萝卜家园第六章ppt课件

1、第六章第六章总线：它是构成计算机系统的互连构造，是多个系统总线：它是构成计算机系统的互连构造，是多个系统功能部件之间进展数据传送的公共通路。功能部件之间进展数据传送的公共通路。中、低速中、低速I / O设备之间相互衔接的总线。设备之间相互衔接的总线。 6.1.1 总线的根本概念总线的根本概念 CPU内部衔接各存放器及运算部件之间的总线。内部衔接各存放器及运算部件之间的总线。一个单处置器系统中的总线，大致可分为三类：一个单处置器系统中的总线，大致可分为三类：1内部总线：内部总线：2系统总线：系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如乘、同计算机系统的其他高速功能部件，如乘、除法器、通道等

2、相互衔接的总线。除法器、通道等相互衔接的总线。3 3 I /O I /O总线：总线：6.1 单机系统的总线构造单机系统的总线构造1 1物理特性：它是指总线的物理衔接方式，包括总物理特性：它是指总线的物理衔接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的外形，引脚线的陈线的根数，总线的插头、插座的外形，引脚线的陈列方式等等。列方式等等。2 2功能特性：它描画总线中每一根线的功能。功能特性：它描画总线中每一根线的功能。3 3电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传送电气特性：电气特性定义每一根线上信号的传送方向及有效电平范围。方向及有效电平范围。4 4时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有时间特性：

3、时间特性定义了每根线在什么时间有效。也就是说，只需规定了总线上个信号有效的时效。也就是说，只需规定了总线上个信号有效的时序关系，序关系，CPUCPU才干正确无误地运用。才干正确无误地运用。1. 1. 总线的特性：总线的特性： 一样的指令系统，一样的功能，各不同厂家消费的各功能部一样的指令系统，一样的功能，各不同厂家消费的各功能部件，假设要实现一样功能部件互换，必需遵守一样的系统总线的件，假设要实现一样功能部件互换，必需遵守一样的系统总线的要求。这就是系统总线的规范化问题。要求。这就是系统总线的规范化问题。2 2EISAEISAExtension Industry Standard Extens

4、ion Industry Standard Architecture)Architecture)扩展的工业规范体系构造：与老的扩展的工业规范体系构造：与老的IBM PCIBM PC系列机兼容，总线支持多个总线主控器，加强了系列机兼容，总线支持多个总线主控器，加强了DMADMA功能。功能。添加了突发方式传输，是一种添加了突发方式传输，是一种3232位规范总线。位规范总线。微机中用的总线有：微机中用的总线有：ISAISA、EISAEISA、MCAMCA、PCIPCI。1 1ISAISAIndustry Standard Architecture) Industry Standard Archite

5、cture) 工业工业规范体系构造，也称规范体系构造，也称PC/XTPC/XT总线总线:1981:1981年，它是针对年，它是针对80888088设计的，设计的，8 8位总线，后来扩展为位总线，后来扩展为1616位。位。2. 2. 总线的规范化总线的规范化3 3PCIPCI：IntelIntel公司推出。与公司推出。与VLBUSVLBUS不同，不同，PCIPCI在在CPUCPU和外设间插入一个复杂的管理层称为和外设间插入一个复杂的管理层称为PCIPCI桥。桥。与微处置器无关，并在高时钟频率下坚持最高的性能。与微处置器无关，并在高时钟频率下坚持最高的性能。支持了支持了3434个扩展槽。支持个扩展

6、槽。支持32/6432/64位数据传送。位数据传送。ISAISAEISAEISAMACMACVESAVESAPCIPCI最大总线宽度（最大总线宽度（bitbit）161632323232323232/6432/64最高时钟频率（最高时钟频率（MHzMHz）8 88.38.3101033333333峰值传输速度（峰值传输速度（MB/SMB/S）16164040133133133133持续传输速度（持续传输速度（MB/SMB/S）2 28 82020视性能而定视性能而定8080并发性并发性无无一些一些一些一些无无全全支持设备数量支持设备数量12128 108 1012121 31 33 43 4总

7、总 线线 性性 能能 比比 较较 总线带宽会遭到总线带宽会遭到 总线布线长度、总线驱动器总线布线长度、总线驱动器/接纳器性能、接纳器性能、衔接总线上的模块数等要素的影响。衔接总线上的模块数等要素的影响。例题：例题：1某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4个字个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为总线时钟频率为33MHz，求总线带宽是多少？，求总线带宽是多少？2假假设一个总线周期中并行传送设一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率位数据，总线时钟频率升为升为66MHz，求总线带宽是多少？，求

8、总线带宽是多少？1设总线带宽用设总线带宽用 Dr 表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个表示，一个总线正确传送的数据量用总线正确传送的数据量用D表示，根据定义可得：表示，根据定义可得： Dr=D/T=D*f=4B*33*106s=132MB/s2 26464位位=8B=8B， Dr=D Dr=D* *f= 8Bf= 8B* *6666* *106s=528MB/s106s=528MB/s它定义为总线本身所能到达的最高传输速度，单位它定义为总线本身所能到达的最高传输速度，单位是兆字节每秒是兆字节每秒MB/S。总线带宽：总线带宽：解：解： USB是由是由Intel 提出的一种

9、新型接口规范，目前是主流规范。提出的一种新型接口规范，目前是主流规范。USB接口就是为处理现行接口就是为处理现行PC与周边设备的通用衔接而设计的。与周边设备的通用衔接而设计的。USB的几大特点：的几大特点：可支持功能传送：用户只需求为支持可支持功能传送：用户只需求为支持USB规范的设备预备一个规范的设备预备一个USB接口即可使外设相互衔接成串。接口即可使外设相互衔接成串。可衔接：键盘、鼠标、扫描仪、数字音箱、可衔接：键盘、鼠标、扫描仪、数字音箱、Modem、数码相机。、数码相机。支持设备热插拔。支持设备热插拔。即插即用功能即插即用功能USB可以树状构造衔接可以树状构造衔接127个几乎目前一切的

10、外部设备。个几乎目前一切的外部设备。最大数据传输速率为最大数据传输速率为12Mbps。支持多数据流。支持多数据流。支持多个设备并行操作。支持多个设备并行操作。支持自动处置错误并进展恢复。支持自动处置错误并进展恢复。3.3.通用串行总线通用串行总线USBUSBUniversal Serial Bus)Universal Serial Bus)6.1.2 总线的衔接方式总线的衔接方式 CPU与外设之间的衔接由与外设之间的衔接由“接口部件来完成，接口部件来完成，大多数总线都是以一样方式构成的，不同之处是：总大多数总线都是以一样方式构成的，不同之处是：总线的线数目不同和控制线的功能不同。总线的衔接方线

11、的线数目不同和控制线的功能不同。总线的衔接方式对计算机系统的性能有非常重要的作用。式对计算机系统的性能有非常重要的作用。单机系统中采用的总线有三种类型：单机系统中采用的总线有三种类型：单总线构造单总线构造双总线构造双总线构造三总线构造三总线构造1.单总线构造：单总线构造：特点：简单、易扩展、速度慢。特点：简单、易扩展、速度慢。CPU主存主存设备设备适配器适配器设备设备适配器适配器单总线构造表示图单总线构造表示图2.双总线构造：双总线构造：特点：简单、易扩展、速度比单总线构造快。特点：简单、易扩展、速度比单总线构造快。添加了硬件开销。添加了硬件开销。CPU主存主存I/O适配器适配器设备设备适配器

12、适配器双总线构造表示图双总线构造表示图系统总线系统总线存储总线存储总线当前计算机通常采用多总线构造当前计算机通常采用多总线构造CPUCPU主存主存扩展总线扩展总线控制线路控制线路I/OI/O设备设备1 1I/OI/O设备设备2 2处置机总线处置机总线32MHz32MHz4B8B4B8BISA / EISAISA / EISA8.33MHz 8.33MHz 1 , 2 , 4 B 1 , 2 , 4 B 二总线构造二总线构造 . . . . .3.3.三总线构造：三总线构造：特点：效率高、硬件构造复杂、普通用在大中型机中。特点：效率高、硬件构造复杂、普通用在大中型机中。CPUCPU主存主存I/O

13、I/O适配器适配器三总线构造表示图三总线构造表示图系统总线系统总线存储总线存储总线I/OI/O适配器适配器IOPIOP通道通道-CPU主存主存PCI桥桥I/OI/O设备设备1 1I/OI/O设备设备2 2处置机总线处置机总线66MHz66MHz4B8B4B8BISA / EISA8.33MHz 1 , 2 , 4 B 三总线构造三总线构造 . . . . .PCI BUS PCI BUS 33MHz 4B33MHz 4B扩展总线扩展总线控制线路控制线路I/OI/O设备设备3 3I/OI/O设备设备4 4接快速设备接快速设备接慢速设备接慢速设备CPU-cacheCPU-cache模块模块存储器存

14、储器模块模块I/O I/O 适配器适配器 总线总线 控控制器制器 数据传送总线地址、数据、控制线数据传送总线地址、数据、控制线仲裁总线仲裁总线中断和同步总线中断和同步总线公用线公用线主板主板当代总线的内部构造当代总线的内部构造6.1.3 总线构造对计算机系统性能的影响总线构造对计算机系统性能的影响单总线构造：访问内存和单总线构造：访问内存和I/O传送却运用一样的操作码，传送却运用一样的操作码，或者说运用一样的指令，但它们运用不同的地址。或者说运用一样的指令，但它们运用不同的地址。双总线构造：双总线构造：CPU对内存总线和系统总线必需有不同的指对内存总线和系统总线必需有不同的指令系统。令系统。单

15、总线构造：地址总线与最大存储容量有一定的影响。单总线构造：地址总线与最大存储容量有一定的影响。内存与外设用同一个地址线。内存与外设用同一个地址线。双总线构造：内存地址与外设地址出如今不同总线上，双总线构造：内存地址与外设地址出如今不同总线上，存储容量不会受外围设备多少影响。存储容量不会受外围设备多少影响。1. 1. 最大存储容量最大存储容量2. 2. 指令系统指令系统 它是指流入、处置和流出系统的信息的速率。它它是指流入、处置和流出系统的信息的速率。它主要取决于主存的存取周期和并行读出的位数。主要取决于主存的存取周期和并行读出的位数。 由于上述缘由，采用双端口存储器可以添加主存由于上述缘由，采

16、用双端口存储器可以添加主存的有效速度的有效速度,可以更多的信息从内存输入输出。可以更多的信息从内存输入输出。 3.3.吞吐量：吞吐量： 三总线系统中，三总线系统中，CPU的一部分功能下放给通道，的一部分功能下放给通道，有通道对外围设备一致管理并实现外围设备与内存之有通道对外围设备一致管理并实现外围设备与内存之间的数据传送，因此系统的吞吐才干比单总线系统强。间的数据传送，因此系统的吞吐才干比单总线系统强。Pentium Pentium CPUCPU主存与主存与CacheCache控制器控制器L2cache(256512KB)CPUCPU总线总线-PIC-PIC总线总线桥芯片桥芯片主存（主存（DR

17、AM）（4128MB）ROM BIOSROM BIOS（4128MB4128MB）实时时钟实时时钟/日历日历CMOS RAMPCI PCI 总线总线- -ISA ISA 总线总线桥芯片桥芯片 及及DMADMA，中断中断控制逻辑控制逻辑8042MPU键盘键盘鼠标鼠标控制器控制器CPU总线总线北桥北桥芯片芯片可选可选PCI总线总线南桥南桥ISA总线总线36脚脚短槽短槽62脚脚长槽长槽120脚脚Socket 7 插座插座键盘键盘鼠标鼠标Pentium计算机主板总线构造图计算机主板总线构造图VT 863DDR V-Link北桥552BGASlot 1SOCEKET 370处理器处理器SDR/VCMSD

18、R/VCM& &DDRDDRSDRAMSDRAMVT 8233VT 8233V-LinkV-Link南桥南桥37673767BGABGA时钟时钟缓存缓存时钟时钟发生器发生器3D图形图形控制器控制器AGP总线总线PCIPCI总线总线SDR/DDR内存总线内存总线MCLKMCLKHCLKHCLKPCLKPCLKATA33/66/1006 USBLPC网络网络SMBUSSMBUS外围设备控制器外围设备控制器GPIO ACPI GPIO ACPI Apollo Pro266Apollo Pro266芯片组架构框图芯片组架构框图6.2.1 信息的传送方式信息的传送方式 数字计算机运用二进制数，她们或用电

19、位的高、数字计算机运用二进制数，她们或用电位的高、低表示，或用脉冲的有、无表示。低表示，或用脉冲的有、无表示。传输信息根本有四种方式：传输信息根本有四种方式：串行传送串行传送并行传送并行传送并、串行传送并、串行传送分时传送分时传送6.2 总线接口总线接口1. 串行传送串行传送并并-串串变换变换串串-并并变换变换发送部件发送部件接纳部件接纳部件传送数据传送数据0000 0101T1T8T7T6T5T4T3T200000011位时间位时间传送传送脉冲脉冲高位高位低位低位串行传送串行传送特点：只需一条传输线，且采用脉冲串行传送。特点：只需一条传输线，且采用脉冲串行传送。2. 并行传送并行传送特点：顺

20、应于短间隔传送，数据传送快，本钱高。特点：顺应于短间隔传送，数据传送快，本钱高。发送发送部件部件接纳接纳部件部件高位高位低位低位10000111并行传送并行传送3. 3. 并串行传送并串行传送先传先传8 位，再传位，再传8 位。位。高高8位位低低8位位高高8位位低低8位位8 位位并串行传送并串行传送4.4.分时传送分时传送采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。息，又传送数据信息。共享总线的部件分时运用总线。共享总线的部件分时运用总线。分时传送有两种概念：分时传送有两种概念：6.2.2 6.2.2 接口的概念接口的概念接口：设备之

21、间经过总线进展衔接的逻辑部件，衔接接口：设备之间经过总线进展衔接的逻辑部件，衔接两部件的两部件的“转换器叫做接口。转换器叫做接口。CPUCPU接接口口外围外围设备设备控制形状线控制形状线数据线数据线地址线地址线外围设备的衔接方式外围设备的衔接方式典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能：控制：它靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。控制：它靠程序的指令信息来控制外围设备的动作。缓冲：补偿各种设备在速度上的差别。缓冲：补偿各种设备在速度上的差别。形状：它监视外围设备的任务形状并保管形状信息。形状：它监视外围设备的任务形状并保管形状信息。转换：它可以完成任何要求的数据转换。转换：它可

22、以完成任何要求的数据转换。整理：它可以修正字计数器或当前内存地址存放器。整理：它可以修正字计数器或当前内存地址存放器。程序中断：外设向软件恳求某种动作时，接口即发程序中断：外设向软件恳求某种动作时，接口即发出一个中断信号。出一个中断信号。一个适配器必需有两个接口：一个适配器必需有两个接口：一是系统总线的接口一是系统总线的接口二是和外设的接口二是和外设的接口6.3 总线的仲裁、定时和数据传送方式总线的仲裁、定时和数据传送方式6.3.1 总线的仲裁总线的仲裁 衔接到总线上的功能模块有自动和被动两种形状。主衔接到总线上的功能模块有自动和被动两种形状。主方可以启动一个总线周期，从方只能呼应主方的恳求。

23、方可以启动一个总线周期，从方只能呼应主方的恳求。每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方。一时间里可以有一个或多个从方。 按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式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。仲裁和分布式仲裁两类。主方继续控制总线的时间称为总线占用期。主方继续控制总线的时间称为总线占用期。对多个设备提出的占用总线恳求，普通采用优先级或对多个设备提出的占用总线恳求，普通采用优先级或公平战略进展仲裁。公平战略进展仲裁。1 1、集中式仲裁、集中式仲裁链式查询方式；链式查询方

24、式；计数器定时查询方式；计数器定时查询方式；独立恳求方式。独立恳求方式。 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央制集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央制裁器：一条是送往制裁器的总线恳求信号线裁器：一条是送往制裁器的总线恳求信号线 BR，一，一条是仲裁器送出的总线授权信号线条是仲裁器送出的总线授权信号线 BG。集中式仲裁又可分为：集中式仲裁又可分为：链式查询方式链式查询方式优点：简单，几根线就可以实现优先次序总线控制，易优点：简单，几根线就可以实现优先次序总线控制，易 扩展。扩展。缺陷：对讯问链的电路缺点很敏感。缺陷：对讯问链的电路缺点很敏感。中央仲裁器中央仲裁器设备接口设备接口 0设备接

25、口设备接口n设备接口设备接口1DA链式查询方式链式查询方式BRBRBSBSBGBG计数器定时查询方式计数器定时查询方式优点：优先次序可以方便地改动。优点：优先次序可以方便地改动。中央仲裁器中央仲裁器设备接口设备接口0设备接口设备接口n设备接口设备接口1计数器定时查询方式计数器定时查询方式设备地址设备地址BRBRBS计数器定时查询方式计数器定时查询方式:定时依次核对哪个设备发出了请定时依次核对哪个设备发出了请 求信号。求信号。独立恳求方式独立恳求方式独立恳求方式：每一个共享总线的设备均有本人的一独立恳求方式：每一个共享总线的设备均有本人的一对总线恳求对总线恳求BRn 和总线赞同和总线赞同BGj

26、。优点：呼应速度快，对优先次序的控制相当灵敏。优点：呼应速度快，对优先次序的控制相当灵敏。中央仲裁器中央仲裁器设备接口设备接口0设备接口设备接口n设备接口设备接口1计数器定时查询方式计数器定时查询方式BR0BR0BG0BG0BR1BR1BG1BG1BRnBRnBGnBGn2 2、分布式仲裁、分布式仲裁最后，获胜者的仲裁号保管在仲裁总线上。最后，获胜者的仲裁号保管在仲裁总线上。 分布式仲裁不需求中央仲裁器，每个潜在分布式仲裁不需求中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有本人的仲裁号和仲裁器。的主方功能模块都有本人的仲裁号和仲裁器。 当它们有总线恳求时，把它们独一的仲裁当它们有总线恳求时，把它们独一

27、的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲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本人的号进展比较。裁总线上得到的号与本人的号进展比较。 假设仲裁总线上的号大假设仲裁总线上的号大总线上总线上那么它的总线恳求不予呼应，并吊销它的仲裁号。那么它的总线恳求不予呼应，并吊销它的仲裁号。比比显然，分布式仲裁是以优先级仲裁战略为根底。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁战略为根底。总线上总线上6.3.2 6.3.2 总线的定时总线的定时所谓定时：是指事件出如今总线上的时序关系。所谓定时：是指事件出如今总线上的时序关系。数据传送过程中通常采用以下两种定时方式：数据传送过程中通常采用以下两种定

28、时方式：1 1同步定时同步定时同步通讯：采用一个公共的时针信号进展同步同步通讯：采用一个公共的时针信号进展同步 在同步协议中，事件出如今总线上的时辰有总线时钟在同步协议中，事件出如今总线上的时辰有总线时钟信号来确定。信号来确定。地址地址数据数据这种方式称为同步通讯。这种方式称为同步通讯。总线时钟总线时钟启动信号启动信号读命令读命令地址线地址线数据线数据线 认可认可同步定时同步定时异步定时异步定时总线时钟总线时钟地址和方式信息地址和方式信息数据数据总线周期总线周期同步通讯同步通讯适用于总线长度较短，各部件存取时间较接近的情况。适用于总线长度较短，各部件存取时间较接近的情况。特点：特点：每个功能模

29、块什么时候发送或接纳信息都由一致时针规定；每个功能模块什么时候发送或接纳信息都由一致时针规定；传输率较高；传输率较高；采用公共时钟；采用公共时钟；2 2异步定时异步定时 在异步定时协议中，后一事件出如今总线上的时辰在异步定时协议中，后一事件出如今总线上的时辰取决与前一事件的出现，即建立在应对式或互锁机制取决与前一事件的出现，即建立在应对式或互锁机制根底上。根底上。异步时序全互锁方式异步时序全互锁方式读命令读命令地址线地址线数据线数据线主同步主同步MSYNMSYN从同步从同步SSYN地址地址数据数据数据数据3 3同步定时与异步定时的优缺陷：同步定时与异步定时的优缺陷：但由于总线必需按最慢的模块来

30、设计公共时但由于总线必需按最慢的模块来设计公共时钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会钟，当各功能模块存取时间相差很大时，会大大损失总线效率。大大损失总线效率。优点是总线周期长度可变，不把呼应时间强加优点是总线周期长度可变，不把呼应时间强加到功能模块上，因此允许快速和慢速的功能模到功能模块上，因此允许快速和慢速的功能模块都能衔接到同一总线上。块都能衔接到同一总线上。优点是采用公共时钟，具有较高的传输率。优点是采用公共时钟，具有较高的传输率。异步定时添加了总线的复杂性和本钱。异步定时添加了总线的复杂性和本钱。异步定时协议异步定时协议同步定时协议同步定时协议6.4.1 多总线构造多总线构造 PCI

31、 PCI 是一个与处置器无关的高速外围设备总线，是一个与处置器无关的高速外围设备总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁战略，并具有自动配置才干。中式仲裁战略，并具有自动配置才干。 PCI PCI 总线构造图，也是高档总线构造图，也是高档 PC PC 机和效力器的主机和效力器的主板总线框图。如以下图：板总线框图。如以下图：6.4 PCI 总线总线处置器处置器/cache处置器处置器/cache主存主存控制器控制器主存主存PCIPCI设备设备PCIPCI设备设备HOSTHOST桥桥主设备主设备目的设备目的设备RAM目的设备目的设备I/OPCI/LAGACYPCI/LAGACY总线桥总线桥PCI/PCIPCI/PCI桥桥LAGACYLAGACY设备设备PCIPCI设备设备PCIPCI设备设备PCI PCI 总线构造框图总线构造框图HOSTHOST总线总线PCIPCI总线总线LAGACYLAGACY总线总线ISAISA、EISAEISA、MCAM