計算機組成原理第六章總線系統(tǒng)的知識

第六章總線系統(tǒng)16.1總線的概念和結(jié)構形態(tài)

6.1.1總線的基本概念總線是構成計算機系統(tǒng)的互連機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類：(1)內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運算部件之間的總線。(2)系統(tǒng)總線：CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件，如存儲器、通道等互相連接的總線。(3)I/O總線：中、低速I/O設備之間互相連接的總線。26.1.1總線的基本概念1.總線的特性物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線的根數(shù)，總線的插頭、插座的形狀，引腳線的排列方式等。功能特性：描述總線中每一根線的功能。電氣特性：定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。時間特性:定義了每根線在什么時間有效。規(guī)定了總線上各信號有效的時序關系，CPU才能正確無誤地使用。36.1.1總線的基本概念2.總線的標準化相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家生產(chǎn)的各功能部件在實現(xiàn)方法上幾乎沒有相同的，但各廠家生產(chǎn)的相同功能部件卻可以互換使用，其原因在于它們都遵守了相同的系統(tǒng)總線的要求，這就是系統(tǒng)總線的標準化問題。4微型計算機系統(tǒng)中采用的總線標準有：1.ISA總線，16位，帶寬8MB/S；2.EISA總線，32位，帶寬33.3MB/S；3.VESA總線，32位，帶寬132MB/S；4.PCI總線，32/64位，帶寬1GB/S；總線帶寬：總線本身所能達到的最高傳輸速率，是衡量總線性能的重要指標，單位兆字節(jié)每秒(MB/s)。5【例1】(1)某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz，則總線帶寬是多少?設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示，根據(jù)定義可得

Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×106/s=132MB/s6(2)如果一個總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少?64位=8B，

Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s

76.1.2總線的連接方式1.單總線結(jié)構

在許多單處理器的計算機中，使用一條單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、主存和I/O設備，叫做單總線結(jié)構。如下圖所示此時要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在某些設備需要使用總線時能迅速獲得總線控制權；而當不再使用總線時，能迅速放棄總線控制權。8單總線結(jié)構如下圖所示92.多總線結(jié)構單總線結(jié)構中，由于所有的高速設備和低速設備都掛在同一總線上。且總線只能分時工作，即某一時間只能允許一對設備之間傳送數(shù)據(jù)，這就使信息傳送的效率和吞吐量受到極大限制。為此出現(xiàn)了多總線系統(tǒng)結(jié)構。多總線結(jié)構體現(xiàn)了高速、中速、低速設備連接到不同的總線上同時進行工作，以提高總線的效率和吞吐量，而且處理器結(jié)構的變化不影響高速總線。102.多總線結(jié)構116.1.4總線的內(nèi)部結(jié)構早期總線的內(nèi)部結(jié)構如圖所示，

它實際上是處理器芯片引腳的延伸，是處理器與I/O設備適配器的通道。這種簡單的總線一般由50—100條線組成，這些線按其功能可分為三類：地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。簡單總線結(jié)構的不足之處在于：

第一CPU是總線上的唯一主控者。

第二總線信號是CPU引腳信號的延伸，故總線結(jié)構緊密與CPU相關，通用性較差。12早期總線的內(nèi)部結(jié)構13當代總線的內(nèi)部結(jié)構當代流行的總線內(nèi)部結(jié)構，追求的目標是:與結(jié)構無關；與CPU無關；與技術無關；多主控者?？偩€控制器主要完成幾個總線請求者之間的協(xié)調(diào)與仲裁。14當代總線的內(nèi)部結(jié)構15整個總線分成如下四部分：1數(shù)據(jù)傳送總線：由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成。2仲裁總線：包括總線請求線和總線授權線。3中斷和同步總線：用于處理帶優(yōu)先級的中斷操作，包括中斷請求線和中斷認可線。4公用線：包括時鐘信號線、電源線、地線、系統(tǒng)復位線以及加電或斷電的時序信號線等。166.1.5總線結(jié)構實例大多數(shù)計算機采用了分層次的多總線結(jié)構。即按照設備模塊的速度分類，速度相盡的設備模塊使用同一類總線。pentium計算機主板的總線結(jié)構框圖17pentium計算機主板的總線結(jié)構框圖18

CPU總線：也稱CPU—存儲器總線，它是一個64位數(shù)據(jù)線和32位地址線的同步總線?？偩€時鐘頻率為66.6MHz(或60MHz)，CPU是這條總線的主控者，但必要時可放棄總線控制權。19PCI總線：

用于連接高速的I/O設備模塊。通過“橋”芯片，上面與更高速的CPU總線相連，下面與低速的ISA總線相接。PCI總線是一個32(或64位)的同步總線，32位(或64位)數(shù)據(jù)/地址線是同一組線，分時復用?？偩€時鐘頻率為33.3MHz，總線帶寬是132MB/s。PCI總線采用集中式仲裁方式，有專用的PCI總線仲裁器。主板上一般有3個PCI總線擴充槽。20ISA總線：pentium機使用該總線與低速I/O設備連接。主板上一般留有3—4個ISA總線擴充槽，以便使用各種16位/8位適配器卡。該總線支持7個DMA通道和15級可屏蔽硬件中斷。另外，ISA總線控制邏輯還通過主板上的片級總線與實時鐘/日歷、ROM、鍵盤和鼠標控制器(8042微處理器)等芯片相連接。21CPU總線、PCI總線、ISA總線通過兩個“橋”芯片連成整體。橋芯片在此起到了信號速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換和控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。通過橋?qū)深惒煌目偩€“粘合”在一起的技術特別適合于系統(tǒng)的升級換代。pentium個人機總線系統(tǒng)中有一個核心邏輯芯片組，簡稱PCI芯片組，它包括主存控制器和cache控制器芯片、北橋芯片和南橋芯片。這個芯片組叫Intel430系列、440系列，它們在系統(tǒng)中起著至關重要的作用。226.2總線接口6.2.1信息的傳送方式計算機系統(tǒng)中，傳輸信息采用三種方式：串行傳送、并行傳送和分時傳送。但是出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳送的信息必須采用并行傳送方式。236.2.1信息的傳送方式1.串行傳送當信息以串行方式傳送時:

?只有一條傳輸線;

?采用脈沖傳送;

?每個位時間傳送一位；

?低位在前，高位在后。

?并－－串變換，和串－－并變換。241.串行傳送251.串行傳送串行傳送的主要優(yōu)點是只需要一條傳輸線，這一點對長距離傳輸顯得特別重要，不管傳送的數(shù)據(jù)量有多少，只需要一條傳輸線，成本比較低廉。262.并行傳送用并行方式傳送二進制信息時，?需要多條傳輸線；?一般采用電位傳送。由于所有的位同時被傳送，所以并行數(shù)據(jù)傳送比串行數(shù)據(jù)傳送快得多。

273.分時傳送分時傳送有兩種概念。一是采用總線復用方式，某個傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。為此必須劃分時間片，以便在不同的時間間隔中完成傳送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務。分時傳送的另一種概念是共享總線的部件分時使用總線。286.2.2接口的基本概念接口即I/O設備適配器，具體指CPU和主存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。接口部件在它動態(tài)連接的兩個部件之間起著“轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實現(xiàn)彼此之間的信息傳送。

296.2.2接口的基本概念30典型的接口通常具有如下功能：1.控制接口靠程序的指令信息來控制外圍設備的動作，如啟動、關閉設備等。2.緩沖接口在外圍設備和計算機系統(tǒng)其他部件之間用作為一個緩沖器，以補償各種設備在速度上的差異。3.狀態(tài)接口監(jiān)視外圍設備的工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息。狀態(tài)信息包括數(shù)據(jù)“準備就緒”、“忙”、“錯誤”等等，供CPU詢問外圍設備時進行分析之用。314.轉(zhuǎn)換接口可以完成任何要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，例如并－－串轉(zhuǎn)換或串－－并轉(zhuǎn)換，因此數(shù)據(jù)能在外圍設備和CPU之間正確地進行傳送。5.整理接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時可以修改字計數(shù)器或當前內(nèi)存地址寄存器。326.程序中斷每當外圍設備向CPU請求某種動作時，接口即發(fā)生一個中斷請求信號到CPU。事實上，一個適配器必有兩個接口：一是和系統(tǒng)總線的接口，CPU和適配器的數(shù)據(jù)交換一定是并行方式；二是和外設的接口，適配器和外設的數(shù)據(jù)交換可能是并行方式，也可能是串行方式。根據(jù)外圍設備供求串行數(shù)據(jù)或并行數(shù)據(jù)的方式不同，適配器分為串行數(shù)據(jù)接口和并行數(shù)據(jù)接口兩大類。336.3總線的仲裁、定時和數(shù)據(jù)傳送模式

6.3.1總線的仲裁連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態(tài)。為了解決多個主設備同時競爭總線控制權，必須具有總線仲裁部件，以某種方式選擇其中一個主設備作為總線的下一次主方。一般采用優(yōu)先級或公平策略進行仲裁。按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為集中式仲裁和分布式仲裁兩類。346.3.1總線的仲裁1.集中式仲裁集中式仲裁中每個功能模塊有兩條線連到中央仲裁器：一條是送往仲裁器的總線請求信號線BR，一條是仲裁器送出的總線授權信號線BG。35(1)鏈式查詢方式36(1)鏈式查詢方式

鏈式查詢方式的主要特點：總線授權信號BG串行地從一個I/O接口傳送到下一個I/O接口。假如BG到達的接口無總線請求，則繼續(xù)往下查詢；假如BG到達的接口有總線請求，BG信號便不再往下查詢，該I/O接口獲得了總線控制權。離中央仲裁器最近的設備具有最高優(yōu)先級，通過接口的優(yōu)先級排隊電路來實現(xiàn)。37(1)鏈式查詢方式鏈式查詢方式的優(yōu)點:只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線仲裁，很容易擴充設備。鏈式查詢方式的缺點:

?對詢問鏈的電路故障很敏感，如果第i個設備的接口中有關鏈的電路有故障，那么第i個以后的設備都不能進行工作。

?查詢鏈的優(yōu)先級是固定的，如果優(yōu)先級高的設備出現(xiàn)頻繁的請求時，優(yōu)先級較低的設備可能長期不能使用總線。38(2)計數(shù)器定時查詢方式39(2)計數(shù)器定時查詢方式?每個設備接口都有一個設備地址判別電路；?有一組設備地址線?？偩€上的任一設備要求使用總線時，通過BR線發(fā)出總線請求。中央仲裁器接到請求信號以后，在BS線為“0”的情況下讓計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設備。當?shù)刂肪€上的計數(shù)值與請求總線的設備地址相一致時，該設備置“1”BS線，獲得了總線使用權，此時中止計數(shù)查詢。40(2)計數(shù)器定時查詢方式?如果每次計數(shù)從“0”開始，各設備的優(yōu)先次序與鏈式查詢法相同，優(yōu)先級的順序是固定的。?如果每次計數(shù)從中止點開始，則每個設備使用總線的優(yōu)先級相等。計數(shù)器的初值可以用程序來設置，這可以方便地改變優(yōu)先次序，但這種靈活性是以增加線數(shù)為代價的。41(3)獨立請求方式42(3)獨立請求方式?每個設備均有一對總線請求線BRi和總線授權線BGi。?當設備要求使用總線時，便發(fā)出該設備的請求信號。?中央仲裁器中的排隊電路決定首先響應哪個設備的請求，給設備以授權信號BGi43(3)獨立請求方式獨立請求方式的優(yōu)點：?響應時間快，用不著一個設備接一個設備地查詢。?對優(yōu)先次序的控制相當靈活，可以預先固定也可以通過程序來改變優(yōu)先次序；還可以用屏蔽(禁止)某個請求的辦法，不響應來自無效設備的請求。

442.分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。當它們有總線請求時，把它們唯一的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁總線上，每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應，并撤消它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。顯然，分布式仲裁是以優(yōu)先級仲裁策略為基礎。452.分布式仲裁分布式仲裁示意圖466.3.2總線的定時

總線的一次信息傳送過程，大致可分為如下五個階段：

請求總線，總線仲裁，尋址(目的地址)，信息傳送，狀態(tài)返回(或錯誤報告)為了同步主方、從方的操作，必須制訂定時協(xié)議。

定時：事件出現(xiàn)在總線上的時序關系。數(shù)據(jù)傳送過程中采用的兩種定時方式:

同步定時和異步定時471.同步定時在同步定時協(xié)議中，事件出現(xiàn)在總線上的時刻由總線時鐘信號來確定。?發(fā)送和接收雙方采用公共時鐘；?同步定時具有較高的傳輸頻率；?同步定時適用于總線長度較短、各功能模塊存取時間比較接近的情況。481.同步定時492.異步定時在異步定時協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應答式或互鎖機制基礎上。?在這種系統(tǒng)中，不需要統(tǒng)一的共公時鐘信號；?總線周期的長度是可變的。

502.異步定時異步定時的優(yōu)點是：總線周期長度可變，不把響應時間強加到功能模塊上，因而允許快速和慢速的功能模塊都能連接到同一總線上。但這以增加總線的復雜性和成本為代價。

512.異步定時52【例3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用獨立請求與菊花鏈查詢相結(jié)合的二維總線控制結(jié)構。每一對請求線BRi和授權線BGi組成一對菊花鏈查詢電路。每一根請求線可以被若干個傳輸速率接近的設備共享。當這些設備要求傳送時通過BRi線向仲裁器發(fā)出請求，對應的BGi線則串行查詢每個設備，從而確定哪個設備享有總線控制權。請分析說明演示圖所示的總線仲裁時序圖5354從時序圖看出，該總線采用異步定時協(xié)議。當某個設備請求使用總線時，在該設備所屬的請求線上發(fā)出申請信號BRi(1)。CPU按優(yōu)先原則同意后給出授權信號BGi作為回答(2)。BGi鏈式查詢各設備，并上升從設備回答SACK信號證實已收到BGi信號(3)。CPU接到SACK信號后下降BGi作為回答(4)。在總線“忙”標志BBSY為“0”情況該設備上升BBSY，表示該設備獲得了總線控制權，成為控制總線的主設備(5)。55在設備用完總線后，下降BBSY和ACK(6)釋放總線。在上述選擇主設備過程中，可能現(xiàn)行的主從設備正在進行傳送。此時需等待現(xiàn)行傳送結(jié)束，即現(xiàn)行主設備下降BBSY信號后(7)新的主設備才能上升BBSY，獲得總線控制權。566.3.3總線數(shù)據(jù)傳送模式

當代的總線標準大都能支持以下四類模式的數(shù)據(jù)傳送：讀、寫操作讀操作是由從方到主方的數(shù)據(jù)傳送；寫操作是由主方到從方的數(shù)據(jù)傳送。一般，主方先以一個總線周期發(fā)出命令和從方地址，經(jīng)過一定的延時再開始數(shù)據(jù)傳送總線周期。為了提高總線利用率，減少延時損失，主方完成尋址總線周期后可讓出總線控制權，以使其他主方完成更緊迫的操作。然后再重新競爭總線，完成數(shù)據(jù)傳送總線周期。57塊傳送操作只需給出塊的起始地址，然后對固定塊長度的數(shù)據(jù)一個接一個地讀出或?qū)懭?。對于CPU(主方)、存儲器(從方)而言的塊傳送，常稱為猝發(fā)式傳送，其塊長一般固定為數(shù)據(jù)線寬度(存儲器字長)的4倍。58寫后讀、讀修改寫操作只給出地址一次，或進行先寫后讀操作，或進行先讀后寫操作。前者用于校驗目的，后者用于多道程序系統(tǒng)中對共享存儲資源的保護。這兩種操作和猝發(fā)式操作一樣，主方掌管總線直到整個操作完成。59廣播、廣集操作一般而言，數(shù)據(jù)傳送只在一個主方和一個從方之間進行。但有的總線允許一個主方對多個從方進行寫操作，這種操作稱為廣播。與廣播相反的操作稱為廣集，它將選定的多個從方數(shù)據(jù)在總線上完成AND或OR操作，用以檢測多個中斷源。606.4HOST總線和PCI總線616.4.1多總線結(jié)構

PCI是一個與處理器無關的高速外圍總線，又是至關重要的層間總線。它采用同步時序協(xié)議和集中式仲裁策略，并具有自動配置能力。典型的PCI總線結(jié)構框圖演示

HOST總線該總線有CPU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方面。這里稱“宿主”總線，也許更全面，因為HOST總線不僅連接主存，還可以連接多個CPU。626.4.1多總線結(jié)構PCI總線?連接各種高速的PCI設備。?PCI設備可以是主設備，也可以是從設備，或兼而有之。?在PCI設備中不存在DMA的概念，這是因為PCI總線支持無限的猝發(fā)式傳送。這樣，傳統(tǒng)總線上用DMA方式工作的設備移植到PCI總線上時，采用主設備工作方式即可。?系統(tǒng)中允許有多條PCI總線，它們可以使用HOST橋與HOST總線相連，也可使用PCI/PCI橋與已和HOST總線相連的PCI總線相連，從而得以擴充整個系統(tǒng)的PCI總線負載能力。63LAGACY總線

可以是ISA，EISA，MCA等這類性能較低的傳統(tǒng)總線，以便充分利用市場上豐富的適配器卡，支持中、低速I/O設備。在PCI總線體系結(jié)構中有三種橋(HOST橋、PCI/PCI橋、PCI/LAGACY橋)。橋連接兩條總線，使彼此間相互通信。橋又是一個總線轉(zhuǎn)換部件，可以把一條總線的地址空間映射到另一條總線的地址空間上，從而使系統(tǒng)中任意一個總線主設備都能看到同樣的一份地址表。PCI總線的基本傳輸機制是猝發(fā)式傳送，利用橋可以實現(xiàn)總線間的猝發(fā)式傳送。64寫操作時，橋把上層總線的寫周期先緩存起來，以后的時間再在下層總線上生成寫周期，即延遲寫。讀操作時，橋可早于上層總線，直接在下層總線上進行預讀。無論延遲寫和預讀，橋的作用可使所有的存取都按CPU的需要出現(xiàn)在總線上。由上可見，以橋連接實現(xiàn)的PCI總線結(jié)構具有很好的擴充性和兼容性，允許多條總線并行工作。它與處理器無關，不論HOST總線上是單CPU還是多CPU，也不論CPU是什么型號，只要有相應的HOST橋芯片(組)，就可與PCI總線相連。656.5InfiniBand標準InfiniBand標準是2001年國外著名公司聯(lián)合推出的，是瞄準高端服務器市場的最新I/O規(guī)范?？墒狗掌髟O計中提供更大的容量、更好的擴充性和更高的靈活性。66作業(yè)P208第9、14、15、17題67一、選擇題1.根據(jù)傳送信息的種類不同，系統(tǒng)總線分

。A．地址線和數(shù)據(jù)線

B．地址線、數(shù)據(jù)線和控制線

C．地址線、數(shù)據(jù)線和響應線

D．數(shù)據(jù)線和控制線

2.信息只用一條傳輸線，且采用脈沖傳輸?shù)姆绞椒Q為

。A．串行傳輸B．并行傳輸C．并串行傳輸D．分時傳輸BA683.在計數(shù)器定時查詢方式下，若計數(shù)從一次中止點開始，則

。A．設備號小的優(yōu)先級高

B．設備號大的優(yōu)先級高C．每個設備的使用總線機會等D．以上都不對4.下面所列的

不屬于系統(tǒng)接口的功能。A．數(shù)據(jù)緩存B．數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換C．狀態(tài)設置D．完成算術及邏輯運算

CD695.在鏈式查詢方式下，若有n個設備，則

。A．有幾條總線請求信號B．共用一條線請求信號C．有n—l條總線請求信號

D．無法確定6.在

的計算機系統(tǒng)中，外設可以和主存儲器單元統(tǒng)一編址。A．單總線B．雙總線C．三總線D．以上三種都可以BA707.在采用

以設備進行編址情況下，不需要專門的I/O指令組。A．統(tǒng)一編址法B．單獨編址法C．兩者都是D．兩者都不是8.采用串行接口進行7位ASCII碼傳送，帶有1位校驗位、1位起始位和1位停止位，當波特率為9600波特時，字符傳送速率為

。A．960B．873C．1371D．480AA719。同步通信之所以異步通信具有較高的傳輸速率，是因為

。A．同步通信不需要應信號且總線長度較短B．同步通信用一個公共的時鐘信號進行同步C．同步通信中，各部件存取時間較接近D．以上各項因素的綜合結(jié)果10。下列各項中，

是同步傳輸?shù)奶攸c。A.需要應答信號B.各部件的存取時間比較接近C.總線長度較長D.總線周期長度可變DB7211.描述PCI總線基本概念中，正確的是

。A.PCI總線是一個與處理器無