计算机组成原理的总线系统.ppt
第六章总线系统,学习重点总线的概念和结构形态总线的连接方式总线信息的传送方式接口的基本概念和功能总线的仲裁,王健 2010-6-3,6.1.1 总线的基本概念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。一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：(1)内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。,6.1 总线的概念和结构形态,(2)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。(3)I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。1.总线的特性物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。,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(OUT)。时间特性:定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。,2.总线的标准化 不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等。(详细见6.1.4总线实例部分),总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率，是衡量总线性能的重要指标，单位兆字节每秒(MB/s)。【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,6.1.2 总线的连接方式1.单总线结构 在许多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。如图6.1所示。,单总线结构特点：在单总线结构中，要求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；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，由于一条总线由多种功能部件共用，可能导致很大的时间延迟。,单总线结构容易扩展成多CPU系统：这只要在系统总线上挂接多个CPU即可。DMA操作:某些外围设备也可以指定地址。如果一个由外围设备指定的地址对应于一个主存单元，则主存予以响应，于是在主存和外设间将进行直接存储器传送(DMA)。,2.双总线结构这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在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，并减轻了系统总线的负担，同时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。当然这种双总线系统以增加硬件为代价。,3.多总线结构在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。主要有如下几种：CPU总线：连接CPU和cache。系统总线：主存连在其上。高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设备）。,高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。通过“桥”，CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。,多总线结构使高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。,6.1.3 总线的内部结构早期总线的内部结构如图所示。它实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般由50100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。,早期总线结构的不足之处在于：第一、CPU是总线上的唯一主控者。第二、总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。当代流行的总线内部结构如图它是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足包括多个CPU在内的主控者环境需求。,在当代总线结构中，CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。而总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。整个总线分成如下四部分：1 数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。2 仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。,3 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。4 公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。,6.1.5 总线结构实例大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。Pentium计算机主板的总线结构框图如图。,CPU总线：也称CPU存储器总线，它是一个64位数据线和32位地址线的同步总线。总线时钟频率为66.6MHz(或60MHz)，CPU内部时钟是此时钟频率的倍频。此总线可连接4128MB的主存。主存扩充容量是以内存条形式插入主板有关插座来实现的。CPU总线还接有L2级cache。主存控制器和cache控制器芯片用来管理CPU对主存和cache的存取,操作。CPU是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制权。PCI总线：用于连接高速的I/O设备模块。通过“桥”芯片，上面与更高速的CPU总线相连，下面与低速的ISA总线相接。PCI总线是一个32(或64位)的同步总线，32位(或64位)数据/地址线是同一组线，分时复用。总线时钟频率为33.3MHz，,总线带宽是132MB/s。PCI总线采用集中式仲裁方式，有专用的PCI总线仲裁器。主板上一般有3个PCI总线扩充槽。ISA总线：Pentium机使用该总线与低速I/O设备连接。主板上一般留有34个ISA总线扩充槽，以便使用各种16位/8位适配器卡。该总线支持7个DMA通道和15级可屏蔽硬件中断。另外，ISA总线控制逻辑还,通过主板上的片级总线与实时钟/日历、ROM、键盘和鼠标控制器(8042微处理器)等芯片相连接。,6.2 总线接口6.2.1 信息的传送方式计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。,串行传送 使用一条传输线，采用脉冲传送。主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。缺点就是速度慢。,分时传送 分时传送有两种概念。一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。,6.2.2 接口的基本概念接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。CPU、接口和外围设备之间的连接关系如图6.8。,为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。一个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备。典型的接口通常具有如下功能：1.控制接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。,2.缓冲 接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。3.状态接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据“准备就绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备时进行分析之用。,4.转换接口可以完成任何要求的数据转换，例如并串转换或串并转换，因此数据能在外围设备和CPU之间正确地进行传送。5.整理接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。6.程序中断每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到CPU。,一个适配器必有两个接口(下页图)与系统总线的接口：CPU和适配器的数据交换一定是并行方式；与外设的接口：适配器和外设的数据交换可能是并行方式，也可能是串行方式。根据外围设备供求串行数据或并行数据的方式不同，适配器分为串行数据接口和并行数据接口两大类。,【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,6.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式6.3.1 总线的仲裁连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。(主方和从方)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行仲裁。,按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。1.集中式仲裁 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。(1)链式查询方式如图6.9所示。,主要特点：总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询，该I/O接口获得了总线控制权。离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，通过接口的优先级排队电路来实现。,链式查询方式的优点:只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。链式查询方式的缺点:对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。另外，查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。,(2)计数器定时查询方式,总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备 置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。,P222 图6.9,优点：每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。,(3)独立请求方式每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。（如下图）,P222 图6.9,独立请求方式的优点：响应时间短，确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活，可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。,2.分布式仲裁 分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。,6.3.2 总线的定时总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址(目的地址)，信息传送，状态返回(或错误报告)为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。定时：事件出现在总线上的时序关系。1.同步定时在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。由于,采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。见下页图。,2.异步定时在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上。在这种系统中，不需要统一的共公时钟信号。总线周期的长度是可变的。异步定时的优点是总线周期长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，因而允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。(更复杂),【例3】【自学】某CPU采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询相结合的二维总线控制结构。每一对请求线BRi和授权线BGi组成一对菊花链查询电路。每一根请求线可以被若干个传输速率接近的设备共享。当这些设备要求传送时通过BRi线向仲裁器发出请求，对应的BGi线则串行查询每个设备，从而确定哪个设备享有总线控制权。,请分析说明演示图所示的总线仲裁时序图。,【解】：从时序图看出，该总线采用异步定时协议。当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线上发出申请信号BRi(1)。CPU按优先原则同意后给出授权信号BGi作为回答(2)。BGi链式查询各设备，并上升从设备回答SACK信号证实已收到BGi信号(3)。CPU接到SACK信号后下降BGi作为回答。(4)在总线“忙”标志BBSY为“0”,情况该设备上升BBSY，表示该设备获得了总线控制权，成为控制总线的主设备(5)。在设备用完总线后，下降BBSY和SACK(6)，释放总线。在上述选择主设备过程中，可能现行的主从设备正在进行传送。此时需等待现行传送结束，即现行主设备下降BBSY信号后(7)，新的主设备才能上升BBSY，获得总线控制权。,6.3.3 总线数据传送模式当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据传送：读、写操作读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。一般，主方先以一个总线周期发出命令和从方地址，经过一定的延时再开始数据传送总线周期。为了提高总线利用率，减少延时损失，主方完成寻址总线周期后可让,出总线控制权，以使其他主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数据传送总线周期。块传送操作只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。对于CPU(主方)、存储器(从方)而言的块传送，常称为猝发式传送，其块长一般固定为数据线宽度(存储器字长)的4倍。,写后读、读修改写操作 只给出地址一次，或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。前者用于校验目的，后者用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。这两种操作和猝发式操作一样，主方掌管总线直到整个操作完成。广播、广集操作一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。但有的总线允许一个主方,对多个从方进行写操作，这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集，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。,本章完,课后习题,
