《现代计算机结构综述》第四章总线技术.ppt

第四章,总线技术,现代计算机结构综述,计算机 “神经元”,回顾,控制器的基本功能 CPU的性能指标 奔腾处理器的体系结构的发展过程,目标,知道什么是总线 了解总线在计算机系统中的重要地位 掌握总线的分类 掌握总线的组成与结构 了解PCI总线,电脑内的总线构成,总线的概念和功能,概念：总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。 功能：借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。,从输入设备到存储器 从存储器到CPU 从CPU到存储器 从存储器到输出或存储设备,单处理器系统总线的大致分类,()CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线。 (2)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，称为系统总线。 (3) 实现主机系统与外部设备或其他主机系统之间的互联的总线，称为外部总线。,总线的概念和结构形态,总线的特性,物理特性 功能特性 电气特性 时间特性,物理特性,总线的物理特性是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 等等,功能特性,功能特性描述总线中每一根线的功能。 地址总线的宽度指明了总线能够直接访问存储器的地址空间范围； 数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外设时能够交换数据的位数； 控制总线包括CPU发出的各种控制命令(如存储器读/写、I/O读/写)，请求信号与仲裁信号，外设与CPU的时序同步信号，中断信号，DMA控制信号等等。,电气特性、时间特性,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。 一般规定进入CPU的信号叫输入信号(IN)， 从CPU发出的信号叫输出信号(OUT)。 地址总线是单向输出线，数据总线是双向传送的信号线，这两类信号线都是高电平有效。 控制总线中各条线一般是单向的，有CPU发出的，也有进入CPU的。有高电平有效的，也有低电平有效的。总线的电平都符合TTL电平的定义。 时间特性 时间特性定义了每根线在什么时间有效。,总线的概念和结构形态,采用总线实现互联的优势,方便系统构建、扩充系统性能,减少各个部件之间的连线数量,总线的分类,多种分类方法,按总线所承担的任务 按总线所处的物理位置 按总线所传送的信息类型 按总线一次传送数据的位数 按总线操作的定时方式,1 按总线所承担的任务,可分为内部总线和外部总线 内部总线用于实现主机系统内部各功能模块(部件)之间的互联。 外部总线用于实现主机系统与外部设备或其他主机系统之间的互联。其中，专门用于主机系统与外设之间互连的总线称为设备总线。许多设备总线常被叫做某某接口，例如SCSI接口、USB接口等 。,2 按总线所处的物理位置,可分为(芯)片内总线、功能模块(板)内总线、功能模块(板)间总线(即通常说的系统总线)和外部总线。 片内总线实现芯片内部功能部件之间的连接，例如微处理器内部使用的总线。 功能模块(板)内总线实现该电路板上各个集成电路芯片之间的互联。 功能模块(板)间总线则用于把各个功能模块(如CPU、主存储器、I/O接口适配器等)连接到一起，构成主机系统，所以也称它为系统总线。,其他分类法,3 按总线所传送的信息类型可分为地址总线、数据总线和控制总线等。 4 按总线一次传送数据的位数又分为串行总线(一次仅传送一位二进制位，仅需设置一根数据信号线)和并行总线(一次同时传送多位二进制位，需要设置多条平行数据信号线)。 5 按总线操作的定时方式，又有同步总线和异步总线之分。,微机中总线有非常多的说法，相互之间好像还有点矛盾，为什么？,总线伴随着微机的发展而发展，曾用的、正用的、将用的举不胜举。从微机系统角度看，不同层次、不同部件间也有不同的总线。各种分类方法也使总线存在多种名称。 系统总线是个比较笼统的说法，一般指构成微机系统的主要总线。 例如16位PC机中，ISA总线就是系统总线。现在的32位PC机主要采用PCI总线连接外设接口电路，虽然PCI总线的英文原意是“外设互连接口”总线，但鉴于它的重要作用，常常也就称其为系统总线。 而PCI总线是从所谓的“局部总线”概念引出的，所以过去也称PCI总线为局部总线。当时“局部总线”就是指从CPU引脚引出的总线。,微机中总线有非常多的说法，相互之间好像还有点矛盾，为什么？,内部总线的含义随着微机发展也有变化。在早期的微机中，内部总线只有一条，微机系统中的各个功能部件都与该总线相连，而这个总线也往往从CPU引脚延伸而来，所以这个总线起着举足轻重的作用。 可以说，没有这个总线也就无法连接各个部件无法构成微机系统，所以称早期微机的内部总线为“系统总线”也就顺理成章了。,微机中总线有非常多的说法，相互之间好像还有点矛盾，为什么？,随着微机飞速发展，内部总线从一条变为多条，功能由弱到强，也逐渐不与CPU有关。现代微型机中，内部总线又可以分成：处理器总线（CPU引脚）、存储器总线（专用于连接主存储器系统）、系统总线、I/O扩展总线等。 再例如，在PC机的发展过程中存在多种总线：IBM PC总线、IBM AT总线（经标准化后称为ISA总线），EISA总线、VESA总线、PCI总线。还有AGP、USB、IEEE 1394等。 有些接口也常常被称为总线，例如AGP接口也常被称为AGP总线。,总线的规范主要从以下五个方面来描述总线的功能和特性。 逻辑规范 时序规范 电器规范 机械规范 通信协议,总线标准,总线的分类,总线的性能,决定因素：,带宽 单位时间传输的数据量（MB/s） 宽度 总线的线缆数(位) 时钟频率 代表总线上操作的快慢（hz） 负载能力 连接模块的最大数目,总线的组成与结构,总线的组成,逻辑构成：,连接各个功能模块的信号线,管理总线作用的总线控制器,总线的组成与结构,总线互连机制,数据总线,地址总线,控制总线,数据总线为系统部件之间提供传输数据的通路。,1 双向传输 2 数据线的数目一般与计算机字长相同 3 采用三态能力的电路 (高电位态（5v伏特）、低电位态（0v伏特）、高阻态),数据总线,地址总线的作用是传送地址信号，它不仅用于传送内存地址，而且计算机系统对I/O端口的寻址也要通过地址总线来完成。 特点是： 1 单向传输 2 地址线的数目决定寻址能力的大小,地址总线,控制总线上传送一个部件对另一个部件的控制信号，以控制系统完成规定的操作功能。 控制总线可用于控制数据总线和地址总线的使用。 控制总线的特点是： 单向传输 控制线的类型和数目决定于总线类型,控制总线,总线控制器控制和分配总线的使用,总线系统的资源分配与管理,提供总线定时信号脉冲,负责总线使用权的仲裁,总线协议的转换,传输数据的缓冲,按逻辑功能划分：总线主设备、总线从设备 总线主设备是总线操作的发起者，负责全面的总线控制； 总线的从设备不能引发总线操作，只能作为总线操作的对象。 按在信息交换中的地位划分可分为：总线源设备、总线目的设备 源设备是发送数据的设备 目的设备是接收数据的设备。 注意源设备未必是主设备，目的设备也未必是从设备。,总线上的设备分类,总线的组成与结构,总线的结构,总线的组成与结构,PCI（外围部件互连专业组）局部总线 PCI总线是基于分层多层次总线设计思想而设计的一种总线。最初，PCI是一种局部总线，如今，PCI总线扮演了系统总线的角色，PCI总线具有以下特点：,较高的总线带宽最大4.264GB/s 支持数据块传输高速磁盘和高速网卡 支持多个设备成为总线的主控设备多CPU 独立于微处理器的总线 与具体CPU的体系无关 数据总线和地址总线可以分时复用双样性 电源支持+5V和+3.3V两种 支持即插即用(P&P) plug&play 高可靠性奇偶校验保证完整性和准确性,总线的组成与结构,PCI （外围部件互连专业组）局部总线,定义了100根信号线，其中50根必备信号线，分成以下六组：,1 地址与数据分时复用信号线、命令总线和奇偶校验总线 2 系统信号线，时钟和复位信号线 3 接口控制线，主从设备的选择，数据传输的启/停控制信号线 4 仲裁线，设备总线申请和应答信号线 5 中断信号线，中断请求和应答信号线 6 出错报告线，奇偶校验错误和其他总线操作错误,总线的组成与结构,PCI （外围部件互连专业组）局部总线,总线的组成与结构,USB( Universal Serial Bus) 通用串行总线,采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应的软件， 实现资源共享和外设的简单快速连接。,Hub设备： 完成USB设备的添加、插拔检测和电源管理等功能。可以向下层 设备提供电源和设置速度类型并且能为其他USB设备提供扩展端 口。,功能设备： 在总线上发送和接收数据或控制信息，完成某项具体 功能的硬件设备。如鼠标，键盘等。一种功能设备就是一种插在 Hub上的外设。,总线的组成与结构,USB( Universal Serial Bus) 通用串行总线,USB数据流类型： 控制信号流，块数据流，中断数据流，实时数据流。 传输类型： 控制传输；批传输；中断传输；等时传输,总线的组成与结构,高性能串行总线标准IEEE1394,主要性能特点：,1、 通用性强。,一个接口上最多可连接63个不同种类的设备。,2、 传输速率高。最高可达3.2Gb/s,3、 实时性好。 4、 总线提供电源。 5、 系统中各设备之间的关系是平等的。 6、 连接方便。允许热插拔和即插即用。,总线的组成与结构,AGP局部总线,AGPAccelerated Graphics Port是由Intel所提出的总线 界面标准，通常AGP显示卡都是使用单独的AGP总线,主存储器与显卡直接相连,数据传输速率是PCI的数倍,数据传输速率是PCI的数倍,一块主板上只可以有一个AGP插槽,点对点的方式与存储器连接,总线的组成与结构,DMA通道,直接存储器访问（Direct Memory Access）,在外设和主存之间直接开辟一条数据通道，在不需要CPU干预也不需要其他软件介入的情况下在两者之间进行高速数据传送方式。,总线的组成与结构,DMA通道,DMA控制器,在DMA传送方式中，对数据传送过程进行控制的硬件成为DMA控制器,DMA方式的过程,当外设需要进行数据传送时，通过DMA控制器向CPU提出DMA传送请求，CPU响应之后将让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传送。,总线的组成与结构,DMA通道,DMA控制器的基本组成,1 主存地址计数器数据地址 2 传送长度计数器数据块长度 3 数据缓冲寄存器数据 4 DMA请求触发器 5 控制/状态逻辑 6 中断机构,总线的组成与结构,DMA通道,DMA控制器的功能传送数据过程中，完全代替了CPU的控制,1 接受请求，并向CPU发送总线请求 2 当CPU响应后，并发出响应信号后，控制器接管对总线的控制，进入DMA传送。 3 确定数据的地址和长度，自动修改地址计数器和长度计数器 4 识别数据传送方向，发出读写信号并传送 5 向CPU报道DMA传送结束,总线的组成与结构,DMA通道,DMA传送过程,1 DMA预处理 2 数据传送 3 DMA的后处理,总线的组成与结构,DMA通道,DMA方式的特点 1 它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存即可被CPU访问也可 以被外设访问 2 在数据块传送时，主存地址的确定，传送数据的计数等都是 用硬件电路实现的。,3 主存中开辟专用的缓冲区，及时供给和接受外设数据 4 DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率 5 DMA在开始前和结束后要通过程序和