计算机组成原理第6章课件.ppt

第六章第六章 总线系统总线系统n 6.1 总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态 n 6.2 总线接口总线接口n 6.3 总线的仲裁总线的仲裁n 6.4 总线的定时和数据传送模式总线的定时和数据传送模式n 6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线n 6.6 InfiniBand标准标准第六章第六章 总线系统总线系统6.1总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态6.1.1总线的基本概念总线的基本概念6.1.2总线的连接方式总线的连接方式6.1.3总线的内部结构总线的内部结构6.1.4总线结构实例总线结构实例6.1.1总线的基本概念总线的基本概念总线：总线：构成计算机系统的互连机构，是多个系统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。功能部件之间进行数据传送的公共通路。总线支持不同部件之间的总线支持不同部件之间的地址地址、数据数据、控制控制三类三类信息的传送。信息的传送。一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：u内部总线内部总线CPU内，连接各寄存器及运算器。内，连接各寄存器及运算器。u系统总线系统总线连接连接CPU与存储器、与存储器、I/O通道等。通道等。uI/O总线总线连接各连接各I/O设备。设备。1.总线的特性总线的特性物理特性物理特性u指物理连接方式的规定。指物理连接方式的规定。u如总线的根数、插头插座的形状和尺寸等。如总线的根数、插头插座的形状和尺寸等。功能特性功能特性u指总线中每一根的功能。指总线中每一根的功能。u如它是数据、地址，还是控制线？如它是数据、地址，还是控制线？功能特性中，如果描述了功能特性中，如果描述了n根地址线，则可直接访存根地址线，则可直接访存的地址范围为的地址范围为0(2n 1)。物理特性物理特性功能特性功能特性电气特性电气特性时间特性时间特性1.总线的特性总线的特性(续续)电气特性电气特性u规定每根线上信号的规定每根线上信号的传递方向传递方向和和有效电平有效电平范围。范围。u从从CPU发出的信号，称输出信号发出的信号，称输出信号(OUT)；u送入送入CPU的信号，称输入信号的信号，称输入信号(IN)。u数据线可传送双向信号，地址、控制线只单向数据线可传送双向信号，地址、控制线只单向传送信号。传送信号。1.总线的特性总线的特性(续续)时间特性时间特性u规定每根线上的信号什么时间有效。规定每根线上的信号什么时间有效。访存时地址、控制、数据信号的时序关系2.系统系统总线的标准化总线的标准化PC中，中，系统系统总线布设在总线布设在主板主板上。上。为什么主板能支持很多厂家的显卡？为什么主板能支持很多厂家的显卡？原因是，原因是，系统系统总线是按总线是按标准标准制作的。制作的。总线标准规定总线的物理特性、功能特性、总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性和时间特性。电气特性和时间特性。微机中的标准总线：微机中的标准总线：ISA总线总线、EISA总线、总线、VESA总线、总线、PCI总线。总线。总线的主要参数总线的主要参数1.1.总线的带宽总线的带宽（MB/s）u一定时间内总线上可传送的数据量一定时间内总线上可传送的数据量2.2.总线的位宽总线的位宽u总线能同时传送的数据位数。总线能同时传送的数据位数。即我们常说即我们常说的的32位、位、64位等总线宽度的概念。位等总线宽度的概念。3.3.总线的工作时钟频率总线的工作时钟频率（MHz）u总线的时钟频率总线的时钟频率总线带宽总线带宽总线传输数据的速度。单位：总线传输数据的速度。单位：MB/s例：例：(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个字节的数据，假设个字节的数据，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，则总线带宽是多少则总线带宽是多少?(2)如果一个总线周期中并行传送如果一个总线周期中并行传送64位数据，位数据，总线时钟频率升为总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?解：（解：（1）带宽）带宽=4f=4B33106/s=132MB/s。(2)带宽带宽=64f=8B66106/s=528MB/s。6.1.2总线的连接方式总线的连接方式I/O设备的种类有很多。设备的种类有很多。u键盘、鼠标、软盘、硬盘、显示器等。键盘、鼠标、软盘、硬盘、显示器等。I/O设备的结构、数据传送速度都有差别。设备的结构、数据传送速度都有差别。I/O设备直接连到总线是设备直接连到总线是不可以不可以的。的。适配器适配器(又称又称接口接口)u可使可使CPU、设备分别以自己的速度工作；、设备分别以自己的速度工作；u完成完成CPU与设备的数据传送和控制。与设备的数据传送和控制。单机系统中总线结构的两种基本类型：单机系统中总线结构的两种基本类型：u单总线和多总线。单总线和多总线。单总线结构单总线结构CPU主存主存I/O接口接口I/O接口接口各部件公用同一个总线；各部件公用同一个总线；任何时刻，只允许任何时刻，只允许一对一对部件进行数据传送；部件进行数据传送；主存和主存和IOIO设备设备统一统一编址；编址；如果如果IOIO设备可指定地址，则可不经设备可指定地址，则可不经CPUCPU访存，这叫访存，这叫DMADMA。一个部件要发起数据传送，必须一个部件要发起数据传送，必须先获得先获得总线控制权。总线控制权。play多总线多总线：在在CPU、主存、主存、I/O之间互联采用多条总线。之间互联采用多条总线。图6.2 多总线结构CPU和和cache之间之间采用高速采用高速的的CPU总总线线。主存连在系主存连在系统总线上统总线上高速总线上可以连接高速高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视局域网）、视频接口、图形接口、频接口、图形接口、SCSI接接口（支持本地磁盘和其他外口（支持本地磁盘和其他外设）、设）、Firewire接口（支持大接口（支持大容量容量I/O设备）设备）高速总线通过高速总线通过扩扩充总线接口充总线接口与扩与扩充总线相连，扩充总线相连，扩充总线上可以连充总线上可以连接串行方式工作接串行方式工作的的I/O设备设备通过桥通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质总线、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上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路6.1.4总线的内部结构总线的内部结构早期的单总线可看作早期的单总线可看作CPU引脚的延伸引脚的延伸。CPU存储器存储器输入设备输入设备接接 口口输出设备输出设备接接 口口驱动驱动地址地址数据数据控制控制play“CPU引脚延伸引脚延伸”的缺陷的缺陷CPU是总线控制的主角是总线控制的主角;现在接口中增加现在接口中增加DMA控制器，但仍无法支持多个控制器，但仍无法支持多个CPU的系统；的系统；总线与总线与CPU引脚相关，通用性差。引脚相关，通用性差。现代的总线观现代的总线观CPU-cache模块模块 中断与同步总线中断与同步总线(中断请求与认可中断请求与认可)存储器存储器模块模块I/O适配器适配器总线总线控制器控制器仲裁总线仲裁总线(总线请求与授权总线请求与授权)数据传送总线数据传送总线(地址、数据、控制线地址、数据、控制线)公用线公用线(时钟、电源、地、复位等时钟、电源、地、复位等)主板主板追求与结构、CPU、技术无关的开发标准 完成几个总线完成几个总线请求者之间的请求者之间的协调与仲裁协调与仲裁 奔腾奔腾PC主板主板play北桥北桥南桥南桥6.2总线接口总线接口6.2.1信息的传送方式信息的传送方式6.2.2接口的基本概念接口的基本概念6.2.1信息的传送方式信息的传送方式位信息的表示方法位信息的表示方法u用持续的高电位（或低电位）表示用持续的高电位（或低电位）表示1（或（或0）；）；3.5V5V101.2V0u用有（或无）脉冲表示用有（或无）脉冲表示1（或（或0）。）。位传送周期106.2.1信息的传送方式信息的传送方式(续续)信息传送的三种方式信息传送的三种方式u串行传送串行传送n沿一根线，用沿一根线，用“有无脉冲有无脉冲”顺序顺序地传送数据的各个位。地传送数据的各个位。u并行传送并行传送n用一组线，各位用一组线，各位同时同时沿不同的线传送。沿不同的线传送。u分时传送分时传送n不同不同性质性质或不同或不同部件部件的二进制数在的二进制数在不同的总线周期不同的总线周期里里传送。传送。串行传送串行传送并-串变换串-并变换0000010100000101T1T8T2T3T4T5T6T7低位低位高位高位10010000时间时间并行传送并行传送发送部件接收部件00000101低位低位高位高位电位表示；比串行传送快；电位表示；比串行传送快；主板总线一般采用并行传送。主板总线一般采用并行传送。分时传送分时传送8088CPU锁存器地址总线地址总线总线接口数据总线数据总线先发地址，后发数据先发地址，后发数据两种概念：两种概念：总线复用方式总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。共享总线的部件分时使用总线共享总线的部件分时使用总线6.2.2接口的基本概念接口的基本概念接口是接口是CPU、内存、外设与总线之间的转换器。、内存、外设与总线之间的转换器。内存、外设有自己的内存、外设有自己的控制器控制器。要连到总线上，还需要要连到总线上，还需要接口接口（电路）。（电路）。图6.7 外围设备的连接方法接口的功能接口的功能控制控制u接收接收总线传来的控制信息，总线传来的控制信息，向向控制器发指示。控制器发指示。缓冲缓冲u缓冲总线传来的缓冲总线传来的数据数据，或部件传来的，或部件传来的数据数据。状态状态u保存保存部件的工作状态，部件的工作状态，供供其他部件查询。其他部件查询。转换转换u数据转换数据转换。例如并行数据与串行数据的转换。例如并行数据与串行数据的转换。整理整理程序中断程序中断u外设请求外设请求CPU服务时，接口发出中断请求。服务时，接口发出中断请求。接口的接口的“两面性两面性”与系统总线的与系统总线的“一面一面”；u一般是并行传送。一般是并行传送。与外设控制器的与外设控制器的“一面一面”。u也采用并行传送时，称接口为也采用并行传送时，称接口为并行数据接口并行数据接口；u采用串行传送时，称接口为采用串行传送时，称接口为串行数据接口串行数据接口。例：串行传送时，每秒传送的位数称波特率。若数据传送速例：串行传送时，每秒传送的位数称波特率。若数据传送速率为率为120120字符字符/秒，每字符包含秒，每字符包含1010位（位（1 1个起始位、个起始位、8 8个数据位个数据位和和1 1个停止位）。计算波特率，以及位传送周期。个停止位）。计算波特率，以及位传送周期。解：波特率为解：波特率为10位位120字符字符/秒秒1200波特。波特。位传送周期为位传送周期为1/12000.000833（秒）。（秒）。1 12 26 64 45 53 38 87 71 12 2起始位 数据位 停止位 起始位6.3总线仲裁、定时和数据传送模式总线仲裁、定时和数据传送模式对于总线的两个部件，一个为对于总线的两个部件，一个为主方主方，另一个为，另一个为从方从方。只有主方有权只有主方有权启动一个总线周期，启动一个总线周期，从方只能响应从方只能响应主方的请求。主方的请求。当多个可作主方的设备请求总线控制，谁优先？当多个可作主方的设备请求总线控制，谁优先？公平策略公平策略u例，多例，多CPUCPU系统中，系统中，CPUCPU之间是平等的。之间是平等的。优先级策略优先级策略uI/OI/O设备之间一般有不同的总线请求优先级。设备之间一般有不同的总线请求优先级。主方持续控制总线的时间，称为总线占用期。主方持续控制总线的时间，称为总线占用期。总线的仲裁方式分为总线的仲裁方式分为集中式仲裁集中式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁两类。两类。什么是集中式仲裁？什么是集中式仲裁？总线仲裁部件总线仲裁部件中央仲裁器中央仲裁器每个功能模块有两根线连到中央仲裁器。每个功能模块有两根线连到中央仲裁器。u送仲裁器的送仲裁器的总线请求线总线请求线（BR,BusRequest）;u仲裁器送来的仲裁器送来的总线授权线总线授权线（BG，BusGrant）。）。实现方案实现方案u链式查询方式；链式查询方式；u计数器定时查询方式；计数器定时查询方式；u独立请求方式。独立请求方式。链式查询方式链式查询方式 BS（BusState）1时，总线正被某设备使用。时，总线正被某设备使用。有一个接口使有一个接口使BR为为1且且BS为为0时，仲裁器置时，仲裁器置BG为为1。接口发现接口发现BG为为1，置，置BS为为1，撤消，撤消BR，不再传递，不再传递BG。优点：优点：BGBG线只有一根。线只有一根。缺点：接口优先级固定；故障敏感；优先级低的接口可能缺点：接口优先级固定；故障敏感；优先级低的接口可能长期长期无法使用总线。无法使用总线。计数器定时查询方式计数器定时查询方式BRBR为为1 1且且BSBS为为0 0时，仲裁器的计数器开始计数，并从时，仲裁器的计数器开始计数，并从“设备设备地址地址”发出计数值；接口发现设备地址与自己的相同时，发出计数值；接口发现设备地址与自己的相同时，置置BSBS为为1 1，撤消，撤消BRBR。仲裁器发现。仲裁器发现BSBS为为1 1，停止计数。，停止计数。计数初值为计数初值为0 0；初值为上次停止值；允许程序设置初值。；初值为上次停止值；允许程序设置初值。独立请求方式独立请求方式响应时间快；优先次序的控制比较灵活；还可屏蔽某些设备的请求。响应时间快；优先次序的控制比较灵活；还可屏蔽某些设备的请求。在单在单CPU系统中，中央仲裁器又称总线控制器，属于系统中，中央仲裁器又称总线控制器，属于CPU一部分。一部分。play什么是分布式仲裁？什么是分布式仲裁？没有中央仲裁器没有中央仲裁器；每个潜在的主方都有仲裁器；每个潜在的主方都有仲裁器；共用一个共用一个“仲裁总线仲裁总线”；有总线请求时，将自己仲裁器的编号放在有总线请求时，将自己仲裁器的编号放在“仲裁仲裁总线总线”上；上；发现自己的编号小，则撤消自己的编号；发现自己的编号小，则撤消自己的编号；最后，最后，获胜者的编号留在获胜者的编号留在“仲裁总线仲裁总线”上上。集中式仲裁集中式仲裁u总线仲裁部件总线仲裁部件中央仲裁器中央仲裁器分布式仲裁分布式仲裁u没有中央仲裁器没有中央仲裁器；每个潜在的主方都有仲裁器；每个潜在的主方都有仲裁器；总线的定时总线的定时总线的一次信息传送，大致分总线的一次信息传送，大致分5个阶段：个阶段：u请求总线；请求总线；u总线仲裁；总线仲裁；u寻址（即发送地址到地址总线）；寻址（即发送地址到地址总线）；u信息传送（即发送数据到数据总线）；信息传送（即发送数据到数据总线）；u状态返回（或错误报告）。状态返回（或错误报告）。主方和从方的动作有时序关系。主方和从方的动作有时序关系。u规定事件出现在总线上的时序关系，称总线定规定事件出现在总线上的时序关系，称总线定时。时。总线定时总线定时总线定时总线定时是总线系统的又一核心问题。主方、从方的是总线系统的又一核心问题。主方、从方的操作必须制订定时协议操作必须制订定时协议。通常采用通常采用同步定时同步定时与与异步异步定时定时两种方式。两种方式。在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线总线时钟信号时钟信号来确定，总线周期的长度是来确定，总线周期的长度是固定固定的。的。在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，建立在决于前一事件的出现，建立在应答式应答式或互锁机制基础或互锁机制基础上，不需要统一的公共时钟信号。在异步定时中，总上，不需要统一的公共时钟信号。在异步定时中，总线周期的长度是线周期的长度是可变可变的。的。总线的数据传送模式总线的数据传送模式读、写操作读、写操作主方与从方间的数据传送。主方与从方间的数据传送。块传送操作块传送操作u给出块的起始地址，顺序读给出块的起始地址，顺序读(写写)多个数据。多个数据。u例：例：CPU-CPU-存储器之间的存储器之间的猝发式传送猝发式传送。“写后读写后读”、“读后写读后写”操作操作u给出地址后，先写入后读出，用于校验。给出地址后，先写入后读出，用于校验。u给出地址后，先读出后写入，用于共享资源的保护。给出地址后，先读出后写入，用于共享资源的保护。广播、广集操作广播、广集操作u广播：主方向多个从方传送数据（写）；广播：主方向多个从方传送数据（写）；u广集：多个从方向主方传送数据（读），例：检测中断源。广集：多个从方向主方传送数据（读），例：检测中断源。多总线结构的示意图多总线结构的示意图HOST总线总线PCI总线总线LAGACY总线总线“宿主宿主”总线，总线，也称也称CPUCPU总线、总线、系统总线、主系统总线、主存总线存总线连接各种高速的连接各种高速的PCIPCI设设备备 。使用。使用PCI/PCIPCI/PCI桥或桥或HOST/PCIHOST/PCI桥，系统中可桥，系统中可包含多个包含多个PCIPCI总线。总线。ISAISA，EISAEISA，MCAMCA等性等性能较低的传统总线，能较低的传统总线，支持中低速支持中低速I/OI/O设备设备 桥连接两条总线，使彼此间相互通信。HOSTHOST桥是桥是PCIPCI总线控制总线控制器，含有中央仲裁器器，含有中央仲裁器 PCI总线总线PCI是是与与CPU无关无关的外围总线。的外围总线。连接到连接到PCI总线的设备，称总线的设备，称PCI设备。设备。使用使用PCI/PCI桥或桥或HOST/PCI桥，系统中可包含多桥，系统中可包含多个个PCI总线。总线。总线定时方式采用总线定时方式采用同步时序协议同步时序协议。总线仲裁方式采用总线仲裁方式采用集中式仲裁集中式仲裁。PCI总线的基本传输机制是总线的基本传输机制是猝发式传送猝发式传送。本章小结本章小结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道，并在争用资源的基础上进行工作。传送的公共通道，并在争用资源的基础上进行工作。总线有总线有物理特性物理特性、功能特性功能特性、电气特性电气特性、时间特性时间特性，因此必须标准化。，因此必须标准化。微型计算机系统的标准总线从微型计算机系统的标准总线从ISA总线、总线、EISA总线、总线、VESA总线发展到总线发展到PCI总线。衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所总线。衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率。能达到的最高传输速率。计算机系统中，总线传输信息可采用计算机系统中，总线传输信息可采用并行传送并行传送、串行传送串行传送和和复用传送复用传送。各种外围设备必须通过各种外围设备必须通过“接口接口”与总线相连。接口在两个功能部件间起与总线相连。接口在两个功能部件间起着缓冲器和转换器的作用，以便实现彼此之间的信息传送。着缓冲器和转换器的作用，以便实现彼此之间的信息传送。总线仲裁总线仲裁是总线系统的核心问题之一。总线仲裁部件通过采用优先级策是总线系统的核心问题之一。总线仲裁部件通过采用优先级策略或公平策略，选择一个主设备作为总线的主方，接管总线控制权。略或公平策略，选择一个主设备作为总线的主方，接管总线控制权。总线仲裁分为总线仲裁分为集中式仲裁集中式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁。集中式仲裁方式必有一个。集中式仲裁方式必有一个中央中央仲裁器仲裁器，它受理所有功能模块的总线请求，按优先原则或公平原则进行，它受理所有功能模块的总线请求，按优先原则或公平原则进行排队，然后仅给一个功能模块发出授权信号。分布式仲裁不需要中央仲排队，然后仅给一个功能模块发出授权信号。分布式仲裁不需要中央仲裁器，裁器，每个功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器每个功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。通过分配优先级仲裁。通过分配优先级仲裁号，每个仲裁器将仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较，号，每个仲裁器将仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较，从而获得总线控制权。从而获得总线控制权。本章小结本章小结总线定时总线定时是总线系统的又一核心问题。主方、从方的操作必须制订定时是总线系统的又一核心问题。主方、从方的操作必须制订定时协议协议。通常采用通常采用同步定时同步定时与与异步定时异步定时两种方式。两种方式。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，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，总线周期的长度是固定的。总线周期的长度是固定的。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，建立在应答式或互锁机制基础上，不需要统一的公共时钟信号。在现，建立在应答式或互锁机制基础上，不需要统一的公共时钟信号。在异步定时中，总线周期的长度是可变的。异步定时中，总线周期的长度是可变的。当代的总线标准大都能支持以下数据传送模式：当代的总线标准大都能支持以下数据传送模式：(1)读读/写操作；写操作；(2)块块传送操作；传送操作；(3)写后读写后读、读修改写操作；、读修改写操作；(4)广播、广集操作。广播、广集操作。PCI总线是当前流行的总线，是一个总线是当前流行的总线，是一个高带宽且与处理器无关高带宽且与处理器无关的标准总线，的标准总线，在微型机系统中得到了广泛的应用。在微型机系统中得到了广泛的应用。InfiniBand标准，瞄准了高端服务器市场的最新标准，瞄准了高端服务器市场的最新I/O规范，它是一种基于规范，它是一种基于开关的体系结构，可连接多达开关的体系结构，可连接多达64000个服务器、存储系统、网络设备，个服务器、存储系统、网络设备，能替代当前服务器中的能替代当前服务器中的PCI总线，数据传输率高达总线，数据传输率高达30GB/s。因此适合于。因此适合于高成本的较大规模计算机系统。高成本的较大规模计算机系统。