6-总线系统解析

第六章系统总线计算机组成原理计算机组成原理Slide2本章主要内容总线基本概念总线接口总线的仲裁与定时常用总线计算机组成原理Slide3总线基本概念总线连接方式总线内部结构总线结构与系统性能计算机组成原理Slide4总线(BUS)基本概念总线是系统部件间传送信息的公共通路。内部总线(CPU内各功能单元间的连线）系统总线（系统内各部件间的连线）I/O总线(I/O设备间的连接总线）CLACLAADD30STA40NOPJMP21…000006…00000420212223243040ALU000021000030ADD30CLA指令译码器操作控制器时序产生器程序计数器PC地址寄存器AR缓冲寄存器DR累加器AC指令寄存器IR执行指令控制地址总线ABUS数据总线DBUSSTA40+1000004000006计算机组成原理Slide6总线特性物理特性--总线的物理连接方式根数，插头、座的形状，引线的排列方式功能特性--每一根线的功能地址,数据,控制总线三类电气特性--线上信号传递方向和有效电平范围单/双向,电平高有效/低有效及范围时间特性—每根线在什么时间有效计算机组成原理Slide7总线标准化不同厂家的相同功能部件可互换使用.ISAEISAVESAAGPPCI计算机组成原理Slide8总线带宽总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。单位：Byte/sorMB/S(兆字节每秒－106B/s)设总线在同一个时钟周期内能并行传送D个字节总线时钟周期为T，总线频率f=1/T总线带宽Dr=D/T=D*f例：Dr=4Byte×33.3MHz=133MB/s计算机组成原理Slide9总线带宽计算(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33.3MHZ，求总线带宽是多少？(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，求总线带宽是多少？sMBsBfDTDTDDr/133/103.3341/6sMBsBfDDr/528/106686计算机组成原理Slide10几种总线的例子ISA16bit8.3MHzDr=2*8=16MB/sEISA32bit16MHzDr=4*16=64MB/sPCI32/64bit33MHzDr=133/266MB/sAGP64bit66MHzDr=8*66=528MB/sPCI-X64Bit133MHzDr=8*133=1GB/s计算机组成原理Slide11总线连接方式总线的排列以及与其它各类部件的连接方式影响计算机系统性能单总线结构双总线结构三总线结构计算机组成原理Slide12单总线结构CPU主存设备接口设备············系统总线适配器设备系统总线含DBUS，ABUS，CBUS特点：结构简单，易于扩充;多部件共用一根总线，分时工作,传输效率较低。计算机组成原理Slide13单总线速度瓶颈计算机组成原理Slide14双总线结构CPU内存设备接口设备············系统总线适配器设备CPU与内存有专用高速总线,减轻系统总线的负担;内存可通过系统总线与外设进行DMA操作,而不必经过CPU.存储总线计算机组成原理Slide15三总线结构CPU内存系统总线设备接口设备············适配器设备存储总线通道I/O总线计算机组成原理Slide16三总线结构特点:双总线基础上增加I/O总线,它是多个外设与通道间传送信息的公共通路;通道的使用,进一步提高了CPU的效率.“通道”是一台具有特殊功能的处理器,它分担了一部分CPU的功能.统一管理外设及实现外设与内存间的数据传送.计算机组成原理Slide17总线结构与系统性能关系最大存储容量单总线系统中,内存要为外设保留一些地址.指令系统单总线系统中,无须专门的I/O指令;双总线系统中,设有专门的I/O指令.吞吐量流入、处理和流出系统的信息的速率三总线系统比单总线系统要大得多.计算机组成原理Slide18总线的内部结构CPU内存地址总线设备接口设备数据总线控制总线锁存器CPU是唯一主控者；通用性较差；北桥南桥分层次多总线结构信号速度缓冲电平转换控制协议转换北桥，南桥计算机组成原理Slide20总线接口信息传送方式总线接口基本概念计算机组成原理Slide21信息传送方式串行传送并行传送分时传送计算机组成原理Slide22串行传送并-串转换串-并转换发送部件接收部件00000101T1T2T3T4T5T6T7T8低位高位位时间传送脉冲10100000计算机组成原理Slide23串行传送特点一条传输线每次一位,先低位,后高位.同步---“位时间”成本低,速度慢.计算机组成原理Slide24例题假设某串行总线传送速率是960个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个数据位，问传送的波特数是多少？每个数据位占用的时间（位周期）是多少？波特数为：10位/字符×960字符/秒＝9600（波特）每个数据位占用的时间Tb是波特数的倒数：Tb＝1/9600＝0.000104（s）＝104（μs）计算机组成原理Slide25并行传送发送部件低位高位1接收部件01000000每位数据一条传输线,并行传送.采用电位传送.传送速度快.计算机组成原理Slide26发展趋势并行传输距离受限且线间串绕严重串行传输距离长无串绕现象随着总线频率的增加，并行逐渐转向串行计算机组成原理Slide27分时传送采用总线复用方式连在总线上的部件分时使用总线.计算机组成原理Slide28总线接口基本概念接口指CPU与主存、外设，或两种外设或两种机器间通过总线连接的逻辑部件。CPU接口外设地址总线数据总线控制总线I/O设备适配器通常称为接口，分串口和并口两大类。计算机组成原理Slide29接口功能1.缓冲：速度匹配;2.转换：格式转换;3.控制：传送主机控制信号;4.状态：反映设备的工作状态；5.整理：识别和指示数据传送的地址和传输量;6.程序中断。计算机组成原理Slide30接口的基本组成设备地址译码线路设备状态字寄存器(DSR)输入/输出缓冲器(IDBR/ODBR)数据转换线路根据总线控制需要的定时信号线路计算机组成原理Slide31接口的分类适配器有两个接口：面向系统总线和外设的接口；按外设供求数据方式的不同分串行数据接口接口与设备之间，数据按序逐个位传送的接口。并行数据接口接口与设备和主机之间数据并行传送的接口。计算机组成原理Slide32总线仲裁、定时总线仲裁总线定时计算机组成原理Slide33总线的仲裁总线仲裁：对总线的使用进行合理的分配和管理.功能模块的主方和从方；优先级策略或公平策略；根据总线控制部件的位置,仲裁方式分为两类:集中式总线仲裁分布式总线仲裁部件要使用总线进行通信时,要向控制部件发请求信号.控制部件按各部件的优先级来决定谁使用总线.计算机组成原理Slide34集中式仲裁BusRequest：总线请求信号线BusGrant：总线授权信号线中央仲裁器模块1BRBG模块nBRBG链式查询方式计数器定时查询方式独立请求方式计算机组成原理Slide35链式查询方式中央仲裁器接口1接口2接口nBSBRBGBS------总线忙BR------总线请求BG------总线响应请求（授权）通过接口的优先级排队电路来实现.离总线控制器越远,优先级越低.用线少-----BG1根,易扩充;对响应链的电路故障很敏感.数据总线，地址总线计算机组成原理Slide36计数器定时查询方式总线设备地址计数BRBS中央仲裁器接口1接口2接口nBS=0时,计数器开始计数,计数值通过一组地址线发向各设备.各接口中的设备地址与计数值一致时,该设备置“1”BS线.线数为㏒2n根.计数器的初值可用程序来设置.------各设备的优先级可变.---灵活.计算机组成原理Slide37独立请求方式每一设备有一对BR和BG;响应速度高控制灵活,优先级可通过程序改变;控制线数多.--------2n根.总线（地址线、数据线）BR1BR2BRnBG1BG2BGn中央仲裁器接口1接口2接口n计算机组成原理Slide38分布式仲裁无需中央仲裁器（总线控制器）每个功能设备都有自己的仲裁号以及仲裁器优先级仲裁策略计算机组成原理Slide39总线定时总线信息传递过程分为:请求总线，总线仲裁，寻址，信息传送，状态返回为了同步主方、从方的操作，必须制定定时协议。定时:即事件出现在总线上的时序关系。同步定时异步定时计算机组成原理Slide40同步定时同步定时，又称无应答定时。事件出现在总线的时刻是由总线时钟信号来确定，所有的事件都出现在时钟信号的前沿，大多数事件只占据一个时钟周期。采用公共时钟，每个功能模块什么时候发送或者接受信息都由统一时钟来规定，因此同步定时具有较高的数据传输频率。但仅仅适合于总线长度短，各功能模块存取时间相差不大的情况。必须按最慢的设备定时。计算机组成原理Slide41地址线总线时钟读命令数据线认可线同步时序启动信号计算机组成原理Slide42异步定时异步定时，又称应答定时，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，建立在应答和互锁机制基础上，不需公共时钟信号；总线周期长度可变，快、慢速设备可连到同一总线上。计算机组成原理Slide43总线时钟异步时序地址线读命令数据线认可线启动信号计算机组成原理Slide44地址线读命令数据线从同步主同步异步时序计算机组成原理Slide45例：分析某CPU总线仲裁时序PDP-11采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询相结合的二维总线控制结构。请分析图示的总线仲裁时序图。⑥某CPU总线仲裁时序图总线请求BRi⑦④②③①总线同意BGi设备回答SACK总线忙BBSY⑤③设备请求使用总线BRi↑;CPU同意后，以BGi↑回答;设备接收到BGi，使BRi↓，并回答SACK↑;CPU接到SACK后，BGi↓作为回答;在BBSY为“0”时上升BBSY—设备获得总线使用权;用完总线后，下降BBSY和SACK，释放总线。计算机组成原理Slide46分析：设备请求使用总线BRi↑;CPU同意后，以BGi↑回答;设备接收到BGi，使BRi↓，并回答SACK↑;CPU接到SACK后，BGi↓作为回答;在BBSY为“0”时上升BBSY—设备获得总线使用权;用完总线后，下降BBSY和SACK，释放总线。计算机组成原理Slide47常用总线ISA/EISA/VESAPCI/PCI-XNGIOFutureI/OInfiniBandAGPUSB计算机组成原理Slide48IBMPC/XTIBMPC／XT总线是1981年与IBM个人计算机同时推出的，是IBMPC／XT微机所用的总线，是围绕当时的Intel8088芯片而设计。具有开放式结构，用户可在IBMPC／XT机的底板上使用总统扩展插座，通过接口板使IO设备与主机相连。PC／XT总线定义了62根信号线。其中数据线8根，地址线20根，控制线26根（含时钟信号），电源5根，地线3根。计算机组成原理Slide49IBMPC/ATISA（industrialstandardarchitecture）总线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线插槽有一长一短两个插口(62个和36个引脚)计算机组成原理Slide50D18D1C18C1B31B1A31A1ISA总线插槽计算机组成原理Slide51ISA/EISAISA总线是IBM公司为286计算机制定的工业标准总线。该总线的总线宽度是16位，总线频率为8MHz。EISA（Extend