計算機組成原理第6章_總線_任國林版課件.ppt

1、1,第六章 總 線,2,6.1 總線概述,部件的連接方式：有分散連接和總線連接兩種；,分散連接通信性能好(同時通信)，可擴展性差； 總線連接可擴展性好，通信性能略差(分時通信),總線：部件或設備間的用于信息傳輸的一組公共信號線。,3,1、按總線信號線功能分類,一、總線的分類,*控制總線：用于實現傳輸過程控制，單向總線。 控制信號線 及 狀態(tài)信號線,*數據總線：用于表示傳送的數據，雙向總線； 數據總線寬度同時傳送的二進制位數 *地址總線：用于表示目標設備號及內部地址，單向總線； 地址總線寬度log2設備及內部地址的最大個數,4,2、按總線功能分類,系統總線的發(fā)展：多總線結構 CPU 總 線連接C

2、PU及部分模塊的總線； 局部總線與CPU特性無關、連接多個模塊的總線,*片內總線：用于芯片內/模塊內元件間的信息傳輸； *系統總線：用于計算機內各部件間的信息傳輸；,*通信總線：用于主機與外設或其他系統間的信息傳輸,5,二、總線的特性,*物理特性：指模塊連接到總線時約定的特性； 如線寬、線間距離、插頭/插座形狀等 總線標準化所需,*功能特性：指約定的信號線數量及各信號線功能；,*電氣特性：指約定的信號線上信號有效的電平范圍等；,*時間特性：又稱邏輯特性，指約定的傳輸過程中各信號線上信號的有效時長及前后次序(時序)。,6,*總線寬度：指數據總線同時傳輸的二進制位數， 常用bit表示；,三、總線的

3、性能指標,*總線時鐘頻率：指同步總線的基準時鐘頻率， 常用MHz、GHz表示；,異步總線無此指標,*總線帶寬：又稱最大數據傳輸率，指單位時間內可傳輸數據的最大位數，常用Mbps(或MBps)表示； 總線帶寬總線寬度最大傳輸次數/秒,例PC總線數據寬度為8位、總線時鐘頻率為4MHz，每次總線傳輸需4個時鐘周期；其總線帶寬=8bit(4MHz/4)=8Mbps,*總線負載能力：指總線上信號邏輯電平保持在正常范圍內時所能連接的模塊或設備數量，常用個數表示。,7,7.2 總線傳輸與控制,*總線連接與傳輸過程：分時傳輸設置總線仲裁機構；,*總線傳輸相關內容：,總線周期包含哪些操作步驟？,總線歸某主設備使

4、用的確定方法有哪些？,如何表示傳輸各步驟的次序及長度？,如何提高總線的傳輸性能？,8,一、總線操作,總線請求與仲裁階段： 各主設備分別連接到BR及BG信號線， 總線仲裁機構,有操作需求時，發(fā)出總線請求信號；,根據各BR信號線狀態(tài)，確定下個傳輸周期的總線使用權歸屬，向該主設備發(fā)出總線允許信號；,1、總線操作的步驟,9,尋址階段： 擁有總線使用權的主設備 各從設備,發(fā)出目標地址和操作命令；,判斷是否被選中，被選中的響應總線操作；,數據傳送階段：主設備及目標從設備參與 根據操作類型，各自發(fā)送或接收數據；,結束階段：主設備及目標從設備參與 各自將所控制總線信號恢復為總線空閑狀態(tài),10,*隱藏式總線仲裁

5、：總線仲裁與總線傳輸重疊；,2、總線仲裁的性能優(yōu)化,*隱藏式總線仲裁的實現需求：,總線仲裁機構需監(jiān)視總線狀態(tài)，以決定何時開始仲裁,11,二、總線仲裁,1、集中式仲裁 -集中的總線仲裁機構實現,(1)鏈式查詢方式 (又稱菊花鏈查詢方式) *信號線連接：仲裁機構共有BR、BG、BS三根信號線；,總線請求線BR 總線允許線BG 總線忙線BS,BR=BRi，BR有效時表示有總線請求,BS=BSi，BS無效時表示總線空閑,BG(i+1)IN=BGiOUT,*實現思想：總線空閑時或總線周期結束前， 接收到請求信號BR后，仲裁并發(fā)出允許信號BG；,12,*仲裁原理：輪詢方式，各主設備自行仲裁,仲裁機構BS0

6、、BR1時，開始仲裁(使BG1)，,BS1時，結束仲裁(使BG0)；,*特點：靜態(tài)優(yōu)先級仲裁，易產生斷鏈現象,13,(2)計數器定時查詢方式 (又稱計數器查詢方式) *信號線連接：仲裁機構共有BR、BS、log2n根BG信號線；,*仲裁原理：定時、輪詢方式，各主設備自行仲裁,仲裁機構 BS=0、BR=1時，開始仲裁(使“設備號”定時、循環(huán)變化)， BS=1時，仲裁結束(使“設備號”為異常值)；,主設備設備ID=“設備號”且有請求時獲得總線使用權， 即BSiBRi&(設備ID=“設備號”信號?),*特點：靜態(tài)+循環(huán)優(yōu)先級仲裁，無斷鏈現象,14,(3)獨立請求方式 *信號線連接：仲裁機構共有2n根

7、BR及BG信號線；,*仲裁原理：算法控制方式，總線仲裁機構統一仲裁,仲裁機構 仲裁時機：BRi=1、總線空閑/總線周期結束前， 仲裁算法：兼顧優(yōu)先級、公平性等的算法；,主設備不參與仲裁，BGi有效時獲得下個周期使用權；,*特點：動態(tài)優(yōu)先級仲裁，仲裁速度快，可為隱藏式仲裁,無BS線,15,2、分布式仲裁 -各主設備自身的仲裁器實現,(1)自舉式 *信號線連接：有n根仲裁線(不同線優(yōu)先級不同)及1根BS線， 各主設備按優(yōu)先級連接BR線及相應仲裁線；,*特點：靜態(tài)優(yōu)先級仲裁，仲裁線較多，不易擴展,*仲裁原理： BS0、BR出1、BR入0時，獲總線使用權(使BS1),16,(2)并行競爭式 *信號線連

8、接：有l(wèi)og2n根仲裁線(用值表示優(yōu)先級)及1根BS線， 各主設備(有惟一的仲裁號)均連接所有仲裁線；,*仲裁原理： BS0時，有請求的主設備發(fā)送自身仲裁號；,各主設備從高位開始逐位比較BANbi與BALbi， 若BANbiBALbi時，撤消請求(停止發(fā)送BAN)， 競爭獲勝者(BANBAL)獲得總線使用權(使BS1),*特點：靜態(tài)優(yōu)先級仲裁，仲裁線較少,17,三、總線定時,*定時方式(傳輸協議)種類：同步、異步、半同步方式,1、同步定時方式,*同步協議原理：,*定時信號：公共的“時鐘”信號CLK；,*應用特點：適合設備速度相近、傳輸距離較短的數據傳輸,各傳輸步驟在CLK的邊沿開始， 各設備以

9、CLK為單位完成約定動作；,18,2、異步定時方式,*定時信號：“請求”信號REQ、“應答”信號ACK；,*異步協議原理：下個傳輸步驟在收到對方信號時進行， 操作完成時發(fā)出應答信號；,協議步驟請求、響應、撤消請求、撤消響應4個階段,*應用特點：對設備速度、傳輸距離無要求，傳輸周期較長；,19,*異步協議的類型：全互鎖、半互鎖、不互鎖方式；,起止式異步串行通信協議面向字符串行、不互鎖方式,20,3、半同步方式,*定時信號：“時鐘”信號CLK，“就緒”信號Ready ；,*半同步協議原理： 傳輸過程采用同步方式定時、采用異步方式協調速度差異,*半同步方式應用優(yōu)化： 優(yōu)化方法主設備、從設備均允許采用

10、異步方式； 定時信號“時鐘”CLK、“主就緒”IRDY 、“從就緒”TRDY,21,四、總線傳輸模式,總線為增加功能、提高性能所支持的傳送操作方式。,總線支持多種傳輸模式時，通過命令線表示當前的傳輸模式,22,23,五、總線標準,1、ISA總線標準 -Indusry Standard Architecture 兼容并擴展了PC/AT總線標準， 有24根地址線、16根數據線，采用分時復用方式；,支持半同步定時方式，CLK獨立于CPU、頻率為8.33MHz；,支持常規(guī)讀寫模式、特殊模式。,*特性： 不支持多主設備系統，標準中無總線仲裁信號線；,24,2、PCI總線標準 -Peripheral Co

11、mponent Interconnect 有32根分時復用的A/D線，可擴展為64根A/D線；,*特性：獨立于CPU，通過“橋”實現與CPU或其它總線互連；,支持多主設備系統，通過集中的總線仲裁機構實現；,支持半同步定時方式，CLK頻率為33MHz等；,支持猝發(fā)傳送、雙地址讀寫模式，特殊模式等；,支持即插即用工作方式,流行的總線標準：交換機式的點-點互連總線標準， 如USB、PCI-Express、InfiniBand等,25,7.3 總線互連結構,一、總線互連結構,1、單總線結構 *單總線結構：系統中只有一種總線的互連結構；,*系統總線：系統中各部件/模塊間相互連接的總線；,*單總線結構特征

12、： 操作控制簡單，可擴展性較強； 傳輸性能較差(min最慢部件傳輸性能),采用系統總線的總線標準,26,2、多總線結構,*提高傳輸性能的方法：,采用集成電路技術，芯片內模塊傳輸不采用總線標準；,采用多總線結構，不同速度模塊連接到不同總線上； 速度不同,改變I/O方式，使IO設備數據傳輸與CPU數據處理并行；,*多總線結構：系統中有兩種(及以上)總線的互連結構， 不同總線間通過總線橋進行連接；,27,(1)雙總線結構 增加I/O總線，提高CPU訪問MEM及快速I/O設備性能；,*總線命名：常稱為MEM總線及IO總線，用總線標準命名；,*總線橋功能： 所連總線的操作中轉機構； 所轄總線的操作控制結

13、構 (如總線控制器),28,(2)三總線結構 再增加CPU總線，進一步提高訪問主存的性能；,*總線命名： 有CPU總線、局部總線及IO總線3種，常用總線標準命名；,29,(3)多總線結構的發(fā)展 融合集成電路技術與多總線技術，提高訪問訪存及IO性能；,南北橋結構 (PCI總線互連),南北橋結構 (高速接口互連),30,二、總線互連的實現,總線互連特征：操作標準化、可擴展性強；,*總線互連的實現：通過接口電路或總線橋實現；,*總線接口單元的主要功能：中轉對設備的操作,偵測總線狀態(tài)按總線標準協議 獲得任何時刻的總線狀態(tài)(空閑/地址/數據等)；,總線側操作控制按總線標準協議及總線狀態(tài) 決定是否發(fā)起/響應總線操作， 完成與總線的操作過程；,31,設備側操作控