第06章總線系統(tǒng)

總線的概述總線的結(jié)構(gòu)總線接口總線的仲裁，通信控制第六章系統(tǒng)總線總線的概述定義：構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個(gè)系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線分類（按連接部件的不同分）：

1）內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件之間的總線；

2）系統(tǒng)總線：CPU同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他功能部件，如存儲(chǔ)器、I/O接口等互相連接的總線。按系統(tǒng)傳輸信息的不同分：數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線；

3)I/O總線：中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線；1）波特率：每秒鐘通過信道傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)2）比特率：每秒鐘通過信道傳輸?shù)挠行ФM(jìn)制位數(shù)

假設(shè)數(shù)據(jù)傳送速率是120個(gè)字符/秒，每一個(gè)字符格式規(guī)定包含10個(gè)數(shù)據(jù)位(起始位、停止位、8個(gè)數(shù)據(jù)位)，問傳送的波特?cái)?shù)是多少?比特率是多少？解答：每秒波特?cái)?shù)為：10位×120/秒=1200波特，波特率為1200b/s比特率為：1200×8/10＝960b/s基本概念3）傳送寬度：獲得總線使用權(quán)后，在一次總線操作中通過總線傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。4）總線周期：一次總線操作所需要的時(shí)間5）總線帶寬（數(shù)據(jù)傳輸率）：每秒傳送的字節(jié)數(shù)=傳送寬度/(8*總線周期)，一般用MB/S為單位例：(1)某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送4個(gè)字節(jié)的數(shù)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33MHz，則總線帶寬是多少?(2)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66MHz，則總線帶寬是多少?1)設(shè)總線帶寬用Dr表示，總線時(shí)鐘周期用T=1/f表示，一個(gè)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×33×1000000/s=132MB/s(2)64位=8B，Dr=D×f=8B×66×1000000/s=528MB/s得出結(jié)論：總線時(shí)鐘頻率越高，傳送的寬度越寬，那么總線的帶寬就越大。解答總線的結(jié)構(gòu)1、單總線結(jié)構(gòu)：用一條單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、主存和I/O設(shè)備，叫做單總線結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：允許I/O設(shè)備之間或I/O設(shè)備與內(nèi)存之間直接交換信息，只需要CPU分配使用權(quán)。各大功能部件分時(shí)享用總線資源缺點(diǎn)：全部系統(tǒng)的部件連接在一組總線上，總線的負(fù)載很重。2、以存儲(chǔ)器為中心雙總線結(jié)構(gòu)：CPU和主存之間專門設(shè)置了一組高速的內(nèi)存總線，使CPU可通過專用總線與存儲(chǔ)器交換信息，減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)，同時(shí)主存仍可通過系統(tǒng)總線與外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)DMA操作，而不必經(jīng)過CPU。當(dāng)然這種雙總線系統(tǒng)以增加硬件為代價(jià)。3、三總線結(jié)構(gòu)：在雙總線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加I/O總線形成的?？偩€的結(jié)構(gòu)通道實(shí)際上是一臺(tái)具有特殊功能的處理器，又稱為IOP(I/O處理器),它分擔(dān)了一部分CPU的功能，以實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的統(tǒng)一管理及外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)總線：用于連接CPU與通道以及通道與存儲(chǔ)器之間的總線內(nèi)存總線：用于CPU與內(nèi)存之間傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息I/O總線：用于連接各種外設(shè)之間的總線。三總線結(jié)構(gòu)1.最大存儲(chǔ)容量在單總線系統(tǒng)中，外設(shè)與內(nèi)存統(tǒng)一編址，最大主存容量容易受到外設(shè)數(shù)量的影響。在雙總線系統(tǒng)中，對主存和外設(shè)進(jìn)行存取的判斷是利用各自的指令操作碼。由于主存地址和外設(shè)地址出現(xiàn)于不同的總線上，所以存儲(chǔ)容量不會(huì)受到外圍設(shè)備多少的影響?？偩€的結(jié)構(gòu)對計(jì)算機(jī)性能的影響2.指令系統(tǒng)在雙總線系統(tǒng)中，CPU對存儲(chǔ)總線和系統(tǒng)總線必須有不同的指令系統(tǒng)。在單總線系統(tǒng)中，訪問主存和I/O傳送可使用相同的操作碼，使用相同的指令，但它們使用不同的地址。3.吞吐量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率。它取決于信息能夠多快地輸入內(nèi)存，CPU能夠多快地取指令，數(shù)據(jù)能夠多快地從內(nèi)存取出或存入，以及所得結(jié)果能夠多快地從內(nèi)存送給一臺(tái)外圍設(shè)備?？偩€的結(jié)構(gòu)對計(jì)算機(jī)性能的影響早期的總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)：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(gòu)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(hào)是CPU引腳信號(hào)的延伸，故總線結(jié)構(gòu)緊密與CPU相關(guān)，通用性較差總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)前流行的總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(quán)線。3）中斷和同步總線：用于處理帶優(yōu)先級(jí)的中斷操作，包括中斷請求線和中斷認(rèn)可線。4）公用線：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?？偩€的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用了分層次的多總線結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，速度差異較大的設(shè)備模塊使用不同速度的總線，而速度相近的設(shè)備模塊使用同一類總線。pentium計(jì)算機(jī)主板的總線結(jié)構(gòu)包含了下幾種總線：CPU總線：它是一個(gè)64位數(shù)據(jù)線和32位地址線的總線。PCI總線（外部設(shè)備互聯(lián)總線）

：用于連接高速的I/O設(shè)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。支持即插即用。ISA總線：pentium機(jī)使用該總線與低速I/O設(shè)備連接總線結(jié)構(gòu)舉例鍵盤→鍵盤接口顯示器→顯示卡鼠標(biāo)→串行接口網(wǎng)絡(luò)→網(wǎng)卡

打印機(jī)→并行接口音箱、麥可風(fēng)→聲卡IDE2PentiumIII北橋440BX南橋PIIX4ECMOS&RTCUSB超級(jí)I/OIDE1COM1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI插槽ISA插槽內(nèi)存條ROMBIOS顯示器硬盤光驅(qū)軟驅(qū)鍵盤鼠標(biāo)打印機(jī)MODEM顯卡ISA插槽PCI插槽AGP插槽北橋芯片組南橋芯片組內(nèi)存插槽CPU插槽IDE接口軟驅(qū)接口并口連接器串口連接器ROMBIOS鼠標(biāo)鍵盤USB接口主板電源插座CPU總線、PCI總線、ISA總線通過兩個(gè)“橋”芯片連成整體。橋芯片在此起到了信號(hào)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(shù)特別適合于系統(tǒng)的升級(jí)換代。pentium個(gè)人機(jī)總線系統(tǒng)中有一個(gè)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。數(shù)字計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制數(shù)，它們或用電位的高、低來表示，或用脈沖的有、無來表示。計(jì)算機(jī)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(shí)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。信息的傳送方式信息的傳送方式1.串行傳送在串行傳送時(shí)，被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件進(jìn)行并--串變換，這稱為拆卸；而在接收部件又需要進(jìn)行串--并變換，這稱為裝配。

優(yōu)點(diǎn)：只需要一條傳輸線，這一點(diǎn)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。2.并行傳送對每個(gè)數(shù)據(jù)位都需要單獨(dú)一條傳輸線。信息有多少二進(jìn)制位組成，就需要多少條傳輸線，從而使得二進(jìn)制數(shù)“0”或“1”在不同的線上同時(shí)進(jìn)行傳送。

優(yōu)點(diǎn)：并行傳送一般采用電位傳送。由于所有的位同時(shí)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。3、分時(shí)傳送采用總線復(fù)用方式，某個(gè)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(shí)間片，以便在不同的時(shí)間間隔中完成傳送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。分時(shí)傳送的另一種概念是共享總線的部件分時(shí)使用總線。信息的傳送方式定義：接口即I/O設(shè)備適配器，具體指CPU和主存、外圍設(shè)備之間通過總線進(jìn)行連接的邏輯部件。接口部件在連接的兩個(gè)部件之間起著“轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳送。接口概念1.控制接口靠程序的指令信息來控制外圍設(shè)備的動(dòng)作，如啟動(dòng)、關(guān)閉設(shè)備等。2.緩沖接口在外圍設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他部件之間用作為一個(gè)緩沖器，以補(bǔ)償各種設(shè)備在速度上的差異。3.狀態(tài)接口監(jiān)視外圍設(shè)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(zhǔn)備就緒”、“忙”、“錯(cuò)誤”等等，供CPU詢問外圍設(shè)備時(shí)進(jìn)行分析之用。4.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(shè)備和CPU之間正確地進(jìn)行傳送。典型的接口通常具有如下功能：5.整理接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時(shí)可以修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器6.程序中斷每當(dāng)外圍設(shè)備向CPU請求某種動(dòng)作時(shí)，接口即發(fā)生一個(gè)中斷請求信號(hào)到CPU。事實(shí)上，一個(gè)適配器必有兩個(gè)接口：

一是和系統(tǒng)總線的接口，CPU和適配器的數(shù)據(jù)交換一定的是并行方式；

二是和外設(shè)的接口，適配器和外設(shè)的數(shù)據(jù)交換可能是并行方式，也可能是串行方式?？偩€的仲裁提出問題：總線連接若干部件，在某時(shí)刻究竟允許哪個(gè)部件發(fā)送信息；如何知道信息已發(fā)送完畢；如何防止信息丟失；如何避免多個(gè)部件同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。總線上的設(shè)備，分為主設(shè)備和從設(shè)備，主設(shè)備有總線控制權(quán)，從設(shè)備只能響應(yīng)總線命令，所以總線控制權(quán)的爭奪出現(xiàn)在主設(shè)備之間。解決方法（總線仲裁）：解決多個(gè)設(shè)備競爭使用總線的管理問題，由總線仲裁邏輯線路通過判別主設(shè)備的優(yōu)先使用權(quán)來完成。有分集中式仲裁，分布式仲裁。集中式仲裁

方式:每個(gè)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(hào)線BR，一條是仲裁器送出的總線授權(quán)信號(hào)線BG1、菊花鏈?zhǔn)讲樵兎绞街饕攸c(diǎn)：總線授權(quán)信號(hào)BG串行地從一個(gè)I/O接口傳送到下一個(gè)I/O接口。假如BG到達(dá)的接口無總線請求，則繼續(xù)往下查詢；假如BG到達(dá)的接口有總線請求，BG信號(hào)便不再往下查詢，該I/O接口獲得了總線控制權(quán)。離中央仲裁器最近的設(shè)備具有最高優(yōu)先級(jí)，通過接口的優(yōu)先級(jí)排隊(duì)電路來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn):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(kuò)充設(shè)備。缺點(diǎn):對詢問鏈的電路故障很敏感，如果第i個(gè)設(shè)備的接口中有關(guān)鏈的電路有故障，那么第i個(gè)以后的設(shè)備都不能進(jìn)行工作。查詢鏈的優(yōu)先級(jí)是固定的，如果優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備出現(xiàn)頻繁的請求時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備可能長期不能使用總線?？偩€上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí)，通過BR線發(fā)出總線請求。中央仲裁器接到請求信號(hào)以后，在BS線為“0”的情況下讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè)設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的計(jì)數(shù)值與請求總線的設(shè)備地址相一致時(shí)，該設(shè)備置BS線為“1”，獲得了總線使用權(quán)，此時(shí)中止計(jì)數(shù)及查詢。2、計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢（采用計(jì)數(shù)器控制總線使用權(quán)）計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢舉例：1）設(shè)計(jì)數(shù)初值為00若BR1=1,則計(jì)數(shù)器為00時(shí)，由于BR0=0,所以BS0=0;計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)到01，由于BR1=1,所以BS1=1,部件1占用總線，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。若BR0=BR1=1,則計(jì)數(shù)器為00時(shí)，由于BR0=1,所以BS0=1,部件0占用總線，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，部件1要等待。計(jì)數(shù)初值為00時(shí)，優(yōu)先級(jí)為：0〉1〉2〉32）計(jì)數(shù)初值為01時(shí)，優(yōu)先級(jí)為：1〉2〉3〉03）計(jì)數(shù)初值為10時(shí)，優(yōu)先級(jí)為：2〉3〉0〉14）計(jì)數(shù)初值為11時(shí)，優(yōu)先級(jí)為：3〉0〉1〉2每次計(jì)數(shù)可以從“0”開始，也可以從中止點(diǎn)開始。如果從“0”開始，各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ嗤瑑?yōu)先級(jí)的順序是固定的。計(jì)數(shù)器的初值也可用程序來設(shè)置，這可以方便地改變優(yōu)先次序，使每個(gè)部件使用總線的機(jī)會(huì)均等。但這種靈活性是以增加設(shè)備地址線為代價(jià)的。計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢總結(jié)每一個(gè)共享總線的設(shè)備均有一對總線請求線BRi和總線授權(quán)線BGi。當(dāng)設(shè)備要求使用總線時(shí)，便發(fā)出該設(shè)備的請求信號(hào)。中央仲裁器中的排隊(duì)電路決定首先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請求，給設(shè)備以授權(quán)信號(hào)BGi。3、獨(dú)立請求方式

優(yōu)點(diǎn)：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，用不著一個(gè)設(shè)備接一個(gè)設(shè)備地查詢。其次，對優(yōu)先次序的控制相當(dāng)靈活，可以預(yù)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(gè)請求的辦法，不響應(yīng)來自無效設(shè)備的請求缺點(diǎn)：需要的控制線很多，增加了總線控制器的復(fù)雜性。獨(dú)立請求方式總線通信控制

問題提出:如何解決通信雙方知道傳輸?shù)拈_始和結(jié)束,以及通信雙方如何協(xié)調(diào)處理如何配合.解決方法:1、同步通信2、異步通信1、同步通信定義：采用一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)來協(xié)調(diào)發(fā)送和接收雙方的傳送定時(shí)關(guān)系。時(shí)鐘產(chǎn)生相等的時(shí)間間隔，每個(gè)間隔構(gòu)成一個(gè)總線周期，在一個(gè)總線周期中，發(fā)送方和接收方可以進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送。傳送操作在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：速度快，有較高的