第6章 總線系統(tǒng)

第6章總線系統(tǒng)目錄6.1總線的概念和結構形態(tài)

——理解6.2總線接口

——了解6.3總線的仲裁

——理解6.4總線的定時和數據傳送模式

——了解6.5HOST總線和PCI總線

——了解6.6InfiniBand標準

——了解2/5/20232考研大綱要求(一)總線概述1.總線的基本概念2.總線的分類3.總線的組成及性能指標(二)總線仲裁1.集中仲裁方式2.分布仲裁方式(三)總線操作和定時1.同步定時方式2.異步定時方式(四)總線標準2/5/202336.1總線的概念和結構形態(tài)6.1.1 總線的基本概念6.1.2 總線的連接方式6.1.3 總線的內部結構6.1.4 總線結構實例2/5/202346.1.1總線的基本概念總線構成計算機系統(tǒng)的互聯機構，是系統(tǒng)內各功能部件之間進行信息傳送的公共通路?？偩€的分類按連接部件分內部總線、局部總線、系統(tǒng)總線、通信總線按傳送的信息分數據總線、地址總線、控制總線2/5/20235按傳送信息分類的總線地址總線單向，三態(tài)總線，用于傳送地址信息；其位數決定可直接尋址的范圍；數據總線雙向，三態(tài)總線，用于傳送數據信息；其位數有8位、16位、32位、64位等；控制總線傳送控制、狀態(tài)信息；位數不定。2/5/20236按連接部件分類的總線內部總線各芯片內部邏輯器件的連接總線；局部總線CPU與其他部件的連接總線；介于CPU內部總線和系統(tǒng)總線之間，可高速傳輸數據；系統(tǒng)總線計算機各功能部件的連接總線；通信總線微機系統(tǒng)與微機系統(tǒng)、其他設備之間的連接總線；2/5/20237M.M擴展板CPU插件板I/O插件板BUS總線的物理實現2/5/202381、總線的特性物理特性總線的位數，總線插頭、插座的形狀，引腳的排列方式等；功能特性確定每一根總線的名稱、定義、功能與邏輯關系等，如傳送數據、地址、控制信號；電氣特性規(guī)定每一根總線上信號的傳送方向及有效電平范圍等內容；時間特性總線上各信號有效的時序關系；2/5/202392、總線標準總線的標準化為保證總線的性能充分發(fā)揮以及兼容問題而提出的；主要包括總線的各種特性、數據傳輸率、總線通信協(xié)議、仲裁協(xié)議等一系列規(guī)定和約定?？偩€標準的來源權威組織正式公布的標準；實際存在的工業(yè)標準；典型的標準總線ISA、EISA、PCI等；按總線標準設計的接口是通用接口。2/5/2023103、總線的性能指標總線寬度一次總線操作中，最多可傳送的數據位數。總線周期一次總線操作所需要的最小間隔時間?？偩€周期與總線的時鐘頻率成反比，即T=1/f總線帶寬單位時間內通過總線的數據位數，總線的數據傳輸率；單位一般為MB/s。2/5/202311課本P185【例1】

(1)某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數據，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?一個總線周期

T=1/f=1/(33×106)一個總線周期的傳送的數據量D=4B總線帶寬Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×106/s=132MB/s(2)如果一個總線周期中并行傳送64位數據，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少?總線帶寬Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s2/5/2023126.1.2總線的連接方式適配器：又稱接口實現高速CPU與低速外設之間工作速度上的匹配和同步，并完成計算機和外設之間的所有數據傳送和控制。單機系統(tǒng)中，總線結構的三種基本類型：單總線結構使用一條單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、內存和I/O設備。雙總線結構在CPU和主存之間專門設置了一組高速的存儲總線。三總線結構在各外部設備與通道之間增加一組I/O總線。多總線結構通過橋將多總線彼此相連。2/5/202313系統(tǒng)內的所有部件均由系統(tǒng)總線連接；優(yōu)點：各部件之間可直接進行通信；系統(tǒng)易于擴充；缺點：總線負載重；若有慢速設備，則會產生較大的時間延遲。動畫演示：6-1.swf單總線結構CPU主存設備適配器設備適配器系統(tǒng)總線2/5/202314系統(tǒng)內的所有部件均由系統(tǒng)總線連接；在CPU和主存之間再專門設置了一組高速的存儲總線。特點：保持了單總線的優(yōu)點（簡單、易擴充）；減輕了系統(tǒng)總線的工作負擔，使CPU工作效率有所提高；但增加了硬件成本。動畫演示：6-2.swf雙總線結構CPU主存設備適配器設備適配器存儲總線系統(tǒng)總線2/5/202315系統(tǒng)總線負責連接CPU、主存、I/O通道；存儲總線負責連接CPU與主存；I/O總線負責連接各I/O適配器。特點：設置了通道，對外設進行統(tǒng)一的管理，分擔了CPU的工作。提高了CPU工作效率，同時也最大限度的提高外設的工作速度。但硬件成本進一步增加。動畫演示：6-3.swf三總線結構CPU主存設備適配器設備適配器IOPI/O總線系統(tǒng)總線存儲總線2/5/202316三總線結構的又一形式局域網系統(tǒng)總線CPUCache局部總線擴展總線接口擴展總線Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存2/5/202317多總線結構2/5/2023186.1.3總線的內部結構早期總線內部結構實際是CPU芯片引腳的延伸；早期總線的不足CPU是總線上惟一的主控者?？偩€結構與CPU緊密相關，通用性較差。2/5/202319現代總線多采用標準總線與結構、CPU、技術無關；又被稱為底板總線?，F代總線可分為四個部分：數據傳送總線地址線、數據線、控制線；仲裁總線總線請求線、總線授權線；中斷和同步總線中斷請求線、中斷認可線；公用線時鐘信號、電源等；2/5/202320CPU多媒體PCI橋高速局域網高性能圖形調制解調器圖文傳真PCI總線系統(tǒng)總線33MHz的32位數據通路8MHz的16位數據通路ISAEISA標準總線控制器

SCSIⅡ

控制器存儲器6.1.4總線結構實例CPU-存儲器總線，64位DB、32位AB，66.6MHzPCI總線連接快速外設32位/64位總線寬度33.3MHzPCI-ISA總線連接低速外設16位DB，24位AB8MHz何謂“橋”？具有緩存、轉換、控制功能的邏輯電路動畫演示：6-5.swf2/5/2023216.1.5總線技術的發(fā)展歷程1981年，IBM公司推出了PC/XT總線；1984年，Intel公司聯合幾家公司制定了ISA總線規(guī)范；ISA，IndustryStandardArchitecture，工業(yè)標準結構1987年，IBM公司推出了MCA總線；MCA，MicroChannelArchitecture，微通道結構1991年，Intel、Compaq等9家公司聯合推出EISA總線；EISA，ExtendedIndustrialStandardArchitecture1992年，視頻電子標準協(xié)會(VESA)公布了VL總線標準；VL，VESALocalBus1992年，Intel公司推出了PCI總線；PCI，PeripheralComponentInterconnect，外圍設備互連總線1996年，Intel公司推出了AGP總線；AGP，AcceleratedGraphicsPort，加速圖形接口2/5/202322總線技術的發(fā)展歷程PC/XT總線2/5/202323PC/XT總線早期PC/XT微機配套的8位系統(tǒng)總線，也稱為PC總線；主板上包括8個PC/XT總線擴展槽；主板時鐘頻率為14.3128MHz；CPU時鐘為4.77MHz，最快的訪存周期由4個時鐘周期構成，總線帶寬約為1MB/s；PC/XT總線擴展槽包括62個管腳；CPU引腳經過8282、8286、8288、8259、8237等芯片組合而成；右側為A列，左側為B列，各31個管腳，包括地址線、數據線、控制線、狀態(tài)線、輔助線與電源線五類；2/5/2023242/5/202325ISA總線16位的總線結構，并保持了對8位總線的兼容性；主板上也是8個擴展槽；擴展槽既可以插入16位板卡，也可以插入8位板卡；總線時鐘與CPU時鐘均為6~12MHz，訪存周期至少3個時鐘周期，總線帶寬約為4~8MB/s；ISA總線設計為長短插槽形式；前62管腳的長插槽信號分布與功能含義大致與PC總線相同；后36管腳的短插槽ISA總線新增，分為C、D列，各18個管腳；2/5/202326ISA總線插槽同一類型的插槽都是相通的，板卡可以插入其中任何一個槽中。2/5/202327ISA聲卡2/5/2023282/5/202329EISA總線EISA總線是ISA總線的擴展數據總線從16位變?yōu)?2位，

地址總線從24位變?yōu)?2位；增加了突發(fā)式傳送（Burst

Transfer，又稱猝發(fā)式傳送）；支持多處理器的高性能32位

標準總線。EISA總線擴展槽的插腳分上、下兩層；上層同ISA總線的兼容；下層是EISA總線新增的信號；2/5/202330PCI總線PCI總線是一種將系統(tǒng)中外圍部件以結構化可控制方式連接起來的總線標準，是基于奔騰處理器而發(fā)展的總線。PCI總線的主要性能數據總線32位（5V），可擴充到64位（3.3V）；最多支持10臺外設；總線時鐘頻率33MHz/66MHz；支持突發(fā)式傳送，最大數據傳輸速率528MB/s；能自動識別外設，硬件插卡自動識別、配置，即插即用；獨特的中間緩沖器設計方式，獨立于CPU，并將CPU子系統(tǒng)與外設分開；支持多主設備系統(tǒng)；2/5/202331PCI插槽2/5/202332PCI系統(tǒng)結構PCI總線中提出了“橋”的概念“橋”——連接兩條總線，使總線之間互相通信；PCI總線是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，由一個橋接電路實現對這一層的管理，并實現上下之間的接口以協(xié)調數據的傳送。橋的類型主橋：連接CPU和基本PCI總線，也稱為“北橋”；標準總線橋：連接PCI總線和其他標準IO總線；PCI橋：連接兩條PCI總線；南橋2/5/202333CPUCache控制器內存控制器處理器總線與主PCI總線橋接器高速緩存Cache內存DRAMPCI與PCI橋接器PCI與ISA橋接器PCI與EISA橋接器LANI/O控制器MODEM控制器I/O支持軟盤鍵盤串行口I/O支持并行口聲頻處理器總線主PCI總線次PCI總線ISA總線EISA總線存儲器總線PCISCSI卡PCI顯卡標準總線橋PCI橋主橋基于PCI總線的系統(tǒng)結構圖2/5/202334PentiumPC的體系結構

處理器總線2/5/202335AGP總線AGP總線是一種顯示卡專用的局部圖形總線；嚴格的說，AGP不能稱為總線，因為它是點對點連接，即控制芯片和AGP顯示卡連接連接；AGP總線直接與主板的北橋芯片相連，讓顯示芯片與系統(tǒng)主內存直接相連;避免了窄帶寬的PCI總線形成的系統(tǒng)瓶頸，增加3D圖形數據傳輸速度;在顯存不足的情況下還可以調用系統(tǒng)主內存。2/5/202336AGP插槽2/5/202337AGP接口的發(fā)展1996年，AGP1.0圖形標準問世；包括AGP1X和AGP2X兩種模式；數據傳輸帶寬分別達到了266MB/s和533MB/s；1998年，AGP2.0規(guī)范正式發(fā)布；增加了AGP4X模式，數據傳輸帶寬達到1066MB/s；1998年，AGPPro接口與AGP2.0同時推出；在原有AGP插槽的兩側進行延伸，提供額外的電能，增強其功能。2000年，AGP3.0規(guī)范正式發(fā)布；增加了AGP8X模式，數據傳輸帶寬達到了2133MB/s；2/5/202338286主板386主板486主板2/5/202339Pentium主板支持PentiumII/III的主板支持Pentium4的主板2/5/2023406.2總線接口6.2.1信息的傳送方式6.2.2接口的基本概念2/5/2023416.2.1信息的傳送方式串行傳送使用一條傳輸線，采用脈沖傳送。特點：成本比較低廉，信息傳送速度慢；并行傳送每一數據位需要一條傳輸線，一般采用電位傳送；系統(tǒng)總線的信息傳送方式。分時傳送總線傳送信息的分時復用某個傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數據信息。共享總線部件對總線的分時復用在不同的時間內由不同的部件使用總線。動畫演示：6-7.swf串行和并行傳送示意圖例如：CPU中的復用引腳例如：系統(tǒng)中主模塊對

總線的爭用2/5/2023422/5/2023436.2.2接口的基本概念接口I/O設備適配器；指CPU和主存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。接口的典型功能控制、緩沖、狀態(tài)、轉換、中斷等。一個適配器必有兩個接口一個同系統(tǒng)總線相連，采用并行方式；另外一個同設備相連，可能采用并行方式或是串行方式。CPU、接口和外圍設備之間的連接關系課本P192圖6.7動畫演示：6-8.swf2/5/202344課本P193【例2】

利用串行方式傳送字符，每秒鐘傳送的比特(bit)位數常稱為波特率。

假設數據傳送速率是120個字符/秒，每一個字符格式規(guī)定包含10位（起始位、停止位、8個數據位），問傳送的波特率是多少?每位占用的時間是多少?解：波特率為：10位×120/秒=1200波特每個bit占用的時間Td是波特率的倒數：

Td=1/1200=0.833×0.001s=0.833ms2/5/2023456.3

總線的仲裁6.3.1集中式仲裁6.3.2分布式仲裁2/5/202346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)；主方可以啟動一個總線周期；從方只能響應主方請求；每次總線操作，只能有一個主方，但是可以有多個從方。多個功能模塊爭用總線時，必須由總線仲裁部件選擇一個主設備使用總線?？偩€占用期主方持續(xù)控制總線的時間?？偩€仲裁方式集中式：由中央仲裁器決定總線使用權的歸屬。分布式：多個仲裁器競爭使用總線。2/5/2023476.3.1集中式仲裁

鏈式查詢方式設備的優(yōu)先權與總線控制器的距離有關；優(yōu)點：硬件連接簡單，判優(yōu)容易，設備增刪容易；缺點：對電路故障敏感，優(yōu)先級固定；

計數器定時查詢方式設備的優(yōu)先權由計數值決定，計數值為0時同鏈式查詢方式；優(yōu)點：優(yōu)先權控制靈活，對電路故障不敏感；缺點：硬件成本增加，控制復雜度高；

獨立請求方式設備的優(yōu)先權由中央仲裁器的內部排隊邏輯決定；優(yōu)點：響應時間快，即確定優(yōu)先響應的設備花費的時間少； 對優(yōu)先次序的控制也是相當靈活的；缺點：硬件復雜度高。動畫演示:

6-10.swf2/5/202348鏈式查詢方式（1/2）連接方式采用菊花鏈的方式連接所有具有總線使用能力的部件；各設備共用一根總線請求信號線BR、總線授權信號線BG、總線忙信號線BS與中央仲裁器連接；工作方式總線授權信號BG串行地從一個I/O接口傳送到下一個I/O接口。中央仲裁器設備接口0設備接口1設備接口NBGBRBS2/5/202349總線控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數據線地址線BS

-總線忙BR-總線請求BG-總線同意I/O接口1鏈式查詢方式（2/2）2/5/202350計數器定時查詢方式（1/2）連接方式省去總線授權信號BG；增加計數器和設備地址線號線，每次相應總線申請，由計數值決定響應的順序。工作方式有總線請求時，發(fā)出計數值，選擇設備查詢請求狀態(tài)，依次查詢每一個設備；中央仲裁器設備接口0設備接口1設備接口NBRBS設備地址2/5/202351

0BS

-總線忙BR-總線請求總線控制部件數據線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設備地址I/O接口1

計數器設備地址

1計數器定時查詢方式（2/2）2/5/202352獨立請求方式（1/2）連接方式每個部件均有獨立的請求和響應信號線，由中央仲裁器的內部排隊邏輯決定響應順序。中央仲裁器設備接口0設備接口1設備接口NBR0BG0BR1BG1BRNBGN2/5/202353總線控制部件數據線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意BR-總線請求獨立請求方式（2/2）排隊器2/5/2023546.3.2分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，由分布在各部件中的多個仲裁器競爭使用總線。每個潛在的主模塊都有自己的仲裁器和唯一的仲裁號，通過仲裁總線上仲裁號的比較，決定可占用總線的部件。某部件有總線請求時，將其仲裁號發(fā)送到共享仲裁總線上；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。分布式仲裁是以優(yōu)先級仲裁策略為基礎。2/5/2023556.4總線的定時和數據傳送模式6.4.1總線的定時6.4.2總行數據傳送模式2/5/2023566.4.1總線的定時總線的信息傳送過程請求總線、總線仲裁、尋址、信息傳送、狀態(tài)返回；定時確定事件出現在總線上的時序關系；定時的分類：同步定時異步定時2/5/2023571、同步定時系統(tǒng)采用統(tǒng)一的時鐘信號，所有事件的出現時間均有該時鐘信號確定；優(yōu)點各模塊配合簡單一致;數據傳輸效率較高；缺點：各模塊的速度差異較大時，

會影響系統(tǒng)的整體工作效率；時鐘信號受到干擾時，會

引起錯誤的同步；適用于總線長度較短，各功能模塊速度相差不多的系統(tǒng)。動畫演示：6-12.swf2/5/202358異步定時系統(tǒng)依靠應答方式或互鎖機制來決定事件出現的時間。優(yōu)點總線周期長度可變；缺點增加了總線的復雜性和成本；適用于設備工作速度不一致的系統(tǒng)。動畫演示：6-13.swf2/5/202359異步定時的互鎖機制不互鎖半互鎖全互鎖主設備從設備請求回答2/5/2023606.4.2總線數據傳送模式讀、寫操作主設備利用系統(tǒng)總線，完成與從設備直接的數據傳送；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據一個接一個地讀出或寫入。寫后讀、讀修改寫操作只給出地址一次，或先寫后讀（校驗），或先讀后寫（多道程序系統(tǒng)中對共享存儲資源的保護）。廣播、廣集操作廣播：總線允許一個主方對多個從方進行寫操作。廣集：與廣播相反的操作，它將選定的多個從方數據在總線上完成AND或OR操作。猝發(fā)式傳送2/5/20236109年考研真題20.假設某系統(tǒng)總線在一個總線周期中并行傳輸4字節(jié)信息，一個總線周期占用2個時鐘周期，總線時鐘頻率為10MHz，則總線帶寬是（）A．10MB/s B.20MB/SC.40MB/S D.80MB/S總線帶寬Dr=D/2T=D×1/2T=D×0.5f=4B×0.5×10×1