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1、16.1 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 总线结构实例第1页/共55页26.1.1 总线的基本概念1.总线的特性2.总线的标准化第2页/共55页3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借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作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、
2、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第3页/共55页41.总线的特性物理特性指总线的物理连接方式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总线的电平都符合TTL电平的定义时间特性定义了每根线在什么时间有效只有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第4页/共55页52.总线的标准化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第5页/共55页6微型计
3、算机系统中采用的标准总线：ISA总线16位，带宽8MB/sEISA总线32位，带宽33.3MB/sVESA总线32位，带宽132MB/sPCI总线64位，带宽264MB/s第6页/共55页7总线带宽总线带宽是衡量总线性能的重要指标定义为总线本身所能达到的最高传输速率(MB/s)第7页/共55页8例题 P214例1【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，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，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
4、，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=Df=4B33106/s=132MB/s(2)64位=8B，Dr=Df=8B66106/s=528MB/s第8页/共55页96.1.2 总线的连接方式1.单总线结构2.双总线结构3.三总线结构第9页/共55页10适配器通过适配器可以实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制适配器通常简称为接口根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有三种基本类型：单总线结构双总线结构三总线结构第10页/共55页111.单总线结构P214图6.1，CAI演示使用一条单一的系统总线来连接
5、CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构在单总线结构中，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；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权第11页/共55页12当CPU取一条指令时，首先把程序计数器PC中的地址同控制信息一起送至总线上该地址不仅加至主存，同时也加至总线上的所有外围设备然而，只有与出现在总线上的地址相对应的设备，才执行数据传送操作对输入/输出设备的操作，完全和主存的操作方法一样来处理当CPU把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字段对应的地址是主存地址，则主存予以响应，从而在CPU和主存之间发生数据传送如果该指令地址字段对应的是
6、外围设备地址，则外围设备译码器予以响应，从而在CPU和与该地址相对应的外围设备之间发生数据传送第12页/共55页13某些外围设备也可以指定地址如果一个由外围设备指定的地址对应于一个主存单元，则主存予以响应，于是在主存和外设之间将进行直接存储器传送(DMA)单总线结构容易扩展成多CPU系统只要在系统总线上挂接多个CPU即可由于所有逻辑部件都挂在同一个总线上，因此总线只能分时工作，即某一时间只能允许一对部件之间传送数据，这就使信息传送的吞吐量受到限制第13页/共55页142.双总线结构P215图6.2，CAI演示第14页/共55页15双总线结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点在CPU和主存之间
7、专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操作，而不必经过CPU当然这种双总线系统以增加硬件为代价第15页/共55页163.三总线结构P216图6.3，CAI演示第16页/共55页17三总线结构是在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的其中，系统总线是CPU、主存和通道（IOP）之间进行数据传送的公共通路，而I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路第17页/共55页18通道在DMA方式中，外设与存储器间直接交换数据而不经过CPU，从而减轻了CPU对数据输入输出的控制，而“通道”方式进一步提
8、高了CPU的效率通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为IOP(I/O处理器),它分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送显然，由于增加了IOP，使整个系统的效率大大提高然而这是以增加更多的硬件代价换来的第18页/共55页196.1.4 总线的内部结构早期总线的内部结构当代总线的内部结构第19页/共55页20早期总线的内部结构P217图6.4，CAI演示第20页/共55页21早期总线实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道这种简单的总线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线地址线是单向的，用来传送主存与设备的地址数据线是双向的，用
9、来传送数据控制线对每一根线来讲是单向的，用来指明数据传送的方向、中断请求和定时控制等第21页/共55页22简单总线结构的不足之处第一，CPU是总线上唯一的主控者，即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求第二，总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差第22页/共55页23当代总线的内部结构P218图6.5，CAI演示第23页/共55页24当代总线是一些标准总线，追求与结构、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在当代总线结构中，CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连系统中
10、允许有多个这样的处理器模块而总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁第24页/共55页25整个总线分成如下四部分：数据传送总线由地址线、数据线、控制线组成仲裁总线包括总线请求线和总线授权线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第25页/共55页266.1.5 总线结构实例大多数计算机采用了分层次的多总线结构在这种结构中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线显然，这种结构不仅解决了总线负载过重的问题，而且使总线设计简单，并能充分发挥每类总线的效能第2
11、6页/共55页27Pentium计算机主板的总线结构P219图6.6，CAI演示第27页/共55页28Pentium主板总线结构是一个三层次的多总线结构，即有CPU总线、PCI总线和ISA总线CPU总线也称CPU-存储器总线CPU是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制权从传统的观点看，可以把CPU总线看成是CPU引脚信号的延伸PCI总线用于连接高速的I/O设备模块通过“桥”芯片，上面与更高速的CPU总线相连，下面与低速的ISA总线相接ISA总线Pentium机使用该总线与低速I/O设备连接第28页/共55页29“桥”芯片CPU总线、PCI总线、ISA总线通过两个“桥”芯片连成整体桥芯片在此
12、起到了信号速度缓冲、电平转换和控制协议的转换作用通常将CPU总线-PCI总线的桥称为北桥，将PCI总线-ISA总线的桥称为南桥通过桥将两类不同的总线“粘合”在一起的技术特别适合于系统的升级换代PCI芯片组Pentium个人机总线系统中有一个核心逻辑芯片组，简称PCI芯片组它包括主存控制器和cache控制器芯片、北桥芯片和南桥芯片在系统中起着至关重要的作用第29页/共55页306.2 总线接口6.2.1 信息的传送方式6.2.2 接口的基本概念第30页/共55页316.2.1 信息的传送方式1.串行传送2.并行传送3.分时传送第31页/共55页32计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并
13、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P220图6.7，CAI演示第32页/共55页331.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，每次一位串行传送时低位在前，高位在后第33页/共55页34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是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要第34页/共55页352.并行传送用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条
14、传输线信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送第35页/共55页36并行传送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多第36页/共55页373.分时传送分时传送有两种概念一是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二是共享总线的部件分时使用总线第37页/共55页386.2.2 接口的基本概念I/O设备适配器通常简称为接口广义地讲，接口是指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
15、件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送第38页/共55页39CPU、接口和外围设备之间的连接关系P221图6.8CAI演示第39页/共55页40外围设备本身带有自己的设备控制器，它是控制外围设备进行操作的控制部件它通过接口接收来自CPU传送的各种信息，并根据设备的不同要求把这些信息传送到设备，或者从设备中读出信息传送到接口，然后送给CPU第40页/共55页41标准接口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不管什么样的外围设备，只要选用某种数据传送控制方法，并按它的规定通过总线和主机连接，就可进行信息交换通常在总线和每个外围设备的设
16、备控制器之间使用一个适配器（接口）电路，以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送和接收信息接口逻辑通常做成标准化一个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备第41页/共55页42事实上，一个适配器必有两个接口：一是和系统总线的接口CPU和适配器的数据交换一定的是并行方式二是和外设的接口适配器和外设的数据交换可能是并行方式，也可能是串行方式第42页/共55页43例题 P222例2【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个数据位（起始位、停止位、8个数据位），问传送的波特率是多少？每个比特位占
17、用的时间是多少？【解】：波特率为：10位120/秒=1200波特每个比特位占用的时间Td是波特率的倒数：Td=1/1200=0.83310-3s=0.833ms第43页/共55页446.3 总线的仲裁、定时和数据传送模式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第44页/共55页456.3.1 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：主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方的请求每次总线操作，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第45页/共55页46为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件，以
18、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，一般采用优先级或公平策略进行仲裁被授权的主方在当前总线业务一结束，即接管总线控制权，开始新的信息传送第46页/共55页47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1.集中式仲裁需要中央仲裁器当代总线标准普遍采用独立请求方式对于单处理器系统总线而言，中央仲裁器又称为总线控制器，它是CPU的一部分2.分布式仲裁不需要中央仲裁器第47页/共55页486.3.2 总线的定时总线的一次信息传送过程，大致可分为五个阶段：请求总线、总线仲裁、寻址(目的地址)、信息传送、状态返回(或错误报告)为了同步主方、
19、从方的操作，必须制订定时协议所谓定时，是指事件出现在总线上的时序关系数据传送过程中采用的两种定时方式1同步定时2异步定时第48页/共55页491同步同步定时在同步定时协议中，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由于同步总线必须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，会大大损失总线效率第49页/共55页502异步异步定时在异步定时协议中，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
20、基础上在这种系统中，不需要统一的公共时钟信号允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上，但这以增加总线的复杂性和成本为代价第50页/共55页516.4 PCI总线6.4.1 多总线结构 6.4.2 PCI总线信号 6.4.3 总线周期类型 6.4.4 总线周期操作 6.4.5 总线仲裁第51页/共55页526.4.1 多总线结构PCI是一个与处理器无关的高速外围总线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P228图6.13，CAI演示第52页/共55页53整个系统有三种不同的总线：HOST总线该总线有CPU总线、系统总线、主存总线等多种名称，这里称“宿主”总线PCI总线连接各种高速的PCI设备LAGACY总线可以是ISA、EISA等性能较低的传统总线支持中、低速I/O设备第53页/共55页54桥在PCI总线体系结构中，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线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表PCI总线的基本传输机制是猝发式传送，利用桥可以实现总线间的猝发式传送第54页/共55页55感谢您的观看！第55页/共55页