第六章總線系統(tǒng)

1、第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 6.1 6.1 總線的概念和結構形態(tài)總線的概念和結構形態(tài) 6.2 6.2 總線接口總線接口 6.3 6.3 總線的仲裁總線的仲裁 6.4 6.4 總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式 6.5 HOST6.5 HOST總線和總線和PCIPCI總線總線 6.6 InfiniBand6.6 InfiniBand標準標準第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.1 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(nèi)部結構6.1.4 總線結構實例6.1.1 總線的基本概念總線：構成計算機系統(tǒng)的互連機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進

2、行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。總線支持不同部件之間的地址、數(shù)據(jù)、控制三類信息的傳送。一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類：一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類： u內(nèi)部總線內(nèi)部總線 CPU內(nèi)，連接各寄存器及運算器。內(nèi)，連接各寄存器及運算器。u系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 連接連接CPU與存儲器、與存儲器、I/O通道等。通道等。uI/O總線總線 連接各連接各I/O設備。設備。1. 總線的特性物理特性指物理連接方式的規(guī)定。如總線的根數(shù)、插頭插座的形狀和尺寸等。功能特性指總線中每一根的功能。如它是數(shù)據(jù)、地址，還是控制線？功能特性中，如果描述了功能特性中，如果描述了n根地址線，則可直接訪存根地址線，則可直接訪存的地址

3、范圍為的地址范圍為0(2n1)。物理特性物理特性功能特性功能特性電氣特性電氣特性時間特性時間特性1. 總線的特性(續(xù))電氣特性規(guī)定每根線上信號的傳遞方向和有效電平范圍。從CPU發(fā)出的信號，稱輸出信號(OUT)；送入CPU的信號，稱輸入信號(IN)。數(shù)據(jù)線可傳送雙向信號，地址、控制線只單向傳送信號。1. 總線的特性(續(xù))時間特性規(guī)定每根線上的信號什么時間有效。訪存時地址、控制、數(shù)據(jù)信號的時序關系2. 系統(tǒng)總線的標準化PC中，系統(tǒng)總線布設在主板上。為什么主板能支持很多廠家的顯卡？原因是，系統(tǒng)總線是按標準制作的?？偩€標準規(guī)定總線的物理特性、功能特性、電氣特性和時間特性。微機中的標準總線：ISA總線

4、、 EISA總線、 VESA總線、 PCI總線。總線的主要參數(shù) 1.總線的帶寬 （MB/s）一定時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量2.總線的位寬 總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。 即我們常說的32位、64位等總線寬度的概念。3.總線的工作時鐘頻率 （MHz）總線的時鐘頻率時鐘周期11Tf總線帶寬總線傳輸數(shù)據(jù)的速度。單位：MB/s例：(1)某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，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? (2)如果一個總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少? 解：（1）帶寬= =4f =4B33106 /s =

5、132MB/s。 (2) 帶寬=64f =8B66106 /s = 528MB/s。T46.1.2 總線的連接方式I/O設備的種類有很多。鍵盤、鼠標、軟盤、硬盤、顯示器等。I/O設備的結構、數(shù)據(jù)傳送速度都有差別。I/O設備直接連到總線是不可以的。適配器(又稱接口)可使CPU、設備分別以自己的速度工作；完成CPU與設備的數(shù)據(jù)傳送和控制。單機系統(tǒng)中總線結構的兩種基本類型：單總線和多總線。 單總線結構CPU主存主存I/O接口接口I/O接口接口各部件公用同一個總線；各部件公用同一個總線；任何時刻，只允許任何時刻，只允許一對一對部件進行數(shù)據(jù)傳送；部件進行數(shù)據(jù)傳送；主存和主存和IOIO設備設備統(tǒng)一統(tǒng)一編址

6、；編址；如果如果IOIO設備可指定地址，則可不經(jīng)設備可指定地址，則可不經(jīng)CPUCPU訪存，這叫訪存，這叫DMADMA。一個部件要發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，必須一個部件要發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，必須先獲得先獲得總線控制權。總線控制權。play多總線：在CPU、主存、I/O之間互聯(lián)采用多條總線。 圖6.2 多總線結構CPU和和cache之間之間采用高速采用高速的的CPU總總線線 。主存連在系主存連在系統(tǒng)總線上統(tǒng)總線上高速總線上可以連接高速高速總線上可以連接高速LAN（100Mb/s局域網(wǎng)）、視局域網(wǎng)）、視頻接口、圖形接口、頻接口、圖形接口、SCSI接接口（支持本地磁盤和其他外口（支持本地磁盤和其他外設）、設）、Fire

7、wire接口（支持大接口（支持大容量容量I/O設備）設備）高速總線通過高速總線通過擴擴充總線接口充總線接口與擴與擴充總線相連，擴充總線相連，擴充總線上可以連充總線上可以連接串行方式工作接串行方式工作的的I/O設備設備通過橋通過橋CPU總線、系統(tǒng)總線和高速總線彼此相連。橋?qū)嵸|(zhì)總線、系統(tǒng)總線和高速總線彼此相連。橋?qū)嵸|(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路6.1.4 總線的內(nèi)部結構早期的單總線可看作CPU引腳的延伸。CPU存儲器存儲器輸入設備輸入設備接接 口口輸出設備輸出設備接接 口口驅(qū)動驅(qū)動地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制“CPU引腳延伸”的缺陷 CPU是總線

8、控制的主角; 現(xiàn)在接口中增加DMA控制器，但仍無法支持多個CPU的系統(tǒng)； 總線與CPU引腳相關，通用性差。現(xiàn)代的總線觀CPU-cache模塊模塊 中斷與同步總線中斷與同步總線( (中斷請求與認可中斷請求與認可) )存儲器存儲器模塊模塊I/O適配器適配器總線總線控制器控制器仲裁總線仲裁總線( (總線請求與授權總線請求與授權) ) 數(shù)據(jù)傳送總線數(shù)據(jù)傳送總線( (地址、數(shù)據(jù)、控制線地址、數(shù)據(jù)、控制線) ) 公用線公用線( (時鐘、電源、地、復位等時鐘、電源、地、復位等) )主板主板追求與結構、CPU、技術無關的開發(fā)標準 完成幾個總線完成幾個總線請求者之間的請求者之間的協(xié)調(diào)與仲裁協(xié)調(diào)與仲裁 奔騰PC主

9、板北橋北橋南橋南橋6.2 總線接口6.2.1 信息的傳送方式6.2.2 接口的基本概念6.2.1 信息的傳送方式位信息的表示方法用持續(xù)的高電位（或低電位）表示1（或0）；3.5V5V 10 1.2V 0用有（或無）脈沖表示1（或0）。 位傳送周期106.2.1 信息的傳送方式(續(xù))信息傳送的三種方式串行傳送沿一根線，用“有無脈沖”順序地傳送數(shù)據(jù)的各個位。并行傳送用一組線，各位同時沿不同的線傳送。分時傳送不同性質(zhì)或不同部件的二進制數(shù)在不同的總線周期里傳送。 串行傳送并-串變換串-并變換0000010100000101T1T8T2T3T4T5T6T7低位低位高位高位10010000時間時間 并行傳

10、送發(fā)送部件接收部件00000101低位低位高位高位電位表示；比串行傳送快；電位表示；比串行傳送快；主板總線一般采用并行傳送。主板總線一般采用并行傳送。 分時傳送8088CPU鎖存器地址總線地址總線總線接口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線先發(fā)地址，后發(fā)數(shù)據(jù)先發(fā)地址，后發(fā)數(shù)據(jù)兩種概念：兩種概念： 總線復用方式總線復用方式，某個傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。，某個傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息。 共享總線的部件分時使用總線共享總線的部件分時使用總線6.2.2 接口的基本概念接口是CPU、內(nèi)存、外設與總線之間的轉(zhuǎn)換器。內(nèi)存、外設有自己的控制器。要連到總線上，還需要接口（電路）。圖6.7 外圍設備的連

11、接方法接口的功能控制接收總線傳來的控制信息，向控制器發(fā)指示。緩沖緩沖總線傳來的數(shù)據(jù)，或部件傳來的數(shù)據(jù)。狀態(tài)保存部件的工作狀態(tài)，供其他部件查詢。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。例如并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。整理程序中斷外設請求CPU服務時，接口發(fā)出中斷請求。接口的“兩面性”與系統(tǒng)總線的“一面”；一般是并行傳送。與外設控制器的“一面”。也采用并行傳送時，稱接口為并行數(shù)據(jù)接口；采用串行傳送時，稱接口為串行數(shù)據(jù)接口。例：串行傳送時，每秒傳送的位數(shù)稱波特率。若數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，每字符包含10位（1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位）。計算波特率，以及位傳送周期。解：波特率為10位120字符/秒1200波特。 位

12、傳送周期為1/1200 0.000833（秒）。1 12 26 64 45 53 38 87 71 12 2起始位 數(shù)據(jù)位 停止位 起始位6.3 總線仲裁、定時和數(shù)據(jù)傳送模式對于總線的兩個部件，一個為主方，另一個為從方。只有主方有權啟動一個總線周期，從方只能響應主方的請求。當多個可作主方的設備請求總線控制，誰優(yōu)先？公平策略例，多CPU系統(tǒng)中，CPU之間是平等的。優(yōu)先級策略I/O設備之間一般有不同的總線請求優(yōu)先級。主方持續(xù)控制總線的時間，稱為總線占用期。總線的仲裁方式分為集中式仲裁和分布式仲裁兩類。什么是集中式仲裁？總線仲裁部件 中央仲裁器每個功能模塊有兩根線連到中央仲裁器。送仲裁器的總線請求線

13、（BR, Bus Request）;仲裁器送來的總線授權線（BG，Bus Grant）。實現(xiàn)方案鏈式查詢方式；計數(shù)器定時查詢方式；獨立請求方式。鏈式查詢方式 BS（Bus State）1時，總線正被某設備使用。時，總線正被某設備使用。 有一個接口使有一個接口使BR為為1且且BS為為0時，仲裁器置時，仲裁器置BG為為1。 接口發(fā)現(xiàn)接口發(fā)現(xiàn)BG為為1，置，置BS為為1，撤消，撤消BR，不再傳遞，不再傳遞BG。優(yōu)點：優(yōu)點：BGBG線只有一根。線只有一根。缺點：接口優(yōu)先級固定；故障敏感；優(yōu)先級低的接口可能缺點：接口優(yōu)先級固定；故障敏感；優(yōu)先級低的接口可能長期長期無法使用總線。無法使用總線。計數(shù)器定時查

14、詢方式BRBR為為1 1且且BSBS為為0 0時，仲裁器的計數(shù)器開始計數(shù)，并從時，仲裁器的計數(shù)器開始計數(shù)，并從“設備設備地址地址”發(fā)出計數(shù)值；接口發(fā)現(xiàn)設備地址與自己的相同時，發(fā)出計數(shù)值；接口發(fā)現(xiàn)設備地址與自己的相同時，置置BSBS為為1 1，撤消，撤消BRBR。仲裁器發(fā)現(xiàn)。仲裁器發(fā)現(xiàn)BSBS為為1 1，停止計數(shù)。，停止計數(shù)。計數(shù)初值為計數(shù)初值為0 0；初值為上次停止值；允許程序設置初值。；初值為上次停止值；允許程序設置初值。獨立請求方式響應時間快；優(yōu)先次序的控制比較靈活；還可屏蔽某些設備的請求。響應時間快；優(yōu)先次序的控制比較靈活；還可屏蔽某些設備的請求。在單在單CPU系統(tǒng)中，中央仲裁器又稱總線

15、控制器，屬于系統(tǒng)中，中央仲裁器又稱總線控制器，屬于CPU一部分。一部分。什么是分布式仲裁？沒有中央仲裁器；每個潛在的主方都有仲裁器；共用一個“仲裁總線”；有總線請求時，將自己仲裁器的編號放在“仲裁總線”上；發(fā)現(xiàn)自己的編號小，則撤消自己的編號；最后，獲勝者的編號留在“仲裁總線”上。集中式仲裁總線仲裁部件 中央仲裁器分布式仲裁沒有中央仲裁器；每個潛在的主方都有仲裁器；總線的定時總線的一次信息傳送，大致分5個階段：請求總線；總線仲裁；尋址（即發(fā)送地址到地址總線）；信息傳送（即發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線）；狀態(tài)返回（或錯誤報告）。主方和從方的動作有時序關系。規(guī)定事件出現(xiàn)在總線上的時序關系，稱總線定時?？偩€定時

16、總線定時是總線系統(tǒng)的又一核心問題。主方、從方的操作必須制訂定時協(xié)議 。 通常采用同步定時與異步定時兩種方式。在同步定時協(xié)議中，事件出現(xiàn)在總線上的時刻由總線時鐘信號來確定，總線周期的長度是固定的。在異步定時協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時刻取決于前一事件的出現(xiàn)，建立在應答式或互鎖機制基礎上，不需要統(tǒng)一的公共時鐘信號。在異步定時中，總線周期的長度是可變的?？偩€的數(shù)據(jù)傳送模式讀、寫操作 主方與從方間的數(shù)據(jù)傳送。塊傳送操作給出塊的起始地址，順序讀(寫)多個數(shù)據(jù)。例：CPU-存儲器之間的猝發(fā)式傳送?！皩懞笞x”、“讀后寫”操作給出地址后，先寫入后讀出，用于校驗。給出地址后，先讀出后寫入，用于共享資源的保護

17、。廣播、廣集操作廣播：主方向多個從方傳送數(shù)據(jù)（寫）；廣集：多個從方向主方傳送數(shù)據(jù)（讀），例：檢測中斷源。多總線結構的示意圖HOST總線總線PCI總線總線LAGACY總線總線“宿主宿主”總線，總線，也稱也稱CPUCPU總線、總線、系統(tǒng)總線、主系統(tǒng)總線、主存總線存總線連接各種高速的連接各種高速的PCIPCI設設備備 。使用。使用PCI/PCIPCI/PCI橋或橋或HOST/PCIHOST/PCI橋，系統(tǒng)中可橋，系統(tǒng)中可包含多個包含多個PCIPCI總線?？偩€。ISAISA，EISAEISA，MCAMCA等性等性能較低的傳統(tǒng)總線，能較低的傳統(tǒng)總線，支持中低速支持中低速I/OI/O設備設備 橋連接兩條總

18、線，使彼此間相互通信。 HOSTHOST橋是橋是PCIPCI總線控制總線控制器，含有中央仲裁器器，含有中央仲裁器 PCI總線PCI是與CPU無關的外圍總線。連接到PCI總線的設備，稱PCI設備。使用PCI/PCI橋或HOST/PCI橋，系統(tǒng)中可包含多個PCI總線?？偩€定時方式采用同步時序協(xié)議?？偩€仲裁方式采用集中式仲裁。PCI總線的基本傳輸機制是猝發(fā)式傳送。本章小結總線是構成計算機系統(tǒng)的互連機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通道，并在爭用資源的基礎上進行工作。總線有物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性，因此必須標準化。微型計算機系統(tǒng)的標準總線從ISA總線、EISA總線、VESA總線發(fā)展到PCI總線。衡量總線性能的重要指標是總線帶寬，它定義為總線本身所能達到的最高傳輸速率。計算機系統(tǒng)中，總線傳輸信息可采用并行傳送、 串行傳送和復用傳送。各種外圍設備必須通過“接口”與總線相連。接口在兩個功能部件間起著緩沖器和轉(zhuǎn)換器的作用，以便實現(xiàn)彼此之間的信息傳送?？偩€仲裁是總線系統(tǒng)的核心問題之一?？偩€仲裁部件通過