和结构形态 6.2 总线接口 6.3 总线的仲裁 6.4 总线的定时和数据传送模式 6.5 HOST总线和PCI总线 6.6 InfiniBand标准,第六章 总线系统,6.1 总线的概念和结构形态,6.1.1 总线的基本概念6.1.2 总线的连接方式6.1.3 总线的内部结构6.1.4 总线结构实例,6.1.1 总线的基本概念,总线：构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。总线支持不同部件之间的地址、数据、控制三类信息的传送。,一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：内部总线 CPU内，连接各寄存器及运算器。系统总线 连接C
2、PU与存储器、I/O通道等。I/O总线 连接各I/O设备。,1.总线的特性,物理特性指物理连接方式的规定。如总线的根数、插头插座的形状和尺寸等。功能特性指总线中每一根的功能。如它是数据、地址，还是控制线？,功能特性中，如果描述了n根地址线，则可直接访存的地址范围为0(2n1)。,物理特性功能特性电气特性时间特性,1.总线的特性(续),电气特性规定每根线上信号的传递方向和有效电平范围。从CPU发出的信号，称输出信号(OUT)；送入CPU的信号，称输入信号(IN)。数据线可传送双向信号，地址、控制线只单向传送信号。,1.总线的特性(续),时间特性规定每根线上的信号什么时间有效。,访存时地址、控制、
3、数据信号的时序关系,2.系统总线的标准化,PC中，系统总线布设在主板上。为什么主板能支持很多厂家的显卡？原因是，系统总线是按标准制作的。总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性和时间特性。微机中的标准总线：ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线。,总线的主要参数 1.总线的带宽（MB/s）一定时间内总线上可传送的数据量2.总线的位宽 总线能同时传送的数据位数。即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。3.总线的工作时钟频率（MHz）总线的时钟频率,总线带宽,总线传输数据的速度。单位：MB/s例：(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
4、时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?(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，则总线带宽是多少?解：（1）带宽=4f=4B33106/s=132MB/s。(2)带宽=64f=8B66106/s=528MB/s。,6.1.2 总线的连接方式,I/O设备的种类有很多。键盘、鼠标、软盘、硬盘、显示器等。I/O设备的结构、数据传送速度都有差别。I/O设备直接连到总线是不可以的。适配器(又称接口)可使CPU、设备分别以自己的速度工作；完成CPU与设备的数据传送和控制。单机系统中总线结构的两种基本类型：单总线和多总线。,单总线结构,各部件公用同一个总线；任何
5、时刻，只允许一对部件进行数据传送；主存和IO设备统一编址；如果IO设备可指定地址，则可不经CPU访存，这叫DMA。一个部件要发起数据传送，必须先获得总线控制权。,play,多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。,图6.2 多总线结构,CPU和cache之间采用高速的CPU总线。,主存连在系统总线上,高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设备）,高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备,通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相
6、连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路,6.1.4 总线的内部结构,早期的单总线可看作CPU引脚的延伸。,play,“CPU引脚延伸”的缺陷,CPU是总线控制的主角;现在接口中增加DMA控制器，但仍无法支持多个CPU的系统；总线与CPU引脚相关，通用性差。,现代的总线观,主板,追求与结构、CPU、技术无关的开发标准,完成几个总线请求者之间的协调与仲裁,奔腾PC主板,play,北桥,南桥,6.2 总线接口,6.2.1 信息的传送方式6.2.2 接口的基本概念,6.2.1 信息的传送方式,位信息的表示方法用持续的高电位（或低电位）表示1（或0）；3.5V5V 10 1.2V 0用有（
7、或无）脉冲表示1（或0）。,6.2.1 信息的传送方式(续),信息传送的三种方式串行传送沿一根线，用“有无脉冲”顺序地传送数据的各个位。并行传送用一组线，各位同时沿不同的线传送。分时传送不同性质或不同部件的二进制数在不同的总线周期里传送。,串行传送,并行传送,电位表示；比串行传送快；主板总线一般采用并行传送。,分时传送,先发地址，后发数据,两种概念：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。共享总线的部件分时使用总线,6.2.2 接口的基本概念,接口是CPU、内存、外设与总线之间的转换器。内存、外设有自己的控制器。要连到总线上，还需要接口（电路）。,图6.7 外围设备的连接方法
8、,接口的功能,控制接收总线传来的控制信息，向控制器发指示。缓冲缓冲总线传来的数据，或部件传来的数据。状态保存部件的工作状态，供其他部件查询。转换数据转换。例如并行数据与串行数据的转换。整理程序中断外设请求CPU服务时，接口发出中断请求。,接口的“两面性”,与系统总线的“一面”；一般是并行传送。与外设控制器的“一面”。也采用并行传送时，称接口为并行数据接口；采用串行传送时，称接口为串行数据接口。,例：串行传送时，每秒传送的位数称波特率。若数据传送速率为120字符/秒，每字符包含10位（1个起始位、8个数据位和1个停止位）。计算波特率，以及位传送周期。,解：波特率为10位120字符/秒1200波特
9、。位传送周期为1/1200 0.000833（秒）。,6.3 总线仲裁、定时和数据传送模式,对于总线的两个部件，一个为主方，另一个为从方。只有主方有权启动一个总线周期，从方只能响应主方的请求。当多个可作主方的设备请求总线控制，谁优先？公平策略例，多CPU系统中，CPU之间是平等的。优先级策略I/O设备之间一般有不同的总线请求优先级。主方持续控制总线的时间，称为总线占用期。总线的仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。,什么是集中式仲裁？,总线仲裁部件 中央仲裁器每个功能模块有两根线连到中央仲裁器。送仲裁器的总线请求线（BR,Bus Request）;仲裁器送来的总线授权线（BG，Bus Gra
10、nt）。实现方案链式查询方式；计数器定时查询方式；独立请求方式。,链式查询方式,BS（Bus State）1时，总线正被某设备使用。有一个接口使BR为1且BS为0时，仲裁器置BG为1。接口发现BG为1，置BS为1，撤消BR，不再传递BG。,优点：BG线只有一根。缺点：接口优先级固定；故障敏感；优先级低的接口可能长期无法使用总线。,计数器定时查询方式,BR为1且BS为0时，仲裁器的计数器开始计数，并从“设备地址”发出计数值；接口发现设备地址与自己的相同时，置BS为1，撤消BR。仲裁器发现BS为1，停止计数。,计数初值为0；初值为上次停止值；允许程序设置初值。,独立请求方式,响应时间快；优先次序的
11、控制比较灵活；还可屏蔽某些设备的请求。,在单CPU系统中，中央仲裁器又称总线控制器，属于CPU一部分。,play,什么是分布式仲裁？,没有中央仲裁器；每个潜在的主方都有仲裁器；共用一个“仲裁总线”；有总线请求时，将自己仲裁器的编号放在“仲裁总线”上；发现自己的编号小，则撤消自己的编号；最后，获胜者的编号留在“仲裁总线”上。,集中式仲裁总线仲裁部件 中央仲裁器分布式仲裁没有中央仲裁器；每个潜在的主方都有仲裁器；,总线的定时,总线的一次信息传送，大致分5个阶段：请求总线；总线仲裁；寻址（即发送地址到地址总线）；信息传送（即发送数据到数据总线）；状态返回（或错误报告）。主方和从方的动作有时序关系。规
12、定事件出现在总线上的时序关系，称总线定时。,总线定时,总线定时是总线系统的又一核心问题。主方、从方的操作必须制订定时协议。通常采用同步定时与异步定时两种方式。在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定，总线周期的长度是固定的。在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，建立在应答式或互锁机制基础上，不需要统一的公共时钟信号。在异步定时中，总线周期的长度是可变的。,总线的数据传送模式,读、写操作 主方与从方间的数据传送。块传送操作给出块的起始地址，顺序读(写)多个数据。例：CPU-存储器之间的猝发式传送。“写后读”、“读后写”操作给出地址后，先写入后读出，
13、用于校验。给出地址后，先读出后写入，用于共享资源的保护。广播、广集操作广播：主方向多个从方传送数据（写）；广集：多个从方向主方传送数据（读），例：检测中断源。,多总线结构的示意图,HOST总线PCI总线LAGACY总线,“宿主”总线，也称CPU总线、系统总线、主存总线,ISA，EISA，MCA等性能较低的传统总线，支持中低速I/O设备,桥连接两条总线，使彼此间相互通信。,HOST桥是PCI总线控制器，含有中央仲裁器,PCI总线,PCI是与CPU无关的外围总线。连接到PCI总线的设备，称PCI设备。使用PCI/PCI桥或HOST/PCI桥，系统中可包含多个PCI总线。总线定时方式采用同步时序协议
14、。总线仲裁方式采用集中式仲裁。PCI总线的基本传输机制是猝发式传送。,本章小结,总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通道，并在争用资源的基础上进行工作。总线有物理特性、功能特性、电气特性、时间特性，因此必须标准化。微型计算机系统的标准总线从ISA总线、EISA总线、VESA总线发展到PCI总线。衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率。计算机系统中，总线传输信息可采用并行传送、串行传送和复用传送。各种外围设备必须通过“接口”与总线相连。接口在两个功能部件间起着缓冲器和转换器的作用，以便实现彼此之间的信息传送。总线仲裁是总线系统
15、的核心问题之一。总线仲裁部件通过采用优先级策略或公平策略，选择一个主设备作为总线的主方，接管总线控制权。总线仲裁分为集中式仲裁和分布式仲裁。集中式仲裁方式必有一个中央仲裁器，它受理所有功能模块的总线请求，按优先原则或公平原则进行排队，然后仅给一个功能模块发出授权信号。分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。通过分配优先级仲裁号，每个仲裁器将仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较，从而获得总线控制权。,本章小结,总线定时是总线系统的又一核心问题。主方、从方的操作必须制订定时协议。通常采用同步定时与异步定时两种方式。在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟
16、信号来确定，总线周期的长度是固定的。在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，建立在应答式或互锁机制基础上，不需要统一的公共时钟信号。在异步定时中，总线周期的长度是可变的。当代的总线标准大都能支持以下数据传送模式：(1)读/写操作；(2)块传送操作；(3)写后读、读修改写操作；(4)广播、广集操作。PCI总线是当前流行的总线，是一个高带宽且与处理器无关的标准总线，在微型机系统中得到了广泛的应用。InfiniBand标准，瞄准了高端服务器市场的最新I/O规范，它是一种基于开关的体系结构，可连接多达64000个服务器、存储系统、网络设备，能替代当前服务器中的PCI总线，数据传输率高达30GB/s。因此适合于高成本的较大规模计算机系统。,
