第5章 處理器總線時序與系統(tǒng)總線

第五章處理器總線時序和系統(tǒng)總線CollegeofphysicsHunanUniversityofScienceandTechnology第五章處理器總線時序和系統(tǒng)總線5.1有關(guān)總線的基本概念5.2總線仲裁方法5.3總線握手方法5.4Pentium處理器的典型總線操作時序5.5PC系列微機中的常用標(biāo)準(zhǔn)總線5.1有關(guān)總線的基本概念5.1.1總線與總線模塊5.1.2總線操作及控制5.1.3總線的功能和性能指標(biāo)5.1.4總線周期與指令周期、時鐘周期的關(guān)系5.1.1總線與總線模塊

總線是在模塊與模塊之間或者設(shè)備與設(shè)備之間傳送信息的一組公用信號線，是系統(tǒng)在主控器(模塊或設(shè)備)的控制下，將發(fā)送器(模塊或設(shè)備)發(fā)出的信息準(zhǔn)確地傳送給某個接收器(模塊或設(shè)備)的信號通路。

總線的特點在于其公用性，即它同時掛接多個模塊或設(shè)備?？偩€按其信號線性質(zhì)不同一般可分為：讀寫控制線數(shù)據(jù)傳輸握手線總線仲裁線中斷控制線DMA控制線控制總線CB：地址總線AB：數(shù)據(jù)總線DB：5.1.1總線與總線模塊1.總線分組用于把數(shù)據(jù)送入或送出MPU，為雙向總線。用于指定數(shù)據(jù)送往或來自何處，為MPU發(fā)出的單向總線。因MPU型號的不同而不同，正是CB的不同特性決定了各種MPU不同的接口特點。總線的另一種分組法：基本信息總線仲裁總線數(shù)據(jù)握手總線數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB存儲器與I/O讀寫控制線總線仲裁線中斷仲裁控制線DMA仲裁控制線保證在總線操作期間基本信息總線上信息的正常傳送。5.1.1總線與總線模塊2.總線模塊總線主模塊總線從模塊主從模塊連接在總線上的模塊（設(shè)備）有三種：

工作于主控方式，可以控制和管理總線。工作于受控方式，只能在主模塊控制下工作。有時工作于主控方式，有時工作于受控方式。5.1.1總線與總線模塊微機系統(tǒng)中的各種操作本質(zhì)上都是通過各級總線進(jìn)行的信息交換，統(tǒng)稱為總線操作。5.1.2總線操作及控制同一時刻，總線上只能允許一對模塊進(jìn)行信息交換。當(dāng)有多個模塊都要使用同一總線進(jìn)行信息傳輸時，只能采用分時方式，即將總線時間分成很多段，每段時間可以完成模塊之間一次完整的信息交換，通常稱之為一個數(shù)據(jù)傳輸周期或一個總線操作周期。

一個總線操作周期一般要分成4個階段：5.1.2總線操作及控制總線請求和仲裁階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段總線請求和仲裁階段需要使用總線的主模塊提出請求，由總線使用的仲裁機構(gòu)確定把下一個傳輸周期的總線使用權(quán)分配給哪一個請求源。

一個總線操作周期一般要分成4個階段：

取得使用權(quán)的主模塊通過總線發(fā)出本次要訪問的從模塊的存儲器地址或I/O端口地址及有關(guān)命令，讓參與本次傳輸?shù)膹哪K開始啟動。5.1.2總線操作及控制總線請求和仲裁階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段

一個總線操作周期一般要分成4個階段：

主模塊和從模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在主模塊發(fā)出的控制信號作用下，數(shù)據(jù)由源模塊發(fā)出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送到目的模塊。5.1.2總線操作及控制總線請求和仲裁階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段

一個總線操作周期一般要分成4個階段：主從模塊的有關(guān)信息均從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線，以便其他模塊能繼續(xù)使用。5.1.2總線操作及控制總線請求和仲裁階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段為了確保這4個階段正確推進(jìn)，必須施加總線操作控制。包括兩個層面的控制：

總線仲裁

總線握手

總線操作控制與總線操作四階段的關(guān)系：總線請求與仲裁尋址傳數(shù)結(jié)束（撤出總線）總線操作四階段總線握手總線仲裁5.1.2總線操作及控制1.總線的功能5.1.3總線的功能和性能指標(biāo)基本功能：數(shù)據(jù)傳送占用仲裁傳輸握手輔助功能：

收發(fā)緩沖

出錯處理

……

2.總線的性能指標(biāo)

總線的主要性能指標(biāo)有:總線帶寬總線位寬總線工作頻率5.1.3總線的功能和性能指標(biāo)

總線帶寬指的是單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，又稱總線最大傳輸率。

總線位寬指的是總線上能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。

總線工作頻率指的是用于控制總線操作周期的時鐘信號頻率，所以也叫總線時鐘頻率。

三者關(guān)系：總線帶寬=總線位寬×總線工作頻率5.1.4總線周期與指令周期、時鐘周期的關(guān)系

時鐘周期是處理器中處理動作的最小時間單位，通常稱之為一個T狀態(tài)。

總線周期是指CPU對存儲器或I/O端口完成一次讀/寫操作所需要的時間，它是微處理器完成一步完整操作的最小時間單位。

指令周期是指一條指令從取指開始至執(zhí)行完畢所需要的時間，通常要經(jīng)歷若干個總線周期。不同指令或同一指令尋址方式不同時，其指令周期也不同。

時鐘周期是計算機定時工作的基本時間單元，一個總線周期通常包括幾個時鐘周期，而一個指令周期通常又包括幾個總線周期。時鐘周期總線周期(機器周期)指令周期三者關(guān)系

總線仲裁又叫總線判決，其目的就是合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的請求源，在多個源同時提出總線請求時，以一定的優(yōu)先算法仲裁哪個應(yīng)獲得對總線的占用權(quán)。如果沒有總線仲裁，很容易產(chǎn)生總線沖突。

總線沖突是指在總線上同時有兩個或兩個以上的模塊要傳送相互矛盾的信息時引起的沖突，沖突的表現(xiàn)形式后果因驅(qū)動總線的邏輯器件類型而異。因此總線仲裁就是要確保任何時刻總線上最多只有一個模塊發(fā)送信息，而決不出現(xiàn)多個主控器同時占用總線的現(xiàn)象。5.2總線仲裁方法常見的總線仲裁協(xié)定有：5.2總線仲裁方法1.“菊花鏈”仲裁(串行仲裁)2.并行仲裁3.并串行二維仲裁1)三線菊花鏈判決原理動畫演示1.“菊花鏈”

仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁三線菊花鏈仲裁原理圖總線總線仲裁器BGBGIN1BRBBC1BGOUT1BGIN2C2CnBGOUT2BGINnBCLK(總線時鐘)5.2總線仲裁方法2)判決定時圖BRBGBBC1C2C1C2C1①②③④1.“菊花鏈”

仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁5.2總線仲裁方法3)這種菊花鏈仲裁協(xié)定的要點：

每時刻只有一個模塊作為總線通信的實際主控模塊；

先請求者先響應(yīng)，且在一個總線操作周期之內(nèi)不被打斷；

同一時刻幾個模塊請求者，按優(yōu)先級排序響應(yīng)。1.“菊花鏈”

仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁5.2總線仲裁方法4)總線時鐘線(BCLK)的作用：控制總線交換速度限制了鏈路上允許串入的Ci個數(shù)N：N≤TBCLKΔtTBCLK為總線時鐘周期Δt為每個主控模塊的平均傳輸延時1.“菊花鏈”

仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁5.2總線仲裁方法5)菊花鏈仲裁的優(yōu)缺點邏輯和物理實現(xiàn)都很簡單;優(yōu)點：

鏈路上任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，將阻止其后面的設(shè)備獲得總線控制權(quán)。

鏈路連好后，優(yōu)先級結(jié)構(gòu)不能改變，容易出現(xiàn)"飽餓"不均。響應(yīng)速度較慢，系統(tǒng)中能容納的主控設(shè)備數(shù)受時鐘頻率限制缺點：易于擴(kuò)充。1.“菊花鏈”

仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁5.2總線仲裁方法也叫獨立請求仲裁

1)特點：每個Ci均有自己獨立的BR、BG線與總線仲裁器相連。并行判決機構(gòu)示意圖總線仲裁器總線BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLKC1C2Cn1.“菊花鏈”仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁5.2總線仲裁方法并行仲裁2)判決原理：判決器直接識別各Ci請求,仲裁后直接向選中的Ci發(fā)BGi；Ci用完后,撤消BBi,判決器撤消BGi，為下次判作準(zhǔn)備。Ci撤消BRi，升起B(yǎng)Bi，使BB有效；總線仲裁器總線BR1BG1BR2BG2BRnBGnBBBCLKC1C2Cn5.2總線仲裁方法3)判決器仲裁算法：4)優(yōu)缺點優(yōu)點：響應(yīng)速度快，適于實時性要求高的多處理機系統(tǒng)使用。缺點：控制線較多，邏輯復(fù)雜，不易擴(kuò)充，故主控器較多時不適用。固定優(yōu)先級算法循環(huán)優(yōu)先級算法5.2總線仲裁方法1.“菊花鏈”仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁二維總線仲裁系統(tǒng)兼具有串鏈法和并行法的優(yōu)越性，既有較好的靈活性、可擴(kuò)展性，又可容納較多的設(shè)備而不使結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，還有較快的響應(yīng)速度。5.2總線仲裁方法1.“菊花鏈”仲裁2.并行仲裁3.并串行二維仲裁

5.3總線握手

總線握手主要解決主模塊取得總線占用權(quán)后，如何在主模塊和從模塊之間實現(xiàn)可靠的尋址和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。常見的總線握手方法：1.同步總線協(xié)定2.異步總線協(xié)定3.半同步總線協(xié)定這是最簡單、最易實現(xiàn)的一種總線握手技術(shù)。1)特點：總線系統(tǒng)中只用一個時鐘信號源作為同步控制源;5.3總線握手模塊間通過總線進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送的時間是固定的，每次傳送一旦開始，主從模塊都必須按嚴(yán)格的時間規(guī)定完成相應(yīng)的動作。1.同步協(xié)定2.異步協(xié)定3.半同步協(xié)定CLKT4T3T2T1T4T3T2T1A0～A19D0～D7存儲器讀周期存儲器寫周期地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)MEMRMEMW2)定時時序舉例（PC/XT同步總線）1.同步協(xié)定2.異步協(xié)定3.半同步協(xié)定T1周期，CPU發(fā)出訪問存儲器的地址T2周期，CPU發(fā)出存儲器讀操作命令T3周期,被選中的存儲單元把數(shù)據(jù)送上總線T4周期,主從模塊撤消讀命令和總線上的數(shù)據(jù)、地址、結(jié)束總線周期5.3總線握手3)優(yōu)缺點為解決這一矛盾，較好的辦法是采用異步總線握手技術(shù)。簡單、容易實現(xiàn)完成一次總線操作只需一個來回行程(讀)或一個單程(寫)，操作時間短，適于高速運行需要。優(yōu)點：適應(yīng)性較差。只能按最壞的可能性來確定總線周期的時間，而且一旦設(shè)計好后，總線上不能再接更低速的設(shè)備。缺點：1.同步協(xié)定2.異步協(xié)定3.半同步協(xié)定5.3總線握手常用的是全互鎖異步協(xié)定。1)特點：主控器和受控器采用一問一答的方式工作。因此要求主、受控器分別要發(fā)出至少一個控制信號，通過兩者互為因果的交替變化、一問一答來保證可靠傳輸。1.同步協(xié)定2.異步協(xié)定3.半同步協(xié)定5.3總線握手主控M受控S數(shù)據(jù)地址④②③①①②③④寫周期讀周期2)定時時序：啟動受控器接收數(shù)據(jù)通知主控器數(shù)據(jù)接受完畢通知受控器信號已撤消受控器撤消信號傳輸周期結(jié)束啟動受控器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)通知主控器數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好通知受控器數(shù)據(jù)已接受受控器撤消信號傳輸周期結(jié)束適應(yīng)性好數(shù)據(jù)傳輸高度可靠優(yōu)點：缺點：每次總線操作要經(jīng)2個來回行程，傳輸延遲是同步協(xié)定的2倍。5.3總線握手1.同步協(xié)定2.異步協(xié)定3.半同步協(xié)定綜合同步、異步協(xié)定兩者的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種混合式總線握手協(xié)定。本質(zhì)上，是按同步總線的原理工作的?？偩€操作過程只在時鐘脈沖一個信號控制下完成。但它又不象同步總線那樣總線周期固定，它通過設(shè)置一根“等待”（WAIT）或“就緒”（READY）信號線，可以使總線周期延長整數(shù)個時鐘周期。1.同步協(xié)定2.異步協(xié)定3.半同步

協(xié)定5.3總線握手5.4Pentium的基本總線操作時序Pentium與80486一樣，支持多種多樣的總線傳輸，以滿足高性能系統(tǒng)的需要。但無論哪種總線傳輸，均采用半同步握手協(xié)定來控制其傳送操作的進(jìn)行。較典型的有：非流水線式讀/寫周期的總線時序突發(fā)式讀/寫周期的總線時序流水線式讀/寫周期的總線時序5.4Pentium的基本總線操作時序1.非流水線式讀/寫周期的總線時序T1T2TiT1T2TiT1T2T2TiT2T2無效無效CLKADDRADSCACHEW/RNABRDYDATAPCHK有效有效有效無效有效T1T2基本的2-2周期帶等待態(tài)的總線周期讀寫寫讀等待等待CLKADDRADSCACHEW/RKENBRDYDATAPCHK2.突發(fā)式讀/寫周期的總線時序5.4Pentium的基本總線操作時序讀寫T1T2T2T2T2TiT1T2T2T2T2Ti有效有效流水線突發(fā)式讀周期3.流水線式讀/寫周期的總線時序5.4Pentium的基本總線操作時序流水線式讀寫周期3.流水線式讀/寫周期的總線時序5.4Pentium的基本總線操作時序5.5PC系列微機中的常用標(biāo)準(zhǔn)總線5.5.1標(biāo)準(zhǔn)總線概述

5.5.2目前常用目塊級內(nèi)部擴(kuò)展總線

5.5.3目前常用系統(tǒng)級外部總線

5.5PC系列微機中的常用標(biāo)準(zhǔn)總線5.5.1標(biāo)準(zhǔn)總線概述所謂總線標(biāo)準(zhǔn)是指國際工業(yè)界正式公布或推薦的連接各個模塊的總線規(guī)范，是把各種不同的模塊或設(shè)備組成計算機系統(tǒng)或計算機應(yīng)用系統(tǒng)時必須遵循的連接規(guī)范?？偩€按其在系統(tǒng)中的位置及功能不同，一般可分為三級：芯片級總線：利用它把芯片連成模塊模塊級總線：利用它把主板和主板上各模塊連成微機系統(tǒng)級總線：利用它把多臺微機或設(shè)備連成微機系統(tǒng)從微機應(yīng)用角度看，最關(guān)心的是模塊級和系統(tǒng)級總線。5.5.1標(biāo)準(zhǔn)總線概述無論哪種總線標(biāo)準(zhǔn)，盡管在設(shè)計細(xì)節(jié)和適應(yīng)范圍上有很多不同，各有特點，但從總體原則上看，每種總線設(shè)計所要解決的問題是大體相同的，其總線規(guī)范（Specification）一般都應(yīng)包括如下幾部分：機械結(jié)構(gòu)規(guī)范功能規(guī)范電氣規(guī)范5.5.1標(biāo)準(zhǔn)總線概述5.5.2目前常用模塊級內(nèi)部擴(kuò)展總線ISA總線(AT總線)PCI總線AGP總線PCMCIA總線1.ISA總線(AT總線)ISA總線是對XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線的要求。常見的286、386、486等微機都采用了這種標(biāo)準(zhǔn)總線。(1)ISA總線的主要特點：64KI/O地址空間（0000H～FFFFH）；24根地址線，支持16M存儲器地址空間；8/16位數(shù)據(jù)線，支持8位或16位數(shù)據(jù)存?。蛔罡邥r鐘頻率為8MHz；最大傳輸率為16MB/S；15級硬件中斷；7級DMA通道；開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源。5.5.2目前常用目塊級內(nèi)部擴(kuò)展總線(2)ISA總線信號ISA總線共包含98根信號線，它們是在原來的8位XT總線62線的基礎(chǔ)上再擴(kuò)充36線而成的。其擴(kuò)展I/O插槽也在原來XT總線的62線連接器的基礎(chǔ)上，附加了一個36線的連接器，如下圖所示。

C18C1D18D1A31B31A1B1

5.5.2目前常用目塊級內(nèi)部擴(kuò)展總線2.PCI總線PCI總線是一種高性能的32位局部總線，可同時支持多組外圍設(shè)備，且不受制于微處理器，并能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA等總線，與它們共存于PC系統(tǒng)中。1)PCI總線的主要特點：①性能優(yōu)良②靈活性、兼容性好③自動配置，有"即插即用"功能，使用方便④發(fā)展前途好⑤價格較低5.5.2目前常用目塊級內(nèi)部擴(kuò)展總線2)PCI總線信號5.5.2目前常用目塊級內(nèi)部擴(kuò)展總線CPU3)PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PCI總線5PCI總線4PCI總線3PCI設(shè)備PCI橋PCI橋標(biāo)準(zhǔn)總線橋路設(shè)備PCI橋存儲控制器存儲器CPU總線PCI橋路標(biāo)準(zhǔn)總線橋路PCI設(shè)備PCI橋PCI設(shè)備PCI總線1PCI總線2標(biāo)準(zhǔn)總線2(ISA、EISA、…)標(biāo)準(zhǔn)總線1(ISA、EISA、…)5.5.2目前常用目塊級內(nèi)部擴(kuò)展總線(2)ISA總線插槽和PCI總線插槽5.5.3目前常用系統(tǒng)級外部總線Centronics總線IEEE488總線CAMAC總線ATA/IDE總線

SCSI總線RS-232-C總線USB總線IEEE1394總線USB總線由Intel、Compaq等7家公司聯(lián)合制定的新型通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)。USB1.0版于1995年1月正式提出，1998年和1999年又相繼推出了USB1.1版和USB2.0版。它主要用于低速設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)等）和中速設(shè)備（U盤、掃描儀、Modem、數(shù)字相機等）與PC機連接。主要性能特點：設(shè)備連接簡單，具有即插即用和熱插拔的功能；具有適合傳送多媒體數(shù)據(jù)的傳輸方式；由電纜提供+5V電源，但提供的電源功率十分有限，最大為100mA電流；數(shù)據(jù)傳輸速率高，采用屏蔽線可達(dá)12Mb/s，無屏蔽的最高速率為1.5Mb/s；兩設(shè)備間的最大傳輸距離為4-5m；最多可掛接127臺USB設(shè)備（用8位地址碼區(qū)分）。USB系統(tǒng)的硬件組成USB主機控制器/根集線器(HostController/RootHub)USB集線器(USBHub)USB設(shè)備(USBDevice)USB總線高速設(shè)備中速設(shè)備低速設(shè)備USB系統(tǒng)的硬件組成(續(xù))USB總線主處理器北橋DRAM南橋/USB控制器HDUSB設(shè)備圖形控制器顯示器PCI總線ISA總線IDE總線USB總線USB主機控制器在系統(tǒng)中的位置USB的傳輸方式根據(jù)USB設(shè)備的使用特點及其對系統(tǒng)資源需求的不同，在USB規(guī)范中規(guī)定了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：等步傳輸方式(Isochronous)：用于連接需連續(xù)傳輸，且對數(shù)據(jù)的正確性要求不高而對時間極為敏感的外部設(shè)備；以固定的傳輸速率不斷地傳輸數(shù)據(jù)；中斷傳輸方式(Interrupt)：傳送的數(shù)據(jù)量很小，但需及時準(zhǔn)確處理；控制傳輸方式(Control)：用于傳送控制信號，包括設(shè)備控制指、設(shè)備狀態(tài)查詢及確認(rèn)命令等，數(shù)據(jù)量小，且實時性要求不高；成批傳輸方式(Bulk)：用來傳送數(shù)據(jù)量大，且要求正確無誤，但對實時性要求不高的數(shù)據(jù)USB總線USB的連接方法與連接器USB采用的樹型連接方法，USB系統(tǒng)必有一個根集線器在PC機內(nèi)與主總線相接，以它為根節(jié)點最多可分成6層對外設(shè)進(jìn)行樹型連接，最多可接127個設(shè)備。USB的連接電纜插頭分為A型和B型兩種，A型插頭用于“向下”連接，B型插頭用于“向上”連接。無論A型還是B型插頭，都具有4根信號引腳，引腳1和4分別為+5V電源線和地線，引腳2和3則分別為串行位數(shù)據(jù)傳送線，為支持熱插拔功能，引腳設(shè)計為1和4引腳長，2和3引腳短。USB總線USB總線USB的連接方法與連接器USB總線USB的連接方法與連接器USB總線HostComputerHub1Hub2設(shè)備設(shè)備Hub3Hub4設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備主機(根)第一層第二層第三層第四層USB的樹型連接結(jié)構(gòu)IEEE1394總線IEEE1394是1995年批準(zhǔn)和發(fā)布的一種最新的高性能串行總線標(biāo)準(zhǔn)，它與USB有很多相似之處，但是它是針對高速I/O設(shè)備提出的，其I/O速度是USB最高速度的8倍以上。IEEE1394的主要性能特點：數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸率分100、200、400Mb/s三檔，特別適合于新型高速硬盤以及多媒體數(shù)據(jù)傳送；數(shù)據(jù)傳送實時性強，對于多媒體數(shù)據(jù)可保證圖像和聲音不失真；源于兩點，一是除異步傳送外，還提供等步傳送；二是總線仲裁除優(yōu)先權(quán)仲裁外還有均等仲裁和緊急仲裁兩種方式。結(jié)構(gòu)