計(jì)算機(jī)組成原理 第六章 總線系統(tǒng)

1、1復(fù)習(xí)：中央處理器n微指令有哪幾種編碼方法？n硬連線控制器的輸入信號(hào)有哪些？n并行有兩種含義，是？n時(shí)間并行與空間并行各指什么？n按并行等級(jí)分類(lèi)，流水線有幾種？n流水線中的沖突主要有哪些？2第六章總線系統(tǒng)第六章總線系統(tǒng)n總線是什么？為什么總線是什么？為什么需要總線（好處）？需要總線（好處）？n舉出你知道的總線的舉出你知道的總線的例子例子n總線系統(tǒng)有什么問(wèn)題總線系統(tǒng)有什么問(wèn)題要解決？要解決？（1）簡(jiǎn)化軟、硬件的設(shè)計(jì)；（2）簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（3）便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新。PCI總線總線本身特性、仲裁、同步、標(biāo)準(zhǔn)化36.1 總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)一、總線的基本概念n總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個(gè)系

2、統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。n一個(gè)單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類(lèi)： (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。 ( (3)I/O總線：中、低速I(mǎi)/O設(shè)備之間互相連接的總線。41.總線的特性n物理特性物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線：指總線的物理連接方式，包括總線的根數(shù)，總線的插頭、插座的形狀，引腳線的的根數(shù)，總線的插頭、插座的形狀，引腳線的排列方式等。排列方式等。n功能特性功能特性：描述總線中每一根線的功能。：描述總線中每一根線的功能。n電氣特性電氣特性：定義每一根線上信號(hào)的傳遞方向及：定義每一根線上信號(hào)的傳遞方向及有效電平范圍。有效電平范圍。n時(shí)間特性

3、時(shí)間特性: :定義了每根線在什么時(shí)間有效。規(guī)定義了每根線在什么時(shí)間有效。規(guī)定了總線上各信號(hào)有效的時(shí)序關(guān)系，定了總線上各信號(hào)有效的時(shí)序關(guān)系，CPUCPU才能才能正確無(wú)誤地使用。正確無(wú)誤地使用。52.總線的標(biāo)準(zhǔn)化n標(biāo)準(zhǔn)化的意義n總線帶寬：總線本身所能達(dá)到的最高傳輸速率，是衡量總線性能的重要指標(biāo)，單位兆字節(jié)每秒(MB/s)。n有哪些因素會(huì)影響總線的帶寬？6【例【例1 1】n(1)(1)某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送4 4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，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)鐘頻率為率為3333MHzMHz

4、，則總線帶寬是多少則總線帶寬是多少? ?n(2)(2)如果一個(gè)總線周期中并行傳送如果一個(gè)總線周期中并行傳送6464位數(shù)據(jù)，總線時(shí)鐘位數(shù)據(jù)，總線時(shí)鐘頻率升為頻率升為6666MHzMHz，則總線帶寬是多少則總線帶寬是多少? ? 解解 (1) (1)設(shè)總線帶寬用設(shè)總線帶寬用DrDr表示，總線時(shí)鐘周期用表示，總線時(shí)鐘周期用T=1/fT=1/f表示，表示，一個(gè)總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用一個(gè)總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D D表示，表示， 根據(jù)定義可得根據(jù)定義可得 Dr = D/T = DDr = D/T = D1/T = D1/T = Df f =4B=4B33331000000/s=132MB/s1000000/

5、s=132MB/s (2)64 (2)64位位=8=8B B， Dr= D Dr= Df =8Bf =8B66661000000/s=528MB/s1000000/s=528MB/s 此處的MB/S是多少？7二、二、總線的連接方式總線的連接方式1.1.單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu) 在許多單處理器的計(jì)算機(jī)中，在許多單處理器的計(jì)算機(jī)中，使使用一條單一的系統(tǒng)總線來(lái)連接用一條單一的系統(tǒng)總線來(lái)連接CPUCPU、主存和主存和I/OI/O設(shè)備設(shè)備，叫做單總線結(jié)構(gòu)。，叫做單總線結(jié)構(gòu)。總線適配器IO設(shè)備實(shí)驗(yàn)儀？82.2.多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)( (分層的分層的) )9三、三、總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)n早期總線實(shí)際上是

6、處理器芯片引腳的延伸，是處理器與I/O設(shè)備適配器的通道。n簡(jiǎn)單總線結(jié)構(gòu)的不足之處在于： CPU是總線上的唯一主控者;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。10n當(dāng)代流行的總線當(dāng)代流行的總線是一些標(biāo)準(zhǔn)總線，追求與結(jié)構(gòu)、是一些標(biāo)準(zhǔn)總線，追求與結(jié)構(gòu)、CPUCPU、技術(shù)無(wú)關(guān)的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并滿(mǎn)足包括多個(gè)技術(shù)無(wú)關(guān)的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并滿(mǎn)足包括多個(gè)CPUCPU在內(nèi)的主控者環(huán)境需求。在內(nèi)的主控者環(huán)境需求。11四、四、總線結(jié)構(gòu)實(shí)例總線結(jié)構(gòu)實(shí)例n大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用了分層次的多總線結(jié)構(gòu)。在大多數(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)備模塊使用不這種結(jié)構(gòu)中，速度差異較大的

7、設(shè)備模塊使用不同速度的總線，而速度相近的設(shè)備模塊使用同同速度的總線，而速度相近的設(shè)備模塊使用同一類(lèi)總線。一類(lèi)總線。nPentiumPentium計(jì)算機(jī)主板的總線結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)主板的總線結(jié)構(gòu)：CPUCPU總線、總線、PCIPCI總線、總線、ISAISA總線?？偩€。12總線橋北橋南橋136.26.2 總線接口總線接口一、一、信息的傳送方式信息的傳送方式 n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，傳輸信息采用三種方式傳輸信息采用三種方式：串行傳送串行傳送、并行傳送并行傳送和和分時(shí)傳送分時(shí)傳送。但是。但是出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上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傳送的信息必須采用并行傳送

8、并行傳送方式。方式。143.3.1.1.串行傳送與串行傳送與并行傳送，對(duì)比并行傳送，對(duì)比153.3.分時(shí)傳送分時(shí)傳送n分時(shí)傳送有兩種概念。分時(shí)傳送有兩種概念。n一是采用一是采用總線復(fù)用方式總線復(fù)用方式，某個(gè)傳輸線上既傳送，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)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)。和傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。n分時(shí)傳送的另一種概念是分時(shí)傳送的另一種概念是共享總線的部件分時(shí)共享總線的部件分時(shí)使用總線使用總線。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，傳輸信息采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，傳輸信息采用三種方式：串

9、行傳送、并行傳三種方式：串行傳送、并行傳送和分時(shí)傳送。送和分時(shí)傳送。想想想想-這個(gè)分類(lèi)合適嗎？16二、二、接口的基本概念接口的基本概念 I/O接口(適配器中的接口)17典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能：1.1.控制：控制：控制外圍設(shè)備的動(dòng)作，如啟動(dòng)、關(guān)閉設(shè)控制外圍設(shè)備的動(dòng)作，如啟動(dòng)、關(guān)閉設(shè)備等。備等。2.2.緩沖：緩沖：作為一個(gè)緩沖器，以補(bǔ)償各種設(shè)備在速作為一個(gè)緩沖器，以補(bǔ)償各種設(shè)備在速度上的差異。度上的差異。3.3.狀態(tài)：狀態(tài)：接口監(jiān)視外圍設(shè)備的工作狀態(tài)并保存狀接口監(jiān)視外圍設(shè)備的工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息。態(tài)信息。4.4.轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：例如并串轉(zhuǎn)換或串并轉(zhuǎn)換例如并串轉(zhuǎn)換或串并

10、轉(zhuǎn)換5.5.整理：整理：例如在需要時(shí)可以修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前例如在需要時(shí)可以修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器。內(nèi)存地址寄存器。6.6.程序中斷：程序中斷：每當(dāng)外圍設(shè)備向每當(dāng)外圍設(shè)備向CPUCPU請(qǐng)求某種動(dòng)作請(qǐng)求某種動(dòng)作時(shí)，接口即發(fā)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)到時(shí)，接口即發(fā)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)到CPUCPU。一個(gè)適配器至少一個(gè)適配器至少有幾個(gè)接口？有幾個(gè)接口？18【例【例2 2】n利用串行方式傳送字符，每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)常稱(chēng)為波特率。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(wèn)傳送的波特?cái)?shù)是多少?每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間是多少?【解】：n波特?cái)?shù)為：10

11、位120/秒=1200波特 n每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間Td是波特?cái)?shù)的倒數(shù)：Td=1/1200=0.8330.001s=0.833ms196.36.3 總線的仲裁總線的仲裁一、一、總線的仲裁總線的仲裁 n連接到總線上的功能模塊有連接到總線上的功能模塊有主動(dòng)主動(dòng)和和被動(dòng)被動(dòng)兩種形態(tài)。兩種形態(tài)。n主方和從方，同時(shí)，一個(gè)對(duì)多個(gè)主方和從方，同時(shí)，一個(gè)對(duì)多個(gè)n為了解決多個(gè)主設(shè)備同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線控制權(quán)，必須具有為了解決多個(gè)主設(shè)備同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線控制權(quán)，必須具有總線仲裁部件總線仲裁部件，以某種方式選擇其中一個(gè)主設(shè)備作為，以某種方式選擇其中一個(gè)主設(shè)備作為總線的下一次主方。對(duì)多個(gè)主設(shè)備提出的占用總線請(qǐng)總線的下一次主方。對(duì)多個(gè)

12、主設(shè)備提出的占用總線請(qǐng)求，一般采用求，一般采用優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí)或或公平策略公平策略進(jìn)行仲裁。進(jìn)行仲裁。 n按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為集中式集中式仲裁仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁兩類(lèi)。兩類(lèi)。201.1.集中式仲裁集中式仲裁( (鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式、計(jì)數(shù)器方式、獨(dú)鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式、計(jì)數(shù)器方式、獨(dú)立請(qǐng)求方式立請(qǐng)求方式) )n集中式仲裁中每個(gè)功能模塊有兩條線連到中央集中式仲裁中每個(gè)功能模塊有兩條線連到中央仲裁器：一條是仲裁器：一條是送往仲裁器的總線請(qǐng)求信號(hào)線送往仲裁器的總線請(qǐng)求信號(hào)線BRBR，一條是一條是仲裁器送出的總線授權(quán)信號(hào)線仲裁器送出的總線授權(quán)信號(hào)線BGB

13、G。鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式的優(yōu)先級(jí)如何確定？?jī)?yōu)缺點(diǎn)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式？(有兩種開(kāi)始計(jì)數(shù)方式)21優(yōu)缺點(diǎn)？222.2.分布式仲裁分布式仲裁n分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器不需要中央仲裁器，每個(gè)潛在的主方功能，每個(gè)潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號(hào)和仲裁器。當(dāng)它們有總線請(qǐng)求模塊都有自己的仲裁號(hào)和仲裁器。當(dāng)它們有總線請(qǐng)求時(shí)，把它們唯一的仲裁號(hào)發(fā)送到共享的仲裁總線上，時(shí)，把它們唯一的仲裁號(hào)發(fā)送到共享的仲裁總線上，每個(gè)仲裁器將仲裁總線上得到的號(hào)與自己的號(hào)進(jìn)行比每個(gè)仲裁器將仲裁總線上得到的號(hào)與自己的號(hào)進(jìn)行比較。如果仲裁總線上的號(hào)大，則它的總線請(qǐng)求不予響較。如果仲裁總線上的號(hào)大，則它的總線請(qǐng)求不予響應(yīng)，并撤消它

14、的仲裁號(hào)。最后，獲勝者的仲裁號(hào)保留應(yīng)，并撤消它的仲裁號(hào)。最后，獲勝者的仲裁號(hào)保留在仲裁總線上。顯然，在仲裁總線上。顯然，分布式仲裁是以?xún)?yōu)先級(jí)仲裁策分布式仲裁是以?xún)?yōu)先級(jí)仲裁策略為基礎(chǔ)略為基礎(chǔ)。236.4 6.4 總線定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式總線定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式 一、一、總線的定時(shí)總線的定時(shí) n總線的一次信息傳送過(guò)程，大致可分為如下五個(gè)階段：總線的一次信息傳送過(guò)程，大致可分為如下五個(gè)階段：n請(qǐng)求總線，總線仲裁，尋址請(qǐng)求總線，總線仲裁，尋址( (目的地址目的地址) )，信息傳送，信息傳送，狀態(tài)返回狀態(tài)返回( (或錯(cuò)誤報(bào)告或錯(cuò)誤報(bào)告) )n為了同步主方、從方的操作，必須制訂定時(shí)協(xié)議。為了同步主方、從方的操

15、作，必須制訂定時(shí)協(xié)議。n定時(shí)定時(shí)：事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)序關(guān)系。：事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)序關(guān)系。241.1.同步定時(shí)同步定時(shí)( (用公共的時(shí)鐘用公共的時(shí)鐘) )n同步定時(shí)同步定時(shí)適用于總線長(zhǎng)度較短、各功能適用于總線長(zhǎng)度較短、各功能模塊存取時(shí)間比較接近的情況模塊存取時(shí)間比較接近的情況。2.2.異步定時(shí)異步定時(shí)( (應(yīng)答式應(yīng)答式) )n允許快速和慢速的功能模塊都能連接到同一總線上。允許快速和慢速的功能模塊都能連接到同一總線上。但這以增加總線的復(fù)雜性和成本為代價(jià)。但這以增加總線的復(fù)雜性和成本為代價(jià)。2526三、三、總線數(shù)據(jù)傳送模式總線數(shù)據(jù)傳送模式 n當(dāng)代的總線標(biāo)準(zhǔn)大都能支持以下四類(lèi)模當(dāng)代的總線標(biāo)準(zhǔn)大都能支持以下四類(lèi)模式的數(shù)據(jù)傳送：式的數(shù)據(jù)傳送：n讀、寫(xiě)操作讀、寫(xiě)操作n 塊傳送操作塊傳送操作n寫(xiě)后讀、讀修改寫(xiě)操作寫(xiě)后讀、讀修改寫(xiě)操作n廣播、廣集操作廣播、廣集操作276.5HOST總線和總線和PCI總線總線一、一、多總線結(jié)構(gòu)28二、二、多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu) 中的中的PCInPCI是一個(gè)與處理器無(wú)關(guān)的高速外圍總線，又是至關(guān)重要的層間總線。它采用同步時(shí)序協(xié)議和集中式仲裁策略，并具有自動(dòng)配置能力。n在PCI總線體系結(jié)構(gòu)中有三種橋。橋連接兩條總線，使彼此間相互通信。 橋又是一個(gè)總線轉(zhuǎn)換部件，可以把一