汇流排和汇流排结构

1、1第第 14 章章匯流排和匯流排結構匯流排和匯流排結構2匯流排定義匯流排定義 匯流排是一種相當普遍的數位通訊機制 匯流排可以讓兩個（或以上）功能性單元互相傳輸控制訊號或資料。 比如 記憶體匯流排用於處理器和記憶體系統之間的連線 I/O匯流排用於處理器和I/O設備之間的連線3匯流排匯流排4匯流排（匯流排（Cont.）匯流排是一種可以把功能性單元互連在一起的數位通訊機制，一般電腦系統通常包含多個匯流排，以互連處理器、記憶體、和外部I/O設備。 5專有匯流排和標準匯流排專有匯流排和標準匯流排 專有匯流排 某些私人公司所研發的匯流排設計，可能受到專利權的保護。 標準匯流排 建立一個標準環境，指定所有建

2、構硬體的細節。 讓不同廠商的各種設備可以彼此地溝通。 6共用匯流排和存取協定共用匯流排和存取協定 大部分的匯流排是共用的 處理器可經由匯流排連接到I/O設備 結構師定義匯流排的存取協定，指定設備的使用規則，讓各個設備都可以輪流使用匯流排。7多重匯流排多重匯流排 典型的電腦系統具有多重匯流排 中央匯流排 特殊匯流排 也有無法看到的內部匯流排 處理器晶片內部匯流排 8平行被動機制平行被動機制 電腦系統可以使用串列匯流排，也可以使用並列（或稱為平行）匯流排。 匯流排只是平行並列的電線 沒有其它的電子元件 匯流排是被動的 提供設備的電氣連線9實體連線實體連線 匯流排可能存在於 晶片內部（矽蝕刻電線）

3、電路板內部（附著金屬線） 電路板之間（平行排線）10主機板的匯流排主機板的匯流排11電路板和插槽電路板和插槽12匯流排有三個主要的功能匯流排有三個主要的功能 匯流排控制（控制線） 位址訊息（位址線） 資料傳輸（ 資料線）13匯流排線路匯流排線路14擷取擷取-儲存策略儲存策略 如同記憶體系統，匯流排總是使用擷取儲存策略；因此，所有的資料傳輸和控制動作如果不是擷取，就是儲存。15 匯流排寬度匯流排寬度 大部分的匯流排使用並列傳輸 匯流排寬度為K位元 以K條資料線來看，顯然匯流排一次就可以傳輸K位元。 32位元匯流排具有32條資料線，一次可以同時傳送32位元。 16匯流排的擷取匯流排的擷取-儲存策略

4、儲存策略17多工技術多工技術 並列介面其實也是一種妥協。 使用多工技術降低匯流排線路數目，通常分成兩個部分： 資料多工 位址資料多工18匯流排線路（二組線路）匯流排線路（二組線路） 典型匯流排有兩種： 三組線路（控制線、位址線、資料線） 二組線路（控制線、位址線/資料線） 19匯流排寬度和資料大小匯流排寬度和資料大小 位址和資料都可以多工傳輸，因此許多結構師為了最佳化硬體效能，往往選擇相同長度的資料和位址。 20記憶體匯流排連線圖記憶體匯流排連線圖21控制硬體和位址控制硬體和位址雖然所有的介面都會接收匯流排傳輸的請求，但是只有內含該請求位址的介面，才會反應。 22記憶體介面的實現步驟記憶體介面

5、的實現步驟 23潛藏錯誤潛藏錯誤 位址衝突 當兩個或更多介面都試圖回答某一個特定的請求時，匯流排硬體會偵測錯誤發生，報告該錯誤。 未設定的位址 也可能存取到任何介面都沒有的位址，而發生錯誤。24位址規劃和插槽位址規劃和插槽 似乎可以安裝足夠的記憶體，來防止匯流排錯誤。 但是可能有兩個問題： 記憶體匯流排的可擴充性。 某些非記憶體的其它設備可能具有連續的匯流排位址。 結構師把記憶體置放在小型電路板，插入主機板插槽，每個插槽都已規劃成特定的位址範圍，因此可以在不必規劃硬體的情況下，安裝記憶體。 25位址規劃和插槽（位址規劃和插槽（Cont.） 還有一種替代方式，使用者毋須特別指定位址。 讓MMU會

6、在電腦啟動時，自動規劃各個插槽位址。 這種方式會增加一些硬體成本，但以後不必理會插槽順序，直接在任何插槽上置放記憶體。 26單一或多重匯流排單一或多重匯流排 低效能電腦往往只用單一匯流排，來連線所有的元件，主要優點在於低成本。 高效能電腦通常內含多個匯流排，比如： 一條專門給記憶體使用 一條提供給高速I/O設備 一條則給低速I/O設備27擷取擷取儲存設備儲存設備 匯流排只提供一種工作方式，讓一個單元和另一個單元能夠互相傳輸一些位元。 我們並不一定要指定這些位元所代表的意義，可以讓每一個設備的介面硬體自行直譯，把特定位元轉譯成控制動作，而非資料傳輸動作。28擷取擷取儲存設備的控制範例儲存設備的控

7、制範例 假想一個內含16燈號的硬體設備要連接到匯流排。 工程師會先列出欲執行的動作： 29特殊意義的位址特殊意義的位址30介面動作介面動作 使用硬體來測試每一個請求的位址、動作、和資料，如下：if ( 位址 = 100 & 動作 = 儲存 & 資料 != 0) 打開顯示器; 硬體也必須檢查資料為零的情況：if ( 位址 = 100 & 動作 = 儲存 & 資料 = 0) 關閉顯示器;31非對稱設定非對稱設定 非對稱設定 只對該位址定義擷取動作，但沒有定義儲存動作。 只對該位址定義儲存動作，但沒有定義擷取動作。32定址整合定址整合 33定址整合（定址整合（Cont

8、.） 單一匯流排存取記憶體和I/O設備，匯流排所指定的位址剛好定義出處理器的位址空間。 為了避免位址衝突，每一個連接的記憶體和設備都必須指定一個唯一位址。 34指定位址範例指定位址範例 整個位址配置如下圖，每一個記憶體佔據1MB空間，設備則是12B空間。35 不成比例的位址表示圖不成比例的位址表示圖36空間漏洞空間漏洞 位址空間並不一定是連續的 漏洞：不連續位址的空間 匯流排的最低位址會保留給記憶體，設備則被置放在較高的位址。 37位址配置圖位址配置圖 38位址空間的重點位址空間的重點典型電腦的I/O設備通常只會使用一小部分的位址，佔整體空間的極小比例。 39匯流排規劃介面匯流排規劃介面 以打

9、開顯示器設備為例，使用C程式來執行相關動作：int *ptr; /*宣告ptr為整數指標*/ptr=(*int)100; /*設定指標位址為100*/*ptr=1; /*在位址100-103之間儲存非零數值*/40匯流排規劃介面的重點匯流排規劃介面的重點在多重匯流排下，處理器會使用特殊指令來進行存取；至於單一匯流排的處理器，則會轉譯該空間內正常存取的記憶體動作。 41匯流排橋接器匯流排橋接器 橋接器是一個硬體設備，可以互連兩個匯流排，並且映射兩者之間的位址；顯然，橋接技術可以增加更多的電腦輔助設備，讓這些設備存取主匯流排。 42位址映射圖位址映射圖43交換結構交換結構 另一種匯流排的替代技術，就是交換結構。 交換結構有各種不同的型式 這些設計都跟成本有相當的關聯：因為更多的同時傳輸，會帶給電腦更高的效能，整體成本也會跟著變貴。 44交叉矩陣的交換結構圖交叉矩陣的交換結構圖45結論結論 匯流排互連記憶體、I/O設備和處理器。 大部分的匯流排協定遵循擷取儲存策略，讓I/O設備可以互相傳輸資料（也可以解譯成控制訊號）。 匯流排協定有三種不同型態的資訊：控制、位址、和資料（三組線路），也可以藉由多工傳輸技