計(jì)算機(jī)組成原理(第六章1)

1、第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 總總 線線CPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線系統(tǒng)軟件總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成：“系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件+系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件+總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)”可見：總線系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)組成可見：總線系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)組成中的作用。中的作用。寄存器組寄存器組ALU I/O 系統(tǒng)系統(tǒng)CU課程教學(xué)要求本章內(nèi)容本章內(nèi)容： 6.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài) 6.2 總線接口總線接口 6.3 總線的仲裁總線的仲裁 6.4 總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式 6.5 HOST總線和總線和PCI總線總線 6.6 In

2、finiBand 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 本章小結(jié)本章小結(jié)6.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài) 討論問題：討論問題：1 1 總線的基本概念總線的基本概念 2 2 總線的連接方式總線的連接方式 3 3 總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響 4 4 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 5 5 總線結(jié)構(gòu)實(shí)例總線結(jié)構(gòu)實(shí)例總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.1.1 總線的基本概念總線的基本概念 什么是總線什么是總線： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中連接各個(gè)部件的信息傳輸線，稱為連接各個(gè)部件的信息傳輸線，稱為“總線總線”。 系統(tǒng)各功能部件系統(tǒng)各功能部件共享的傳輸介質(zhì)，是共享的傳輸介質(zhì)，是傳送數(shù)據(jù)或信息的公共通路

3、。傳送數(shù)據(jù)或信息的公共通路?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線上信息的傳送方式總線上信息的傳送方式：串行：串行：并行：并行：(逐位傳送逐位傳送)(并位傳送并位傳送)單處理器系統(tǒng)中的總線單處理器系統(tǒng)中的總線，一般分為三類：，一般分為三類： (1) 內(nèi)部總線內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部（含運(yùn)算器）各部件之間內(nèi)部（含運(yùn)算器）各部件之間的總線。（又稱：片內(nèi)總線）的總線。（又稱：片內(nèi)總線） (2) 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線：CPU同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它高速同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它高速I/O部件，如存儲(chǔ)器、通道等互相連接的總線。部件，如存儲(chǔ)器、通道等互相連接的總線。 (3) I/O總線總線：中、低速：中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總設(shè)備之間互

4、相連接的總線。線?？偩€的分類：CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板1、總線（總線（BUS）物理實(shí)現(xiàn)）物理實(shí)現(xiàn)BUS主板主板計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)主板主板各類接各類接口插槽口插槽2.2.總線總線（BUS）的特性的特性( (教材教材P185) ) 物理特性物理特性：尺寸、形狀、管腳數(shù)及排列順序尺寸、形狀、管腳數(shù)及排列順序等。等。 功能特性功能特性：描述總線中每一根線的功能：描述總線中每一根線的功能 電氣特性電氣特性：傳輸方向傳輸方向和有效的和有效的電平電平范圍范圍。 時(shí)間特性時(shí)間特性: 各信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。各信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制模塊模塊模塊模塊系統(tǒng)系統(tǒng)總總線

5、線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)系統(tǒng)系統(tǒng)標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn) 界界 面面ISA (16位位)EISA (32位位)VESA (32位位)PCI (64位位)AGPRS-232USB3、總線的標(biāo)準(zhǔn)化、總線的標(biāo)準(zhǔn)化什么是標(biāo)準(zhǔn)化？什么是標(biāo)準(zhǔn)化？Industrial Standard Architecture 即：不同廠家生產(chǎn)的各功能部件在實(shí)現(xiàn)方法上各自即：不同廠家生產(chǎn)的各功能部件在實(shí)現(xiàn)方法上各自不同，然而不同，然而, , 通過標(biāo)準(zhǔn)接口可組合成一個(gè)系統(tǒng)，或通過標(biāo)準(zhǔn)接口可組合成一個(gè)系統(tǒng)，或者互換使用相同功能的部件。者互換使用相同功能的部件。原因原因: : 它們都遵守相同的系統(tǒng)總線的要求，可以通它們都遵守相同的系統(tǒng)總線的要求，可以通過過

6、總線標(biāo)準(zhǔn)接口界面總線標(biāo)準(zhǔn)接口界面實(shí)現(xiàn)互連，這就是總線實(shí)現(xiàn)互連，這就是總線標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化的的作用和意義作用和意義?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)4、總線、總線(BUS)的主要性能指標(biāo)的主要性能指標(biāo)1) 總線寬度總線寬度2) 總線帶寬總線帶寬*3) 同步同步/ /異步異步4) 信號(hào)線總數(shù)信號(hào)線總數(shù)并行傳輸線并行傳輸線的條數(shù)的條數(shù) 單位時(shí)間內(nèi)最大傳輸字節(jié)數(shù)（單位時(shí)間內(nèi)最大傳輸字節(jié)數(shù)（MB/s）同步定時(shí)總線、異步同步定時(shí)總線、異步定時(shí)總線定時(shí)總線地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和【例例1 1】(1)(1)已知某總線在一個(gè)總線周期中并行已知某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送傳送4個(gè)字節(jié)的數(shù)個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)

7、，假設(shè)一個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘周期，總線時(shí)鐘頻率為據(jù)，假設(shè)一個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘周期，總線時(shí)鐘頻率為f=33MHz，則總線帶寬是多少，則總線帶寬是多少? （教材（教材P186）(2)如果一個(gè)總線周期中并行傳送如果一個(gè)總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時(shí)鐘頻率升為位數(shù)據(jù)，總線時(shí)鐘頻率升為f= 66MHz，則總線帶寬是多少，則總線帶寬是多少? 解：解：(1)設(shè)總線帶寬用設(shè)總線帶寬用Dr表示，總線時(shí)鐘周期用表示，總線時(shí)鐘周期用=1/f表示，一表示，一個(gè)總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用個(gè)總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示。表示。則則: Dr = D1/= Df =4B33 M/s=132 MB/s(2) 6

8、4位位=8B， Dr= Df =8B66 M/s=528 MB/s 6.1.2 總線的連接方式總線的連接方式 1.1.單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu) 在單處理器的在單處理器的計(jì)算機(jī)中，若使用一條單一的系統(tǒng)總計(jì)算機(jī)中，若使用一條單一的系統(tǒng)總線把線把CPU、主存和、主存和I/O設(shè)備連接在一起，稱為：?jiǎn)慰偩€設(shè)備連接在一起，稱為：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。CAI演示演示?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)包括：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)包括：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)框圖：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)框圖：?jiǎn)慰偩€單總線（系統(tǒng)總線）（系統(tǒng)總線） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備1 I/O 設(shè)備設(shè)備2 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備n

9、I/O接口接口單總線上進(jìn)行的操作單總線上進(jìn)行的操作： (1)(1)取出指令取出指令：當(dāng)：當(dāng)CPU取一條指令時(shí)，首先把指令取一條指令時(shí)，首先把指令地址（地址（PC值）與控制信息一起送至總線上，通過總線值）與控制信息一起送至總線上，通過總線選定并訪問選定并訪問 I-Cache，讀出的指令，并通過總線送到，讀出的指令，并通過總線送到IR,完成完成“取指令取指令”操作。操作。(2) 存取數(shù)據(jù)存取數(shù)據(jù)：CPU按指令要求，通過總線與按指令要求，通過總線與D-Cache進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng) (3) I/O操作操作：如果：如果CPU給出的是外圍設(shè)備地址，給出的是外圍設(shè)備地址，被選中的被

10、選中的I/O設(shè)備通過總線與設(shè)備通過總線與CPU或其它或其它I/O設(shè)備之間設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。（與訪問內(nèi)存單元類似與訪問內(nèi)存單元類似）(4) DMA操作操作: 某些外圍設(shè)備還可以通過總線直接某些外圍設(shè)備還可以通過總線直接與主存進(jìn)行數(shù)據(jù)的批量交換與主存進(jìn)行數(shù)據(jù)的批量交換 (DMA操作操作)。(5) 單總線結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)擴(kuò)展單總線結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)擴(kuò)展：只需在系統(tǒng)總線上：只需在系統(tǒng)總線上掛接增添部件即可。掛接增添部件即可。 注意到：注意到： 在單總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，總線在單總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，總線是多種部件共享是多種部件共享共用的唯一的信息傳送通路，這就共用的唯一的信息傳送通路，這就要求掛接

11、在總線上要求掛接在總線上的各部件都應(yīng)當(dāng)?shù)母鞑考紤?yīng)當(dāng)高速運(yùn)行并及時(shí)釋放總線高速運(yùn)行并及時(shí)釋放總線，以便使各，以便使各設(shè)備都能迅速獲得總線控制權(quán)。設(shè)備都能迅速獲得總線控制權(quán)。 以保證總線資源的得到充分使用。以保證總線資源的得到充分使用。 顯然：顯然：這種總線結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中包含這種總線結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中包含各類不同速度資源對(duì)總線的高效使用要求各類不同速度資源對(duì)總線的高效使用要求。慢速設(shè)備如何接入慢速設(shè)備如何接入？ 需要多層次總線技術(shù)的支持！單總線無單總線無法兼顧！法兼顧?。▊鹘y(tǒng)總線的多總線結(jié)構(gòu)改進(jìn)傳統(tǒng)總線的多總線結(jié)構(gòu)改進(jìn)）IBUSBUSDBUSDBUS2.2.現(xiàn)代多總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)代多總

12、線結(jié)構(gòu)（現(xiàn)代機(jī)器現(xiàn)代機(jī)器）CPU、主存、主存、I/O之間的互聯(lián)采用多總線結(jié)構(gòu)。如圖所示。之間的互聯(lián)采用多總線結(jié)構(gòu)。如圖所示。 （教材教材P188圖圖6.2）有何特有何特點(diǎn)？點(diǎn)？PCI北橋北橋南橋南橋n CPU總線總線：在：在CPU和和cache之間采用。之間采用。 n 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線：主存總線，通過：主存總線，通過“北橋北橋”與與CPU總線相連?？偩€相連。 n 高速總線高速總線：連接各類并行傳輸信息的高速設(shè)備。如：連接各類并行傳輸信息的高速設(shè)備。如：LAN（100Mb/s局域網(wǎng)）、視頻接口、圖形接口、局域網(wǎng)）、視頻接口、圖形接口、SCSI接口（支持本地磁盤驅(qū)動(dòng)器和其他外設(shè)）、接口（支持本地磁

13、盤驅(qū)動(dòng)器和其他外設(shè)）、Firewire接接口（口（支持大容量并行支持大容量并行I/O設(shè)備設(shè)備）等。）等。n 擴(kuò)充總線擴(kuò)充總線：連接串行方式工作的中、低速連接串行方式工作的中、低速I/O設(shè)備設(shè)備。 擴(kuò)充總線通過擴(kuò)充接口擴(kuò)充總線通過擴(kuò)充接口(南橋南橋)與高速與高速PCI總線相連。總線相連?，F(xiàn)代總線特點(diǎn)現(xiàn)代總線特點(diǎn): :n “橋橋”實(shí)質(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的實(shí)質(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路芯片，用于粘接、貫通不同的總線。邏輯電路芯片，用于粘接、貫通不同的總線。 n 多總線結(jié)構(gòu)使得多總線結(jié)構(gòu)使得高速高速、中速中速、低速設(shè)備低速設(shè)備可以掛接掛接在不同的總線上并可以并行工作，從而

14、解決了不同在不同的總線上并可以并行工作，從而解決了不同速度資源對(duì)總線的傳輸速度要求，提高了系統(tǒng)總線速度資源對(duì)總線的傳輸速度要求，提高了系統(tǒng)總線的整體效率，而且處理器結(jié)構(gòu)的變化不影響高速總的整體效率，而且處理器結(jié)構(gòu)的變化不影響高速總線的工作性能。線的工作性能。 多層次總線的技術(shù)特色多層次總線的技術(shù)特色6.1.3 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 早期總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，早期總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，CAI演示演示。 這種簡(jiǎn)單的總線一般由這種簡(jiǎn)單的總線一般由50100條線組成，這些線條線組成，這些線按其功能可分為三類：按其功能可分為三類：地址線地址線、數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線和和控制線控制線。 ( (見后圖見后

15、圖) )總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)ABUSDBUSCBUS簡(jiǎn)單總線結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單總線結(jié)構(gòu)的不足之處不足之處在于：在于：（1）CPU是總線上的唯一主控者，增加是總線上的唯一主控者，增加CPU 的工作負(fù)擔(dān)的工作負(fù)擔(dān);（2）總線信號(hào)是總線信號(hào)是CPU引腳信號(hào)的延伸，即：引腳信號(hào)的延伸，即： 總線結(jié)構(gòu)與總線結(jié)構(gòu)與CPU外部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，因外部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，因 而通用性較差。而通用性較差?，F(xiàn)代流行的總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖現(xiàn)代流行的總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6.4(教材教材P189)。 CAI演示演示 在現(xiàn)代總線結(jié)構(gòu)中，在現(xiàn)代總線結(jié)構(gòu)中，CPU和它片內(nèi)的和它片內(nèi)的Cache一起作為一個(gè)一起作為一個(gè)模塊與總線相連，系統(tǒng)中允許有多個(gè)這樣的

16、處理器模塊。模塊與總線相連，系統(tǒng)中允許有多個(gè)這樣的處理器模塊。 由總線控制器負(fù)責(zé)完成多個(gè)總線請(qǐng)求者之間的仲裁與協(xié)調(diào)。由總線控制器負(fù)責(zé)完成多個(gè)總線請(qǐng)求者之間的仲裁與協(xié)調(diào)。現(xiàn)代總線特點(diǎn)現(xiàn)代總線特點(diǎn)： 追求一種與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、追求一種與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、CPU組成、系統(tǒng)集成技術(shù)無關(guān)的組成、系統(tǒng)集成技術(shù)無關(guān)的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足包括單核或多開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足包括單核或多核系統(tǒng)的主控者對(duì)環(huán)境的核系統(tǒng)的主控者對(duì)環(huán)境的需求。需求?，F(xiàn)代總線通常包括四部分：現(xiàn)代總線通常包括四部分： 1 數(shù)據(jù)傳送總線數(shù)據(jù)傳送總線： 由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線 組成。組成。 2 仲裁總線仲裁總線： 包括總線請(qǐng)求線和總線授權(quán)

17、線。包括總線請(qǐng)求線和總線授權(quán)線。 3 中斷和同步總線中斷和同步總線：用于處理帶優(yōu)先級(jí)的中斷操：用于處理帶優(yōu)先級(jí)的中斷操 作，包括中斷請(qǐng)求線和中斷授權(quán)線。作，包括中斷請(qǐng)求線和中斷授權(quán)線。 4 公用線公用線： 包括時(shí)鐘信號(hào)線、電源線、地線、包括時(shí)鐘信號(hào)線、電源線、地線、 系統(tǒng)復(fù)位線以及加電或斷電的時(shí)序信號(hào)線等。系統(tǒng)復(fù)位線以及加電或斷電的時(shí)序信號(hào)線等。6.1.4 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)實(shí)例實(shí)例 （教材（教材P189)P189) 現(xiàn)代現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常采用分層的多總線結(jié)構(gòu)。在這種計(jì)算機(jī)通常采用分層的多總線結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，根據(jù)設(shè)備模塊傳送信息的速度，分成不同層結(jié)構(gòu)中，根據(jù)設(shè)備模塊傳送信息的速度，分成不同層次的

18、總線。次的總線。 以以pentium計(jì)算機(jī)為例，主板的總線結(jié)構(gòu)如圖，其計(jì)算機(jī)為例，主板的總線結(jié)構(gòu)如圖，其按速度分成：按速度分成：CPU總線、總線、PCI總線、總線、 ISA總線等?？偩€等。 （見教材（見教材P190圖圖6.5）。CAI演示演示PCI設(shè)備設(shè)備PCI設(shè)備設(shè)備PCI設(shè)備設(shè)備北橋南橋 Pentium機(jī)總線的三層結(jié)構(gòu)：機(jī)總線的三層結(jié)構(gòu)： CPU總線總線PCI總線總線ISA總線總線： 64位數(shù)據(jù)線和位數(shù)據(jù)線和32位地址線的位地址線的高速同步總線高速同步總線32位位(或或64位位)的較高速同步總線，的較高速同步總線，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/地址線是分時(shí)復(fù)用。地址線是分時(shí)復(fù)用。中、低速中、低速I/O總線總線

19、CPU總線特點(diǎn)總線特點(diǎn)：也稱也稱CPU存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器總線?？偩€。 主存擴(kuò)充容量是以內(nèi)存條形式插入主板有關(guān)插座主存擴(kuò)充容量是以內(nèi)存條形式插入主板有關(guān)插座來實(shí)現(xiàn)的。來實(shí)現(xiàn)的。 該總線接有該總線接有L2級(jí)級(jí)cache，CPU對(duì)主存和對(duì)主存和cache的存的存取操作管理，由主存取操作管理，由主存/cache控制器芯片實(shí)現(xiàn)。控制器芯片實(shí)現(xiàn)。 CPU是這條總線的主控者，但必要時(shí)可放棄總線是這條總線的主控者，但必要時(shí)可放棄總線控制權(quán)?？刂茩?quán)。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 64位數(shù)據(jù)線和位數(shù)據(jù)線和32位地址線的高速同步總線位地址線的高速同步總線PCI總線總線： PCI總線總線用于連接高速用于連接高速的的I/O設(shè)備模塊。設(shè)備

20、模塊。通過通過“橋橋”芯片芯片: 與更高速的與更高速的CPU總線相連總線相連; 與低速的與低速的ISA總線相接。總線相接。 PCI總線采用總線采用集中式仲裁方式集中式仲裁方式，配有專用的，配有專用的PCI總總線仲裁器。主板上一般至少有線仲裁器。主板上一般至少有3個(gè)個(gè)PCI總線擴(kuò)充槽?？偩€擴(kuò)充槽?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)32位位(或或64位位)的較高速同步總線，數(shù)據(jù)的較高速同步總線，數(shù)據(jù)/地址線是分時(shí)復(fù)用。地址線是分時(shí)復(fù)用。ISA總線總線： Pentium機(jī)使用該總線與中、低速機(jī)使用該總線與中、低速I/O設(shè)備連接。設(shè)備連接。主板上一般留有主板上一般留有3 4個(gè)個(gè)ISA總線擴(kuò)充槽，以便使用各總線擴(kuò)充槽，以

21、便使用各種中、低速設(shè)備。（支持種中、低速設(shè)備。（支持7個(gè)個(gè)DMA通道和通道和15級(jí)可屏級(jí)可屏蔽硬件中斷蔽硬件中斷)總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 不同的總線通過不同的總線通過“橋橋”芯片被芯片被“粘合粘合”成一個(gè)整體。成一個(gè)整體。系統(tǒng)升級(jí)換代系統(tǒng)升級(jí)換代：只需更新處理器芯片，升級(jí)：只需更新處理器芯片，升級(jí)“橋橋”芯片芯片即可，無需改變系統(tǒng)其它結(jié)構(gòu)。即可，無需改變系統(tǒng)其它結(jié)構(gòu)。 Pentium機(jī)總線系統(tǒng)中，使用一個(gè)核心邏輯芯機(jī)總線系統(tǒng)中，使用一個(gè)核心邏輯芯片組（又稱片組（又稱PCI芯片組），它包括：芯片組），它包括：“主存主存/Cache控制控制器器芯片、北橋芯片和南橋芯片芯片、北橋芯片和南橋芯片”等。等。

22、顯然，該芯片組在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的控制與協(xié)調(diào)顯然，該芯片組在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的控制與協(xié)調(diào)作用。作用?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.2 總線接口總線接口 1 1 信息的傳送方式信息的傳送方式 2 2 接口的基本概念接口的基本概念總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.2.1 信息的傳送方式信息的傳送方式 計(jì)算機(jī)通常使用二進(jìn)制數(shù)碼，它們可用電位計(jì)算機(jī)通常使用二進(jìn)制數(shù)碼，它們可用電位的高、低來表示，也可用脈沖的有、無來表示。的高、低來表示，也可用脈沖的有、無來表示。 計(jì)算機(jī)中傳輸信息常采用三種方式：計(jì)算機(jī)中傳輸信息常采用三種方式： 串行傳送串行傳送 并行傳送并行傳送 分時(shí)傳送分時(shí)傳送。 出于速度和效率上的考慮，總線上傳送的信

23、息出于速度和效率上的考慮，總線上傳送的信息通常采用通常采用并行傳送并行傳送方式；方式； 而出于傳送距離、性價(jià)比及可靠性考慮，總線上而出于傳送距離、性價(jià)比及可靠性考慮，總線上的信息又可采用的信息又可采用串行傳送串行傳送方式。方式。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)1.1.串行傳送串行傳送串行方式傳送特點(diǎn)：串行方式傳送特點(diǎn)： 只有一條傳輸線，且通常采用只有一條傳輸線，且通常采用( (電流電流) )脈沖傳送脈沖傳送。即：即：以以脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)“有或無有或無”形式形式傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)“1或或0”，每拍（每拍（位時(shí)間位時(shí)間）傳一位信息。）傳一位信息?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng) 主機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的通常都是并行多位數(shù)據(jù)主機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的通常

24、都是并行多位數(shù)據(jù) 在串行傳送時(shí)，被傳送的數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行并在串行傳送時(shí)，被傳送的數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行并/ /串串變換，這稱為變換，這稱為拆卸拆卸；而在接收部件中又需要進(jìn)行串；而在接收部件中又需要進(jìn)行串/ /并變換，這稱為并變換，這稱為裝配裝配，才完成一個(gè)多位并行數(shù)據(jù)，才完成一個(gè)多位并行數(shù)據(jù)的傳送。的傳送。便于遠(yuǎn)距離傳送便于遠(yuǎn)距離傳送串行傳送串行傳送的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 串行、逐位地采用串行、逐位地采用電流脈沖信號(hào)電流脈沖信號(hào)傳送，這對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸傳送，這對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸顯得特別重要。并且只需要一條傳輸線，可靠性高，成本低廉。顯得特別重要。并且只需要一條傳輸線，可靠性高，成本低廉。串串- -并并變換變換傳送方

25、法：傳送方法：并行數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)0000010100000101 0 0 0 0 0 1 0 1Ti為傳送為傳送位周期位周期 顯然，串行傳送方式的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在于遠(yuǎn)距顯然，串行傳送方式的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在于遠(yuǎn)距離、可靠性，不在信息傳送的速度和效率上。離、可靠性，不在信息傳送的速度和效率上。 當(dāng)需要高速、高效傳送信息時(shí)，總線上通常采用當(dāng)需要高速、高效傳送信息時(shí)，總線上通常采用并行傳送并行傳送方式。方式。2.2.并行傳送并行傳送(多位并行傳送多位并行傳送)并行方式傳送特點(diǎn)并行方式傳送特點(diǎn)： 每位數(shù)據(jù)都占用一條單獨(dú)傳輸線，多位二進(jìn)制數(shù)每位數(shù)據(jù)都占用一條單獨(dú)傳輸線，多位二進(jìn)制數(shù)碼可以在同一時(shí)

26、刻同時(shí)傳送。碼可以在同一時(shí)刻同時(shí)傳送?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng) 并行傳送一般采用并行傳送一般采用電位電位傳送傳送。由于所有位數(shù)位被同。由于所有位數(shù)位被同時(shí)傳送，所以其信息的時(shí)傳送，所以其信息的傳送傳送速率速率比比串行傳送串行傳送快得多?？斓枚?。串、并行傳送的小結(jié)串、并行傳送的小結(jié)： CAI演示演示。 （參見教材參見教材P191）010110001011003.3.分時(shí)傳送分時(shí)傳送分時(shí)傳送有兩種概念分時(shí)傳送有兩種概念: :一、總線復(fù)用方式一、總線復(fù)用方式 在不同的時(shí)間間隔中，同一總線上可以分別完成在不同的時(shí)間間隔中，同一總線上可以分別完成地址傳送和數(shù)據(jù)傳送的任務(wù)。（地址傳送和數(shù)據(jù)傳送的任務(wù)。（復(fù)用復(fù)用）

27、二、部件分時(shí)使用方式二、部件分時(shí)使用方式 當(dāng)多部件共享總線時(shí)，各部件根據(jù)控制命令，當(dāng)多部件共享總線時(shí)，各部件根據(jù)控制命令，分時(shí)使用總線來完成自己的數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。（分時(shí)使用總線來完成自己的數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。（分時(shí)分時(shí)）總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.2.2 總線接口總線接口(Interface)的基本概念的基本概念 接口接口：又稱又稱I/O適配器，具體指適配器，具體指CPU與主存、外圍與主存、外圍設(shè)備之間通過總線進(jìn)行相互連接的標(biāo)準(zhǔn)邏輯部件。設(shè)備之間通過總線進(jìn)行相互連接的標(biāo)準(zhǔn)邏輯部件。CPU接口接口外部外部設(shè)備設(shè)備演示演示InterfaceABDBCBBUS 接口部件在所連接的兩個(gè)部件之間起著接口部件在所連接的兩

28、個(gè)部件之間起著“緩沖緩沖、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息交互。的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息交互。為了使各類外圍設(shè)備能接入系統(tǒng)，并與為了使各類外圍設(shè)備能接入系統(tǒng)，并與CPU正正確地交互工作，確地交互工作，CPU必須通過各設(shè)備的接口，來協(xié)必須通過各設(shè)備的接口，來協(xié)調(diào)與不同設(shè)備之間信息的傳送與控制。調(diào)與不同設(shè)備之間信息的傳送與控制。 設(shè)備接口的作用設(shè)備接口的作用 連接連接CPU連接外設(shè)連接外設(shè)1n接口部件充當(dāng)?shù)碾p重角色： 1. 外設(shè)控制外設(shè)控制接口能接受接口能接受CPU發(fā)來的控制信息，并控制外圍設(shè)發(fā)來的控制信息，并控制外圍設(shè)備的動(dòng)作，如啟動(dòng)、關(guān)閉設(shè)備等。備的動(dòng)作，如啟動(dòng)、關(guān)閉設(shè)備等。

29、 啟動(dòng)啟動(dòng)/ /關(guān)閉關(guān)閉常用接口通常具有如下典型功能常用接口通常具有如下典型功能: :CPU接口接口外部外部設(shè)備設(shè)備CBDBAB2. 數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖接口在外圍設(shè)備與主機(jī)、或與其它外部設(shè)備之接口在外圍設(shè)備與主機(jī)、或與其它外部設(shè)備之間用作為一個(gè)緩沖器，以補(bǔ)償或調(diào)整各種設(shè)備之間間用作為一個(gè)緩沖器，以補(bǔ)償或調(diào)整各種設(shè)備之間在速度上的差異。在速度上的差異。3. 狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋接口負(fù)責(zé)監(jiān)視并保存外圍設(shè)備的工作狀態(tài)信息。接口負(fù)責(zé)監(jiān)視并保存外圍設(shè)備的工作狀態(tài)信息。例如例如: 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)“準(zhǔn)備就緒準(zhǔn)備就緒”、“設(shè)備忙設(shè)備忙”、“數(shù)據(jù)錯(cuò)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤誤”等，供等，供CPU查詢及分析之用。查詢及分析之用。 4.4.數(shù)據(jù)

30、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口可以根據(jù)需要完成各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如：并接口可以根據(jù)需要完成各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如：并/ /串串轉(zhuǎn)換、串轉(zhuǎn)換、串/ /并轉(zhuǎn)換等，以保證數(shù)據(jù)能在外圍設(shè)并轉(zhuǎn)換等，以保證數(shù)據(jù)能在外圍設(shè)備和備和CPU之間正確地進(jìn)行傳送。之間正確地進(jìn)行傳送。 5. 信息整理信息整理接口可以完成一些特別的功能，如：在需要時(shí)可接口可以完成一些特別的功能，如：在需要時(shí)可以修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器等。以修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器等。 6. 程序中斷程序中斷當(dāng)外圍設(shè)備向當(dāng)外圍設(shè)備向CPU請(qǐng)求某種操作時(shí)，準(zhǔn)備就緒后，請(qǐng)求某種操作時(shí)，準(zhǔn)備就緒后，接口負(fù)責(zé)向接口負(fù)責(zé)向CPU發(fā)出發(fā)出“中斷請(qǐng)求信號(hào)中斷請(qǐng)求信號(hào)”。總線

31、系統(tǒng)總線系統(tǒng) 一個(gè)適配器通常包含兩個(gè)接口單元一個(gè)適配器通常包含兩個(gè)接口單元: :1、與系統(tǒng)總線的接口與系統(tǒng)總線的接口： 并行數(shù)據(jù)接口并行數(shù)據(jù)接口2 2、與外設(shè)的接口與外設(shè)的接口： 并行或串行數(shù)據(jù)接口并行或串行數(shù)據(jù)接口 串行傳送：通常用串行傳送：通常用波特率波特率或比特率比特率來表示。來表示。波特率波特率：每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為波特率波特率。比特率比特率：每秒鐘傳送的每秒鐘傳送的有效數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為位數(shù)，稱為比特率比特率。數(shù)據(jù)傳送速率的常用性能表示：數(shù)據(jù)傳送速率的常用性能表示： 并行傳送并行傳送： MB/s （帶寬帶寬）【例例】 利用串行方式傳送字符，假設(shè)數(shù)據(jù)

32、傳送速率是利用串行方式傳送字符，假設(shè)數(shù)據(jù)傳送速率是120個(gè)字符個(gè)字符/秒，每一個(gè)字符格式規(guī)定包含秒，每一個(gè)字符格式規(guī)定包含10個(gè)數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)據(jù)位bit(起始位、停止位、起始位、停止位、8個(gè)數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)據(jù)位)，問傳送的波特率是，問傳送的波特率是多少多少? 每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間是多少每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間是多少? 比特率又是多少？比特率又是多少？ （教材（教材P193)【解解】: (1) 波特率：波特率：10位位120/秒秒=1200 （位（位/秒）秒） (2) 每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間Td是波特率的倒數(shù)：是波特率的倒數(shù)： Td=1/1200= 0.83310-3 s= 0.833ms

33、(3) 比特率：比特率： 8位位120/秒秒=960 （位（位/秒）秒） 6.3 總線的仲裁總線的仲裁總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)連接到總線上的功能模塊都有連接到總線上的功能模塊都有主動(dòng)主動(dòng)和和被動(dòng)被動(dòng)兩種形兩種形態(tài)。當(dāng)有多個(gè)設(shè)備同時(shí)申請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)總線主方控制權(quán)時(shí)，態(tài)。當(dāng)有多個(gè)設(shè)備同時(shí)申請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)總線主方控制權(quán)時(shí)，必須具有必須具有總線仲裁部件總線仲裁部件，以某種方式選擇其中一個(gè)設(shè)，以某種方式選擇其中一個(gè)設(shè)備作為總線的下一次主方設(shè)備，稱為：備作為總線的下一次主方設(shè)備，稱為：總線仲裁總線仲裁?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)【什么叫什么叫總線仲裁總線仲裁】：確定主方設(shè)備確定主方設(shè)備I/O接口接口0BR (總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求)I/O接口接

34、口1I/O接口接口n主設(shè)備主設(shè)備(模塊模塊): 接管總線接管總線控制權(quán)控制權(quán)，并選擇從設(shè)備并選擇從設(shè)備 從設(shè)備從設(shè)備(模塊模塊)響應(yīng)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來的總線命令，從主設(shè)備發(fā)來的總線命令，完成規(guī)定的操作。完成規(guī)定的操作?？偪偩€線控控制制部部件件I/O接口接口0BRI/O接口接口1I/O接口接口n依據(jù)仲裁策略進(jìn)行仲裁依據(jù)仲裁策略進(jìn)行仲裁BG(授權(quán)主設(shè)備授權(quán)主設(shè)備) 對(duì)多個(gè)主設(shè)備提出的總線請(qǐng)求，一般采用優(yōu)先對(duì)多個(gè)主設(shè)備提出的總線請(qǐng)求，一般采用優(yōu)先級(jí)策略或公平策略進(jìn)行仲裁。級(jí)策略或公平策略進(jìn)行仲裁。 按照總線仲裁電路的不同位置設(shè)置，仲裁方式按照總線仲裁電路的不同位置設(shè)置，仲裁方式可分為兩類形式：可分為兩

35、類形式：【如何仲裁如何仲裁】： 仲裁策略與方式仲裁策略與方式 總線仲裁控制總線仲裁控制分布式分布式集中式集中式*鏈?zhǔn)讲樵冩準(zhǔn)讲樵冇?jì)數(shù)器定時(shí)查詢計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式特點(diǎn)特點(diǎn)：每個(gè)功能模塊都至少有兩條線通過自己的接口：每個(gè)功能模塊都至少有兩條線通過自己的接口連到總線控制部件的中央仲裁器上：連到總線控制部件的中央仲裁器上： 總線請(qǐng)求信號(hào)線總線請(qǐng)求信號(hào)線BR 送往仲裁器送往仲裁器； 總線授權(quán)信號(hào)線總線授權(quán)信號(hào)線BG 仲裁器送出的授權(quán)仲裁器送出的授權(quán)。1.1.集中式仲裁集中式仲裁（教材P195圖6.10) )總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0BR請(qǐng)求線請(qǐng)求線I/O

36、接口接口1I/O接口接口nBG授權(quán)線授權(quán)線“總線授權(quán)總線授權(quán)”常用如下三種方法：常用如下三種方法： 鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞?計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式 獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式各實(shí)現(xiàn)方法的特點(diǎn)不同。（教材（教材P195 圖圖6.10)(1) (1) 鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞交舅枷牖舅枷耄?各設(shè)備通過單一的共享請(qǐng)求各設(shè)備通過單一的共享請(qǐng)求線，向中央仲裁器發(fā)線，向中央仲裁器發(fā)出出總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求“BR ”。在總線不忙（。在總線不忙（BS=0 ）的情況下，仲）的情況下，仲裁器向外發(fā)出總線授權(quán)信號(hào)裁器向外發(fā)出總線授權(quán)信號(hào)“BG”。 BG信號(hào)串行地依次查詢各信號(hào)串行地依次查詢各I/O接口

37、，一旦查到發(fā)出接口，一旦查到發(fā)出總線請(qǐng)求的接口，即給該總線請(qǐng)求的接口，即給該I/O接口以總線控制權(quán)接口以總線控制權(quán)（同（同時(shí)，時(shí)，置置: BS=1）, BG信號(hào)不再繼續(xù)查詢。信號(hào)不再繼續(xù)查詢?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)見查詢、授權(quán)過程示意圖鏈?zhǔn)讲樵冎俨眠^程鏈?zhǔn)讲樵冎俨眠^程:總總線線仲仲裁裁器器I/O接口接口0BSBRI/O接口接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS 總線忙總線忙BR總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求BG總線授權(quán)總線授權(quán)被總線授權(quán)被總線授權(quán)I/O接口接口101鏈?zhǔn)讲樵兎绞降膬?yōu)點(diǎn)鏈?zhǔn)讲樵兎绞降膬?yōu)點(diǎn): 只用很少幾根線只用很少幾根線, 就能實(shí)現(xiàn)按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)多個(gè)設(shè)備的總線仲裁，并且很

38、容易擴(kuò)充設(shè)備。多個(gè)設(shè)備的總線仲裁，并且很容易擴(kuò)充設(shè)備。顯然，這種方式中，優(yōu)先權(quán)限與設(shè)備的物理位置有顯然，這種方式中，優(yōu)先權(quán)限與設(shè)備的物理位置有關(guān)，離中央仲裁器越近的設(shè)備優(yōu)先級(jí)就越高。關(guān)，離中央仲裁器越近的設(shè)備優(yōu)先級(jí)就越高。有何缺點(diǎn)？問題與缺點(diǎn)問題與缺點(diǎn): 1. 需要逐個(gè)設(shè)備去查詢請(qǐng)求，故：需要逐個(gè)設(shè)備去查詢請(qǐng)求，故：授權(quán)速度較慢。授權(quán)速度較慢。 2. 對(duì)查詢鏈電路對(duì)查詢鏈電路(單線單線)的故障很敏感。一旦由于某的故障很敏感。一旦由于某種原因造成種原因造成“斷鏈斷鏈”，那么，斷點(diǎn)以后的設(shè)備都將無，那么，斷點(diǎn)以后的設(shè)備都將無法獲得總線授權(quán)。法獲得總線授權(quán)。（如圖如圖）鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞絾栴}問

39、題?總線仲裁器總線仲裁器鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞?3. 3. 查詢鏈的優(yōu)先級(jí)是物理固定的，無法調(diào)整。如查詢鏈的優(yōu)先級(jí)是物理固定的，無法調(diào)整。如果優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備頻繁的出現(xiàn)請(qǐng)求時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的果優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備頻繁的出現(xiàn)請(qǐng)求時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備就可能長(zhǎng)期無法使用總線。設(shè)備就可能長(zhǎng)期無法使用總線。權(quán)利的過度不均等權(quán)利的過度不均等！問題問題?總線仲裁器總線仲裁器(2)(2)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式基本思想基本思想： 總線上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí)，仍然通過共總線上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí)，仍然通過共享的享的BR線向中央仲裁器發(fā)出總線請(qǐng)求。線向中央仲裁器發(fā)出總線請(qǐng)求。區(qū)別區(qū)別： 仲裁器接到請(qǐng)求

40、信號(hào)以后，在總線不忙（仲裁器接到請(qǐng)求信號(hào)以后，在總線不忙（BS=0 ）的情況下，啟動(dòng)仲裁地址計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)的情況下，啟動(dòng)仲裁地址計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)值作為授權(quán)碼，通過值作為授權(quán)碼，通過一組地址線一組地址線發(fā)向各設(shè)備。發(fā)向各設(shè)備。 每個(gè)設(shè)備接口都有一個(gè)每個(gè)設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址比較電路設(shè)備地址比較電路，當(dāng)?shù)?，?dāng)?shù)刂肪€上的計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求總線的設(shè)備地址相一致時(shí)，該址線上的計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求總線的設(shè)備地址相一致時(shí)，該設(shè)備立即占用總線（設(shè)備立即占用總線（置置BS=1 1），從而獲得總線使用權(quán)，），從而獲得總線使用權(quán)，同時(shí)立即停止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。同時(shí)立即停止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。原理示意圖原理示意圖 計(jì)數(shù)器

41、定時(shí)查詢方式原理計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式原理 ： 當(dāng)當(dāng)“BR”被受理，則仲裁器啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并被受理，則仲裁器啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并作為設(shè)備地址號(hào)發(fā)送出來，一旦比對(duì)查到發(fā)出作為設(shè)備地址號(hào)發(fā)送出來，一旦比對(duì)查到發(fā)出“BR”信號(hào)的信號(hào)的設(shè)備，計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)，并授權(quán)該設(shè)備使用總線。設(shè)備，計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)，并授權(quán)該設(shè)備使用總線。設(shè)備地址比對(duì)查詢?cè)O(shè)備地址比對(duì)查詢仲仲裁裁器器比對(duì)匹配比對(duì)匹配獲得總線授權(quán)獲得總線授權(quán)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)器思考：帶來哪些變化？思考：帶來哪些變化？1計(jì)數(shù)器查詢方式的特點(diǎn)分析：計(jì)數(shù)器查詢方式的特點(diǎn)分析： 1. 1. 若每次接受到總線請(qǐng)求若每次接受到總線請(qǐng)求BR后，計(jì)數(shù)器都從后

42、，計(jì)數(shù)器都從“0”開始計(jì)數(shù)，開始計(jì)數(shù)，則：各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ鄤t：各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ嗤?，即：?yōu)先級(jí)的順序同，即：優(yōu)先級(jí)的順序是固定的。是固定的。 2. 2. 若每次計(jì)數(shù)器啟動(dòng)都從上次的中止點(diǎn)開始計(jì)數(shù)，則：若每次計(jì)數(shù)器啟動(dòng)都從上次的中止點(diǎn)開始計(jì)數(shù)，則：每個(gè)設(shè)備使用總線的優(yōu)先權(quán)均等。每個(gè)設(shè)備使用總線的優(yōu)先權(quán)均等。仲仲裁裁器器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 當(dāng)然，這種靈活性是以增加授權(quán)查詢線數(shù)作為代價(jià)當(dāng)然，這種靈活性是以增加授權(quán)查詢線數(shù)作為代價(jià)（如：增加為（如：增加為3 3根線，可管理根線，可管理2 23 3=8=8個(gè)設(shè)備；增加為個(gè)設(shè)備；增加為4 4根線，根線，則可管理則可管理2 24 4=16

43、=16個(gè)設(shè)備等）個(gè)設(shè)備等）。3. 3. 可可用程序來設(shè)置用程序來設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值，因而可以方便地改變計(jì)數(shù)器的初值，因而可以方便地改變優(yōu)先授權(quán)順序。優(yōu)先授權(quán)順序。仲仲裁裁器器(3)(3)獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式（現(xiàn)代機(jī)器常用方式現(xiàn)代機(jī)器常用方式）基本思想基本思想： 共享總線上的每一個(gè)設(shè)備，都有一對(duì)共享總線上的每一個(gè)設(shè)備，都有一對(duì)獨(dú)立的獨(dú)立的總線總線請(qǐng)求線請(qǐng)求線BRi和總線授權(quán)線和總線授權(quán)線BGi，連到仲裁器上。連到仲裁器上。 任何一個(gè)設(shè)備都可獨(dú)立地向仲裁器發(fā)出自己的總線任何一個(gè)設(shè)備都可獨(dú)立地向仲裁器發(fā)出自己的總線 請(qǐng)求請(qǐng)求BRi，仲裁器亦可對(duì)其單獨(dú)直接授權(quán)，仲裁器亦可對(duì)其單獨(dú)直接授權(quán)BGi。 中

44、央仲裁器中有專門的排隊(duì)和屏蔽電路，可根據(jù)中央仲裁器中有專門的排隊(duì)和屏蔽電路，可根據(jù)需要，決定首先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求，并可立即給該需要，決定首先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求，并可立即給該設(shè)備以授權(quán)信號(hào)設(shè)備以授權(quán)信號(hào)BGi?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)原理示意圖原理示意圖 每個(gè)設(shè)備都可以獨(dú)立地向每個(gè)設(shè)備都可以獨(dú)立地向仲裁器發(fā)出自己的仲裁器發(fā)出自己的請(qǐng)求信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)BRi，并獨(dú)立地接受總線授權(quán)并獨(dú)立地接受總線授權(quán)BGi 。仲仲裁裁器器設(shè)備設(shè)備n被總線授權(quán)被總線授權(quán)排隊(duì)電路排隊(duì)電路獨(dú)立的獨(dú)立的請(qǐng)求請(qǐng)求BRi獨(dú)立的獨(dú)立的授權(quán)授權(quán)BGi獨(dú)立請(qǐng)求方式的特點(diǎn)獨(dú)立請(qǐng)求方式的特點(diǎn)： 1. 響應(yīng)時(shí)間快，確定優(yōu)先響應(yīng)的設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間少，

45、無響應(yīng)時(shí)間快，確定優(yōu)先響應(yīng)的設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間少，無需逐個(gè)設(shè)備地查詢。需逐個(gè)設(shè)備地查詢。 2. 優(yōu)先順序既可以預(yù)先固定，也可以通過程序來方便地改變，優(yōu)先順序既可以預(yù)先固定，也可以通過程序來方便地改變，因此可靈活地確定設(shè)備優(yōu)先順序；因此可靈活地確定設(shè)備優(yōu)先順序； 3. 可以用屏蔽可以用屏蔽(禁止禁止)請(qǐng)求的辦法，封鎖來自某些無效設(shè)備的請(qǐng)求的辦法，封鎖來自某些無效設(shè)備的請(qǐng)求。請(qǐng)求。（對(duì)設(shè)備的總線請(qǐng)求進(jìn)行干預(yù)和管理對(duì)設(shè)備的總線請(qǐng)求進(jìn)行干預(yù)和管理） 4. 這種方式需增加的線數(shù)較多（這種方式需增加的線數(shù)較多（N個(gè)設(shè)備，需要個(gè)設(shè)備，需要2N根線），根線），仲裁器的結(jié)構(gòu)相應(yīng)也要復(fù)雜一些。仲裁器的結(jié)構(gòu)相應(yīng)也要復(fù)

46、雜一些。集中式總線仲裁方式集中式總線仲裁方式演示演示2 分布式仲裁分布式仲裁主要主要特點(diǎn)特點(diǎn)： 取消取消中央仲裁器，每個(gè)潛在的主方功能模塊都有中央仲裁器，每個(gè)潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號(hào)和仲裁單元電路。自己的仲裁號(hào)和仲裁單元電路。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法： 各設(shè)備可以自行競(jìng)爭(zhēng)總線主方，當(dāng)前占用總線各設(shè)備可以自行競(jìng)爭(zhēng)總線主方，當(dāng)前占用總線的主模塊，必須把自己的仲裁號(hào)的主模塊，必須把自己的仲裁號(hào)保留（公示）在仲保留（公示）在仲裁總線上裁總線上。 當(dāng)其它模塊有總線請(qǐng)求時(shí)，各自的仲裁電路把仲當(dāng)其它模塊有總線請(qǐng)求時(shí)，各自的仲裁電路把仲裁總線上公示的號(hào)與自己的號(hào)進(jìn)行比較。裁總線上公示的號(hào)與自

47、己的號(hào)進(jìn)行比較。l 如果自己的號(hào)小，則總線請(qǐng)求暫不予響應(yīng)，并撤如果自己的號(hào)小，則總線請(qǐng)求暫不予響應(yīng)，并撤消自己的仲裁號(hào)比較，等下個(gè)總線周期再競(jìng)爭(zhēng)。消自己的仲裁號(hào)比較，等下個(gè)總線周期再競(jìng)爭(zhēng)。l 最后獲勝者的仲裁號(hào)保留在仲裁總線上。最后獲勝者的仲裁號(hào)保留在仲裁總線上。注意到注意到：雖然分布式仲裁取消了中央仲裁器，但仍然：雖然分布式仲裁取消了中央仲裁器，但仍然是以是以“優(yōu)先級(jí)仲裁策略優(yōu)先級(jí)仲裁策略”為基本仲裁原則。為基本仲裁原則。分布式仲裁器的邏輯結(jié)構(gòu)圖見教材分布式仲裁器的邏輯結(jié)構(gòu)圖見教材P196圖圖6.11（自閱）（自閱）6.4 總線的定時(shí)與數(shù)據(jù)傳送模式總線的定時(shí)與數(shù)據(jù)傳送模式 1、總線定時(shí)總線定

48、時(shí)總線定時(shí)總線定時(shí)：總線上總線上各各事件出現(xiàn)的時(shí)序關(guān)系事件出現(xiàn)的時(shí)序關(guān)系。 總線上傳送一次信息的完整過程總線上傳送一次信息的完整過程: : 請(qǐng)請(qǐng) 求求 總總 線線總總 線線 仲仲 裁裁 尋尋 址址 從從 方方信信 息息 傳傳 送送狀狀 態(tài)態(tài) 返返 回回總線傳送過程總線傳送過程獲得總線授權(quán)獲得總線授權(quán) 總線傳輸周期：總線傳輸周期：主模塊申請(qǐng)主模塊申請(qǐng)，總線仲裁決定是否授權(quán)，總線仲裁決定是否授權(quán)申請(qǐng)分配階段申請(qǐng)分配階段尋址階段尋址階段傳數(shù)階段傳數(shù)階段結(jié)束階段結(jié)束階段主模塊發(fā)出主模塊發(fā)出 地址地址和和命令命令，選定從模塊選定從模塊 主模塊與從模塊主模塊與從模塊 交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)主模塊主模塊 撤消有關(guān)

49、信息撤消有關(guān)信息，釋放總線釋放總線。 為了同步主方為了同步主方/從方的操作，雙方必須制訂從方的操作，雙方必須制訂定時(shí)協(xié)議定時(shí)協(xié)議。定時(shí)定時(shí)：事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)序關(guān)系。事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)序關(guān)系。 定時(shí)控制的目的定時(shí)控制的目的： 解決通信雙方的解決通信雙方的協(xié)調(diào)與配合協(xié)調(diào)與配合問題。問題。定時(shí)方式定時(shí)方式： 同步定時(shí)；同步定時(shí)； 異步定時(shí)異步定時(shí)(1) (1) 同步定時(shí)同步定時(shí) 在同步定時(shí)協(xié)議中，由總線時(shí)鐘信號(hào)來確定各事在同步定時(shí)協(xié)議中，由總線時(shí)鐘信號(hào)來確定各事 件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻。件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻。 由于采用了公共時(shí)鐘，每個(gè)功能模塊什么時(shí)候發(fā)由于采用了公共時(shí)鐘，每個(gè)功能模塊什么時(shí)候發(fā)

50、送或接收信息都由統(tǒng)一時(shí)鐘規(guī)定，因此，同步定送或接收信息都由統(tǒng)一時(shí)鐘規(guī)定，因此，同步定 時(shí)具有較高的傳輸頻率。時(shí)具有較高的傳輸頻率。 同步定時(shí)適用于總線長(zhǎng)度較短、各功能模塊存取同步定時(shí)適用于總線長(zhǎng)度較短、各功能模塊存取 時(shí)間比較接近的情況。時(shí)間比較接近的情況?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)（同步總線操作時(shí)序，見（同步總線操作時(shí)序，見教材教材P197）（同步總線操作時(shí)序）（同步總線操作時(shí)序） 讀讀命令命令【同步定時(shí)數(shù)據(jù)輸入同步定時(shí)數(shù)據(jù)輸入】: :T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時(shí)鐘時(shí)鐘 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線時(shí)鐘總線時(shí)鐘 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時(shí)鐘時(shí)鐘 地址地址 寫寫命令命

51、令【同步定時(shí)數(shù)據(jù)輸出同步定時(shí)數(shù)據(jù)輸出】: :可見：可見： 在同步定時(shí)方式中，每個(gè)總線傳送周期，主、在同步定時(shí)方式中，每個(gè)總線傳送周期，主、從功能模塊什么時(shí)候執(zhí)行什么操作，都由統(tǒng)一的總從功能模塊什么時(shí)候執(zhí)行什么操作，都由統(tǒng)一的總線時(shí)鐘嚴(yán)格控制，因此，同步定時(shí)具有較高的傳輸線時(shí)鐘嚴(yán)格控制，因此，同步定時(shí)具有較高的傳輸速率。速率。 當(dāng)然，這種定時(shí)方式主要適合于各功能模塊存當(dāng)然，這種定時(shí)方式主要適合于各功能模塊存取時(shí)間比較接近的情況。取時(shí)間比較接近的情況。(2) (2) 異步定時(shí)異步定時(shí) 在異步定時(shí)協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)在異步定時(shí)協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻，取決于前一事件的出現(xiàn)，即建

52、立在刻，取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應(yīng)答式應(yīng)答式或或互鎖機(jī)互鎖機(jī)制制基礎(chǔ)上。在這種系統(tǒng)中，不需要統(tǒng)一的公共時(shí)鐘信基礎(chǔ)上。在這種系統(tǒng)中，不需要統(tǒng)一的公共時(shí)鐘信號(hào)，號(hào)，總線周期的長(zhǎng)度是可變、不固定的總線周期的長(zhǎng)度是可變、不固定的?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)（教材教材P198例例3）本次本次交換交換結(jié)束結(jié)束不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖主設(shè)備主設(shè)備從設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)請(qǐng)求求回回答答異步通信三種模式異步通信三種模式: :異步定時(shí)的優(yōu)點(diǎn)異步定時(shí)的優(yōu)點(diǎn): : 總線傳輸周期長(zhǎng)度可變，不把響應(yīng)時(shí)間強(qiáng)加到功總線傳輸周期長(zhǎng)度可變，不把響應(yīng)時(shí)間強(qiáng)加到功能模塊上，因而允許快速和慢速的功能模塊在同一總能模塊上，因而允許快速和慢

53、速的功能模塊在同一總線上實(shí)現(xiàn)相互通信。當(dāng)然，這需要增加總線控制的復(fù)線上實(shí)現(xiàn)相互通信。當(dāng)然，這需要增加總線控制的復(fù)雜性和成本。雜性和成本。 讀數(shù)據(jù)的同步時(shí)序和異步時(shí)序讀數(shù)據(jù)的同步時(shí)序和異步時(shí)序演示演示。6.4.2 總線總線數(shù)據(jù)傳送模式數(shù)據(jù)傳送模式 當(dāng)代的總線標(biāo)準(zhǔn)大都能支持以下四類模式的數(shù)據(jù)當(dāng)代的總線標(biāo)準(zhǔn)大都能支持以下四類模式的數(shù)據(jù)傳送：傳送：(教材教材P199)1 1、讀、寫操作讀、寫操作讀操作讀操作：由從方：由從方 主方的數(shù)據(jù)傳送；主方的數(shù)據(jù)傳送； 寫操作寫操作：由主方：由主方 從方的數(shù)據(jù)傳送。從方的數(shù)據(jù)傳送。一般過程一般過程為：主方先用一個(gè)總線時(shí)鐘周期發(fā)出命令和為：主方先用一個(gè)總線時(shí)鐘周期發(fā)

54、出命令和從方地址，待從方準(zhǔn)備就緒后從方地址，待從方準(zhǔn)備就緒后( (一定的延時(shí)一定的延時(shí)) )，開始數(shù)開始數(shù)據(jù)傳送總線周期。據(jù)傳送總線周期。 為了提高總線利用率，減少延時(shí)損失，主方為了提高總線利用率，減少延時(shí)損失，主方完成尋址總線周期后，可讓出總線控制權(quán)，以使其完成尋址總線周期后，可讓出總線控制權(quán)，以使其它主方完成更緊迫的操作。然后再重新競(jìng)爭(zhēng)總線，它主方完成更緊迫的操作。然后再重新競(jìng)爭(zhēng)總線，完成數(shù)據(jù)傳送總線周期。完成數(shù)據(jù)傳送總線周期。 注意到注意到：總線定時(shí)控制的共同點(diǎn)：總線定時(shí)控制的共同點(diǎn)：以一個(gè)總線傳輸周期為例（如：輸入數(shù)據(jù)）以一個(gè)總線傳輸周期為例（如：輸入數(shù)據(jù)） 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址

55、、命令、命令 從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)從模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù) 從模塊向主模塊收發(fā)數(shù)據(jù)從模塊向主模塊收發(fā)數(shù)據(jù)（總線空閑總線空閑）占用總線占用總線不占用總線不占用總線占用總線占用總線1. 各模塊都有權(quán)申請(qǐng)占用總線各模塊都有權(quán)申請(qǐng)占用總線“半同步定時(shí)半同步定時(shí)”或或“分離式定時(shí)分離式定時(shí)”特點(diǎn)：特點(diǎn)： 充分提高總線的有效占用。充分提高總線的有效占用。2. 采用同步方式通信，不等對(duì)方回答采用同步方式通信，不等對(duì)方回答3. 各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)，不占用總線各模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)，不占用總線4. 總線被占用時(shí)，無空閑總線被占用時(shí)，無空閑 2 2、塊傳送操作塊傳送操作只需給出塊的起始地址，然后按只需給出塊的起始地址，然后按固定塊長(zhǎng)度固

56、定塊長(zhǎng)度、依、依次連續(xù)地讀出或?qū)懭胝麎K數(shù)據(jù)。次連續(xù)地讀出或?qū)懭胝麎K數(shù)據(jù)。 CPU(主方主方)與存與存儲(chǔ)器儲(chǔ)器(從方從方)之間的塊傳送，常稱為之間的塊傳送，常稱為猝發(fā)式傳送猝發(fā)式傳送。PCI總線支總線支持此類傳送持此類傳送塊長(zhǎng)一般固定為數(shù)據(jù)線寬度塊長(zhǎng)一般固定為數(shù)據(jù)線寬度(存儲(chǔ)存儲(chǔ)器字長(zhǎng)器字長(zhǎng))的整數(shù)倍，如的整數(shù)倍，如4倍等。倍等。3 3、先寫后讀、先讀后寫操作先寫后讀、先讀后寫操作這兩種操作都由主方掌管總線，直到整個(gè)操作完這兩種操作都由主方掌管總線，直到整個(gè)操作完成。成。 對(duì)同一地址單元，進(jìn)行對(duì)同一地址單元，進(jìn)行先寫后讀先寫后讀操作，用于校操作，用于校驗(yàn)?zāi)康?；或進(jìn)行驗(yàn)?zāi)康?；或進(jìn)行先讀后寫先讀后寫

57、操作，用于多道程序系統(tǒng)中操作，用于多道程序系統(tǒng)中對(duì)共享存儲(chǔ)資源的保護(hù)。對(duì)共享存儲(chǔ)資源的保護(hù)。 4 4、 廣播、廣集操作廣播、廣集操作當(dāng)總線允許當(dāng)總線允許一個(gè)主方對(duì)多個(gè)從方一個(gè)主方對(duì)多個(gè)從方進(jìn)行寫操作，這進(jìn)行寫操作，這種操作稱為種操作稱為廣播廣播。 一個(gè)主方一個(gè)主方同時(shí)同時(shí)對(duì)多個(gè)從方對(duì)多個(gè)從方進(jìn)行讀操作稱為進(jìn)行讀操作稱為廣集廣集。例如例如： 將選定的多個(gè)從方數(shù)據(jù)在總線上完成將選定的多個(gè)從方數(shù)據(jù)在總線上完成AND 或或 OR等邏輯操作，再送到主方，用以檢測(cè)多個(gè)等邏輯操作，再送到主方，用以檢測(cè)多個(gè) 信號(hào)源或中斷源信號(hào)源或中斷源 廣集操作廣集操作?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5HOST總線和總線和PCI總線總

58、線 6.5.1 現(xiàn)代多總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)代多總線結(jié)構(gòu)6.5.2 PCI總線信號(hào)（自閱）總線信號(hào)（自閱）6.5.3 總線周期類型（自閱）總線周期類型（自閱）6.5.4 PCI總線周期操作（自閱）總線周期操作（自閱）6.5.5 PCI總線仲裁（自閱總線仲裁（自閱）總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5.1 現(xiàn)代多總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)代多總線結(jié)構(gòu) 可見可見：現(xiàn)代主流多總線架構(gòu)為：現(xiàn)代主流多總線架構(gòu)為： HOST總線（總線（“宿主宿主”總線）總線） PCI總線總線 LAGACY (ISA, EISA, MCA等中、低速總線）等中、低速總線）總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)典型的多總線結(jié)構(gòu)典型的多總線結(jié)構(gòu)框圖框圖演示演示。HOST總線總線該總線該總線有

59、有CPU總線、系統(tǒng)總線、主存總線等多種總線、系統(tǒng)總線、主存總線等多種名稱，各自反映總線功能的一個(gè)方面。名稱，各自反映總線功能的一個(gè)方面。HOST總線總線不僅連接主存，還可以連接多個(gè)不僅連接主存，還可以連接多個(gè)CPU。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)PCI總總線線用于用于連接各種高速的連接各種高速的PCI設(shè)備。設(shè)備。PCI既是一個(gè)與既是一個(gè)與處理器無關(guān)的高速外圍總線，又是至關(guān)重要的層間總處理器無關(guān)的高速外圍總線，又是至關(guān)重要的層間總線。它采用線。它采用同步時(shí)序協(xié)議同步時(shí)序協(xié)議和和集中式仲裁策略集中式仲裁策略，并具有，并具有自動(dòng)配置能力。自動(dòng)配置能力?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)LAGACY總線總線 是速度性能較低的傳統(tǒng)總線

60、，可以充分利用市場(chǎng)是速度性能較低的傳統(tǒng)總線，可以充分利用市場(chǎng)上豐富的適配器卡，支持中、低速上豐富的適配器卡，支持中、低速I/O設(shè)備設(shè)備。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)本章小結(jié)本章小結(jié) PCI總線的基本傳輸機(jī)制是總線的基本傳輸機(jī)制是猝發(fā)式傳送猝發(fā)式傳送，利用橋可，利用橋可以實(shí)現(xiàn)總線間的猝發(fā)式傳送。寫操作時(shí)，橋把上層總以實(shí)現(xiàn)總線間的猝發(fā)式傳送。寫操作時(shí)，橋把上層總線的寫周期內(nèi)容先緩存起來，以后的時(shí)間再在下層總線的寫周期內(nèi)容先緩存起來，以后的時(shí)間再在下層總線上生成寫周期，即線上生成寫周期，即延遲寫延遲寫。讀操作時(shí)，橋可早于上。讀操作時(shí)，橋可早于上層總線，直接在下層總線上進(jìn)行層總線，直接在下層總線上進(jìn)行預(yù)先讀預(yù)先讀