计算机组成原理：第6章 总线系统

1、2021-11-231 第六章第六章 总线系统总线系统2021-11-232第六章内容概要n基本概念n总线控制n总线接口n总线标准2021-11-2336.1 基本概念基本概念总线总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统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。功能部件之间进行数据传送的公共通路。 n 总线的分类总线的分类n内部总线：内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。的总线。n系统总线：系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，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。如存储器、通道

2、等互相连接的总线。nI/O总线：中、低速总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。设备之间互相连接的总线。2021-11-234一一、总线的特性总线的特性n物理特性n功能特性n电气特性n时间特性2021-11-235物理特性总线的物理特性指总线的物理连接方式。n连线的类型电缆式主板式背板式(backplane)n连线的数量串行(serial)并行(parallel)n接插件的形状和尺寸n引脚线的排列方式2021-11-236背板2021-11-237背板总线与机箱2021-11-238功能特性功能特性:描述总线中每一根线的功能。 n功能层次芯片级、板级、系统级n资源类型处理器总线(系统总线)

3、面向单处理器的和面向多处理器的输入输出总线2021-11-239电气特性 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。n 数据传输方向数据传输方向单工双工l半双工/全双工n 定时特征定时特征同步异步n 电平特征电平特征单端方式差分方式2021-11-2310单端方式与差分方式(b) 差分方式(a) 单端方式地线波公共地信号线波负信号负信号线波正信号线波正信号信号2021-11-2311单端方式与差分方式n 差分方式优点差分方式优点n a.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以

4、被完全抵消。n b.能有效抑制 EMI（电磁信号干扰），由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。n c.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。n LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。 2021-11-2312时间特性n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。 2021-11-2

5、313总线带宽总线带宽n总线带宽总线带宽：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)。2021-11-2314总线带宽总线带宽【例例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）Dr=D/T = D*f = 4 B * 33x106/s = 132MB/s(2) Dr=D*f = 8B * 66x106/s = 528MB/s2021-11-2315二、信息

6、传输方式二、信息传输方式1.1. 串行传输串行传输波特率(Baud rate)每秒钟传送的比特（比特）位数。单位为波特。2.2. 并行传输并行传输3.3. 分时传输分时传输总线复用(Multiplexing)共享总线的部件分时使用总线4.4. 消息传输消息传输如PCI, SCSI2021-11-2316串行传输方式串行传输方式n 采用脉冲传送 n 串行传送的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。 2021-11-2317并行传输方式并行传输方式一般采用电位传送由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得

7、多。 2021-11-2318分时传输方式分时传输方式n总线复用方式总线复用方式 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。n共享总线的部件分时使用总线共享总线的部件分时使用总线2021-11-2319三、同步三、同步(定时定时)方式方式1. 1. 同步定时同步定时n 固定的定时固定的定时 串行同步：信号编码 并行同步：专用时钟信号线n 优点优点 时序关系简单，实现简单。具有较高的传输频率。 n 缺点缺点 在设备速度不一致时按最坏情况确定，总线长度不能太长(时钟相移)2021-11-23202. 异步定时n 在异步定时协

8、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。n 优点优点 不需要统一的公共时钟信号；总线周期长度可变；允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。n 缺点缺点 控制复杂、高成本。 2021-11-2321n 同步实例：EIDE硬盘接口2021-11-2322例 对于具有图示的操作时序的总线，试计算总线的数据传输速率，假设总线上传输的每个字为32位，总线时钟频率为50MHz。解：解：从图中可见，该总线在5个时钟周期内传输了一个数据字。总线的数据传输带宽为:1/5=0.2 (字/时钟周期)即0.2501064=40106 (字节/秒)地址与模式CLK就绪

9、应答t4t3t2t1t02021-11-23236.2 总线控制总线控制n主模块与从模块主模块与从模块n总线事务总线事务请求仲裁(Arbitration)地址数据释放2021-11-2324一、总线请求和仲裁一、总线请求和仲裁1. 集中式仲裁 链式查询链式查询(Daisy chain) BG: 总线允许 BR: 总线请求 BS: 总线忙 总线控制器 （中央仲裁器） 设备 n 设备 2 设备 1 BG BR 数据 BS 2021-11-2325一、总线请求和裁决一、总线请求和裁决1. 集中式仲裁 计数器定时计数器定时(counter pulling)BR: 总线请求BS: 总线忙Count: 计

10、数总线控制器设备 n设备 2设备 1BRBS数据Count2021-11-2326一、总线请求和裁决一、总线请求和裁决1. 集中式仲裁 独立请求独立请求(independent request)BRx: 总线请求BGx: 总线允许总线控制器设备 n设备 2设备 1BR1BG1BR2BG2数据BRnBGn2021-11-2327一、总线请求和裁决一、总线请求和裁决2. 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，

11、并撤销它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。2021-11-2328二、控制算法二、控制算法n 仲裁算法：仲裁算法： 1. 静态优先级：如从0计数 2. 平等算法：如连续计数 3. 动态优先级：如LRU（最近最少使用法） 4. 先来先服务：FIFOn 释放算法：释放算法： 1. 用完时释放 2. 申请时释放 3. 抢占时释放2021-11-23296.3 总线接口总线接口n 为什么要用总线接口？总线接口的基本功能总线接口的基本功能: :(1) 控制 (2) 缓冲 (3) 状态(4) 数据转换。如并串转换或串并转换。(5) 整理。如在数据传输过程中更新字计数器。(6) 程序中断。20

12、21-11-2330一、串行总线接口一、串行总线接口n通用异步接收器/发送器(UART)： 1 0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1结束位校验位起始位数据位空闲位高位低位2021-11-2331接口结构发送寄存器发送缓存寄存器接收缓存寄存器控制逻辑接口逻辑接收寄存器寄存器选片选IO 写IO 读数据总线串行输出 TxD串行输入 RxD2021-11-2332出错标志1. 奇偶错误(parity error)2. 帧错误(framing error)3. 溢出(丢失)错误(overrun error)n串行接口实例：EIA-2322021-11-2333二

13、、并行总线接口二、并行总线接口n 功能部件功能部件 系统时钟驱动器 电压控制模块 总线主设备 总线从设备 总线请求部件 总线仲裁器 中断请求部件 中断处理部件2021-11-2334提高总线信号速度的主要措施n增加总线宽度n增加传输的数据长度n缩短总线长度n降低信号电平n采用差分信号n采用多条总线2021-11-23356.4 总线标准总线标准PCI总线总线(Peripheral Component Interface bus)1. 1. 主要特点主要特点采用猝发传输方式速度较高64位可扩展集中式仲裁方式，支持隐含式仲裁可靠性高（地址、命令和数据校验）三个地址空间（内存、I/O和配置）自动配置

14、2021-11-23362. 信号定义PCI 设备INTD#INTC#INTB#INTA#TRST#TMSTCKTDOTDISDONESBO#SERR#PERR#LOCK#ACK64#REQ64#PAR64BE#7:4D63:32RST#CLKGNT#IDSELREQ#DEVSEL#STOP#IRDY#TRDY#FRAME#PARC/BE3:0AD31:0AD31:0地址/数据C/BE3:0命令/字节许可PAR校验FRAME#成帧TRDY#目标就绪IRDY#始发就绪STOP#目标设备请求停止DEVSEL#设备选择IDSEL始发设备选择REQ#总线请求GNT#总线许可CLK系统时钟(033MHz

15、)RST#系统复位D63:32数据BE#7:4字节允许PAR64高字校验REQ64#请求64位传输ACK64#确认64位传输LOCK#资源封锁（设备独占）PERR#校验错SERR#系统错SBO#侦测退出(snoop back off)，命中了一个修改过的块SDONE侦测完成，探测结果为“干净”TDI测试输入TDO测试输出TCK测试时钟TMS测试模式选择TRST#测试复位INTA#中断请求2021-11-23373. 命令定义2021-11-23384. 传输操作时序TRDY#IRDY#C/BEADFRAME#CLK2021-11-23395. PCI构成的系统实例RDRAMRDRAMRDRAMIDE 驱动USB 端口BIOS网卡主存UltraATAAGP2通用I/OISA 槽PCI总线键盘鼠标SuperI/OISA 桥CodecUSB 端口IDE 驱动RDRAM4AGP图形控制器82850 存储器控制集线器(MCH)82801BAI/O 控制集线器(ICH2)Pentium4处理器2021-11-23