计算机课件 第6章 总线系统

1、1,计算机系统结构,第六章 总线系统,2,第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统,目录,3,计算机系统结构,第6章 总线系统,6.1 总线的概念和结构形态 6.2 总线接口 6.3 总线的仲裁 6.4 总线的定时和数据传送模式 6.5 HOST总线和PCI总线 6.5 InfiniBand标准,4,6.1 总线的概念和结构形态,总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路单处理器系统的总线，大致分为三类： 内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线 I/O总线：中低速I/O设备间互相连接的总线,5,1.总线特性,物理特性：物理连接方式，包括总线的根数、排列方式，总线的插头、插座的形状等 功能特性：描述总线中每一根线的功能 电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。送入CPU的信号叫输入信号(IN)，从CPU发出的信号叫输出信号(OU

2、T) 时间特性: 定义了每根线在什么时间有效，即总线上各信号有效的时序关系,为了方便各个功能部件的连接， 广泛应用的总线都实现了标准化,6,2.总线的标准化,总线的标准化问题: 位数、带宽 例如：ISA（16位，8MB/S),EISA （32位，33.3MB/S),VESA （32位，132MB/S),PCI （64位，100MB/S),等等 总线带宽总线传输速率吞吐率 单位时间传输的数据量 每秒兆字节（MB/S）或每秒位（bps） 总线带宽Dr 传输的数据量需要的时间,7,【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?,解：(1) 设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示， 根据定义可得: Dr=D/T=D1/T=Df =4B331000000/s=132MB/s(2) 64位=8B Dr=Df=8B661000000/s=528MB/s,此处：1MB10

3、6 B,8,总线结构基本概念,6.1.2 总线的连接方式： 通过设备适配器将种类繁多、速度各异的外围设备连接到CPU上，使他们能够一起正常工作。设备适配器也称为接口。 单机系统的总线连接方式： 单总线系统 双总线系统 三总线系统,9,1.单总线结构 在单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。 要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。,10,2.双总线结构 在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，减轻了系统总线的负担，主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操作，而不必经过CPU,11,3.三总线结构,12,4.多总线结构,视频,图形,局域网,本地磁盘驱动等,13,6.1.3 总线的内部结构,数据传送总线（地址、数据、控制） 仲裁总线 中断和同步总线 公用总线,14,6.1.4 总线结构实例,Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。,15,Pentium总线结构图,视频,

4、图形,局域网,本地磁盘驱动等,16,6.2 总线接口,1.串行传送 只有一条传输线，每次一位，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位(bit) 串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在远距离通信时可以极大地降低成本 2.并行传送 每个数据位都需要单独一条传输线。二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送,17,【例2】 利用串行方式传送字符，每秒钟传送的数据位数常称为波特。假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个数据位(起始位、停止位、8个数据位)，问传送的波特数是多少？每个数据位占用的时间是多少？,【解】：波特数为：10位120/秒=1200波特 每个数据位占用的时间Td是波特数的倒数： Td=1/1200=0.8330.001s=0.833ms,例如：发送8位数据：59H0101 1001B，偶校验、两个停止位,6.3 系统总线的仲裁,总线仲裁：连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进

5、行仲裁。,6.3.1 总线的仲裁,主设备(Master)：控制总线完成数据传输 从设备(Slave)：被动实现数据交换 总线仲裁：决定当前控制总线的主设备 集中仲裁：中央仲裁器负责 分布仲裁：比较各个主设备仲裁号决定,某一时刻，只能有一个主设备控制总线， 其它设备此时可以作为从设备,某一时刻，只能有一个设备向总线发送数据， 但可以有多个设备从总线接收数据,21,总线的仲裁集中式,链式查询方式 优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁。 缺点：对询问链的电路故障很敏感。,22,集中仲裁：链式查询方式,I/O接口1,23,集中仲裁：计数器定时查询方式,计数器定时查询方式： 计数值=某设备，该设备或总线授权；当计数从0开始时，谁的地址号越小越优先;当计数值从中止点开始，所有设备优先级相同。 优点：比较灵活。 缺点：线数比较多。,24,集中仲裁：计数器定时查询方式,I/O接口1,设备地址,25,集中仲裁：独立请求方式,独立请求方式： 过程： 每个设备有独立的总线请求线BR至总线仲裁；总线仲裁也对每个设备送总线授权信号。 当有总线请求时，有总线仲裁内部进行判优。 优点：响应的时间快。优

6、先次序的控制灵活。,26,集中仲裁：独立请求方式,6.4 总线数据传送模式,读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送） 给出起始地址，将固定块长的数据一个接一个地从相邻地址读出或写入 广播操作：总线允许一个主方对多个从方进行写操作，这种操作称为广播。 广集操作：它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源。,6.5 HOST总线和PCI总线,多总线结构框图,HOST总线：该总线有CPU总线、系统总线、主存总线、前端总线等多种名称，各自反映了总线功能的一个方面。这里称“宿主”总线，也许更全面，因为HOST总线不仅连接主存，还可以连接多个CPU。 HOST总线是连接“北桥”芯片与CPU之间的信息通路，它是一个64位数据线和32位地址线的同步总线。,6.5.2 PCI总线,Intel公司提出，PCI联盟SIG支持 与处理器无关，连接高速设备 集中式总线仲裁、支持多处理器系统 通过桥电路兼容ISA/EISA总线 具有即插即用的自动配置能力等 共94个引脚 PCI 1.0版：32位数据总线、33MHz时钟频率 PCI 2.

7、0版：64位数据总线、33MHz时钟频率 PCI 2.1版：64位数据总线、66MHz时钟频率,PCI总线仲裁,PCI总线采用集中式仲裁方式，每个PCI主设备都有独立的REQ#（总线请求）和GNT#（总线授权）两条信号线与中央仲裁器相连。由中央仲裁器根据一定的算法对各主设备的申请进行仲裁，决定把总线使用权授予谁。,2 LAGACY(ISA、EISA、MCA总线),16位并行系统总线 用于IBM PC/AT及其兼容机 连接中低速设备,在多总线体系结构中桥起着重要的作用，它连接两条总线，使彼此间相互通信。桥又是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。,3 SCSI总线(Small Computer System Interface),SCSI小型计算机系统接口 高速、智能、并行总线接口 使用50芯电缆，由8条数据线、一条奇偶校验线、9条控制线等组成 以菊花链形式最多可连接8台设备 采用分布式总线仲裁策略，每个SCSI设备有唯一设备号ID07 SCSI-2扩充了SCSI的命令集，采用68芯电缆，提高了数据

8、传输率 SCSI-3标准允许总线上连接的设备由8个提高到16个，可支持16位数据传输,4 IEEE 1394总线,高速串行总线标准接口，适合视频等家电消费类设备的连接，俗称火线Fire Wire 具有数据传送的高速性 数据传输率：100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s 具有数据传送的实时性 保证多媒体数据（图像和声音）传送的连续 体积小易安装，连接方便 使用6芯电缆 支持热插入（带电插拔）,第36页,5 Futurebus 总线,目标是开发一种真正开放的总线标准，使之能支持64位地址空间，64位、128位、256位数据传输，为下一代的多处理机系统提供一个稳定的平台。 Futurebus是一个高性能的异步总线标准。其技术要求是： （1）一个与结构、处理器、技术无关的开发标准。 （2）基本上是一个异步数据定时协议。 （3）允许采用可选的同步式协议，用来实现高速的块数据传送。 （4）支持32位或64位寻址，数据线的长度动态可变（32位、64位、128位、256位），以满足不同带宽的要求。 （5）全分步式的并行仲裁协议及集中式仲裁协议，并支持线路交换式和分离业务协议。 （6）提供对容错

9、和高可靠性系统的支持。 （7）提供对cache共享存储器的支持。 （8）提供一个兼容的消息传递定义。,第37页,Futurebus 总线,Futurebus+它既可用于CPU总线 也可用于高速外围总线而与PCI总线竞争。 PCI的总线物理范围较小，适合于低成本的小系统(如PC机)， 而Futurebus+的目标是提供灵活和宽广的能力，以满足各类高性能系统的需求，适合于高成本的较大规模计算机系统。,第38页,6 USB 总线,USB通用串行总线是一种通用万能插口，可以将下列的任一部件插入USB端口：显示器、键盘、鼠标、调制解调器、游戏杆、扫描仪、打印机、视频相机等。还可以将一些USB外设进行串接，即一大串设备共用PC机一个端口。USB总线可提供电源，但如将多个耗电量大的外设串接起来有可能使总线过载，此时可使用一个自供电的集线器来补充功耗。另外USB外设可以热插拔。,第39页,6.6 InfiniBand标准,第6章习题,1、用异步通信方式传送字符“A”和“8”，数据有7位，偶校验1位，起始位1位，停止位1位，请分别画出波形图。2、某总线在一个总线周期中并行传送8个字节的信息，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为70MHz，总线带宽是多少？ B= D/t= D*f= 8B*70MHz= 560MB/s,第6章教学要求,理解内部总线、系统总线和I/O总线（芯片总线、内总线和外总线）的分类 理解总线的4个方面特性，掌握总线带宽以及计算 熟悉单总线、双总线和三总线结构 理解串行传送和并行传送的概念，掌握起止式异步通信字符格式 理解总线仲裁的作用，了解集中仲裁和分布仲裁思想 了解各种总线数据传送模式 了解PCI总线、ISA总线、SCSI总线和InfiniBand标准的特点,

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