計(jì)算機(jī)組第八章系統(tǒng)總線

1、 Ch 8: System Bus系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線總線基本概念總線基本概念總線設(shè)計(jì)要素總線設(shè)計(jì)要素總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線互連結(jié)構(gòu)總線互連結(jié)構(gòu)分散連接分散連接 各部件之間需要分別單獨(dú)連接各部件之間需要分別單獨(dú)連接,難于擴(kuò)展難于擴(kuò)展 控制部件發(fā)出控制部件發(fā)出/接受的信號(hào)種類多接受的信號(hào)種類多,設(shè)計(jì)復(fù)雜設(shè)計(jì)復(fù)雜 信息傳遞受限信息傳遞受限, 速度慢速度慢,容易造成瓶頸容易造成瓶頸總線的分類總線的分類總線在各層次上提供部件之間的連接和交換信息通路總線在各層次上提供部件之間的連接和交換信息通路分為以下幾類：分為以下幾類： 芯片內(nèi)總線：在芯片內(nèi)部各元件之間提供連接芯片內(nèi)總線：在芯片內(nèi)部各元件之間提供連接-例如

2、，例如，CPU芯片內(nèi)部，各寄存器、芯片內(nèi)部，各寄存器、ALU、指令部件等之間有總線相連、指令部件等之間有總線相連 系統(tǒng)總線：在系統(tǒng)主要功能部件（系統(tǒng)總線：在系統(tǒng)主要功能部件（CPU 、MM和各種和各種I/O控制器）間提供連接控制器）間提供連接-單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)將將CPU、MM和各種和各種I/O適配卡通過(guò)底板總線適配卡通過(guò)底板總線(Backplane Bus)互連，底板總互連，底板總線為標(biāo)準(zhǔn)總線線為標(biāo)準(zhǔn)總線(Industry standard)-多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)將將CPU、Cache、MM和各種和各種I/O適配卡用局部總線、處理器適配卡用局部總線、處理器-主存總線、高主存總線、高速速I(mǎi)/

3、O總線、擴(kuò)充總線、擴(kuò)充I/O總線等互連。主要有兩大類：總線等互連。主要有兩大類： Processor- Memory Bus (Design specific or proprietary)短而快，僅需與內(nèi)存匹配，使短而快，僅需與內(nèi)存匹配，使CPU-MM之間達(dá)最大帶寬之間達(dá)最大帶寬I/O Bus (Industry standard)長(zhǎng)而慢，需適應(yīng)多種設(shè)備，一側(cè)連接到長(zhǎng)而慢，需適應(yīng)多種設(shè)備，一側(cè)連接到Processor- Memory Bus 或或 Backplane Bus，另一側(cè)連到，另一側(cè)連到I/O控制器控制器（注：（注：Intel公司在推出公司在推出845、850等芯片組時(shí)，對(duì)等芯片組

4、時(shí)，對(duì)“System Bus”有專門(mén)的定義，有專門(mén)的定義，將將處理器總線處理器總線稱為前端總線稱為前端總線(Front Bus)或系統(tǒng)總線）或系統(tǒng)總線） 通信總線：在主機(jī)和通信總線：在主機(jī)和I/O設(shè)備之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間提供連接設(shè)備之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間提供連接SKIPIntel 體系結(jié)構(gòu)中特指的體系結(jié)構(gòu)中特指的“系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線”BACK北橋芯片組把處理器北橋芯片組把處理器存儲(chǔ)器總線分成了兩個(gè)總線：存儲(chǔ)器總線分成了兩個(gè)總線：處理器總線（系統(tǒng)總線，前端總線）處理器總線（系統(tǒng)總線，前端總線） 存儲(chǔ)器總線存儲(chǔ)器總線 系統(tǒng)總線通常由一組系統(tǒng)總線通常由一組控制線控制線、一組、一組數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線和一組和一組

5、地址線地址線構(gòu)成。也有些總線沒(méi)有單獨(dú)的地址構(gòu)成。也有些總線沒(méi)有單獨(dú)的地址線，地址信息通過(guò)數(shù)據(jù)線來(lái)傳送，這種情況稱為線，地址信息通過(guò)數(shù)據(jù)線來(lái)傳送，這種情況稱為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/地址復(fù)用地址復(fù)用。數(shù)據(jù)線（數(shù)據(jù)線（Data Bus）：）：承載在源和目部件之間傳輸?shù)男畔ⅰ?shù)據(jù)線的寬度反映一次能承載在源和目部件之間傳輸?shù)男畔?。?shù)據(jù)線的寬度反映一次能傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)。傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)。地址線（地址線（Address Bus） ：給出源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)所在的主存單元或給出源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)所在的主存單元或I/O端口的地址端口的地址。地址線的寬度反映最大的尋址空間。地址線的寬度反映最大的尋址空間?？刂凭€（控制線（Cont

6、rol Bus） ：控制對(duì)數(shù)據(jù)線和地址線的訪問(wèn)和使用。用來(lái)傳輸定時(shí)信號(hào)控制對(duì)數(shù)據(jù)線和地址線的訪問(wèn)和使用。用來(lái)傳輸定時(shí)信號(hào)和命令信息。典型的控制信號(hào)包括：和命令信息。典型的控制信號(hào)包括：- 時(shí)鐘（時(shí)鐘（Clock）：）：用于總線同步。用于總線同步。- 復(fù)位（復(fù)位（Reset）：）：初始化所有設(shè)備。初始化所有設(shè)備。- 總線請(qǐng)求（總線請(qǐng)求（Bus Request）：）：表明發(fā)出該請(qǐng)求信號(hào)的設(shè)備要使用總線。表明發(fā)出該請(qǐng)求信號(hào)的設(shè)備要使用總線。- 總線允許（總線允許（Bus Grant）：）：表明接收到該允許信號(hào)的設(shè)備可以使用總線。表明接收到該允許信號(hào)的設(shè)備可以使用總線。- 中斷請(qǐng)求（中斷請(qǐng)求（Inte

7、rrupt Request）：）：表明某個(gè)中斷正在請(qǐng)求。表明某個(gè)中斷正在請(qǐng)求。- 中斷回答（中斷回答（Interrupt Acknowledge） ：表明某個(gè)中斷請(qǐng)求已被接受。表明某個(gè)中斷請(qǐng)求已被接受。- 存儲(chǔ)器讀（存儲(chǔ)器讀（memory read）：）：從指定的主存單元中讀數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上。從指定的主存單元中讀數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上。- 存儲(chǔ)器寫(xiě)（存儲(chǔ)器寫(xiě)（memory read）：）：將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定的主存單元中。將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定的主存單元中。- I/O讀（讀（I/O read）：）：從指定的從指定的I/O端口中讀數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上。端口中讀數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上。- I/O寫(xiě)（寫(xiě)（

8、I/O Write） ：將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定的將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定的I/O端口中。端口中。- 傳輸確認(rèn)（傳輸確認(rèn)（transmission Acknowledge） ：表示數(shù)據(jù)已被接收或已被送到總線表示數(shù)據(jù)已被接收或已被送到總線系統(tǒng)總線的組成系統(tǒng)總線的組成總線設(shè)計(jì)要素總線設(shè)計(jì)要素 總線設(shè)計(jì)要考慮的基本要素總線設(shè)計(jì)要考慮的基本要素 盡管有許多不同的總線實(shí)現(xiàn)方式，但總線設(shè)計(jì)的基本要素和考察的性能指標(biāo)一樣盡管有許多不同的總線實(shí)現(xiàn)方式，但總線設(shè)計(jì)的基本要素和考察的性能指標(biāo)一樣信號(hào)線類型信號(hào)線類型(Signal line type)：專用專用(Separate) / 復(fù)用復(fù)用(Multipl

9、exed) 仲裁方法仲裁方法(Arbitrating)：集中式集中式(Center) / 分布式分布式(distributed) 定時(shí)方式定時(shí)方式(Timing)：同步通信同步通信 (Synchronous) / 異步通信異步通信 (Asynchronous)事務(wù)類型事務(wù)類型(Bus Transaction)：總線所支持的各種數(shù)據(jù)傳輸類型和其他總線操作類型，如：總線所支持的各種數(shù)據(jù)傳輸類型和其他總線操作類型，如：存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)、I/O讀、讀、I/O寫(xiě)、讀指令、中斷響應(yīng)寫(xiě)、讀指令、中斷響應(yīng)等等總線帶寬總線帶寬(Bus Bandwidth)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在總線上傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)

10、量（是一種傳輸能力）單位時(shí)間內(nèi)在總線上傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量（是一種傳輸能力） 相當(dāng)于公路的最大載客量。例如，滬寧高速每車道最多每相當(dāng)于公路的最大載客量。例如，滬寧高速每車道最多每5分鐘發(fā)一輛車，每輛車分鐘發(fā)一輛車，每輛車最多最多50人，共有人，共有6個(gè)車道，則最大流量為多少（個(gè)車道，則最大流量為多少（?人人/小時(shí)）？小時(shí)）？最大載客量：最大載客量：6道道x12車車/小時(shí)小時(shí)x50人人/車車= 3600人人/小時(shí)小時(shí)信號(hào)線類型信號(hào)線類型 總線的信號(hào)線類型有：專用、復(fù)用總線的信號(hào)線類型有：專用、復(fù)用 專用專用信號(hào)線：信號(hào)線：- 信號(hào)線專用來(lái)傳送某一種信息。信號(hào)線專用來(lái)傳送某一種信息。 例如，使用分立的

11、數(shù)據(jù)線和地址線，使得數(shù)據(jù)信息專門(mén)由數(shù)據(jù)線例如，使用分立的數(shù)據(jù)線和地址線，使得數(shù)據(jù)信息專門(mén)由數(shù)據(jù)線傳輸，地址信息專門(mén)由地址線傳輸。傳輸，地址信息專門(mén)由地址線傳輸。 復(fù)用信號(hào)線：復(fù)用信號(hào)線：- 信號(hào)線在不同的時(shí)間傳輸不同的信息信號(hào)線在不同的時(shí)間傳輸不同的信息。 例如，許多總線采用數(shù)據(jù)例如，許多總線采用數(shù)據(jù)/地址線分時(shí)復(fù)用方式，用一組數(shù)據(jù)線在地址線分時(shí)復(fù)用方式，用一組數(shù)據(jù)線在總線事務(wù)的地址階段傳送地址信息，在數(shù)據(jù)階段傳送數(shù)據(jù)信息?？偩€事務(wù)的地址階段傳送地址信息，在數(shù)據(jù)階段傳送數(shù)據(jù)信息。這樣就使得地址和數(shù)據(jù)通過(guò)同一組數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸。這樣就使得地址和數(shù)據(jù)通過(guò)同一組數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸。 信號(hào)分時(shí)復(fù)用的優(yōu)缺點(diǎn)：

12、信號(hào)分時(shí)復(fù)用的優(yōu)缺點(diǎn)： - 優(yōu)：減少總線條數(shù)，縮小體積、降低成本。優(yōu)：減少總線條數(shù)，縮小體積、降低成本。- 缺：總線模塊的電路變復(fù)雜，且不能并行。缺：總線模塊的電路變復(fù)雜，且不能并行?？偩€裁決（總線控制總線裁決（總線控制/ /使用使用/ /訪問(wèn)權(quán)的獲得）訪問(wèn)權(quán)的獲得） 什么是總線裁決？什么是總線裁決？ 當(dāng)多個(gè)設(shè)備需要使用總線進(jìn)行通信時(shí)，采用某種策略選擇一個(gè)設(shè)備使用總線當(dāng)多個(gè)設(shè)備需要使用總線進(jìn)行通信時(shí)，采用某種策略選擇一個(gè)設(shè)備使用總線 為什么要進(jìn)行總線裁決為什么要進(jìn)行總線裁決 ？ 總線被連接在其上的所有設(shè)備共享，如果沒(méi)有任何控制，那么當(dāng)多個(gè)設(shè)備需總線被連接在其上的所有設(shè)備共享，如果沒(méi)有任何控制，

13、那么當(dāng)多個(gè)設(shè)備需要進(jìn)行通信時(shí)，每個(gè)設(shè)備都試圖為各自的傳輸將信號(hào)送到總線上，這樣就要進(jìn)行通信時(shí)，每個(gè)設(shè)備都試圖為各自的傳輸將信號(hào)送到總線上，這樣就會(huì)產(chǎn)生混亂。會(huì)產(chǎn)生混亂。 如何避免上述混亂？如何避免上述混亂？ 在總線中引入一個(gè)或多個(gè)總線主控設(shè)備，只能主控設(shè)備控制總線在總線中引入一個(gè)或多個(gè)總線主控設(shè)備，只能主控設(shè)備控制總線 - 主控設(shè)備：能發(fā)起總線請(qǐng)求并控制總線。（如：處理器）主控設(shè)備：能發(fā)起總線請(qǐng)求并控制總線。（如：處理器）- 從設(shè)備：只能響應(yīng)從主控設(shè)備發(fā)來(lái)的總線命令。（如：主存）從設(shè)備：只能響應(yīng)從主控設(shè)備發(fā)來(lái)的總線命令。（如：主存）利用總線裁決決定哪個(gè)總線主控設(shè)備將在下次得到總線使用權(quán)利用總線

14、裁決決定哪個(gè)總線主控設(shè)備將在下次得到總線使用權(quán)總線被多個(gè)設(shè)備共享，但每一時(shí)刻只能有一對(duì)設(shè)備使用總線傳輸信息?？偩€被多個(gè)設(shè)備共享，但每一時(shí)刻只能有一對(duì)設(shè)備使用總線傳輸信息。總線裁決（總線控制總線裁決（總線控制/ /使用使用/ /訪問(wèn)權(quán)的獲得）訪問(wèn)權(quán)的獲得）總線裁決信號(hào)：總線裁決信號(hào)： 總線請(qǐng)求線和總線許可線總線請(qǐng)求線和總線許可線 總線請(qǐng)求線可以和數(shù)據(jù)線復(fù)用，但影響帶寬總線請(qǐng)求線可以和數(shù)據(jù)線復(fù)用，但影響帶寬 如：數(shù)據(jù)線和總線請(qǐng)求線復(fù)用時(shí)，總線裁決和數(shù)據(jù)傳輸不能同時(shí)進(jìn)行如：數(shù)據(jù)線和總線請(qǐng)求線復(fù)用時(shí)，總線裁決和數(shù)據(jù)傳輸不能同時(shí)進(jìn)行總線裁決有兩種方式：集中式和分布式總線裁決有兩種方式：集中式和分布式 集

15、中式：集中式：將控制邏輯做在一個(gè)將控制邏輯做在一個(gè)專門(mén)的總線控制器或總線裁決器專門(mén)的總線控制器或總線裁決器中，通過(guò)將所有中，通過(guò)將所有的總線請(qǐng)求集中起來(lái)利用一個(gè)的總線請(qǐng)求集中起來(lái)利用一個(gè)特定的裁決算法特定的裁決算法進(jìn)行裁決進(jìn)行裁決菊花鏈菊花鏈（Daisy chain）計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢（Query by a counter）獨(dú)立請(qǐng)求并行判優(yōu)獨(dú)立請(qǐng)求并行判優(yōu)（Centralized, Parallel） 分布式：分布式：沒(méi)有專門(mén)的總線控制器，其控制邏輯分散在各個(gè)部件或設(shè)備中沒(méi)有專門(mén)的總線控制器，其控制邏輯分散在各個(gè)部件或設(shè)備中自舉式自舉式（Self-selection）沖突檢測(cè)沖突檢測(cè)

16、 （Collision detection）裁決方案應(yīng)在以下兩個(gè)因素間進(jìn)行平衡裁決方案應(yīng)在以下兩個(gè)因素間進(jìn)行平衡 等級(jí)性等級(jí)性(Priority)具有高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備應(yīng)該先被服務(wù)具有高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備應(yīng)該先被服務(wù) 公平性公平性(Fairness)即使具有最低優(yōu)先權(quán)的設(shè)備也不能永遠(yuǎn)得不到總線使用權(quán)即使具有最低優(yōu)先權(quán)的設(shè)備也不能永遠(yuǎn)得不到總線使用權(quán)SKIP菊花鏈總線裁決菊花鏈總線裁決 Disadvantages： 不能保證公正性不能保證公正性 對(duì)電路故障敏感對(duì)電路故障敏感 限制了總線速度限制了總線速度菊花鏈查詢電路菊花鏈查詢電路GrantRequest 1Request 2Request nGrant

17、1Grant 2Grant 3Grant從最高優(yōu)先權(quán)的設(shè)備從最高優(yōu)先權(quán)的設(shè)備依次向最低優(yōu)先權(quán)的設(shè)備串依次向最低優(yōu)先權(quán)的設(shè)備串行相連。如果到達(dá)的設(shè)備有行相連。如果到達(dá)的設(shè)備有總線請(qǐng)求，則總線請(qǐng)求，則Grant信號(hào)就信號(hào)就不再往下傳，該設(shè)備建立總不再往下傳，該設(shè)備建立總線忙線忙Busy信號(hào)，表示它已獲信號(hào)，表示它已獲得了總線使用權(quán)。得了總線使用權(quán)。 BusArbiterDevice 1HighestPriorityDevice NLowestPriorityDevice 2GrantGrantGrantBusyRequestAdvantage： 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單(simple) ，只需幾根線就能按一定優(yōu)先

18、次，只需幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線裁決。序?qū)崿F(xiàn)總線裁決。 易擴(kuò)充設(shè)備易擴(kuò)充設(shè)備(flexible)串行查詢方式串行查詢方式BACK查詢查詢信號(hào)信號(hào)相當(dāng)于相當(dāng)于“擊鼓傳花擊鼓傳花”計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢裁決計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢裁決基本思想：基本思想：比菊花鏈查詢多比菊花鏈查詢多一組設(shè)備線（一組設(shè)備線（DevID），），少一根總線允許線少一根總線允許線BG?？偩€控制器接收。總線控制器接收到到BR送來(lái)的總線請(qǐng)求信號(hào)后，在總線未被使用（送來(lái)的總線請(qǐng)求信號(hào)后，在總線未被使用（Busy=0）的情況下，由計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，）的情況下，由計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值通過(guò)設(shè)備線向各設(shè)備發(fā)出。當(dāng)某個(gè)有總線請(qǐng)求的設(shè)備號(hào)與計(jì)數(shù)值

19、一致時(shí)，該設(shè)備并將計(jì)數(shù)值通過(guò)設(shè)備線向各設(shè)備發(fā)出。當(dāng)某個(gè)有總線請(qǐng)求的設(shè)備號(hào)與計(jì)數(shù)值一致時(shí)，該設(shè)備便獲得總線使用權(quán)，此時(shí)終止計(jì)數(shù)查詢，同時(shí)該設(shè)備建立總線忙便獲得總線使用權(quán)，此時(shí)終止計(jì)數(shù)查詢，同時(shí)該設(shè)備建立總線忙Busy信號(hào)。信號(hào)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)備設(shè)備優(yōu)先級(jí)靈活優(yōu)先級(jí)靈活：可通過(guò)設(shè)置不同的計(jì)數(shù)初始值來(lái)改變。：可通過(guò)設(shè)置不同的計(jì)數(shù)初始值來(lái)改變。 若每次初值皆為若每次初值皆為0，則固定；，則固定； 若每次初值總是剛獲得總線使用權(quán)的設(shè)備，則是平等的循環(huán)優(yōu)先級(jí)方式。若每次初值總是剛獲得總線使用權(quán)的設(shè)備，則是平等的循環(huán)優(yōu)先級(jí)方式。 對(duì)電路故障不如菊花鏈查詢那樣敏感。對(duì)電路故障不如菊花鏈查詢那樣敏感。 缺點(diǎn)

20、：缺點(diǎn)： 需要增加一組設(shè)備線需要增加一組設(shè)備線 總線設(shè)備的控制邏輯變復(fù)雜總線設(shè)備的控制邏輯變復(fù)雜(需需對(duì)設(shè)備號(hào)進(jìn)行譯碼對(duì)設(shè)備號(hào)進(jìn)行譯碼比較等比較等)BusArbiterDevice 1Priority?Device NPriority?Device 2Dev IDBusyRequestBACK相當(dāng)于相當(dāng)于“點(diǎn)名報(bào)到點(diǎn)名報(bào)到”獨(dú)立請(qǐng)求方式裁決獨(dú)立請(qǐng)求方式裁決 各設(shè)備都有一對(duì)總線請(qǐng)各設(shè)備都有一對(duì)總線請(qǐng)求線求線Req和總線允許線和總線允許線Grant。 當(dāng)某設(shè)備要使用總線時(shí)當(dāng)某設(shè)備要使用總線時(shí)，就通過(guò)對(duì)應(yīng)的總線請(qǐng)，就通過(guò)對(duì)應(yīng)的總線請(qǐng)求線將請(qǐng)求信號(hào)送到總求線將請(qǐng)求信號(hào)送到總線控制器。線控制器。 總線控

21、制器中有一個(gè)總線控制器中有一個(gè)判判優(yōu)電路優(yōu)電路，可根據(jù)各設(shè)備，可根據(jù)各設(shè)備的優(yōu)先級(jí)確定選擇哪個(gè)的優(yōu)先級(jí)確定選擇哪個(gè)設(shè)備?？刂破骺山o各請(qǐng)?jiān)O(shè)備?？刂破骺山o各請(qǐng)求線以固定的優(yōu)先級(jí)，求線以固定的優(yōu)先級(jí)，也可編程設(shè)置也可編程設(shè)置ENP0P1P2G0G1G2并行判優(yōu)電路并行判優(yōu)電路p0、P1、p2優(yōu)先級(jí)怎樣？?jī)?yōu)先級(jí)怎樣？BusArbiterDevice 1Device NDevice 2GrantReq優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 響應(yīng)速度快。響應(yīng)速度快。 若可編程，則優(yōu)先級(jí)靈活若可編程，則優(yōu)先級(jí)靈活缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 控制邏輯復(fù)雜，控制線數(shù)量多?？刂七壿嫃?fù)雜，控制線數(shù)量多。p0P1p2問(wèn)題：如果有問(wèn)題：如果有N個(gè)設(shè)備，則菊花

22、個(gè)設(shè)備，則菊花鏈和獨(dú)立請(qǐng)求各需多少裁決線？鏈和獨(dú)立請(qǐng)求各需多少裁決線？2 ， 2N并行判優(yōu)方式并行判優(yōu)方式裁決算法：裁決算法：總線控制器可采用固定的并行判優(yōu)算法、平等的循環(huán)菊花鏈總線控制器可采用固定的并行判優(yōu)算法、平等的循環(huán)菊花鏈算法、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法（如：最近最少用算法、先來(lái)先服務(wù)算法）等。算法、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法（如：最近最少用算法、先來(lái)先服務(wù)算法）等。BACK相當(dāng)于相當(dāng)于“領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)了算領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)了算”自舉分布式裁決自舉分布式裁決優(yōu)先級(jí)固定，各設(shè)備獨(dú)立決定自己是否是最高優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求者優(yōu)先級(jí)固定，各設(shè)備獨(dú)立決定自己是否是最高優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求者需請(qǐng)求總線的設(shè)備在各自對(duì)應(yīng)的總線請(qǐng)求線上送出請(qǐng)求信號(hào)需請(qǐng)求總線的設(shè)備在

23、各自對(duì)應(yīng)的總線請(qǐng)求線上送出請(qǐng)求信號(hào)在總線裁決期間每個(gè)設(shè)備將比自己優(yōu)先級(jí)高的請(qǐng)求線上的信號(hào)取回分析：在總線裁決期間每個(gè)設(shè)備將比自己優(yōu)先級(jí)高的請(qǐng)求線上的信號(hào)取回分析：-若有總線請(qǐng)求信號(hào)，則本設(shè)備不能立即使用總線若有總線請(qǐng)求信號(hào)，則本設(shè)備不能立即使用總線-若沒(méi)有，則可以立即使用總線，并通過(guò)總線忙信號(hào)阻止其他設(shè)備使用總線若沒(méi)有，則可以立即使用總線，并通過(guò)總線忙信號(hào)阻止其他設(shè)備使用總線- 最低優(yōu)先級(jí)設(shè)備可以不需要總線請(qǐng)求線，為什么？最低優(yōu)先級(jí)設(shè)備可以不需要總線請(qǐng)求線，為什么？- 需要較多連線用于請(qǐng)求信號(hào)，所以，許多總線用數(shù)據(jù)線需要較多連線用于請(qǐng)求信號(hào)，所以，許多總線用數(shù)據(jù)線DB作為總線請(qǐng)求線作為總線請(qǐng)求

24、線 N個(gè)設(shè)備要多少請(qǐng)求信號(hào)？個(gè)設(shè)備要多少請(qǐng)求信號(hào)？- NuBus（MacintoshII 中的底板式總線）、中的底板式總線）、SCSI總線等采用該方案總線等采用該方案上圖中的優(yōu)先級(jí)上圖中的優(yōu)先級(jí) (優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí))是什么？是什么？設(shè)備設(shè)備3設(shè)備設(shè)備2設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備0BR0(Busy)Device0Device1Device3BR1BR2Device2BR3N個(gè)！個(gè)！BACK沖突檢測(cè)方式裁決沖突檢測(cè)方式裁決基本思想：基本思想：當(dāng)某個(gè)設(shè)備要使用總線時(shí)，它首先檢查一下是否有其他設(shè)備正在使用總線當(dāng)某個(gè)設(shè)備要使用總線時(shí)，它首先檢查一下是否有其他設(shè)備正在使用總線如果沒(méi)有，那它就置總線忙，然后使用總線；如

25、果沒(méi)有，那它就置總線忙，然后使用總線；若兩個(gè)設(shè)備若兩個(gè)設(shè)備同時(shí)檢測(cè)到總線空閑同時(shí)檢測(cè)到總線空閑，則可能會(huì)同時(shí)使用總線，此時(shí)發(fā)生沖突；，則可能會(huì)同時(shí)使用總線，此時(shí)發(fā)生沖突；一個(gè)設(shè)備在傳輸過(guò)程中，它會(huì)一個(gè)設(shè)備在傳輸過(guò)程中，它會(huì)幀聽(tīng)總線幀聽(tīng)總線以檢測(cè)是否發(fā)生了沖突；以檢測(cè)是否發(fā)生了沖突；當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，兩個(gè)設(shè)備都會(huì)停止傳輸兩個(gè)設(shè)備都會(huì)停止傳輸，延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后再重新使用總線，延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后再重新使用總線 - 該方案一般用在網(wǎng)絡(luò)通信總線上，如：該方案一般用在網(wǎng)絡(luò)通信總線上，如：Ethernet總線等。總線等。BACK總線定時(shí)方式總線定時(shí)方式 什么是總線的定時(shí)什么是總線的定時(shí) 通過(guò)總線

26、裁決確定了哪個(gè)設(shè)備可以使用總線，那么一個(gè)取得了總線控通過(guò)總線裁決確定了哪個(gè)設(shè)備可以使用總線，那么一個(gè)取得了總線控制權(quán)的設(shè)備如何控制總線進(jìn)行總線操作呢？也即如何來(lái)定義總線事務(wù)制權(quán)的設(shè)備如何控制總線進(jìn)行總線操作呢？也即如何來(lái)定義總線事務(wù)中的每一步何時(shí)開(kāi)始、何時(shí)結(jié)束呢？這就是總線通信的定時(shí)問(wèn)題。中的每一步何時(shí)開(kāi)始、何時(shí)結(jié)束呢？這就是總線通信的定時(shí)問(wèn)題。 總線通信的定時(shí)方式總線通信的定時(shí)方式 Synchronous (同步同步)：用時(shí)鐘來(lái)同步定時(shí)：用時(shí)鐘來(lái)同步定時(shí) Asynchronous(異步異步) )：用握手信號(hào)定時(shí)：用握手信號(hào)定時(shí) Semi-Synchronous ( (半同步）：同步半同步）：

27、同步( (時(shí)鐘時(shí)鐘) )和異步和異步( (握手信號(hào)握手信號(hào)) )結(jié)合結(jié)合 Split transaction（拆（拆分事務(wù)）：在從設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)，釋放總線分事務(wù)）：在從設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)，釋放總線CPU-主存總線都采用同步方式主存總線都采用同步方式異步方式只有異步方式只有I/O總線才會(huì)使用總線才會(huì)使用I/O總線大多采用半同步方式總線大多采用半同步方式拆分拆分事務(wù)方式可以提高總線的有效帶寬事務(wù)方式可以提高總線的有效帶寬SKIP同步總線同步總線 (Synchronous Bus)BReqBGCmd+AddrR/WAddressData1Data2Data簡(jiǎn)單的同步協(xié)議如下圖：簡(jiǎn)單的同步協(xié)議如下圖：Ad

28、vantage: 控制邏輯少而速度快控制邏輯少而速度快Disadvantages: （1）所有設(shè)備在同一個(gè)時(shí)鐘速率下運(yùn)行，故以最慢速設(shè)備為準(zhǔn)）所有設(shè)備在同一個(gè)時(shí)鐘速率下運(yùn)行，故以最慢速設(shè)備為準(zhǔn) （2）由于時(shí)鐘偏移問(wèn)題，同步總線不能很長(zhǎng)）由于時(shí)鐘偏移問(wèn)題，同步總線不能很長(zhǎng)實(shí)際上，存儲(chǔ)器總線比這種協(xié)議的總線復(fù)雜得多實(shí)際上，存儲(chǔ)器總線比這種協(xié)議的總線復(fù)雜得多存儲(chǔ)器（從設(shè)備）響應(yīng)需要一段時(shí)間，并不能在隨后的時(shí)鐘周期就準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（從設(shè)備）響應(yīng)需要一段時(shí)間，并不能在隨后的時(shí)鐘周期就準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)CLK控制線上有一個(gè)控制線上有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，有，有確定的通信協(xié)議確定的通信協(xié)議BACK

29、一個(gè)總線事務(wù)：地址階段一個(gè)總線事務(wù)：地址階段 + 數(shù)據(jù)階段數(shù)據(jù)階段 + + 數(shù)據(jù)階段數(shù)據(jù)階段 非時(shí)鐘定時(shí)，沒(méi)有一個(gè)公共的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。因此，能夠連接帶寬范圍很大的各種非時(shí)鐘定時(shí)，沒(méi)有一個(gè)公共的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。因此，能夠連接帶寬范圍很大的各種設(shè)備。總線能夠加長(zhǎng)而不用擔(dān)心時(shí)鐘偏移（設(shè)備。總線能夠加長(zhǎng)而不用擔(dān)心時(shí)鐘偏移（clock skew）問(wèn)題）問(wèn)題 采用采用握手協(xié)議（握手協(xié)議（handshaking protocol）即：應(yīng)答方式。即：應(yīng)答方式。只有當(dāng)雙方都同意時(shí)，發(fā)送者或接收者才會(huì)進(jìn)入到下一步，協(xié)議通過(guò)一對(duì)只有當(dāng)雙方都同意時(shí)，發(fā)送者或接收者才會(huì)進(jìn)入到下一步，協(xié)議通過(guò)一對(duì)附加的附加的“握手握手”信號(hào)線（信

30、號(hào)線（Ready、Ack）來(lái)實(shí)現(xiàn)）來(lái)實(shí)現(xiàn) 異步通信有非互鎖、半互鎖和全互鎖三種方式異步通信有非互鎖、半互鎖和全互鎖三種方式異步總線異步總線 (Asynchronous Bus) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈活，可掛接各種具有不同工作速度的設(shè)備靈活，可掛接各種具有不同工作速度的設(shè)備 缺點(diǎn)缺點(diǎn): : 對(duì)噪聲較敏感（任何時(shí)候都可能接收到對(duì)方的應(yīng)答信號(hào)）對(duì)噪聲較敏感（任何時(shí)候都可能接收到對(duì)方的應(yīng)答信號(hào)） 接口邏輯較復(fù)雜接口邏輯較復(fù)雜ReadyAck非互鎖方式ReadyAck半互鎖方式ReadyAck全互鎖方式BACKHandshaking Protocol(握手協(xié)議握手協(xié)議) Three control lines

31、ReadReq: 請(qǐng)求讀內(nèi)存單元請(qǐng)求讀內(nèi)存單元(地址信息同時(shí)送到地址地址信息同時(shí)送到地址/數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)線上)DataRdy: 表示已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)表示已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)同時(shí)送到地址數(shù)據(jù)同時(shí)送到地址/數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)線上)Ack: ReadReq or DataRdy的回答信號(hào)的回答信號(hào) 上述為上述為read過(guò)程過(guò)程, 但但write操作基本類似操作基本類似ReadReqAddressDataDataAckDataRdy1223445667BACKReadReq和和Ack之間的握手過(guò)程之間的握手過(guò)程完成完成地址信息的傳輸?shù)刂沸畔⒌膫鬏擠ataRdy和和Ack之間的握手過(guò)程之間的握手過(guò)程完成完成數(shù)據(jù)信息的

32、傳輸數(shù)據(jù)信息的傳輸一共有多少次握手？一共有多少次握手？一個(gè)總線事務(wù)：地址階段一個(gè)總線事務(wù)：地址階段 + 數(shù)據(jù)階段數(shù)據(jù)階段 + + 數(shù)據(jù)階段數(shù)據(jù)階段7次次是全互鎖方式！是全互鎖方式！半同步總線半同步總線 通過(guò)通過(guò)“Wait”信號(hào)從設(shè)備告知主設(shè)備何時(shí)數(shù)據(jù)有效信號(hào)從設(shè)備告知主設(shè)備何時(shí)數(shù)據(jù)有效 結(jié)合了同步和異步的優(yōu)點(diǎn)。既保持了結(jié)合了同步和異步的優(yōu)點(diǎn)。既保持了“所有信號(hào)都由時(shí)鐘定時(shí)所有信號(hào)都由時(shí)鐘定時(shí)”的特點(diǎn)的特點(diǎn)，又允許，又允許“不同速度設(shè)備共存于總線不同速度設(shè)備共存于總線”BReqBGCmd+AddrR/WAddressData1Data2DataData1Wait為解決異步方式對(duì)噪聲敏感的問(wèn)題，在

33、異步總線中引入時(shí)鐘信號(hào)為解決異步方式對(duì)噪聲敏感的問(wèn)題，在異步總線中引入時(shí)鐘信號(hào)就緒和應(yīng)答等握手信號(hào)就緒和應(yīng)答等握手信號(hào) (如：如：Wait信號(hào)、信號(hào)、TRDY和和IRDY信號(hào)等信號(hào)等) 都在時(shí)鐘的上升沿有效都在時(shí)鐘的上升沿有效信號(hào)的有效時(shí)間限制在時(shí)鐘到達(dá)的時(shí)刻，而不受其他時(shí)間的信號(hào)干擾信號(hào)的有效時(shí)間限制在時(shí)鐘到達(dá)的時(shí)刻，而不受其他時(shí)間的信號(hào)干擾CLKBACKSplit Bus Transaction(拆分總線事務(wù)拆分總線事務(wù)) 主 控 (M ) 地 址 數(shù) 據(jù) S M 總 線 空 閑( 其 它 主 控器 可 用 ) 地 址 、 命 令 S M 數(shù) 據(jù) 從 (S ) 時(shí) 鐘 子 周 期1 子 周

34、 期2 從設(shè)備地址從設(shè)備地址主設(shè)備編號(hào)主設(shè)備編號(hào)將一個(gè)事務(wù)分成兩個(gè)子過(guò)程：將一個(gè)事務(wù)分成兩個(gè)子過(guò)程： 過(guò)程過(guò)程1：主控設(shè)備：主控設(shè)備A獲得總線使用權(quán)獲得總線使用權(quán)后，將請(qǐng)求的事務(wù)類型、地址及其他信息（如后，將請(qǐng)求的事務(wù)類型、地址及其他信息（如A的標(biāo)識(shí)等）的標(biāo)識(shí)等）發(fā)到總線，從設(shè)備發(fā)到總線，從設(shè)備B記下這些信息。記下這些信息。A發(fā)完信息后便立即發(fā)完信息后便立即釋放總線釋放總線，其他設(shè)備便可使用總線，其他設(shè)備便可使用總線 過(guò)程過(guò)程2：B收到收到A發(fā)來(lái)的信息后，按照發(fā)來(lái)的信息后，按照A的要求的要求準(zhǔn)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備好后，準(zhǔn)備好后，B便請(qǐng)求使用總線，便請(qǐng)求使用總線，獲使獲使用權(quán)用權(quán)后，后，B將將A

35、的編號(hào)及所需數(shù)據(jù)送到總線，的編號(hào)及所需數(shù)據(jù)送到總線，A便可接收便可接收Split Bus Transaction(拆拆分總線事務(wù)分總線事務(wù)) 請(qǐng)求請(qǐng)求- 回答方式（回答方式（Request-Reply ）CPU啟動(dòng)一次讀或?qū)懯聞?wù)啟動(dòng)一次讀或?qū)懯聞?wù)- 傳送信息：傳送信息：address, data, and command然后等待存儲(chǔ)器回答然后等待存儲(chǔ)器回答 分離總線事務(wù)方式（分離總線事務(wù)方式（Split Bus Transaction）CPU啟動(dòng)一次讀啟動(dòng)一次讀/寫(xiě)事務(wù)后，釋放總線寫(xiě)事務(wù)后，釋放總線- 傳送信息：傳送信息：address, data（Write）, and command存儲(chǔ)器

36、啟動(dòng)一次回答事務(wù)，請(qǐng)求使用總線存儲(chǔ)器啟動(dòng)一次回答事務(wù)，請(qǐng)求使用總線- 傳送信息：傳送信息： data (read) or acknowledge (write) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)總效率改善系統(tǒng)總效率改善(例如，在存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)可以釋放總線，以被其他設(shè)備使用例如，在存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)可以釋放總線，以被其他設(shè)備使用) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 單獨(dú)的事務(wù)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)單獨(dú)的事務(wù)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng) 增加復(fù)雜性增加復(fù)雜性BACK例例1：同步和異步總線的最大帶寬比較：同步和異步總線的最大帶寬比較 舉例：假定同步總線的時(shí)鐘周期為舉例：假定同步總線的時(shí)鐘周期為50ns，每次總線傳輸花，每次總線傳輸花1個(gè)時(shí)鐘周期，異步總個(gè)時(shí)鐘周

37、期，異步總線每次握手需要線每次握手需要40ns，兩種總線的數(shù)據(jù)都是，兩種總線的數(shù)據(jù)都是32位寬位寬 ，存儲(chǔ)器的取數(shù)時(shí)間為，存儲(chǔ)器的取數(shù)時(shí)間為200ns。要求求出從該存儲(chǔ)器中讀出一個(gè)字時(shí)兩種總線的帶寬。要求求出從該存儲(chǔ)器中讀出一個(gè)字時(shí)兩種總線的帶寬。 分析如下：分析如下： 同步總線的步驟和時(shí)間為：同步總線的步驟和時(shí)間為： （1）發(fā)送地址和讀命令到存儲(chǔ)器：）發(fā)送地址和讀命令到存儲(chǔ)器：50ns （2）存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)：）存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)：200ns （3）傳送數(shù)據(jù)到設(shè)備：）傳送數(shù)據(jù)到設(shè)備：50ns 所以總時(shí)間為所以總時(shí)間為300ns，故最大總線帶寬為，故最大總線帶寬為4B/300ns，即：，即：13.3MB

38、/s。 異步總線的步驟和時(shí)間為：異步總線的步驟和時(shí)間為： 第第1步為：步為：40ns； 第第2、3、4步為：步為：Max(3x40ns，200ns)=200ns； （第第2、3、4步都和存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間重疊）步都和存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間重疊） 第第5、6、7步為：步為：3x40ns=120ns。 總時(shí)間為總時(shí)間為360ns，故最大帶寬為，故最大帶寬為4B/360ns=11.1MB/s 由此可知：同步總線僅比異步快大約由此可知：同步總線僅比異步快大約20%。要獲得這樣的速度，異步總線。要獲得這樣的速度，異步總線上的設(shè)備和存儲(chǔ)器必須足夠快，以使每次在上的設(shè)備和存儲(chǔ)器必須足夠快，以使每次在40 ns內(nèi)能完成一

39、個(gè)子過(guò)程內(nèi)能完成一個(gè)子過(guò)程如果存儲(chǔ)器讀為如果存儲(chǔ)器讀為230ns，則結(jié)果為多少？，則結(jié)果為多少？總時(shí)間為總時(shí)間為350ns，4B/350ns=11.4MB/s例例2：數(shù)據(jù)塊大小對(duì)帶寬的影響：數(shù)據(jù)塊大小對(duì)帶寬的影響假定有一個(gè)系統(tǒng)具有下列特性：假定有一個(gè)系統(tǒng)具有下列特性：(1)系統(tǒng)支持系統(tǒng)支持416個(gè)個(gè)32位字的塊訪問(wèn)。位字的塊訪問(wèn)。(2)64位同步總線，時(shí)鐘頻率為位同步總線，時(shí)鐘頻率為200MHz，每個(gè)，每個(gè)64位數(shù)據(jù)傳輸需一個(gè)時(shí)鐘周期，位數(shù)據(jù)傳輸需一個(gè)時(shí)鐘周期，地址發(fā)送到存儲(chǔ)器需地址發(fā)送到存儲(chǔ)器需1個(gè)時(shí)鐘周期。個(gè)時(shí)鐘周期。(3)在每次總線操作在每次總線操作(事務(wù)事務(wù))間有兩個(gè)空閑時(shí)鐘周期。間有

40、兩個(gè)空閑時(shí)鐘周期。(4)存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間對(duì)于開(kāi)始的存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間對(duì)于開(kāi)始的4個(gè)字是個(gè)字是200ns，隨后每，隨后每4個(gè)字是個(gè)字是20ns。 假定讀出數(shù)據(jù)在總線上傳送的同時(shí)，隨后假定讀出數(shù)據(jù)在總線上傳送的同時(shí)，隨后4個(gè)字的存儲(chǔ)器讀操作也重疊進(jìn)行個(gè)字的存儲(chǔ)器讀操作也重疊進(jìn)行 一個(gè)總線事務(wù)由一個(gè)地址傳送后跟一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送組成一個(gè)總線事務(wù)由一個(gè)地址傳送后跟一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送組成 請(qǐng)求出分別用請(qǐng)求出分別用4-字塊和字塊和16-字塊方式讀取字塊方式讀取256個(gè)字時(shí)的持續(xù)帶寬和等待時(shí)間。個(gè)字時(shí)的持續(xù)帶寬和等待時(shí)間。并且求出兩種情況下每秒鐘內(nèi)的有效總線事務(wù)數(shù)。并且求出兩種情況下每秒鐘內(nèi)的有效總線事務(wù)數(shù)。舉例舉例-數(shù)

41、據(jù)塊大小對(duì)帶寬的影響數(shù)據(jù)塊大小對(duì)帶寬的影響 分析分析 4-字塊傳送情況：字塊傳送情況： 對(duì)于對(duì)于4-字塊傳送方式，一次總線事務(wù)由一個(gè)地址傳送后跟一個(gè)字塊傳送方式，一次總線事務(wù)由一個(gè)地址傳送后跟一個(gè)4-字塊的數(shù)據(jù)傳送組成。也字塊的數(shù)據(jù)傳送組成。也即每個(gè)總線事務(wù)傳送一個(gè)即每個(gè)總線事務(wù)傳送一個(gè)4個(gè)字的數(shù)據(jù)塊。個(gè)字的數(shù)據(jù)塊。 每個(gè)數(shù)據(jù)塊所花時(shí)間為：每個(gè)數(shù)據(jù)塊所花時(shí)間為： (1) 發(fā)送一個(gè)地址到主存花發(fā)送一個(gè)地址到主存花1個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期 (2) 從主存讀從主存讀4個(gè)字花：個(gè)字花：200ns/(5ns/Cycle)=40個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期 (一個(gè)周期是一個(gè)周期是109ns/200MHz=1000/

42、200=5ns) (3) 4個(gè)字（個(gè)字（128位）的傳輸需位）的傳輸需2個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期 (一個(gè)一個(gè)64位數(shù)據(jù)傳輸需位數(shù)據(jù)傳輸需1個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期) (4) 在這次傳送和下次之間有在這次傳送和下次之間有2個(gè)空閑時(shí)鐘周期個(gè)空閑時(shí)鐘周期 所以一次總線事務(wù)總共需所以一次總線事務(wù)總共需45個(gè)周期，個(gè)周期，256個(gè)字需個(gè)字需256/4=64個(gè)事務(wù)，所以整個(gè)傳送需個(gè)事務(wù)，所以整個(gè)傳送需45x64=2880個(gè)時(shí)鐘周期，因而總等待時(shí)間為：個(gè)時(shí)鐘周期，因而總等待時(shí)間為：2880周期周期x 5ns/周期周期=14400ns。每秒鐘的。每秒鐘的總線事務(wù)數(shù)為：總線事務(wù)數(shù)為：64 x (1s/14400ns)

43、= 4.44M個(gè)?？偩€帶寬為：個(gè)?？偩€帶寬為：(256 x 4B)/14400ns =71.11MB/s。1 clock= 40 clock2 clock2 clockI/OMemoryBlockaddressRead memory Data transfer Bus idlecyclensns/5200Latency = 2880 clock cyclesBandwidth = 71.11MB /sec舉例舉例-數(shù)據(jù)塊大小對(duì)帶寬的影響數(shù)據(jù)塊大小對(duì)帶寬的影響 分析分析 16-字塊傳送情況：字塊傳送情況： 對(duì)于對(duì)于16-字塊傳送，一次總線事務(wù)由一個(gè)地址傳送后跟一個(gè)字塊傳送，一次總線事務(wù)由一個(gè)地址

44、傳送后跟一個(gè)16-字塊的數(shù)據(jù)傳送組成。也即字塊的數(shù)據(jù)傳送組成。也即每個(gè)總線事務(wù)傳送一個(gè)每個(gè)總線事務(wù)傳送一個(gè)16個(gè)字的數(shù)據(jù)塊。個(gè)字的數(shù)據(jù)塊。 第一個(gè)第一個(gè)4-字所花時(shí)間為：字所花時(shí)間為： (1) 發(fā)送一個(gè)地址到主存花發(fā)送一個(gè)地址到主存花1個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期 (2) 從主存讀開(kāi)始的從主存讀開(kāi)始的4字花：字花：200ns/(5ns/Cycle)=40個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期 (3) 4個(gè)字的傳輸需個(gè)字的傳輸需2個(gè)時(shí)鐘周期，個(gè)時(shí)鐘周期，在傳輸期間存儲(chǔ)器開(kāi)始讀取下一個(gè)在傳輸期間存儲(chǔ)器開(kāi)始讀取下一個(gè)4字字 (4) 在本次和下次之間有在本次和下次之間有2個(gè)空閑時(shí)鐘，此期間下一個(gè)個(gè)空閑時(shí)鐘，此期間下一個(gè)4字已讀

45、完字已讀完 所以，所以，16字中其余三個(gè)字中其余三個(gè)4字只要重復(fù)上述最后兩步字只要重復(fù)上述最后兩步。因此對(duì)于。因此對(duì)于16-字塊傳送，一次總線事務(wù)字塊傳送，一次總線事務(wù)共需花費(fèi)的周期數(shù)為：共需花費(fèi)的周期數(shù)為：1+40+4 x (2 +2) = 57個(gè)周期，個(gè)周期，256個(gè)字需個(gè)字需256 / 16=16個(gè)事務(wù)，因此個(gè)事務(wù)，因此整個(gè)傳送需整個(gè)傳送需57 x 16 = 912個(gè)時(shí)鐘周期。故總等待時(shí)間為：個(gè)時(shí)鐘周期。故總等待時(shí)間為：912周期周期x 5ns / 周期周期=4560ns。幾乎僅是前者的幾乎僅是前者的1/3。每秒鐘的總線事務(wù)個(gè)數(shù)為：。每秒鐘的總線事務(wù)個(gè)數(shù)為：16 x (1s / 4560

46、ns) = 3.51M個(gè)?？偩€帶個(gè)?？偩€帶寬為：寬為：(256 x 4B)x (1s/4560ns) =224.56MB/s，比前者高，比前者高3.6倍。倍。 由此可見(jiàn)，大數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)非常明顯。由此可見(jiàn)，大數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)非常明顯。1 clock40 clock2 clock2 clockI/OMemoryLatency = 912 clock cyclesBandwidth = 224.56MB /sec增加同步總線帶寬的措施增加同步總線帶寬的措施 提高時(shí)鐘頻率提高時(shí)鐘頻率 Data bus width(增加數(shù)據(jù)線寬度增加數(shù)據(jù)線寬度)能同時(shí)傳送更多位能同時(shí)傳送更多位Example: SP

47、ARCstation 20s memory bus 有有 128 bitCost: more bus lines Block transfers(允許大數(shù)據(jù)塊傳送允許大數(shù)據(jù)塊傳送)背對(duì)背總線周期，也稱為突發(fā)背對(duì)背總線周期，也稱為突發(fā)(Burst)傳輸方式傳輸方式 只要開(kāi)始送一次地址，后面連續(xù)送數(shù)據(jù)只要開(kāi)始送一次地址，后面連續(xù)送數(shù)據(jù)Cost: (a)增加復(fù)雜性增加復(fù)雜性 (b)延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間 Split Bus Transaction(拆分總線事務(wù)拆分總線事務(wù))一次總線事務(wù)時(shí)間延長(zhǎng)，但整個(gè)系統(tǒng)帶寬增加一次總線事務(wù)時(shí)間延長(zhǎng)，但整個(gè)系統(tǒng)帶寬增加Cost: (a) 增加復(fù)雜性增加復(fù)雜性 (b

48、) 延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間 不采用分時(shí)復(fù)用方式不采用分時(shí)復(fù)用方式地址和數(shù)據(jù)可以同時(shí)送出地址和數(shù)據(jù)可以同時(shí)送出Cost(代價(jià)代價(jià)): (a) more bus lines, (b) 增加復(fù)雜性增加復(fù)雜性關(guān)于關(guān)于I/O總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)I/O總線總線是各類是各類I/O控制器與控制器與CPU、內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的一組公用信號(hào)、內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的一組公用信號(hào)線，這些信號(hào)線在物理上與主板擴(kuò)展槽中插入的擴(kuò)展卡（線，這些信號(hào)線在物理上與主板擴(kuò)展槽中插入的擴(kuò)展卡（I/O控制器控制器）直接連接。）直接連接。I/O總線是標(biāo)準(zhǔn)總線，總線是標(biāo)準(zhǔn)總線，I/O總線標(biāo)準(zhǔn)有：總線標(biāo)準(zhǔn)有： ISA / EISA總線：（已逐步被淘

49、汰）總線：（已逐步被淘汰） Multibus總線：（已逐步被淘汰）總線：（已逐步被淘汰） PCI總線：目前總線：目前PC機(jī)所用的主流標(biāo)準(zhǔn)機(jī)所用的主流標(biāo)準(zhǔn) PCI-Express(高速高速PCI總線總線)：目前：目前PC機(jī)所用的主流標(biāo)準(zhǔn)機(jī)所用的主流標(biāo)準(zhǔn)I/O總線的帶寬總線的帶寬 總線的數(shù)據(jù)傳輸速率總線的數(shù)據(jù)傳輸速率(MB/s) = 數(shù)據(jù)線位數(shù)數(shù)據(jù)線位數(shù)/8總線工作頻率（總線工作頻率（MHz）每個(gè)總線周期的傳輸次每個(gè)總線周期的傳輸次數(shù)數(shù)PCI總線擴(kuò)展槽總線擴(kuò)展槽（自學(xué)（自學(xué)） PCI總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn) (1) 信號(hào)線信號(hào)線 PCI有有50根必須的信號(hào)線根必須的信號(hào)線。按功能可分為以下幾組：。按功能可

50、分為以下幾組：系統(tǒng)信號(hào)：系統(tǒng)信號(hào)：包括時(shí)鐘和復(fù)位線。包括時(shí)鐘和復(fù)位線。 地址和數(shù)據(jù)信號(hào)：地址和數(shù)據(jù)信號(hào)：包含包含32根分時(shí)復(fù)用的地址根分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)線、4根分時(shí)復(fù)用的總線命根分時(shí)復(fù)用的總線命令令/字節(jié)使能線以及對(duì)這字節(jié)使能線以及對(duì)這36根信號(hào)線進(jìn)行奇偶校驗(yàn)的一根校驗(yàn)信號(hào)線。根信號(hào)線進(jìn)行奇偶校驗(yàn)的一根校驗(yàn)信號(hào)線。 接口控制信號(hào)：接口控制信號(hào)：對(duì)總線事務(wù)進(jìn)行定時(shí)控制，用于在事務(wù)的發(fā)起者和響應(yīng)者之對(duì)總線事務(wù)進(jìn)行定時(shí)控制，用于在事務(wù)的發(fā)起者和響應(yīng)者之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。間進(jìn)行協(xié)調(diào)。裁決信號(hào)：裁決信號(hào)：它不同于其他信號(hào)，不是所有設(shè)備共享同一根信號(hào)線，而是每個(gè)它不同于其他信號(hào)，不是所有設(shè)備共享同一根

51、信號(hào)線，而是每個(gè)總線主控設(shè)備都有一對(duì)仲裁線：總線請(qǐng)求和總線允許?？偩€主控設(shè)備都有一對(duì)仲裁線：總線請(qǐng)求和總線允許。PCI采用集中式裁決采用集中式裁決，所有設(shè)備的仲裁線都連接到一個(gè)總線裁決器中。，所有設(shè)備的仲裁線都連接到一個(gè)總線裁決器中。錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)：錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)：用于報(bào)告奇偶校驗(yàn)錯(cuò)以及其他錯(cuò)誤。用于報(bào)告奇偶校驗(yàn)錯(cuò)以及其他錯(cuò)誤。(2) PCI命令命令總線活動(dòng)以發(fā)生在總線主控設(shè)備和從設(shè)備之間的總線活動(dòng)以發(fā)生在總線主控設(shè)備和從設(shè)備之間的總線事務(wù)形式總線事務(wù)形式進(jìn)行?？偩€進(jìn)行?？偩€主主控設(shè)備控設(shè)備就是事務(wù)的就是事務(wù)的發(fā)起者發(fā)起者，從設(shè)備從設(shè)備是事務(wù)的是事務(wù)的響應(yīng)者響應(yīng)者，即即目標(biāo)目標(biāo)。當(dāng)總線主控設(shè)。當(dāng)總

52、線主控設(shè)備獲得總線使用權(quán)后，在事務(wù)的地址周期，通過(guò)分時(shí)復(fù)用的總線命令備獲得總線使用權(quán)后，在事務(wù)的地址周期，通過(guò)分時(shí)復(fù)用的總線命令/字節(jié)使字節(jié)使能信號(hào)線能信號(hào)線C/BE發(fā)出發(fā)出總線命令總線命令，也即，也即事務(wù)類型事務(wù)類型。SKIP（自學(xué)（自學(xué)） PCI總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)PCI的總線命令（事務(wù)類型）有：的總線命令（事務(wù)類型）有： 中斷響應(yīng)：中斷響應(yīng)：用于對(duì)用于對(duì)PCI總線上的中斷控制器提出的中斷請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。地址線不起總線上的中斷控制器提出的中斷請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。地址線不起作用，在數(shù)據(jù)周期從中斷控制器讀取一個(gè)中斷向量，此時(shí)作用，在數(shù)據(jù)周期從中斷控制器讀取一個(gè)中斷向量，此時(shí)C/BE信號(hào)線表示讀取的中信號(hào)線

53、表示讀取的中斷向量的長(zhǎng)度斷向量的長(zhǎng)度 特殊周期：特殊周期：用于總線主設(shè)備向一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)廣播一條消息。用于總線主設(shè)備向一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)廣播一條消息。 I/O讀和讀和I/O寫(xiě)：寫(xiě)：I/O讀讀/寫(xiě)命令用于在發(fā)起者和一個(gè)寫(xiě)命令用于在發(fā)起者和一個(gè)I/O控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器行讀、存儲(chǔ)器多行讀：存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器行讀、存儲(chǔ)器多行讀：用于總線主控設(shè)備從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)用于總線主控設(shè)備從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)。PCI支持突發(fā)傳送，所以它將占用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)周期。這些命令的解釋依賴于支持突發(fā)傳送，所以它將占用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)周期。這些命令的解釋依賴于總線上的存儲(chǔ)控制器是否支持總線上

54、的存儲(chǔ)控制器是否支持PCI的高速緩存協(xié)議。如果支持的話，那么，與存儲(chǔ)的高速緩存協(xié)議。如果支持的話，那么，與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送以器之間的數(shù)據(jù)傳送以Cache行的方式進(jìn)行行的方式進(jìn)行 存儲(chǔ)器寫(xiě)、存儲(chǔ)器寫(xiě)并無(wú)效：存儲(chǔ)器寫(xiě)、存儲(chǔ)器寫(xiě)并無(wú)效：這兩種存儲(chǔ)器寫(xiě)命令用于總線主控設(shè)備向存儲(chǔ)器寫(xiě)這兩種存儲(chǔ)器寫(xiě)命令用于總線主控設(shè)備向存儲(chǔ)器寫(xiě)數(shù)據(jù)，它們將占用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)周期。其中存儲(chǔ)器寫(xiě)并無(wú)效命令用于回寫(xiě)數(shù)據(jù)，它們將占用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)周期。其中存儲(chǔ)器寫(xiě)并無(wú)效命令用于回寫(xiě)Cache行到存儲(chǔ)器，所以它必須保證至少有一個(gè)行到存儲(chǔ)器，所以它必須保證至少有一個(gè)Cache行被寫(xiě)回行被寫(xiě)回 配置讀、配置寫(xiě)：配置讀、配置寫(xiě)：用于

55、一個(gè)總線主控設(shè)備對(duì)連接到用于一個(gè)總線主控設(shè)備對(duì)連接到PCI總線上的設(shè)備中的配置參數(shù)總線上的設(shè)備中的配置參數(shù)進(jìn)行讀或更新。每個(gè)進(jìn)行讀或更新。每個(gè)PCI設(shè)備都有一個(gè)寄存器組（最多可有設(shè)備都有一個(gè)寄存器組（最多可有256個(gè)寄存器），這個(gè)寄個(gè)寄存器），這個(gè)寄存器用于系統(tǒng)初始化時(shí)對(duì)本設(shè)備進(jìn)行配置存器用于系統(tǒng)初始化時(shí)對(duì)本設(shè)備進(jìn)行配置 雙地址周期：雙地址周期：由一個(gè)事務(wù)發(fā)起者用來(lái)表明它將使用由一個(gè)事務(wù)發(fā)起者用來(lái)表明它將使用64位地址來(lái)尋址位地址來(lái)尋址存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器行讀、存儲(chǔ)器多行讀：存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器行讀、存儲(chǔ)器多行讀：用于總線主控設(shè)備從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)用于總線主控設(shè)備從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)。據(jù)。PCI支持突發(fā)傳送，所以它將占用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)周期。這些命令的解釋支持突發(fā)傳送，所以它將占用一個(gè)