湘潭大学第8章 总线结构与互连网络(2010_4)

1、第第8 8章章 系统总线及其互连结构系统总线及其互连结构 计算机系统是通过总线将计算机系统是通过总线将CPUCPU、存储器及输、存储器及输入输出设备连接起来的。入输出设备连接起来的。 总线是它们相互通信的公共通路，在这个通总线是它们相互通信的公共通路，在这个通路上传送地址、数据及控制信息。路上传送地址、数据及控制信息。 本章主要介绍：本章主要介绍：总线的基本概念、功能和类型总线的基本概念、功能和类型总线上信息流的控制，它涉及到总线的结构、总线上信息流的控制，它涉及到总线的结构、信息传送方式及总线控制与通信等问题。信息传送方式及总线控制与通信等问题。8.1 8.1 计算机系统的互连结构计算机系统

2、的互连结构 计算机系统的互连可分为系统内互连和系统计算机系统的互连可分为系统内互连和系统间互连。间互连。 系统内互连又分为片内互连和部件之间的互系统内互连又分为片内互连和部件之间的互连。连。片内互连是通过片内总线来完成的，片内总线片内互连是通过片内总线来完成的，片内总线是指同一个芯片内的传输线。如芯片内的寄存是指同一个芯片内的传输线。如芯片内的寄存器之间、寄存器与运算部件之间等的互连。它器之间、寄存器与运算部件之间等的互连。它的特点是距离短，控制简单，速度要求高。的特点是距离短，控制简单，速度要求高。部件之间的互连是通过系统总线来完成的，系部件之间的互连是通过系统总线来完成的，系统总线是指计算

3、机系统内部的传输线。如统总线是指计算机系统内部的传输线。如CPUCPU、主存、通道或接口之间的互连线。主存、通道或接口之间的互连线。 系统间互连是通过系统外总线来完成的，系统间互连是通过系统外总线来完成的，外总线是指系统与系统之间的互连线。特外总线是指系统与系统之间的互连线。特点是距离远，速度差异较大。点是距离远，速度差异较大。 由于许多需要解决的问题已经不可能单独由于许多需要解决的问题已经不可能单独由单机来完成，故需要多台处理器或计算由单机来完成，故需要多台处理器或计算机协调工作，实现程序、任务、作业级的机协调工作，实现程序、任务、作业级的并行处理，所以处理器之间、多计算机可并行处理，所以处

4、理器之间、多计算机可通过互连通信通过互连通信( (网络网络) ) 将多个计算机或多个将多个计算机或多个处理机、多个存储器模块以及多个处理机、多个存储器模块以及多个I/OI/O设备设备联系在一起，实现系统资源的共享。联系在一起，实现系统资源的共享。 互连网络具有三大要素，即结点间互连拓互连网络具有三大要素，即结点间互连拓扑扑( (包含连接通路包含连接通路) )、开关元件和控制方式。、开关元件和控制方式。在采用集中式结构的系统中，互连网络可以是在采用集中式结构的系统中，互连网络可以是一个独立的部件，由一组开关元件构成，位于一个独立的部件，由一组开关元件构成，位于被连接的处理机或功能部件结点之间，在

5、一定被连接的处理机或功能部件结点之间，在一定的控制方式作用下，按照互连拓扑的要求建立的控制方式作用下，按照互连拓扑的要求建立结点间的各条连接通路，以实现各个结点对的结点间的各条连接通路，以实现各个结点对的相互通信。相互通信。在采用分布式结构的系统中，开关元件可能分在采用分布式结构的系统中，开关元件可能分散地隐含在各个结点内部，从外面只能看到由散地隐含在各个结点内部，从外面只能看到由结点间连接通路所代表的互连拓扑，因而互连结点间连接通路所代表的互连拓扑，因而互连网络并不是以一个独立部件的形式出现的网络并不是以一个独立部件的形式出现的。 互连网络两种形式。互连网络两种形式。非共享连接通路，即结点与

6、结点直接相连，非非共享连接通路，即结点与结点直接相连，非直接相连的结点之间的通信经过中间结点转送。直接相连的结点之间的通信经过中间结点转送。大多数计算机网的连接是这种情况。大多数计算机网的连接是这种情况。共享连接通路，即多个结点之间经过开关元件共享连接通路，即多个结点之间经过开关元件相连，以建立可变的连接通路，同一路径通过相连，以建立可变的连接通路，同一路径通过开关元件的选择在不同时刻可为不同的结点对开关元件的选择在不同时刻可为不同的结点对服务，达到共享的目的。服务，达到共享的目的。控制器输入/输出存储器模块数据变换网络处理单元图8.1 并行处理计算机系统中的互连网络 互连网络分为互连网络分为

7、：静态互连网络静态互连网络，它，它的每一个开关元件固定地与的每一个开关元件固定地与一个结点相连，以建立该结点与邻近结点之间一个结点相连，以建立该结点与邻近结点之间的被动连接通路。一般用于分布计算机系统和的被动连接通路。一般用于分布计算机系统和计算机网，实现计算机结点之间的总线连接。计算机网，实现计算机结点之间的总线连接。动态互连网络动态互连网络，它，它的结点只与互连网络边界上的结点只与互连网络边界上的开关元件连接，在所有开关元件共同参与下，的开关元件连接，在所有开关元件共同参与下，建立结点之间主动可控的通信路径。它一般用建立结点之间主动可控的通信路径。它一般用于多处理机系统实现并行进程间的相互

8、通信。于多处理机系统实现并行进程间的相互通信。 这里，仅讨论计算机系统内部所特有的系这里，仅讨论计算机系统内部所特有的系统总线。统总线。8.28.2总线的基本概念总线的基本概念 计算机系统大多采用模块结构计算机系统大多采用模块结构一个模块就是一个具有专门功能的插件一个模块就是一个具有专门功能的插件( (功能功能部件、插卡部件、插卡) )，如，如CPUCPU、内存条、显示卡、网卡、内存条、显示卡、网卡等。等。 总线是指为多个功能部件之间传送信息的总线是指为多个功能部件之间传送信息的公共通路。公共通路。 借助于总线连接，计算机在各功能部件之借助于总线连接，计算机在各功能部件之间实现地址、数据和控制

9、信息的交换，并间实现地址、数据和控制信息的交换，并完成程序规定的工作。完成程序规定的工作。8.2.18.2.1总线传输方式和分类总线传输方式和分类 从不同的角度进行分类。从不同的角度进行分类。 1.1.按传送的信息的方式分按传送的信息的方式分 (1)(1)串行传送。指在传送信息时只有一根传串行传送。指在传送信息时只有一根传送线，所有的信息都在该传输线上传输，送线，所有的信息都在该传输线上传输，每次只传送一位。若需要传送的信息有每次只传送一位。若需要传送的信息有8 8位，位，则需要传送则需要传送8 8次，即需要次，即需要8 8个时钟周期用于个时钟周期用于传送。传送。 (2)(2)并行传送。指在传

10、送信息时有多根传并行传送。指在传送信息时有多根传送线，所有的信息都在这些传输线上同时送线，所有的信息都在这些传输线上同时传输，每次传送多位。传输，每次传送多位。 (3)(3)复合传送。它是指在数据总线上，先复合传送。它是指在数据总线上，先传送地址，再传送数据。传送地址，再传送数据。地址数据数据总线复合传送示意图2.2.按传送信息的类型按传送信息的类型 (1)(1)数据总线数据总线DBDB，用于传送数据、地址、状态、控，用于传送数据、地址、状态、控制字等。双向传送；制字等。双向传送； (2)(2)地址总线地址总线ABAB，它用于传送访问存储器或，它用于传送访问存储器或I/OI/O设设备的地址。单

11、向传送；备的地址。单向传送； (3)(3)控制总线控制总线CBCB，用于传送，用于传送CPUCPU的控制命令、中断的控制命令、中断请求与响应、请求与响应、DMADMA请求与响应等。每一根线是单向请求与响应等。每一根线是单向传送的；传送的； (4)(4)复合总线如复合总线如ADAD，用于数据总线上，根据时间的，用于数据总线上，根据时间的先后进行传送，先传送地址，后传送数据。先后进行传送，先传送地址，后传送数据。8.2.28.2.2总线的特性与标准总线的特性与标准 特性：特性： 1.1.机械特性机械特性( (物理特性物理特性) )指总线物理连接方式，包括总线的插头、插座指总线物理连接方式，包括总线

12、的插头、插座的形状、尺寸大小，引脚的数目、排列方式等。的形状、尺寸大小，引脚的数目、排列方式等。 2.2.功能特性功能特性指总线中的每一根连线的功能。如传送某一位指总线中的每一根连线的功能。如传送某一位地址、数据或者控制信号。地址、数据或者控制信号。 3.3.电气特性电气特性定义每一根线的信号传递方向及有效电平和电定义每一根线的信号传递方向及有效电平和电流。流。一般规定送入一般规定送入CPUCPU的信号称为输入，从的信号称为输入，从CPUCPU发出发出的信号称为输出。如传送的地址是输出。的信号称为输出。如传送的地址是输出。一般总线电平都符合一般总线电平都符合TTLTTL电平的定义。电平的定义。

13、 4.4.过程特性过程特性( (时间特性时间特性) )定义每一根线上的信号与时间之间的关系。定义每一根线上的信号与时间之间的关系。 总线性能重要指标：总线性能重要指标：总线带宽总线带宽( (最高数据传输速率最高数据传输速率) )是指在单位时间是指在单位时间内总线传送数据的字节数或位数。单位为每秒内总线传送数据的字节数或位数。单位为每秒兆字节或每秒兆位兆字节或每秒兆位(MB/s(MB/s或或Mb/s)Mb/s)。 实际带宽会受到总线长度、布局、连接的功实际带宽会受到总线长度、布局、连接的功能部件数、驱动能部件数、驱动/ /接收器性能等因素的影响。接收器性能等因素的影响。它们将造成信号畸变、延时、

14、干扰等。它们将造成信号畸变、延时、干扰等。 例例8.1 8.1 某总线在一个总线周期内传送某总线在一个总线周期内传送6464位数据，总线时钟频率为位数据，总线时钟频率为200MHz200MHz，问总线，问总线的带宽是多少？的带宽是多少？ 解：设总线带宽用解：设总线带宽用DrDr表示，一个总线周期表示，一个总线周期传送的数据量用传送的数据量用D D表示，总线时钟频率用表示，总线时钟频率用f f表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T T表示，则表示，则: :Dr=D/T=DDr=D/T=D* *f=64f=64* *200MHz200MHz =128Mb/s=1600MB/s=128Mb/s=

15、1600MB/s 2 2总线标准总线标准 总线标准为了方便不同厂家生产的功能部件灵活地总线标准为了方便不同厂家生产的功能部件灵活地构成一个计算机系统而提出。构成一个计算机系统而提出。 (1)(1)正式公布的标准。正式公布的标准。由由IEEE(IEEE(电气电子工程师学会电气电子工程师学会) )或或CCITT(CCITT(国际电报电话咨国际电报电话咨询委员会询委员会) )等国际组织正式确定和承认，并有严格的定义。等国际组织正式确定和承认，并有严格的定义。 (2)(2)实际的工业标准。实际的工业标准。首先由某一厂家提出，而又得到其它厂家广泛使用，这首先由某一厂家提出，而又得到其它厂家广泛使用，这种

16、标准还没有经过正式、严格的定义，也有可能经过一种标准还没有经过正式、严格的定义，也有可能经过一段时间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。段时间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。 计算机系统中总线分类：计算机系统中总线分类： 1.1.连接计算机内各功能部件的总线连接计算机内各功能部件的总线( (内部总线内部总线) )，如如CPUCPU、存储器和、存储器和I/OI/O接口的总线。接口的总线。PCPC机中的标机中的标准总线如下表。准总线如下表。类型带宽位数ISA8MB/s16EISA33.3MB/s32VESA132MB/s32PCI100MHz64 2.系统之间或系统与外部设备之间连接的

17、总线(外部总线)，常用的有RS-232C、USB、1394和IEEE-488等总线。8.2.28.2.2总线连接方式总线连接方式 分为单总线和多总线结构。分为单总线和多总线结构。 1.1.单总线单总线单总线结构是指所有功能部件连接到一条系单总线结构是指所有功能部件连接到一条系统总线上。统总线上。 用于微机和小型机中。用于微机和小型机中。 在总线结构中，信号送到总线上即加到总在总线结构中，信号送到总线上即加到总线上连接的所有部件。线上连接的所有部件。CPUI/OnI/O2I/O1MSysteminterface 注意注意: :单总线结构不允许两个以上的功能部单总线结构不允许两个以上的功能部件同时

18、发送信息。使信息的吞吐量受到限制。件同时发送信息。使信息的吞吐量受到限制。 优点：结构简单，便于扩充。优点：结构简单，便于扩充。 缺点：可能成为计算机信息传送的瓶颈。缺点：可能成为计算机信息传送的瓶颈。 如果将单总线上的各个部件更换成如果将单总线上的各个部件更换成CPUCPU，就，就扩展成为多扩展成为多CPUCPU系统。系统。2.2.双总线双总线 在在CPUCPU和主存之间专门设置了一组高速的存和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使储总线，使CPUCPU与存储器、主存与外设之间与存储器、主存与外设之间快速地交换信息，从而形成存储总线与系快速地交换信息，从而形成存储总线与系统总线分开的双总线

19、结构。统总线分开的双总线结构。 优点优点: :简单、易于扩充。简单、易于扩充。 缺点缺点: :增加了硬件。增加了硬件。CPUSystem bus interfaceNetSCSIModemMCacheprinterSystem busMemory bus3.3.三总线结构三总线结构 在双总线系统的基础上增加在双总线系统的基础上增加I/OI/O总线。其中：总线。其中： 系统总线是系统总线是CPUCPU、主存和、主存和I/OI/O总线接口之间进总线接口之间进行数据传送公共通路，行数据传送公共通路， I/OI/O总线是多个外设与总线是多个外设与I/OI/O总线接口之间进行总线接口之间进行数据传送的公

20、共通路。数据传送的公共通路。CPUI/O bus interfaceNetSCSIModemMCacheprinterSystem busMemory busI/O busMouse8.38.3总线仲裁和协议总线仲裁和协议 当多个功能部件同时提出使用总线时：当多个功能部件同时提出使用总线时：谁可取得总线的使用权？谁可取得总线的使用权？怎样确定它们的优先次序？怎样确定它们的优先次序？当一个功能部件取得总线使用权后，怎样控当一个功能部件取得总线使用权后，怎样控制部件之间的通信？制部件之间的通信？通信完成后，总线的使用权怎样释放？通信完成后，总线的使用权怎样释放？ 通过总线传输需要解决总线通信控制问

21、通过总线传输需要解决总线通信控制问题：题：总线判优或仲裁逻辑中断逻辑总线判优或仲裁逻辑中断逻辑定时及传送处理定时及传送处理 总线判优是确定总线申请者的优先顺序。总线判优是确定总线申请者的优先顺序。 总线判优控制按其仲裁控制机构的设置分为：总线判优控制按其仲裁控制机构的设置分为： 集中式控制分布式控制集中式控制分布式控制集中式控制指总线控制逻辑基本上集中于一个集中式控制指总线控制逻辑基本上集中于一个设备或部件。设备或部件。分布总线控制指总线控制逻辑分散在连接总线分布总线控制指总线控制逻辑分散在连接总线的各个部件或设备中。的各个部件或设备中。 两种控制方式分为：两种控制方式分为： 串行链接控制串行

22、链接控制 定时查询定时查询 独立请求独立请求 以集中式控制方式为例进行介绍。以集中式控制方式为例进行介绍。1.1.串行链接控制串行链接控制 总线控制器使用总线控制器使用“总线请求总线请求”、“总线忙总线忙”、“总总线可用线可用”三根控制线与所有部件相连。与总线相连三根控制线与所有部件相连。与总线相连的所有部件经公共的的所有部件经公共的“总线请求总线请求”线发出申请。线发出申请。只有在只有在“总线可用总线可用”信号未建立时，信号未建立时，“总线请求总线请求”才能被才能被总线控制器响应，并送出总线控制器响应，并送出“总线可用总线可用”回答信号，并串行回答信号，并串行地通过每个部件。地通过每个部件。

23、如果某个部件接收到如果某个部件接收到“总线可用总线可用”信号，但没有信号，但没有“总线请总线请求求”，则将该信号传给下一个部件；否则停止，则将该信号传给下一个部件；否则停止“总线可用总线可用”信号传送，该部件建立信号传送，该部件建立“总线忙总线忙”信号，去除信号，去除“总线请总线请求求”，之后即可进行数据传送。，之后即可进行数据传送。 “总线忙总线忙”信号维持信号维持“总线可用总线可用”信号。信号。“总线忙总线忙”在数在数据传送完成后撤消，据传送完成后撤消，“总线可用总线可用”信号也随之去除。信号也随之去除。 如下图。如下图。串行链接判优线路串行链接判优线路 优先次序是由优先次序是由“总线可用

24、总线可用”线所连接部件的位置线所连接部件的位置决定的，离总线控制器越近的部件其优先权越高，决定的，离总线控制器越近的部件其优先权越高，离总线控制器越远的部件其优先权越低。离总线控制器越远的部件其优先权越低。部件0总线控制器部件1部件n总线请求总线忙总线可用 优点：优点：用用3 3根线就能按一定优先次序实现总根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，且很容易扩充设备。线仲裁，且很容易扩充设备。 缺点：缺点：对总线可用信号的电路故障非常敏感，如果对总线可用信号的电路故障非常敏感，如果第第i i个设备的接口电路有故障，那么第个设备的接口电路有故障，那么第i i个以后个以后的设备都不能进行工作。的设备都不能

25、进行工作。优先级是固定的，如果优先级高的设备频繁优先级是固定的，如果优先级高的设备频繁发出总线请求，那么优先级较低的设备可能长发出总线请求，那么优先级较低的设备可能长期不能使用总线。期不能使用总线。2.2.定时查询控制定时查询控制 定时查询控制方式是指定时查询各部件是否定时查询控制方式是指定时查询各部件是否需要使用总线。需要使用总线。 一般通过设置计数器来实现。一般通过设置计数器来实现。 若采用总线控制器设置统一的计数方式，则若采用总线控制器设置统一的计数方式，则称为统一计数方式。称为统一计数方式。部件0总线控制器部件1部件n定时查询计数器总线忙总线请求图统一计数方式比较器部件地址计数器值总线

26、忙 工作过程：工作过程：当控制器接到某部件发来的当控制器接到某部件发来的“总线请求总线请求”信号时，信号时，计数器开始计数。当计数值与发出请求信号部件计数器开始计数。当计数值与发出请求信号部件的地址一致时，说明已经查询到优先级高的请求的地址一致时，说明已经查询到优先级高的请求部件。于是该部件建立部件。于是该部件建立“总线忙总线忙”，并停止查询。，并停止查询。该部件占用总线进行数据传送，传送完毕后，撤该部件占用总线进行数据传送，传送完毕后，撤消消“总线忙总线忙”信号。信号。 若计数器不是集中设置，而是每一个部件设若计数器不是集中设置，而是每一个部件设置一个，则是局部计数方式。置一个，则是局部计数

27、方式。总线控制器只是一个时钟产生器，给各部件的总线控制器只是一个时钟产生器，给各部件的计数器提供计数脉冲。计数器提供计数脉冲。当计数值达到发出当计数值达到发出“总线请求总线请求”的部件时，该的部件时，该部件建立部件建立“忙忙”信号，并以它禁止时钟脉冲的发信号，并以它禁止时钟脉冲的发出。于是该部件成为主设备，进行数据传送，传出。于是该部件成为主设备，进行数据传送，传送完成后，撤消送完成后，撤消“忙忙”信号，计数脉冲又可以继信号，计数脉冲又可以继续发出。续发出。 定时查询控制方式优先级的确定可由程序定时查询控制方式优先级的确定可由程序确定，如从确定，如从0 0或中止点开始等。这种灵活或中止点开始等

28、。这种灵活性是以增加连线数目为代价的。性是以增加连线数目为代价的。部件0总线控制器部件1部件n时钟总线忙图局部计数方式3.3.独立请求控制独立请求控制 独立请求控制是指连接在总线上的各个独立请求控制是指连接在总线上的各个部件均有独立的部件均有独立的“总线请求总线请求”和和“总线总线可用可用”信号线。信号线。部件0总线控制器部件1部件n总线请求0总线忙总线可用0总线请求1总线可用1图独立请求控制 工作过程：工作过程：当某部件发当某部件发“总线请求总线请求”到总线控制器，请求使到总线控制器，请求使用总线。用总线。控制器如认为可使用总线，则发出控制器如认为可使用总线，则发出“总线可用总线可用”到该部

29、件，并撤消到该部件，并撤消“总线请求总线请求”，同时建立，同时建立“总总线忙线忙”信号。信号。该部件通过总线传送数据完毕，撤消该部件通过总线传送数据完毕，撤消“总线忙总线忙”，去除去除“总线可用总线可用”，并确定下一个可使用总线的，并确定下一个可使用总线的部件。部件。 优点：优先次序可灵活选定，可采用循环、优点：优先次序可灵活选定，可采用循环、程序控制、自适应、混合等方式。程序控制、自适应、混合等方式。 缺点：仲裁机构复杂。缺点：仲裁机构复杂。8.3.2 8.3.2 总线协议总线协议 总线一次信息传送阶段分为：总线一次信息传送阶段分为：总线请求，总线仲裁，寻址总线请求，总线仲裁，寻址( (目的

30、地目的地址址) )，信息传送，状态返回。，信息传送，状态返回。 协议或规程指为了使数据通信能圆满地进协议或规程指为了使数据通信能圆满地进行，要对通信双方如何交换信息建立一些行，要对通信双方如何交换信息建立一些规定和过程。规定和过程。 信息传送方式分为：信息传送方式分为： 同步通信同步通信 异步通信异步通信1.1.同步通信同步通信 在同步通信方式下，通信双方由统一的时在同步通信方式下，通信双方由统一的时钟控制数据传送，该时钟通常是由钟控制数据传送，该时钟通常是由CPUCPU发发出的，并传送到总线上的所有部件，如下出的，并传送到总线上的所有部件，如下图。图。 经过一段时间，本次总线传送周期结束，经

31、过一段时间，本次总线传送周期结束，开始下一个新的总线传送周期。开始下一个新的总线传送周期。图 同步通信 由于采用了公共时钟，各个功能部件何时发由于采用了公共时钟，各个功能部件何时发送或接收信息都由统一时钟规定，因此同步送或接收信息都由统一时钟规定，因此同步通信具有较高的数据传输率。通信具有较高的数据传输率。 同步通信适用于总线长度较短、各功能部件同步通信适用于总线长度较短、各功能部件操作时间差不多的情况。操作时间差不多的情况。 设计时钟必须按部件最慢的操作来设计公共设计时钟必须按部件最慢的操作来设计公共时钟。当操作时间相差很大时，会降低总线时钟。当操作时间相差很大时，会降低总线的效率。的效率。

32、2.2.异步通信异步通信 异步通信方式的主要特征是没有统一的时间异步通信方式的主要特征是没有统一的时间周期划分，而采取应答方式实现总线的传送周期划分，而采取应答方式实现总线的传送操作，所需时间视需要而定。操作，所需时间视需要而定。 异步通信方式是指利用数据发送部件和接收异步通信方式是指利用数据发送部件和接收部件之间的相互部件之间的相互“握手握手”信号信号( (非统一时钟非统一时钟) )来实现总线数据传送的方式。来实现总线数据传送的方式。 异步通信分为：异步通信分为： 单向控制方式单向控制方式 双向控制方式双向控制方式 双向控制分为：双向控制分为： 非互锁非互锁 半互锁半互锁 全互锁全互锁 在和

33、外设通信时经常采用双向异步互锁通信。在和外设通信时经常采用双向异步互锁通信。图异步通信方式图异步通信方式 如图如图(a)(a)，部件，部件1 1发出请求信号，经过一定时发出请求信号，经过一定时间后，自动降下请求信号。部件间后，自动降下请求信号。部件2 2收到请求收到请求后，在条件允许时发出回答信号，经过一定后，在条件允许时发出回答信号，经过一定时间后，自动降下回答信号。在这种应答方时间后，自动降下回答信号。在这种应答方式中，回答信号是因请求信号而引发的，用式中，回答信号是因请求信号而引发的，用箭头表示这种引发关系。但这两个信号的结箭头表示这种引发关系。但这两个信号的结束都是由部件自身定时决定的

34、，不存在互锁束都是由部件自身定时决定的，不存在互锁关系，因而称为非互锁方式。关系，因而称为非互锁方式。 如图如图(b)(b)，部件，部件1 1在接到部件在接到部件2 2的回答信号后，的回答信号后，便撤消请求信号。而部件便撤消请求信号。而部件2 2的回答信号撤消的回答信号撤消仍由自己的定时决定，不采用互锁。因此，仍由自己的定时决定，不采用互锁。因此，这种方式称为半互锁方式这种方式称为半互锁方式 如图如图(c)(c)，部件，部件1 1在接到部件在接到部件2 2的回答信号后，的回答信号后，撤消其请求信号。而部件撤消其请求信号。而部件2 2在检测到请求信在检测到请求信号撤消后，便撤消其回答信号。因此，

35、这种号撤消后，便撤消其回答信号。因此，这种方式称为全互锁方式。方式称为全互锁方式。 双向异步互锁通信是指发送部件将数据放双向异步互锁通信是指发送部件将数据放到总线上后，经过一定的时间延迟后，要到总线上后，经过一定的时间延迟后，要在控制线上发出在控制线上发出“数据准备好数据准备好”请求信号。请求信号。而接收部件则应发而接收部件则应发“数据接收数据接收”回答信号回答信号到源部件，并接收数据。发送部件收到这到源部件，并接收数据。发送部件收到这个回答信号后，去除原数据，至此结束本个回答信号后，去除原数据，至此结束本次操作。次操作。 以某机总线为例，说明异步全互锁方式下主以某机总线为例，说明异步全互锁方

36、式下主设备访问从设备的过程，如下图。因为它取设备访问从设备的过程，如下图。因为它取消了公共时钟，时钟线被二条通信联络线代消了公共时钟，时钟线被二条通信联络线代替，一条称为替，一条称为“ReadyReady”( (准备好准备好) )，另一条称，另一条称为为“AcceptAccept”( (接收接收) )。图异步通信总线信号图异步通信总线信号 写操作过程：写操作过程：主设备首先把地址、数据放到总线上，在允许主设备首先把地址、数据放到总线上，在允许的滞后、译码及建立时间的延迟之后，主设备向的滞后、译码及建立时间的延迟之后，主设备向从设备发送从设备发送ReadyReady信号，表示数据可以被从设备信号

37、，表示数据可以被从设备接收。接收。从设备接收到这个从设备接收到这个ReadyReady后，开始进行写操作，后，开始进行写操作，把数据锁存于一个受控缓冲寄存器中，然后从设把数据锁存于一个受控缓冲寄存器中，然后从设备向主设备回送备向主设备回送AcceptAccept信号表示从设备已经收到信号表示从设备已经收到了数据，主设备收到了数据，主设备收到AcceptAccept信号之后撤消信号之后撤消ReadyReady信号，接着从设备也撤消信号，接着从设备也撤消AcceptAccept信号，表示一次信号，表示一次数据传送结束。数据传送结束。 读操作过程：读操作过程：主设备首先把地址放到总线上，在选中从设备

38、之后，主主设备首先把地址放到总线上，在选中从设备之后，主设备发送设备发送ReadyReady信号，启动从设备操作，在从设备把所要信号，启动从设备操作，在从设备把所要求数据放到总线上之后，从设备向主设备回送求数据放到总线上之后，从设备向主设备回送AcceptAccept信信号，表示从设备读操作完成。号，表示从设备读操作完成。主设备收到主设备收到AcceptAccept信号后，立即把总线上的数据装入它信号后，立即把总线上的数据装入它的缓冲器，在这期间的缓冲器，在这期间AcceptAccept信号必须保持高电平，数据信号必须保持高电平，数据信号必须保持稳定，当主设备完成数据的接收，就撤消信号必须保持

39、稳定，当主设备完成数据的接收，就撤消ReadyReady信号，接着从设备也撤消信号，接着从设备也撤消AcceptAccept信号，于是整个数信号，于是整个数据传送完成。据传送完成。 异步通信方式优点：总线周期长度可变，便异步通信方式优点：总线周期长度可变，便于实现不同速度部件之间的数据传送。于实现不同速度部件之间的数据传送。 缺点：会增加总线的复杂性和成本。缺点：会增加总线的复杂性和成本。总线负载能力和出错处理总线负载能力和出错处理 总线上可连接多个部件，具有扩充灵活的优总线上可连接多个部件，具有扩充灵活的优点，但总线驱动能力总是有限的，因此在扩点，但总线驱动能力总是有限的，因此在扩充时要加以

40、注意。通常一个功能部件或一个充时要加以注意。通常一个功能部件或一个部件限制在部件限制在1 12 2个负载以内。个负载以内。 在总线的传输线上至少连接两个源部件，而在总线的传输线上至少连接两个源部件，而对集成电路来讲，不是任意两个集成电路的对集成电路来讲，不是任意两个集成电路的输出端可以短接在一起的，使用不当，会损输出端可以短接在一起的，使用不当，会损坏器件。坏器件。 通常采用三态输出电路或集电极开路输出通常采用三态输出电路或集电极开路输出电路来驱动总线。后者速度较低，通常使电路来驱动总线。后者速度较低，通常使用在用在I/OI/O总线上。总线上。 数据传送过程中也可能产生错误，有些接数据传送过程

41、中也可能产生错误，有些接收部件有自动纠错能力；而有些部件无自收部件有自动纠错能力；而有些部件无自动纠错能力但能发现错误。若发现传送错动纠错能力但能发现错误。若发现传送错误，则向误，则向CPUCPU发出发出“数据出错数据出错”中断请求信中断请求信号，号，CPUCPU响应中断后，转入出错处理程序。响应中断后，转入出错处理程序。8.4 PCI8.4 PCI总线总线 最早提出的最早提出的PCIPCI总线工作在总线工作在33MHz33MHz频率之下，频率之下，传输带宽达到了传输带宽达到了133MB/s133MB/s（33MHz33MHz* *32bit/832bit/8），基本上满足了当时处），基本上满

42、足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，理器的发展需要。随着对更高性能的要求，19931993年提出了年提出了64-bit64-bit的的PCIPCI总线，后来又提总线，后来又提出把出把PCI PCI 总线的频率提升到总线的频率提升到66MHz66MHz。 8.4.1 PCI8.4.1 PCI总线的特点总线的特点 1 1 PCIPCI总线的特点总线的特点 数据传输率高数据传输率高PCIPCI的数据总线宽度为的数据总线宽度为3232位，可扩充到位，可扩充到6464位。位。它以它以33 MHz33 MHz的时钟频率操作。因此，若采用的时钟频率操作。因此，若采用6464位宽度，则最高传输速率

43、可达位宽度，则最高传输速率可达264 MB264 MBs s。 支持猝发传输支持猝发传输(Burst Transmission)(Burst Transmission)猝发数据传输是指一个传输周期内在一个地址猝发数据传输是指一个传输周期内在一个地址后可跟若干个数据。这意味着传输从某一个地后可跟若干个数据。这意味着传输从某一个地址开始后，可以连续对数据进行操作，而每次址开始后，可以连续对数据进行操作，而每次的操作，地址是自动加的操作，地址是自动加1 1的。这样加快了传输的。这样加快了传输速度。速度。 支持多主控器支持多主控器在同一条在同一条PCIPCI总线上可以有多个总线主控器总线上可以有多个总

44、线主控器( (主主设备设备) )，各个主控器通过总线仲裁竞争总线控制，各个主控器通过总线仲裁竞争总线控制权。权。PCIPCI总线专门设有总线占用请求和总线占用允许总线专门设有总线占用请求和总线占用允许信号，各个主控器占用总线是合法的，而不必信号，各个主控器占用总线是合法的，而不必再是再是“盗用盗用”。 减少存取延迟减少存取延迟PCIPCI总线能够大幅度减少外围设备取得总线控制总线能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间，以保证数据传输的畅通。例如权所需的时间，以保证数据传输的畅通。例如以太网控制器，如果等待总线使用权的时间过以太网控制器，如果等待总线使用权的时间过长，会使网卡无法及时在缓

45、冲区溢出之前迅速长，会使网卡无法及时在缓冲区溢出之前迅速将数据送给将数据送给CPUCPU，而被迫将接收的信息作额外的，而被迫将接收的信息作额外的处理。处理。 独立于处理器独立于处理器PCIPCI总线以一种独特的、独立于处理器的中间总线以一种独特的、独立于处理器的中间缓冲器方式，将中央处理器子系统与外围设备缓冲器方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。有了这种缓冲器的设计，用户可随意增分开。有了这种缓冲器的设计，用户可随意增添外围设备，系统的性能也不会下降。这种总添外围设备，系统的性能也不会下降。这种总线结构还可保证外围设备互连系统的设计不会线结构还可保证外围设备互连系统的设计不会因处理器技术的

46、变化而变化。因处理器技术的变化而变化。 支持即插即用支持即插即用(Plug and Play)(Plug and Play)所谓即插即用是指在新的接口卡插入总线插槽所谓即插即用是指在新的接口卡插入总线插槽时，系统能自动识别并装入相应的设备驱动程时，系统能自动识别并装入相应的设备驱动程序，因而立即可以使用。序，因而立即可以使用。 数据完整性数据完整性PCIPCI总线提供了数据和地址的奇偶校验功能，总线提供了数据和地址的奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。保证了数据的完整性和准确性。 低成本、高可靠性低成本、高可靠性PCIPCI总线插槽短，总线物理引脚窄且间距小，总线插槽短，总线物理引脚窄且

47、间距小，支持总线标准的支持总线标准的PCIPCI芯片均为超大规模集成电芯片均为超大规模集成电路，体积小，可靠性高；路，体积小，可靠性高；PCIPCI总线采用地址总线采用地址数据复用技术，减少了引脚数量。这些使得数据复用技术，减少了引脚数量。这些使得PCIPCI接口卡的小型化成为可能，从而降低了成接口卡的小型化成为可能，从而降低了成本，提高了可靠性。本，提高了可靠性。2 2PCIPCI总线的系统结构总线的系统结构 在一个系统中，在一个系统中，PCIPCI总线还能和其他总线总线还能和其他总线( (如如ISAISA、EISAEISA等总线等总线) )共存，从而使系统中共存，从而使系统中既能接入高速外

48、围设备，也能接入低速外既能接入高速外围设备，也能接入低速外围设备。下图为采用围设备。下图为采用PCIPCI总线的微机系统结总线的微机系统结构示意图。构示意图。处理器/CacheHOST桥处理器/CacheDRAMHOST总线主存控制器PCI设备PCI设备主设备目标设备RAM目标设备I/OPCI/LAGACY桥PCI/PCI桥PCI设备PCI总线PCI总线LAGACY总线(ISA,EISA,)PCI设备PCI设备LAGACY设备LAGACY设备 8.4.2 PCI8.4.2 PCI总线信号定义总线信号定义 PCIPCI接口信号通常分为必备的和可选的。接口信号通常分为必备的和可选的。 如果只作为从

49、设备，则至少需要如果只作为从设备，则至少需要4747根信号根信号线；若作为主设备，则需要线；若作为主设备，则需要4949根信号线。根信号线。 PCIPCI总线规范中接口信号如总线规范中接口信号如下下图图。信号名称后面有信号名称后面有“#”“#”号表示低电平有效，否号表示低电平有效，否则表示高电平有效则表示高电平有效。对于有两种意义的信号对于有两种意义的信号( (如如C/BE4C/BE40#)0#)，低，低电平时表示有电平时表示有“#”“#”号的信号起作用，高电平号的信号起作用，高电平时表示没有时表示没有“#”“#”号的信号起作用。号的信号起作用。 利用这些信号线可以处理数据、地址，实利用这些信

50、号线可以处理数据、地址，实现接口控制、仲裁及系统功能。现接口控制、仲裁及系统功能。 具体信号的意义见教材。具体信号的意义见教材。PCI总线设备AD310C/BE40#PAR地址/数据线FRAME#IRDY#TRDY#STOP#DEVSEL#IDSEL#接口控制信号PERR#SERR#错误报告信号REQ#GNT#仲裁信号仅 主 设 备用CLKRST#系统信号AD6362C/BE74#PAR64REQ64ACK64LOCK#64位总线扩展信号接口控制信号INTA#INTB#INTC#INTD#中断信号SBO#SDONE#CACHE支持信号TDITDOTCKTMSTRST#边界扫描信号8.4.3 P

51、CI8.4.3 PCI总线周期类型和操作总线周期类型和操作 1 1 PCIPCI总线周期类型总线周期类型PCIPCI总线周期由当前被授权的主设备发起。总线周期由当前被授权的主设备发起。PCIPCI支持点到点的对等访问，也支持某些主设备的支持点到点的对等访问，也支持某些主设备的广播读写。广播读写。 PCIPCI总线周期类型由主设备在总线周期类型由主设备在C/BE#C/BE# 3030线线上送出的上送出的4 4位总线命令代码指明，被目标设位总线命令代码指明，被目标设备译码确认，然后主从双方协调配合完成备译码确认，然后主从双方协调配合完成指定的总线周期操作。指定的总线周期操作。4 4位代码组合可指定

52、位代码组合可指定1616种总线命令，但实际给出种总线命令，但实际给出1212种。种。PCIPCI总线总线周期类型如周期类型如下下表。表。C/BE#3210命令类型C/BE#3210命令类型00000001001000110100010101100111中断确认周期特殊周期I/O读周期I/O写周期保留保留存储器读周期存储器写周期10001001101010111100110111101111保留保留配置读周期配置写周期存储器多重读周期双地址周期存储器读行周期存储器写和使无效周期 存储器读存储器读/ /写总线周期是以猝发式传送为基写总线周期是以猝发式传送为基本机制，一次猝发式传送总线周期通常由本机

53、制，一次猝发式传送总线周期通常由一个地址周期和一个或几个数据周期组成。一个地址周期和一个或几个数据周期组成。 存储器读存储器读/ /写周期的解释，取决于写周期的解释，取决于PCIPCI总线总线上的存储器控制器是否支持存储器上的存储器控制器是否支持存储器/cache/cache之间的之间的PCIPCI传输协议。如果支持，则存储器传输协议。如果支持，则存储器读读/ /写一般是通过写一般是通过cachecache来进行；否则，是来进行；否则，是以数据块非缓存方式来传输。以数据块非缓存方式来传输。读命令类型对于有cache能力的存储器对于无cache能力的存储器存储器读存储器读行存储器多重读猝发式读取

54、cache行的一半或更少猝发长度为0.53个cache行猝发长度大于3个cache行猝发式读取1-2个存储字猝发长度为3-12存储字猝发长度大于12个存储字 特殊周期是用于主设备将其信息(如状态信息)广播到多个目标方。 配置读/写周期是PCI具有自动配置能力的体现。PCI有三个相互独立的物理地址空间，即存储器、I/O、配置空间。 双地址周期用于主方指示它正在使用64位地址。 特殊周期是用于主设备将其信息特殊周期是用于主设备将其信息( (如状态信如状态信息息) )广播到多个目标方。广播到多个目标方。 配置读配置读/ /写周期是写周期是PCIPCI具有自动配置能力的具有自动配置能力的体现。体现。P

55、CIPCI有三个相互独立的物理地址空间，有三个相互独立的物理地址空间，即存储器、即存储器、I/OI/O、配置空间。、配置空间。 双地址周期用于主方指示它正在使用双地址周期用于主方指示它正在使用6464位位地址。地址。2 2PCIPCI总线上的操作总线上的操作 对于对于PCIPCI总线的传输，可总结出以下几条规总线的传输，可总结出以下几条规则：则： FRAME#FRAME#和和IRDY#IRDY#决定总线的忙闲状态。当决定总线的忙闲状态。当其中一个有效时，表示总线忙；两个都无效时，其中一个有效时，表示总线忙；两个都无效时，总线进入空闲状态。总线进入空闲状态。一旦一旦FRAME#FRAME#被置为无效，在同一传输期间不被置为无效，在同一传输期间不能重新置为有效。能重新置为有效。除非设置除非设置IRDY#IRDY#，一般情况下不能设置，一般情况下不能设置FRAME#FRAME#无效无效( (在在FRAME#FRAME#无效后的第一个时钟沿无效后的第一个时钟沿IRDY#IRDY#必须保持有效必须保持有效) )。一旦主设备已使一旦主设备已使IRDY#IRDY#有效，在当前数据传有效，在当前数据传