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第六章总线系统2本章内容本章首先讲述总线系统的一些基本概念和基本技术，在此基础上，具体介绍当前实用的PCI总线和正在流行的InfiniBand标准。6.1总线的概念和结构形态6.2总线接口6.3总线的仲裁6.4总线的定时和数据传送模式6.5HOST总线和PCI总线6.6InfiniBand标准36.1总线的概念和结构形态总线的基本概念总线的连接方式总线的内部结构总线结构实例46.1.1总线的基本概念•上一章学习：CPU内部有各种功能部件，之间有数据、地址、控制信号的传递及协调工作。•依靠的是各种线路将其连接•总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。•借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。56.1.1总线的基本概念•总线可分为以下几类：内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线。系统总线：外部总线。CPU和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线。I/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线。66.1.1总线的基本概念总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。•物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座形状，引脚排列方式）•功能特性：每根线的功能•电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。•时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。76.1.1总线的基本概念相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因何在呢？为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等。86.1.1总线的基本概念采用标准总线的优点•简化系统设计•简化系统结构，提高系统可靠性•便于系统的扩充和更新96.1.1总线的基本概念总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。•定义：一次操作可以传输的数据位数•如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。•总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。10【例1】（1）某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，总线带宽是多少?（2）如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，总线带宽是多少?11【例1】解：（1）设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得Dr=D/T=D×（1/T）=D×f=4B×33×106/s=132MB/s（2）64位=8BDr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s126.1.2总线的连接方式总线将CPU和各部件、设备相连不能直接与CPU相连，需要适配器适配器（接口）：实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。136.1.2总线的连接方式单机系统中总线结构的两种基本类型：•单总线：使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。146.1.2总线的连接方式单总线结构特点：•在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线控制权；•而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，由于一条总线由多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟。实际情况：外设的速度差异很大156.1.2总线的连接方式当高速设备和低速设备同在一个总线上：•1.分时工作•2.信息传送效率和吞吐量受到极大限制解决方法：多总线结构166.1.2总线的连接方式多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。如图所示。176.1.2总线的连接方式高速的CPU总线：CPU和cache之间采用系统总线：连接主存高速总线：连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设备）。通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。186.1.2总线的连接方式特点：•多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。196.1.3总线的内部结构早期总线的内部结构如图所示206.1.3总线的内部结构早期总线结构的不足之处在于：•CPU是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。•总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。216.1.4总线的内部结构当代流行的总线内部结构226.1.4总线的内部结构当代流行总线结构：•标准总线•CPU与存储器、外设以及总线控制器并列共同使用总线•便于实现总线与各部件结构技术的无关性•能支持多CPU结构总线控制器：•完成多个总线请求者之间的协调与仲裁。236.1.4总线的内部结构包含四部分：•数据传输总线：由地址线、数据线、控制线组成。其结构与简单总线相似，但一般是32条地址线，32或64条数据线。为了减少布线，64位数据的低32位数据线常常和地址线采用多路复用方式。•仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。•中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。•公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。246.1.5总线结构实例大多数计算机采用了分层次的多总线结构。Pentium计算机主板总线结构是一个三层次的多总线结构，即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。25266.1.5总线结构实例•Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。CPUPCIISA北桥南桥27286.1.5总线结构实例CPU总线：•64位数据，32位地址总线。•总线时钟频率：66.6MHz•连接主存控制器，实现主存访问•连接两级Cache•CPU是总线主控者29306.1.5总线结构实例PCI总线：•PeripheralComponentInterconnection:外围部件扩展接口•33.3MHz，带宽132M/s•集中式仲裁•连接高速I/O设备，图形显示器适配器、网络接口控制器、硬盘控制器等•桥：上连接CPU总线、下连接ISA总线北桥南桥31326.1.5总线结构实例ISA总线IndustrialStandardArchitecture工业标准结构总线与低速I/O设备连接支持7个DMA通道和15级可屏蔽硬件中断连接鼠标、键盘、ROM等