(2.6)--组成原理计算机组成原理.pdf
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1、1第六章第六章 总线系统总线系统返回26.1 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6.5 HOST总线和PCI总线6.6 InfiniBand标准36.1总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态6.1.1总线的基本概念6.1.2总线的连接方式6.1.3总线的内部结构6.1.4总线结构实例46.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念数字计算机是由若干系统功能部件构成的,这些系统功能部件在一起工作才能形成一个完整的计算机系统。总线定义:计算机的若干功能部件之间不可能采用全互联形式,因此就需要有公共的信息通道,即总线。总线是构成计算机系统的互联机
2、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。56.1.16.1.1总线的基本概念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。66.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念1、总线的特性总线的特性可分为: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
3、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。76.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念2、总线的标准化相同的指令系统,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。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86.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念2、总线的标准化总线带宽:总线本身所能达到的最高
4、传输速率。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。9【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?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)=Df=4B33106/s=132MB/s(2)64位=8BDr=Df=8B661
5、06/s=528MB/s6.1.1 总线的基本概念总线的基本概念106.1.2总线的连接方式适配器(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。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。CAI116.1.2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。126.1.2总线的连接方式多总线:在
6、CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。如图所示。136.1.2总线的连接方式高速的CPU总线:CPU和cache之间采用系统总线:主存连在其上。高速总线上可以连接高速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)。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。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。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
7、构的变化不影响高速总线。146.1.3总线的内部结构早期总线的内部结构如图所示,它实际上是处理器芯片引脚的延伸,是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般也由50100条线组成,这些线按其功能可分为三类:地址线、数据线和控制线。CAI156.1.3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。166.1.4总线的内部结构当代流行的总线内部结构CAI176.1.4总线的内部结构由地址线、数据线、控制
8、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。186.1.5总线结构实例大多数计算机采用了分层次的多总线结构。右图它是一个三层次的多总线结构即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。CAI196.2 总线接口总线接口6.2.1 信息传送方式6.2.2 总线接口的基本概念206.2.1 信息传送方式信息传送方式计算机系
9、统中,传输信息基本有三种方式:串行传送并行传送分时传送出于速度和效率上的考虑,系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。分时传送即总线的分时复用。216.2.1 信息传送方式信息传送方式串行传送使用一条传输线,采用脉冲传送。主要优点是只需要一条传输线,这一点对长距离传输显得特别重要,不管传送的数据量有多少,只需要一条传输线,成本比较低廉。缺点就是速度慢。并行传送每一数据位需要一条传输线,一般采用电位传送。分时传送总线复用或是共享总线的部件分时使用总线226.2.2 总线接口的基本概念总线接口的基本概念接口是CPU和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件。236.2.2 总线接口的基本概念总线
10、接口的基本概念接口的典型功能:控制、缓冲、状态、转换、整理、程序中断。一个适配器的两个接口:一个同系统总线相连,采用并行方式,另外一个同设备相连,可能采用并行方式或是串行方式。CAI24【例例2】利用串行方式传送字符(如图),每利用串行方式传送字符(如图),每秒钟传送的比特(秒钟传送的比特(bit)位数常称为波特率。)位数常称为波特率。假设数据传送速率是假设数据传送速率是120个字符个字符/秒,每一个秒,每一个字符格式规定包含字符格式规定包含10个比特位(起始位、停个比特位(起始位、停止位、止位、8个数据位),问传送的波特率是多少个数据位),问传送的波特率是多少?每个比特位占用的时间是多少每个
11、比特位占用的时间是多少?解:波特率为:10位120/秒=1200波特每个比特位占用的时间Td是波特率的倒数:Td=1/1200=0.83310-3s=0.833ms256.3 总线的仲裁总线的仲裁6.3.1 集中式仲裁6.3.2 分布式仲裁266.3 总线的仲裁总线的仲裁连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态,其中主方可以启动一个总线周期,而从方只能响应主方请求。每次总线操作,只能有一个主方,但是可以有多个从方。为了解决多个功能模块争用总线的问题,必须设置总线仲裁部件。总线占用期:主方持续控制总线的时间。按照总线仲裁电路的位置不同,仲裁方式分为集中式和分布式两种。276.3.1 集中式仲裁
12、集中式仲裁集中式仲裁有三种:链式查询方式:离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权,离总线控制器越远,优先权越低。优点:只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制,并且这种链式结构很容易扩充设备。缺点:是对询问链的电路故障很敏感,优先级固定。286.3.1 集中式仲裁集中式仲裁计数器定时查询方式:总线上的任一设备要求使用总线时,通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后,在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数,计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路,当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时,该设备 置“1”BS线,获得了总线使用权,此时中止计数查询。
13、每次计数可以从“0”开始,也可以从中止点开发始。如果从“0”开始,各设备的优先次序与链式查询法相同,优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始,则每个设备使用总线的优级相等。计数器的初值也可用程序来设置,这可以方便地改变优先次序,但这种灵活性是以增加线数为代价的。可方便的改变优先级。296.3.1 集中式仲裁集中式仲裁在独立请求方式中,每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时,便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路,它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求,给设备以授权信号BGi。独立请求方独立请求方式的优点是响应时间快,即确定优先响应
14、的设备所花式的优点是响应时间快,即确定优先响应的设备所花费的时间少,用不着一个设备接一个设备地查询。其费的时间少,用不着一个设备接一个设备地查询。其次,对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定次,对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定,例如BR0优先级最高,BR1次之BRn最低;也可以通过程序来改变优先次序;还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法,不响应来自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。306.3.1 集中式仲裁集中式仲裁独立请求方式:优点是响应时间快,即确定优先响应的设备所花费的时间少。对优先次序的控制也是相当灵活的。316.3.1 集中式仲裁集中式仲裁CAI326.3
15、.2 分布式仲裁分布式仲裁分布式仲裁:不需要中央仲裁器,而是多个仲裁器竞争使用总线。当它们有总线请求时,把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上,每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大,则它的总线请求不予响应,并撤消它的仲裁号。最后,获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然,分显然,分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。336.3.2 分布式仲裁分布式仲裁分布式仲裁示意图CAI346.3.2 分布式仲裁分布式仲裁(1)所有参与本次竞争的各主设备将设备竞争号CN取反后打到仲裁总线AB上,以实现“线或”逻辑。AB线低电平时表示至少有一个主
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