大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理第7章、系統(tǒng)總線

1、1 第七章、系統(tǒng)總線outlineo 總線基本概念o 總線的仲裁與通信o 總線上的信息傳送o 常用總線2總線基本概念o 總線連接方式o 總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)o 總線結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)性能3總線(BUS)基本概念總線是系統(tǒng)部件間傳送信息的公共通路。u 內(nèi)部總線(CPU內(nèi)各功能單元間的連線）u 系統(tǒng)總線（系統(tǒng)內(nèi)各部件間的連線）u I/O總線(I/O設(shè)備間的連接總線）u 處理器總線4CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 00420212223243040ALU000 021000 030ADD 30CLA指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR累

2、加器AC指令寄存器IR執(zhí)行指令控制地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUSSTA 40+1000 004000 0065總線特性p 物理特性-n 根數(shù)，插頭、座的形狀，引線的排列方式p 功能特性-p 地址,數(shù)據(jù),控制總線三類p 電氣特性-n 單/雙向,電平高有效/低有效及范圍p 時(shí)間特性6總線標(biāo)準(zhǔn)化不同廠家的相同功能部件可互換使用. ISA EISA VESA AGP PCI7總線帶寬o 總線帶寬：總線本身所能達(dá)到的最高傳輸速率。n單位： Byte/so 設(shè)總線在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能并行傳送D個(gè)字節(jié)o 總線帶寬為Dr ， 總線時(shí)鐘周期為T，總線頻率f=1/T o 總線帶寬Dr=D/T=D*fo Dr=4

3、Byte33.3MHz=133MB/s8幾個(gè)例子o ISA 16bit 8.3MHz Dr=2*8=16MB/so EISA 32bit 16MHz Dr=4*16=64MB/so PCI 32/64bit 33MHz Dr=133/266MB/so AGP 64bit 66MHz Dr=8*66=528MB/s o PCI-X 64Bit 133MHz Dr=8*133=1GB/s9總線連接方式o總線的排列以及與其它各類部件的連接方式影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能n 單總線結(jié)構(gòu)n 雙總線結(jié)構(gòu)n 三總線結(jié)構(gòu)10單總線結(jié)構(gòu)CPU主存設(shè)備接口設(shè)備 系統(tǒng)總線適配器設(shè)備系統(tǒng)總線含DBUS，ABUS，CBUS特點(diǎn)：

4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)充; 多部件共用一根總線，分時(shí)工作,傳輸效率較低。11單總線速度瓶頸12雙總線結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)存設(shè)備接口設(shè)備 系統(tǒng)總線適配器設(shè)備CPU與內(nèi)存有專用高速總線,減輕系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān);內(nèi)存可通過(guò)系統(tǒng)總線與外設(shè)進(jìn)行DMA操作,而不必經(jīng)過(guò)CPU.存儲(chǔ)總線13三總線結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)存 系統(tǒng)總線設(shè)備接口設(shè)備適配器設(shè)備存儲(chǔ)總線通道I/O總線14三總線結(jié)構(gòu)o 特點(diǎn):雙總線基礎(chǔ)上增加I/O總線,它是多個(gè)外設(shè)與通道間傳送信息的公共通路;o 通道的使用,進(jìn)一步提高了CPU的效率.o “通道”是一臺(tái)具有特殊功能的處理器,它分擔(dān)了一部分CPU的功能.統(tǒng)一管理外設(shè)及實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳送.15總線結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)性能關(guān)

5、系o 最大存儲(chǔ)容量n 單總線系統(tǒng)中,內(nèi)存要為外設(shè)保留一些地址.o 指令系統(tǒng) n 單總線系統(tǒng)中,無(wú)須專門的I/O指令;n 雙總線系統(tǒng)中,設(shè)有專門的I/O指令.o 吞吐量n 三總線系統(tǒng)比單總線系統(tǒng)要大得多.16信息傳送方式o 串行傳送o 并行傳送o 串并行傳送17串行傳送并并- -串轉(zhuǎn)換串轉(zhuǎn)換串串- -并轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)換發(fā)送部件發(fā)送部件接收部件接收部件0000010100000101T1T2T3T4T5T6T7T8低位高位位時(shí)間位時(shí)間傳送脈沖傳送脈沖1010000018串行傳送o 一條傳輸線o 每次一位,o 先低位,后高位.o 同步- “位時(shí)間”o 成本低,速度慢.19并行傳送發(fā)送發(fā)送部件部件低位高位1

6、接收接收部件部件01000000 每位數(shù)據(jù)一條傳輸線,并行傳送.采用電位傳送.傳送速度快.20發(fā)展趨勢(shì)o 并行傳輸距離受限o 且線間串?dāng)_嚴(yán)重o 串行傳輸距離長(zhǎng)o 無(wú)串?dāng)_現(xiàn)象o 隨著總線頻率的增加，并行逐漸轉(zhuǎn)向串行21串并行傳送o 信息比特位分組o 組內(nèi)并行，組間串行22總線仲裁、通信o 總線仲裁o 總線定時(shí)23總線的仲裁o 總線仲裁：對(duì)總線的使用進(jìn)行合理的分配和管理.n部件要使用總線進(jìn)行通信時(shí),要向控制部件發(fā)請(qǐng)求信號(hào).控制部件按各部件的優(yōu)先級(jí)來(lái)決定誰(shuí)使用總線.o 根據(jù)總線控制部件的位置,仲裁方式分為兩類:n集中式總線仲裁（常用）n分布式總線仲裁24集中式仲裁o 鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑ù墟溄臃绞剑﹐

7、計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式o 獨(dú)立請(qǐng)求方式25鏈?zhǔn)讲樵兎绞街醒胫俨闷鹘涌?接口2接口n BS BR BGBS-總線忙 BR-總線請(qǐng)求 BG-總線響應(yīng)請(qǐng)求（授權(quán)）通過(guò)接口的優(yōu)先級(jí)排隊(duì)電路來(lái)實(shí)現(xiàn). 離總線控制器越遠(yuǎn),優(yōu)先級(jí)越低.用線少-BG1根,易擴(kuò)充; 對(duì)響應(yīng)鏈的電路故障很敏感.總線26計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式總線設(shè)備地址計(jì)數(shù)BRBS中央仲裁器接口1接口2接口nBS=0時(shí),計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值通過(guò)一組地址線發(fā)向各設(shè)備.各接口中的設(shè)備地址與計(jì)數(shù)值一致時(shí),該設(shè)備置“1”BS線.線數(shù)為2n根.計(jì)數(shù)器的初值可用程序來(lái)設(shè)置.-各設(shè)備的優(yōu)先級(jí)可變.-靈活.27獨(dú)立請(qǐng)求方式o每一設(shè)備有一對(duì)BR和BG; 響應(yīng)速度高o控制靈

8、活,優(yōu)先級(jí)可通過(guò)程序改變; 控制線數(shù)多.-2n根.總線BR1BR2BRnBG1BG2BGn中央仲裁器接口1接口2接口n28分布式仲裁o 無(wú)需中央仲裁器（總線控制器）o 每個(gè)功能設(shè)備都有自己的仲裁號(hào)以及仲裁器29總線通信方式（定時(shí)）o 總線信息傳遞過(guò)程分為: 請(qǐng)求總線，總線仲裁，尋址，信息傳送，狀態(tài)返回o 為了同步主方、從方的操作，必須制定定時(shí)協(xié)議o 定時(shí)分類： 同步通信（同步定時(shí)）；異步通信（異步定時(shí)）30同步定時(shí)o 又稱無(wú)應(yīng)答定時(shí)。o 事件出現(xiàn)在總線的時(shí)刻是由總線時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確定，所有的事件都出現(xiàn)在時(shí)鐘信號(hào)的前沿，大多數(shù)事件只占據(jù)一個(gè)時(shí)鐘周期o 采用公共時(shí)鐘，每個(gè)功能模塊什么時(shí)候發(fā)送或者接受信

9、息都由統(tǒng)一時(shí)鐘來(lái)規(guī)定，因此同步定時(shí)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸頻率o 適合于總線長(zhǎng)度短，各功能模塊存取時(shí)間相差不大的情況。必須按最慢的設(shè)備定時(shí)31地址線地址線總線時(shí)鐘總線時(shí)鐘讀命令讀命令數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線認(rèn)可線認(rèn)可線同步時(shí)序啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)信號(hào)32異步定時(shí)o 又稱應(yīng)答定時(shí)，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)，建立在應(yīng)答和互鎖機(jī)制基礎(chǔ)上，o 不需公共時(shí)鐘信號(hào)；o 總線周期長(zhǎng)度可變，快、慢速設(shè)備可連到同一總線上。33常用總線o ISA/EISA/VESAo AGPo USBo PCI/PCI-Xo NGIOo Future I/Oo InfiniBand34IBM PC/XT（PC機(jī)流行的開始）1974，

10、Altair 8800牛郎星 （Edward Roberts, MITS）1981 IBM PC/XT1976，AppleII 35IBM PC/XT（PC機(jī)流行的開始）o 1981年與IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)同時(shí)推出的o 圍繞當(dāng)時(shí)的 Intel 8088芯片而設(shè)計(jì)。o 具有開放式結(jié)構(gòu)，底板上使用總統(tǒng)擴(kuò)展插座o 62根信號(hào)線。其中數(shù)據(jù)線8根，地址線20根，控制線26根（含時(shí)鐘信號(hào)），電源5根，地線3根。36IBM PC/ATo IBM 公司1984年為推出PC/ATo ISA（industrial standard architecture）總線標(biāo)準(zhǔn),也叫AT總線o 對(duì)XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位

11、數(shù)據(jù)總線要求o 它在80286至80486時(shí)代應(yīng)用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機(jī)中還保留有ISA總線插槽o ISA總線有98只引腳 37ISA/EISA（ Industry Standard Architecture / Extended Industry Standard Architecture）o ISA是IBM為286計(jì)算機(jī)制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線o 寬度是16位，頻率為8MHz。 o EISA是為32位中央處理器（386、486、586等等）設(shè)計(jì)的o 包括ISA總線的所有性能o 把總線寬度從16位擴(kuò)展到32位、總線頻率從8.3MHz提高到16MHz38EISA39VESA video elec

12、tronics standard associationp 1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡(jiǎn)稱為VL(VESA local bus)總線 p CPU與主存和Cache的直接相連，為CPU總線，其他設(shè)備通過(guò)VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。p 數(shù)據(jù)、地址總線寬度均為32位。尋址空間為4GB?？偩€最高傳輸率為132MB/S. p 是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。 40PCI（Peripheral Component Interconnect）o 是美國(guó)SIG （即美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)專業(yè)集團(tuán)）推出

13、的新一代3264位總線o 頻率為3366MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為132528MB/s。 o 由于很多用戶還在使用ISA總線或EISA總線接口卡，大多數(shù)586系列主板仍保留了EISA總線。 41PCI總線結(jié)構(gòu)處理器處理器主存控制器主存PCI設(shè)備PCI設(shè)備HOST橋主設(shè)備 目標(biāo)設(shè)備PCI/LAGACY總線橋PCI/PCI橋LAGACY設(shè)備LAGACY設(shè)備PCI設(shè)備PCI設(shè)備HOST總線PCI總線PCI總線LAGACY總線（遺留）42PCI總線特點(diǎn)1. 允許智能設(shè)備在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候取得總線控制權(quán)以加速數(shù)據(jù)傳輸和對(duì)高度專門化任務(wù)的支持2. 支持猝發(fā)傳輸模式。在這種模式下，PCI能在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)送大量數(shù)據(jù)，特別

14、適合于圖象快速顯示3. 與 ISAEISAMCA兼容4. 設(shè)有特別的緩存，實(shí)現(xiàn)外設(shè)與CPU隔離，外設(shè)或CPU的單獨(dú)升級(jí)都不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題5. 同步時(shí)序、集中式仲裁43AGP （Accelerated Graphics Port）oAGP總線就是局部總線的一種。AGP即高速圖形接口。專用于連接主板上的控制芯片和AGP顯示適配卡，為提高視頻帶寬而設(shè)計(jì)的總線規(guī)范，目前大多數(shù)主板均有提供。 4445AGPo Intel于1996年7月發(fā)布1.0o 以PCI2.1版規(guī)范為基礎(chǔ)、 66MHz、分為1x和2x模式，數(shù)據(jù)傳輸帶寬分別為266MB/s和533MB/s。o 1998年，AGP 2.0版規(guī)范發(fā)布，并且增

15、加了4x模式，這樣它的數(shù)據(jù)傳輸帶寬達(dá)到了1066MB/s.o 允許AGP顯卡直接訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)存大大緩解了對(duì)于顯存容量的需要，有效的控制了顯卡的制造成本。46USB（Universal Serial Bus即通用串行總線）o USB1.1 Intel公司，1995，12Mbpso 1999 USB2.0 480Mbpso 多達(dá)127個(gè)設(shè)備o 隨時(shí)熱插拔所連接的設(shè)備o 即插即用 47硬件結(jié)構(gòu)o 四線電纜，n 兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道，n 兩根為下游（Downstream)設(shè)備提供電源o 采用級(jí)聯(lián)星型拓?fù)?，由三個(gè)基本部分組成：n 主機(jī)（Host)n 集線器（Hub)n 功能設(shè)備48總線結(jié)構(gòu)拓補(bǔ)49應(yīng)用由于其連接的方便性，得到了廣泛的應(yīng)用 1.USB存儲(chǔ)設(shè)備（U盤，移動(dòng)硬盤，移動(dòng)刻錄機(jī)） 2.調(diào)制解調(diào)器 3.USB攝像頭 4.USB鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)，游戲手柄、掃描儀 5.USB HUB50新一代總線技術(shù)o PCI-X (Compaq、IBM、HP)o