組成原理八章系統(tǒng)線

1主講教師：胡迪青、肖亮e_mail:QQ:121374333第八章系統(tǒng)總線一、總線基本概念?總線：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多個(gè)功能部件之間的連接線，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)部件之間地址信息、數(shù)據(jù)和控制信息的傳送。?總線的分類a.內(nèi)部總線（又稱芯片總線）在集成電路芯片內(nèi)部（含CPU、運(yùn)算器等）或?qū)⒉煌慕M成連接在一起的總線。b.系統(tǒng)總線指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中模塊與模塊之間的連接總線，包含諸如ISA、PCI、AGP等總線方式。c.外部總線外總線是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其外設(shè)通信的總線，如RS-232通信總線、網(wǎng)絡(luò)總線等。1、總線的特性?物理特性描述總線的形狀、數(shù)量、插頭的形式等特性,如地址總線有18根，RS-232的接口使用9針D型接口等。?功能特性描述每一根線的功能如：地址線的數(shù)量指明了CPU能訪問(wèn)的主存范圍，數(shù)據(jù)總線指明了一次交換的數(shù)據(jù)位數(shù)。?電氣特性描述每一根線的有效電平及傳送信號(hào)的方向。如：地址線單向傳輸，數(shù)據(jù)線雙向傳輸，高電平有效、低電平有效。?時(shí)間特性各線什么時(shí)間有效及相互之間的時(shí)序關(guān)系2、總線的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題總線的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)兼容的一個(gè)重要的組成部分3、總線帶寬指總線在單位時(shí)間內(nèi)所能達(dá)到的最高傳輸速率，單位是MB/S。它是衡量總線性能的重要技術(shù)指標(biāo)。6例1設(shè)一個(gè)32位的處理器有16位外部數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘頻率為50MHZ，若總線傳輸?shù)淖疃讨芷跒?個(gè)時(shí)鐘周期，問(wèn)處理器的最大數(shù)據(jù)傳輸率是多少？若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采用什么措施？解：數(shù)據(jù)傳輸率即單位時(shí)間內(nèi)（1秒）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量數(shù)據(jù)傳輸率=2B*50MHZ/4=25MB/s要把總線的數(shù)據(jù)傳輸率提高一倍，可采取的方法有三種：1）數(shù)據(jù)總線的寬度提高到32位，此時(shí)：數(shù)據(jù)傳輸率=4B*50MHZ/4=50MB/s2）將總線的時(shí)鐘頻率提高到100MHZ，此時(shí)：數(shù)據(jù)傳輸率=2B*100MHZ/4=50MB/s3）將傳輸?shù)淖疃虝r(shí)間縮短為2個(gè)時(shí)鐘周期，此時(shí)：數(shù)據(jù)傳輸率=2B*50MHZ/2=50MB/s7例2某網(wǎng)絡(luò)每秒發(fā)出30次訪問(wèn)請(qǐng)求，每次請(qǐng)求的數(shù)據(jù)量為64KB。問(wèn)100M的網(wǎng)絡(luò)能否承受該訪問(wèn)？30*64K*8=15360Kb=15Mb<100Mb二、總線的連接方式1、單總線結(jié)構(gòu)?特點(diǎn)a.訪內(nèi)和訪外指令相同，由地址來(lái)處分，減少了一類I/O指令b.總線簡(jiǎn)單，使用靈活，易于擴(kuò)展c.所有設(shè)備分時(shí)工作，適用于慢速的小型或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中d.適用于高速外設(shè)的情況e.任意兩外設(shè)之間可以直接交換信息（其中主設(shè)備需有總線控制能力）2、雙總線結(jié)構(gòu)?在單總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加主存總線組成?特點(diǎn)a.由于外設(shè)和內(nèi)存分處與不同總線，分訪內(nèi)和訪外指令。b.主存總線的增加減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)，提高了并行性。c.仍然保持了單總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)。3、三總線結(jié)構(gòu)?在雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加I/O總線組成?特點(diǎn)a.由于外設(shè)和內(nèi)存分處與不同總線，分訪內(nèi)和訪外指令。b.并行性進(jìn)一步提高，通道處理機(jī)分擔(dān)了部分CPU的I/O功能。4、總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響?對(duì)最大存儲(chǔ)容量的影響單總線結(jié)構(gòu)對(duì)最大存儲(chǔ)容量有影響雙總線和三總線結(jié)構(gòu)對(duì)最大存儲(chǔ)容量沒(méi)有影響?對(duì)指令系統(tǒng)的影響單總線結(jié)構(gòu)沒(méi)有訪內(nèi)/訪外指令之分雙總線和三總線結(jié)構(gòu)訪內(nèi)和訪外用不同的指令來(lái)區(qū)分?吞吐量單總線結(jié)構(gòu)的吞吐量小三總線結(jié)構(gòu)的吞吐量大雙總線結(jié)構(gòu)的吞吐量居中三、總線的控制1、總線的控制方式總線的控制主要是解決連接在公共總線上多個(gè)設(shè)備之間使用總線的仲裁問(wèn)題，完成這一功能的部件是總線控制器。1)串行鏈接方式?在單總線和雙總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，總線控制器是CPU的一部分；在三總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，它還是通道處理機(jī)的一部分?，F(xiàn)在，總線總裁器一般是一個(gè)單獨(dú)的功能模塊。?工作過(guò)程分析:設(shè)備N向總線控制器發(fā)總線使用請(qǐng)求總線控制器檢查BS信號(hào)若BS=0總線控制器發(fā)BG信號(hào)BG按照設(shè)備的物理連接次序查詢，直到找到第一個(gè)發(fā)出BR的設(shè)備置BS=1。?如果有2個(gè)設(shè)備都發(fā)出了總線使用請(qǐng)求，此時(shí)響應(yīng)哪一個(gè)設(shè)備?離總線控制器近的設(shè)備。?優(yōu)點(diǎn):a.設(shè)備擴(kuò)充容易。b.控制器簡(jiǎn)單?缺點(diǎn):a.優(yōu)先級(jí)由設(shè)備的物理位置確定，設(shè)置不靈活。b.單點(diǎn)故障明顯c.響應(yīng)速度慢2)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式?工作過(guò)程分析:設(shè)備N向總線控制器發(fā)總線使用請(qǐng)求總線控制器檢查BS信號(hào)若BS=0計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)值等于發(fā)出BR請(qǐng)求的設(shè)備號(hào)時(shí)，設(shè)備得到總線使用權(quán)置BS=1?設(shè)備的優(yōu)先級(jí)別能否改變，若能，則如何改變?改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初始值?優(yōu)點(diǎn):a.不存在單點(diǎn)故障b.優(yōu)先級(jí)改變靈活（如何體現(xiàn)？）?缺點(diǎn):a.設(shè)備擴(kuò)充較困難（增加計(jì)數(shù)線數(shù)量）b.響應(yīng)速度較慢3)獨(dú)立請(qǐng)求方式?工作過(guò)程分析:所有設(shè)備通過(guò)各自獨(dú)立的BR線向控制器發(fā)總線使用請(qǐng)求總線控制器經(jīng)過(guò)裁決通過(guò)獨(dú)立的BG線響應(yīng)請(qǐng)求?設(shè)備的優(yōu)先級(jí)如何確定?由控制器中的裁決器按照一定的策略確定（可編程）?優(yōu)點(diǎn):a.不存在單點(diǎn)故障b.優(yōu)先級(jí)改變靈活c.響應(yīng)速度快?缺點(diǎn):a.線數(shù)與設(shè)備的數(shù)量有關(guān)，設(shè)備擴(kuò)充較困難。b.控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜4)總線控制方式總結(jié)總線控制方式總體上分為集中控制和分散控制。

集中控制：總線控制器基本集中在一起，上述的三種方式屬于集中控制，其具體體現(xiàn)是每個(gè)設(shè)備有兩根線送到總線仲裁控制器，其一是總線請(qǐng)求使用信號(hào)BR、另一個(gè)是總線授權(quán)信號(hào)線BG。分散控制：總線控制邏輯分散在總線各部件中。四、總線的通信方式?解決部件獲得總線控制權(quán)后，采用哪種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。常用的總線通信方式有同步通信和異步通信。1)同步通信?不采用應(yīng)答信號(hào)?實(shí)現(xiàn)方法:采用統(tǒng)一的時(shí)鐘或每個(gè)部件自帶時(shí)鐘，但受源部件同步時(shí)鐘的同步。?優(yōu)點(diǎn):時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。?缺點(diǎn)：在設(shè)備速度不一致時(shí)按最壞情況確定，傳輸線不能太長(zhǎng)（時(shí)鐘相移）。2)異步通信方式?采用應(yīng)答信號(hào)?實(shí)現(xiàn)方法發(fā)送信息的同時(shí)還要發(fā)送本設(shè)備的時(shí)間標(biāo)志信號(hào)，并用“應(yīng)答方式”進(jìn)行。單向應(yīng)答不能判斷數(shù)據(jù)是否正確傳送，一般采用雙向應(yīng)答。有非互鎖、半互鎖和全互鎖三種類型。全互鎖

數(shù)據(jù)傳輸可靠

適用于傳輸周期不同的設(shè)備

對(duì)通訊線的長(zhǎng)度沒(méi)有嚴(yán)格的要求?缺點(diǎn)：速度慢?異步通信方式的優(yōu)點(diǎn):五、總線的數(shù)據(jù)傳送模式1、數(shù)據(jù)傳送的方式串行傳送、并行傳送、串并傳送1)串行傳送?只使用一根傳輸線，采用脈沖方式傳送信息?每次傳送1位信息?低位先傳送、高位后傳送?一次新的傳送的開(kāi)始，一定是以一個(gè)由高電平到低電平的跳變。?串行傳送的數(shù)據(jù)格式編碼起始位（1位）：表示一次傳輸?shù)拈_(kāi)始數(shù)據(jù)位（5~8位）：被傳送的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位（1位）：用于傳輸校驗(yàn)停止位（1~2位）：表示本次傳輸結(jié)束，高電平?兩次傳輸之間的間隙時(shí)間內(nèi)，發(fā)送端應(yīng)該發(fā)送什么電平？為什么？高！采用“位時(shí)間”，即一個(gè)二進(jìn)制位在傳輸線上占用的時(shí)間。?為了實(shí)現(xiàn)串行傳送，在發(fā)送端的接口中需要“并行–串行”轉(zhuǎn)換電路，在接收端需要“串行–并行”轉(zhuǎn)換電路。?UART異步時(shí)序接收端采用外部時(shí)鐘與接收的數(shù)據(jù)同步，外時(shí)鐘周期和接收的每一位數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間關(guān)系為：Tc=Td/K?如果待發(fā)送的數(shù)據(jù)中有連續(xù)相鄰的1或0，接收端如何區(qū)分？?波特率的概念是指?jìng)鬏斖ǖ纻鬏敶a的頻寬指標(biāo)，單位是位/秒。不同于時(shí)鐘頻率（單位是HZ/秒）、不同于數(shù)據(jù)的傳輸速率（單位是字符/秒或bps，是指?jìng)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)位）?應(yīng)用舉例數(shù)據(jù)傳輸速率是120字符/秒，而每個(gè)字符格式規(guī)定包含十個(gè)代碼位，則此時(shí)傳送的波特率為多少？10*120字符/秒=1200位/秒=1200波特?反過(guò)來(lái)有波特如何求數(shù)據(jù)的傳輸速率？2、各種典型的總線類型?常用的總線：STD、ISA、EISA、VESA、PCI、AGP、infiniBaud等總線?STD（STanDardBus）總線是規(guī)模最小，面向工業(yè)控制的8位系統(tǒng)總線?ISA（IndustrialStandardArchitecture）最早制定的總線技術(shù)，頻率5~8MHZ，帶寬5-8MB/s。（８位／16位兼容的AT總線稱為ISA）?EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）總線。

在ISA總線的基礎(chǔ)上，為32位微機(jī)開(kāi)發(fā)

由VESA于1992年5月推出。具有132MB/S的數(shù)據(jù)傳輸率。采用了開(kāi)放性結(jié)構(gòu)、協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸率高、價(jià)格低廉、能支持多種硬件器件。但規(guī)范性、兼容性和擴(kuò)展性均較差，結(jié)構(gòu)偏簡(jiǎn)單，無(wú)緩沖器，只能支持３個(gè)外設(shè)插接板，而且有時(shí)還隨所用的CPU和其工作頻率而變。并且只是對(duì)CPU總線的直接擴(kuò)充，其規(guī)范只發(fā)揮了Intel486CPU的功能，對(duì)于Pentium并沒(méi)有充分支持。?VESA總線該總線可分為PCI

1.0和PCI2.0。PCI1.0為32位總線，時(shí)鐘頻率33MHz，總線最大傳輸率為32×33／8＝132MB/S，而PCI2.0為64位總線，時(shí)鐘頻率66MHz，最大傳輸率264MB/S。PCI2.1版本對(duì)于Pentium有充分支持。?

AGP（AcceleratedGraphicsPort）AGP總線的平均頻率是66MHz，最大傳輸速率是533Mbps，這是PCI總線方式傳輸速度的4倍。?

PCI（PeripheralComponentInterconnect）由Intel公司提出，帶寬為12Mbps，可接入多達(dá)127個(gè)設(shè)備，隨著計(jì)算機(jī)外設(shè)越來(lái)越多，PC機(jī)內(nèi)有限的插槽和接口已經(jīng)不能滿足要求，USB緩解了這一矛盾；可以熱插拔，在電腦通電的情況下可以隨時(shí)熱插拔所連接的設(shè)備；即插即用。USB采用四線電纜，其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游（Downstream)設(shè)備提供電源。全速12Mbps的傳輸數(shù)據(jù)；對(duì)于低速外設(shè)則以1.5Mbps的傳輸速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。USB總線會(huì)根據(jù)外設(shè)情況在兩種傳輸模式中自動(dòng)地動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。USB系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)星型拓?fù)洌撏負(fù)溆扇齻€(gè)基本部分組成：主機(jī)（Host)，集線器（Hub)和功能設(shè)備。?

USB（UniversalSerialBus即通用串行總線）USB總線結(jié)構(gòu)拓補(bǔ)控制傳輸類型支持外設(shè)與主機(jī)之間的控制、狀態(tài)、配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。等時(shí)傳輸類型支持有周期性、有限的時(shí)延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。該類型無(wú)差錯(cuò)校驗(yàn)，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計(jì)算機(jī)－電話集成系統(tǒng)（CTI）和音頻系統(tǒng)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。中斷傳輸類型支持像游戲手柄、鼠標(biāo)和鍵盤等輸入設(shè)備，這些設(shè)備與主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸量小、無(wú)周期性，但對(duì)響應(yīng)時(shí)間敏感，要求馬上響應(yīng)。數(shù)據(jù)塊（Bulk）傳輸類型支持打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)，這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB在滿足帶寬的情況下才進(jìn)行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。?由于其連接的方便性，得到了廣泛的應(yīng)用

1.USB存儲(chǔ)設(shè)備（U盤，移動(dòng)硬盤，移動(dòng)刻錄機(jī)）

2.調(diào)制解調(diào)器

3.USB攝像頭

4.USB鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)，游戲手柄、掃描儀

5.USBHUBInfiniBand是PCI總線的替代品，采用了與PCI完全不同的架構(gòu)，具有極高帶寬和靈活的擴(kuò)展能力，理論帶寬分別可以達(dá)到500MB/s、2GB/s和6GB/s；同時(shí)，可以讓應(yīng)用程序在無(wú)需CPU協(xié)助直接訪問(wèn)外圍設(shè)備；它還解決了PCI總線中設(shè)備的距離問(wèn)題，外部設(shè)備可以放到距離服務(wù)器很遠(yuǎn)的地方工作（如果使用的是光纜，最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到0.3-10千米），服務(wù)器的體積也因此縮小了許多。還支持熱交換。是存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和集群最好的連接技術(shù)?InfiniBand總線技術(shù)有三種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能為存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供普通的連接層體系結(jié)構(gòu)，分別是光纖通道、以太網(wǎng)（尤其是千兆以太網(wǎng)）、InfiniBand。a)光纖通道·優(yōu)點(diǎn)：高速、低延遲，具有高級(jí)流量控制（千兆具有，百兆沒(méi)有），可以適應(yīng)存儲(chǔ)I/O等突發(fā)流量。·缺點(diǎn)：難于實(shí)現(xiàn)和管理·應(yīng)用：最初是作為通用連接技術(shù)出現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為事實(shí)上的SAN的標(biāo)準(zhǔn)。?三種連接層技術(shù)比較與分析c)InfiniBand是一種用于代替PCI主機(jī)I/O總線的串行總線。由Intel公司組織開(kāi)發(fā)，并受到Compaq、HP、SUN、IBM等公司的支持，作為期望在PC和UNIX平臺(tái)使用的主要系統(tǒng)組件。·優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、管理方便，具有高帶寬和流量控制功能?！と秉c(diǎn)：不能適應(yīng)大容量事務(wù)處理對(duì)網(wǎng)絡(luò)