组成原理电子教案_sun(第7章).ppt

第7章 总线及总线互连结构,,● 部件之间的分散连接和总线连接两种互连方式；,● 总线结构的两个主要优点是灵活和低成本  现代计算机普遍使用的是总线互连结构；,● 总线的主要缺点是它可能产生通信瓶颈；,● 本章着重介绍总线的基本概念、总线设计中的几个因素、总线标准及其现代计算机的总线互连结构7．1 总线的基本概念, 计算机部件之间通信线路的集合称为互连结构 总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线；一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收■ 总线结构优越性：,1）便于采用模块结构设计方法，简化了系统设计；2）标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件；3）模块结构方式便于系统的扩充和升级；4）便于故障诊断和维修，同时也降低了成本7.1.1 总线的特性和分类,(1) 物理特性： ▲ 物理特性：包括连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列等▲ 连线的类型：电缆式、主板式和底板式▲ 从连线的数量来看，总线分为串行总线和并行总线◆ 总线的特性,▲ 串行总线用于长距离的数据传送，并行总线用于短距离的高速数据传送2) 电气特性： ▲ 总线的电气特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。

△ 总线的电平表示方式有两种：单端方式和差分方式△ CPU发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号△ 例如，串行总线接口标准RS-232C，单端电平方式； RS-422采用差分电平方式3) 功能特性： ▲ 总线功能特性：指总线中每根传输线的功能如地址线，数据线，控制线用来发出控制信息4) 时间特性： ▲ 总线时间特性：指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间的时序关系◆ 根据所连接部件的不同，总线通常被分成三种类型,(1) 内部总线： ▲ 指芯片内部连接各元件的总线如CPU芯片内部，在各个寄存器、ALU、指令部件等各元件之间也有总线相连2) 系统总线： ▲ 指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线有主板式和底板式总线 主板式总线是一种板级总线，主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等部件 底板式总线通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统中的各个电路板的连接典型的有PCI总线、Multibus总线、VME总线等3) 通信总线： ▲ 这类总线用于主机和I/O设备之间或计算机系统之间的通信 ▲ 由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等，差异很大，所以通信总线的种类很多。

7.1.2 系统总线的组成,◆ 系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一组地址线构成；也有数据线和地址线复用◇ 数据线用来承载在源部件和目的部件之间传输的信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（数据线和地址线复用时）如写磁盘◇ 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址◇ 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用；控制线用来传输定时信号和命令信息◇ 典型的控制信号包括：  时钟（Clock）  复位（Reset）  总线请求（Bus Request）  总线允许（Bus Grant）  中断请求（Interrupt Request）  中断回答（Interrupt Acknowledge）, 存储器读（Memory Read）  存储器写（Memory Write）  I/O读（I/O Read）  I/O写（I/O Write）  传输确认（Transfer ACK）,7.2 总线控制, 总线控制目的：协调连接在共享总线上各个模块之间的工作；实现模块和模块之间的信息交换；, 总线控制包括总线仲裁和总线定时方式。

◆ 一个总线事务的4个阶段：,① 总线请求和仲裁阶段；,② 寻址阶段；,③ 数据传送阶段；,④ 结束阶段◆ Pentium Pro处理器总线的事务类型有以下11种  延迟回答：以“分离事务”方式来处理该事务  中断响应：响应从8259送来的中断请求  特殊事务：处理器要广播一条与某个内部事件有关的消息（如：halt） 分支跟踪消息：送出转移指令的地址和转移到的目标指令的地址 存储器读并无效：对一个Cache行进行独占访问 存储器代码读：存储器中取指令 存储器数据读：从存储器中取数据 I/O读：处理器执行IN或INS指令 I/O写：处理器执行OUT或OUTS指令 存储器写（不可重试）：处理器要写回一个更新的Cache行到存储器 存储器写（可重试）：写数据到存储器◆ Pentium Pro处理器每个总线事务包含五个操作阶段,1）请求阶段（地址阶段） 2）检错阶段（奇偶校验） 3）侦听阶段（Cache中的命中状态） 4）响应阶段（确定如何响应当前事务） 5）数据阶段（取数据）,7.2.2 总线裁决,◆ 从对总线有无控制能力上看，分主控设备和从设备。

◆ 系统可以只有一个总线主控设备（处理器），也可采用多个总线主控设备◆ 决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权的过程称为总线裁决  两类总线裁决方式：集中式和分布式, 集中式裁决方式：使用总线控制器；, 裁决方案： 一是“等级性”，具有最高优先级的设备先被服务； 二是“公平性”，即使具有最低优先权的设备也不能永远得不到总线使用权 分布式裁决方式：控制逻辑分散在各个部件或设备中1．集中裁决方式（3种）,(1) 菊花链查询方式,▲ 优先级由主控设备在总线上的位置来决定图7.1 菊花链查询方式,▲ 菊花链总线的优点是简单，只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线裁决，且易扩充设备▲ 缺点是不能保证公正性，一个低优先级请求可能永远得不到允许；  对电路故障较敏感，一个设备的故障会影响到后面设备的操作；  菊花链的使用也限制了总线速度2) 计数器定时查询方式▲ 此方案比菊花链查询方式多了一组设备线，少了一根总线允许线BG图 7.2 计数器定时查询方式,设备线信号译码,▲ 设置不同的计数初始值来改变设备的优先级  计数总是从0开始，此时设备优先次序是固定的；  计数的初值总是上次得到控制权设备的设备号，是循环优先级方式。

▲ 总线请求的设备号与计数值一致时，该设备便获得总线使用权，终止计数查询，同时建立BS信号▲ 计数器定时查询方式具有灵活的优先级，对电路故障也不如菊花链查询那样敏感  要求每个设备要对设备线的信号进行译码处理3) 独立请求方式 ▲ 这种方案使用一个中心裁决器从请求总线的一组设备中选择一个图7.3 独立请求方式,▲ 这种方法的优缺点：  响应速度快，优先级设置灵活  控制逻辑很复杂，控制线数量多▲ 若n表示允许挂接的最大设备数，三种裁决方式所需裁决线分别为：2根、log2n根、2n根 裁决算法由硬件来实现，可采用各种优先级算法（如：最近最少用算法、先来先服务算法）等▲ 总线控制器可设置可编程的优先级2．分布式裁决方式（3种）,(1) 自举分布式裁决▲ 使用多个请求线，不需要中心裁决器，每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者优先级高,优先级低,BUSY, SCSI总线也采用该方案2) 冲突检测分布式裁决 ▲ 多个同时使用总线的设备会产生冲突，按照某种策略在冲突的各方选择一个设备▲ 这种方案一般用在网络通信总线上3) 并行竞争分布式裁决 ▲ 需要使用总线的主控设备把自己的仲裁号发送到仲裁线上，每个设备根据并行竞争算法决定在一定时间以后占用总线还是撤销仲裁号。

▲ 并行竞争方式可用很少的裁决线挂接大量的设备  例如，假定是８位仲裁号，自举分布式裁决只能表示8个优先级；  并行竞争方式可表示256个优先级▲ 选择不同裁决方案的因素包括：  考虑总线上I/O设备的数量和总线长度的可扩充性；  总线裁决应该多快；  需要什么程度的公正性等7.2.3 定时方式,◆ 定时问题：如何来定义总线事务中的每一步何时开始、何时结束◆ 总线通信的定时方式有四种：  同步协议  异步协议  半同步协议  分离事务协议,1．同步协议方式,▲ 控制线中有一个时钟信号线，挂接在总线上的所有设备都从时钟线上获得定时信号 时钟信号线定义了等间隔的时间段，这个固定时间段为一个时钟周期，也称一个总线周期图7.6 同步通信协议（读操作）,▲ 同步总线有两个缺点：  第一，在总线上的每个设备必须以同样的时钟速率进行工作；,▲ 同步通信协议是预先确定的，涉及到非常少的逻辑，所以这种总线非常快▲ 处理器-主存总线一般都是同步的，因为通信的设备靠得很近，而且数量又少 第二，存在时钟偏移问题，同步总线如要快的话，就不能很长2. 异步协议方式,▲ 异步总线必须使用握手协议。

▲ 异步总线是非时钟定时，能够连接带宽范围很大的各种设备总线能够加长而不用担心时钟偏移或同步问题 协议通过一组附加的控制线来实现；  握手协议由一系列步骤组成，只有当双方都同意时，发送者或接收者才会进入到下一步▲ 异步通信有非互锁、半互锁和全互锁三种可能的方式图7.8 异步通信的三种互锁方式,(1) ReadReq (读请求)：指示一个读请求；,(3) Ack（回答）：用于回答另一方送过来的ReadReq或Ready信号 由存储器驱动有效或 I/O设备驱动有效2) Ready(数据就绪)：用于指示数据字已在数据线上准备好▲ 考虑一个设备请求从存储器中读一个字图7.7 异步通信协议,3. 半同步协议方式,▲ 所有事件都由时钟定时，而信息的交换由就绪和应答等信号控制称半同步通信方式图7.9 半同步通信协议,4. 分离事务协议方式 ▲ 有多个总线主控设备在总线上存在时，不需要使用总线时立即释放总线，做数据准备等非总线数据传输的操作 将一个传输操作事务过程分成两个子过程图7.10 分离事务通信协议,▲ 分离通信方式的优点：  可改进整个系统的总有效带宽▲ 分离通信方式的不足:  使得完成一个事务的时间可能会增加；  请求者的身份必须被传送并被从设备保存。

 从设备准备数据的过程相当复杂需要重叠多个事务时，效果更明显 控制相当复杂，一般在大型计算机系统和高档微机系统中使用7.2.4 总线数据传输模式, 读、写操作：所有总线都支持这两种操作 块传送操作：给出数据块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读入或写出 写后读操作：地址期给出地址和命令后，进行数据写，然后紧接着将同地址下的数据读出来 读－修改－写：地址期给出地址和命令后，进行数据读，然后紧接着修改该数据并马上将该数据写回到同地址下 广播、广集操作：广播操作允许一个主控模块对多个从模块进行写操作；广集操作是将选定的多个从模块的数据在总线上完成AND或OR操作，用于检测多个中断源7．3 总线结构,■ 一个计算机系统中采用两个以上总线的情况就是多总线分层结构7.3.1 单总线结构 ◆ 早期的计算机采用单总线结构方式  它将CPU、主存、I/O模块都挂接在一个总线上◆ 单一总线体系结构简单、便于扩充 总线上挂接了大量的高速设备，单一总线就无法满足系统的要求◆ 所有传送都共享一组总线，极易使总线成为整个系统的瓶颈  大量设备接到总线上后，性能就会急剧下降,。