大学计算机组成原理 第6章 总线系统

计算机组成原理第6章总线系统

课程教学要求本章内容：

6.1总线的概念和结构形态

6.2总线接口

6.3总线的仲裁

6.4

定时和数据传送模式

6.5HOST总线和PCI总线

6.6总线InfiniBand标准

本章小结6.1

总线的概念和结构形态

6.1.1

总线的基本概念6.1.2

总线的连接方式6.1.3

总线结构对计算机系统性能的影响6.1.4

总线的内部结构6.1.5

总线结构实例总线系统6.1.1总线的基本概念

总线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。一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：

(1)内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。(2)系统总线：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。(3)I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。总线系统1.总线的特性

物理特性：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。功能特性：描述总线中每一根线的功能。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。送入CPU的信号叫输入信号(IN)，从CPU发出的信号叫输出信号(OUT)。

时间特性: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。总线系统2.总线的标准化相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。总线的标准化问题；例如：ISA,EISA,VESA,PCI等等总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。单位是兆字节/秒（MB/S）总线系统【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)设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得:

Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×1000000/s=132MB/s(2)64位=8B，

Dr=D×f=8B×66×1000000/s=528MB/s

总线系统6.1.2总线的连接方式总线系统通过设备适配器将种类繁多、速度各异的外围设备连接到CPU上，使他们能够一起正常工作。设备适配器也称为接口。单机系统的总线连接方式：单总线系统多总线系统

1.单总线结构

在单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。CPU主存设备适配器设备适配器单总线结构系统总线外设与主存统一编址

单总线特点：1.结构简单，容易扩充2.由于若干逻辑部件共用一条总线，因此，总线为分时工作状态，会使整机工作速度降低。多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。图6.2多总线结构多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。1.CPU和cache之间采用高速的CPU总线。2.主存连在系统总线上。3.高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设备）。4.高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。5.通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。6.1.3总线的内部结构总线系统早期总线的内部结构：

是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。CPU存储器模块输入设备接口输出设备接口数据线地址线控制线

这种简单的总线一般由50—100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。简单总线结构的不足之处在于：

第一

CPU是总线上的唯一主控者;

第二总线信号是CPU引脚信号的延伸，即：总线结构紧密与CPU相关，因而通用性较差。CPU-CACHE模块存储器模块I/O适配器总线控制器数据传送总线（数据线、地址线、控制线）仲裁总线（BR、BG）中断和同步总线公用线（时钟信号、电源/地线、…）当代流行的总线内部结构

它是一些标准总线，其追求的是与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足包括多个CPU在内的主控者环境需求。整个总线分成如下四部分：

1数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。

2仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。

3中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。

4公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。总线结构实例

大多数计算机采用了分层次的多总线结构。Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。

CAI演示6.2

总线接口

6.2.1

信息的传送方式6.2.2

接口的基本概念总线系统6.2.1信息的传送方式

数字计算机使用二进制数，它们或用电位的高、低来表示，或用脉冲的有、无来表示。计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。总线系统1.串行传送

当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号，每次一位。总线系统在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并－串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要进行串－并变换，这称为装配。串行传送的主要优点:只需要一条传输线，长距离传输成本低廉。2.并行传送

并行方式传送二进制信息时，每个数据位都需要单独一条传输线。二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送。并行传送采用电位传送。并行传送比串行传送快得多。总线系统3.分时传送

分时传送有两种概念:

1、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。

2、部件分时使用方式

由于多部件共享总线，因而各部件根据控制命令，分时使用总线来完成数据的传送任务。总线系统6.2.2接口的基本概念

接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。一个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备。总线系统CPU、接口和外围设备之间的连接关系一个适配器必有两个接口：

与系统总线的接口，CPU和适配器的数据交换一定的是并行方式；

和外设的接口，适配器和外设的数据交换可能是并行/串行方式。根据外围设备供求串行/并行数据的方式，适配器分为串行数据接口和并行数据接口两大类。典型的接口通常具有如下功能：

1.控制接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。

2.缓冲接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。

3.状态接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据“准备就绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备时进行分析之用。总线系统

4.转换接口可以完成任何要求的数据转换，例如并－串转换或串－并转换，因此数据能在外围设备和CPU之间正确地进行传送。

5.整理接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。

6.程序中断每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到CPU。总线系统【例2】利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特(bit)位数常称为波特率。假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个bit(起始位、停止位、8个数据位)，问传送的波特率是多少?每个bit占用的时间是多少?【解】：波特率为：10位×120/秒=1200波特每个bit占用的时间Td是波特率的倒数：Td=1/1200=0.833×0.001s=0.833msPC机总线的发展16位PC机：单总线结构IBMPC机和IBMPC/XT机的IBMPC总线IBMPC/XT机的IBMAT总线，即ISA总线ISA总线:

(IndustryStandardArchitecture:工业标准体系结构）是IBM公司为PC/AT（advancedtechnology）电脑而制定的总线标准，为16位体系结构，只能支持16位的I/O设备，数据传输率大约是8MB/S。也称为AT标准。开始时PC机面向个人及办公室，定义了8位的ISA总线结构，对外公开，成为标准（ISOISA标准）。第三方开发出许多ISA扩充板卡，推动了PC机的发展。1984年推出IBM-PC/AT系统，ISA从8位扩充到16位，地址线从20条扩充到24条。早期32位PC机MCA总线MCA总线是IBM公司开发的一种总线，应用在PS/2微机上。这种总线与ISA总线完全不兼容，但技术上更加先进。该总线既可以操作16位数据总线，也可以操作32位数据总线。

MCA与PC/ISA/EISA之间的主要技术区别是MCA使用的是同步总线，而PC/ISA/EISA使用的都是异步总线。EISA总线（扩展ISA总线）ExtendedIndustryStandardArchitecture(EISA)Bus

扩展工业标准体系结构(EISA)总线EISA总线1989年由工业厂商联盟设计，用于支持现有的ISA扩充板，同时为以后的发展提供一个平台。为支持ISA卡，它使用8MHz的时钟速率，但总线提供的DMA(直接存储器访问)速度可达33Mbps。EISA总线的输出/输出(I/O)总线和微处理总线是分离的，因此I/O总线可保持低时钟速率以支持ISA卡而微处理器总线则可以高速率运行。EISA机器可以向多个用户提供高速磁盘输出。32位局部总线VESAVESA（videoelectronicsstandardassociation）总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESAlocalbus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。

当前32位PC机：多总线结构存储总线系统总线：外设部件互连PCI

PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线是一种高性能局部总线，是为了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用PCI总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。显示总线：图形加速接口AGPAGP（AccelerateGraphicalPort），加速图形接口。随着显示芯片的发展，PCI总线日益无法满足其需求。英特尔于1996年7月正式推出了AGP接口，它是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，AGP不能称为总线，它与PCI总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，但在习惯上我们依然称其为AGP总线。工作频率为66MHz。

AGP接口的发展经历了AGP1.0、AGP2.0、AGP3.0等阶段，其传输速度也从最早的AGP1X的266MB/S的带宽发展到了2.1GB/S。

外设接口：键盘接口、鼠标接口、并行打印机接口、串行通信接口，通用串行接口USBSCSI小型计算机系统接口（SmallComputerSystemInterface），一种用于计算机和智能设备之间（硬盘、软驱、光驱、打印机、扫描仪等）系统级接口的独立处理器标准。SCSI是一种智能的通用接口标准。它是各种计算机与外部设备之间的接口标准。

IDE接口：

（Integrated-Drive-Electronics）是现在普遍使用的外部接口，主要接硬盘和光驱。采用16位数据并行传送方式，体积小，数据传输快。一个IDE接口只能接两个外部设备。

SCSI与IDE的区别

IDE更加适合普通用户，再加上个人电脑用户不但需要配置的外设不多，而且对速度要求也不高，因此选用IDE接口更合适些。此外，IDE还具有性能价格比高、适用面广等特点。而SCSI接口尽管具有很多无与伦比的特点，但不论从哪个角度看，该接口及其使用该接口的外设售价过于昂贵，一般用户实在无法承受，这也就决定了它的实际使用范围的局限性。

IEEE1394接口InstituteofElectricalandElectronicsEngineers(IEEE)美国电气和电子工程师协会IEEE1394，俗称火线接口，主要用于视频的采集，在INTEL高端主板与数码摄像机(DV)上可见。

IEEE1394，别名火线（FireWire）接口，是由苹果公司领导的开发联盟开发的一种高速度传送接口，数据传输率一般为800Mbps。6.3

总线的仲裁6.3.1

总线的仲裁6.3.2

总线的定时6.3.3

总线的数据传送模式总线系统6.3.1总线的仲裁连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级（I/O模块的总线请求）或公平策略(多处理器系统中的CPU模块的中断请求)进行仲裁。主方持续控制总线的时间为总线占用期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。总线系统1.集中式仲裁集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR；

一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。集中式仲裁三种方式链式查询方式计数器定时查询方式独立请求方式总线系统集中仲裁：链式查询方式总线控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG数据线地址线BS

-总线忙BR-总线请求BG-总线同意I/O接口1(1)链式查询方式总线系统优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁;判优方法简单;扩充设备容易.缺点：对询问链的电路故障很敏感;

查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线

0BS

-总线忙BR-总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址集中仲裁：计数器定时查询方式I/O接口1计数器设备地址

1(2)计数器定时查询方式总线系统

计数器查询方式的特点：

1.每次计数可以从“0”开始，也可以从上次的中止点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。

2.计数器的初值也可用程序来设置，可以方便改变优先次序。这种灵活性以增加线数为代价(如：增加为3根线，可管理23=8个设备；增加为4根线，则可管理24=16个设备等)。排队器排队器集中仲裁：独立请求方式总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意BR-总线请求(3)独立请求方式

独立请求方式的特点：

1.响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少。

2.既可以预先固定，也可以通过程序来方便地改变优先次序，对优先次序的控制相当灵活；

3.可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法，封锁来自无效设备的请求。（对设备的请求进行干预和管理）

4.这种方式需增加的线数较多（N个设备，需要2N根线），仲裁器的结构相应也要复杂一些。总线系统2.分布式仲裁

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。

共享的仲裁总线上总是保留着当前占用总线模块的仲裁号，当其它模块有总线请求时，各仲裁器将从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，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。总线系统中央处理器设备接口0设备接口1设备接口N3126.4.1总线的定时（时序协议）总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回。定时：事件出现在总线上的时序关系。同步定时（时序）在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。微处理器控制的总线时序采用同步时序异步定时（时序）在异步定时协议中，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。在这种系统中，不需要统一的共公时钟信号。总线周期的长度是可变的。

同步式数据输入T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

读命令数据同步式数据输出T1总线传输周期T2T3T4

时钟

地址

写命令数据6.5HOST总线、PCI总线在典型的多总线结构中包含三种总线：HOST总线、PCI总线、LAGACY总线。HOST总线：该总线有CPU总线、系统总线、主存总线、前端总线等多种名称，各自反映了总线功能的一个方面。这里称“宿主”总线，也许更全面，因为HOST总线不仅连接主存，还可以连接多个CPU。HOST总线是连接“北桥”芯片与CPU之间的信息通路，它是一个64位数据线和32位地址线的同步总线。32位的地址线可支持处理器4GB的存储寻址空间。总线上还接有L2级cache，主存与cache控制器芯片。后者用来管理CPU对主存和cache的存取操作。CPU拥有HOST总线的控制权，但在必要情况下可放弃总线控制权。PCI总线：连接各种高速的PCI设备。PCI是一个与处理器无关的高速外围总线，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策略，并具有自动配置能力。PCI设备可以是主设备，也可以是从设备，或兼而有之。在PCI设备中不存在DMA（直接存储器传送）的概念，这是因为PCI总线支持无限的猝发式传送。这样，传统总线上用DMA方式工作的设备移植到PCI总线上时，采用主设备工作方式即可。系统中允许有多条PCI总线，它们可以使用HOST桥与HOST总线相连，也可使用PCI/PCI桥与已和HOST总线相连的PCI总线相连，从而得以扩充PCI总线负载能力。3、LAGACY总线：可以是ISA，EISA，MCA等这类性能较低的传统总线，以便充分利用市场上丰富的适配器卡，支持中、低速I/O设备。在PCI总线体系结构中有三种桥。其中HOST桥又是PCI总线控制器，含有中央仲裁器。桥起着重要的作用，它连接两条总线，使彼此间相互通信。桥又是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总