第八章 系统总线.ppt

《第八章 系统总线.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章 系统总线.ppt（40页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Ch8:SystemBus系统总线系统总线总线基本概念总线基本概念总线设计要素总线设计要素总线标准总线标准总线互连结构总线互连结构io.221十二月十二月2022分散连接分散连接各部件之间需要分别单独连接各部件之间需要分别单独连接,难于扩展难于扩展控制部件发出控制部件发出/接受的信号种类多接受的信号种类多,设计复杂设计复杂信息传递受限信息传递受限,速度慢速度慢,容易造成瓶颈容易造成瓶颈io.321十二月十二月2022io.421十二月十二月2022总线的分类总线的分类总线在各层次上提供部件之间的连接和交换信息通路总线在各层次上提供部件之间的连接和交换信息通路分为以下几类：分为以下几类：芯片内总

2、线：在芯片内部各元件之间提供连接芯片内总线：在芯片内部各元件之间提供连接-例如，例如，CPU芯片内部，各寄存器、芯片内部，各寄存器、ALU、指令部件等之间有总线相连、指令部件等之间有总线相连系统总线：在系统主要功能部件（系统总线：在系统主要功能部件（CPU、MM和各种和各种I/O控制器）间提供连接控制器）间提供连接-单总线结构单总线结构将将CPU、MM和各种和各种I/O适配卡通过底板总线适配卡通过底板总线(Backplane Bus)互连，底板总互连，底板总线为标准总线线为标准总线(Industry standard)-多总线结构多总线结构将将CPU、Cache、MM和各种和各种I/O适配卡用

3、局部总线、处理器适配卡用局部总线、处理器-主存总线、高主存总线、高速速I/O总线、扩充总线、扩充I/O总线等互连。主要有两大类：总线等互连。主要有两大类：Processor-MemoryBus(Designspecificorproprietary)短而快，仅需与内存匹配，使短而快，仅需与内存匹配，使CPU-MM之间达最大带宽之间达最大带宽I/OBus(Industrystandard)长而慢，需适应多种设备，一侧连接到长而慢，需适应多种设备，一侧连接到Processor-MemoryBus或或BackplaneBus，另一侧连到，另一侧连到I/O控制器控制器（注：（注：Intel公司在推出公

4、司在推出845、850等芯片组时，对等芯片组时，对“SystemBus”有专门的定义，将有专门的定义，将处理器总线处理器总线称为前端总线称为前端总线(FrontBus)或系统总线）或系统总线）通信总线：在主机和通信总线：在主机和I/O设备之间或计算机系统之间提供连接设备之间或计算机系统之间提供连接SKIPio.521十二月十二月2022Intel体系结构中特指的体系结构中特指的“系统总线系统总线”BACK北桥芯片组把处理器北桥芯片组把处理器存储器总线分成了两个总线：存储器总线分成了两个总线：处理器总线（系统总线，前端总线）处理器总线（系统总线，前端总线）存储器总线存储器总线io.621十二月十

5、二月2022系统总线通常由一组系统总线通常由一组控制线控制线、一组、一组数据线数据线和一组和一组地址线地址线构成。也有些总线没有单独的地址构成。也有些总线没有单独的地址线，地址信息通过数据线来传送，这种情况称为线，地址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据数据/地址复用地址复用。数据线（数据线（DataBus）：）：承载在源和目部件之间传输的信息。数据线的宽度反映一次能承载在源和目部件之间传输的信息。数据线的宽度反映一次能传送的数据的位数。传送的数据的位数。地址线（地址线（AddressBus）：给出源数据或目的数据所在的主存单元或给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址。端口的地

6、址。地址线的宽度反映最大的寻址空间。地址线的宽度反映最大的寻址空间。控制线（控制线（ControlBus）：控制对数据线和地址线的访问和使用。用来传输定时信号控制对数据线和地址线的访问和使用。用来传输定时信号和命令信息。典型的控制信号包括：和命令信息。典型的控制信号包括：-时钟（时钟（Clock）：）：用于总线同步。用于总线同步。-复位（复位（Reset）：）：初始化所有设备。初始化所有设备。-总线请求（总线请求（BusRequest）：）：表明发出该请求信号的设备要使用总线。表明发出该请求信号的设备要使用总线。-总线允许（总线允许（BusGrant）：）：表明接收到该允许信号的设备可以使用总

7、线。表明接收到该允许信号的设备可以使用总线。-中断请求（中断请求（InterruptRequest）：）：表明某个中断正在请求。表明某个中断正在请求。-中断回答（中断回答（InterruptAcknowledge）：表明某个中断请求已被接受。表明某个中断请求已被接受。-存储器读（存储器读（memoryread）：）：从指定的主存单元中读数据到数据总线上。从指定的主存单元中读数据到数据总线上。-存储器写（存储器写（memoryread）：）：将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。-I/O读（读（I/Oread）：）：从指定的从指定的I/O端口中读数据到数

8、据总线上。端口中读数据到数据总线上。-I/O写（写（I/OWrite）：将数据总线上的数据写到指定的将数据总线上的数据写到指定的I/O端口中。端口中。-传输确认（传输确认（transmissionAcknowledge）：表示数据已被接收或已被送到总线表示数据已被接收或已被送到总线系统总线的组成系统总线的组成io.721十二月十二月2022总线设计要素总线设计要素总线设计要考虑的基本要素总线设计要考虑的基本要素尽管有许多不同的总线实现方式，但总线设计的基本要素和考察的性能指标一样尽管有许多不同的总线实现方式，但总线设计的基本要素和考察的性能指标一样信号线类型信号线类型(Signallinety

9、pe)：专用专用(Separate)/复用复用(Multiplexed)仲裁方法仲裁方法(Arbitrating)：集中式集中式(Center)/分布式分布式(distributed)定时方式定时方式(Timing)：同步通信同步通信(Synchronous)/异步通信异步通信(Asynchronous)事务类型事务类型(BusTransaction)：总线所支持的各种数据传输类型和其他总线操作类型，如：总线所支持的各种数据传输类型和其他总线操作类型，如：存储器读、存储器写、存储器读、存储器写、I/O读、读、I/O写、读指令、中断响应写、读指令、中断响应等等总线带宽总线带宽(BusBandwi

10、dth)：单位时间内在总线上传输的最大数据量（是一种传输能力）单位时间内在总线上传输的最大数据量（是一种传输能力）相相当当于于公公路路的的最最大大载载客客量量。例例如如，沪沪宁宁高高速速每每车车道道最最多多每每5分分钟钟发发一一辆辆车车，每每辆辆车车最多最多50人，共有人，共有6个车道，则最大流量为多少（个车道，则最大流量为多少（?人人/小时）？小时）？最大载客量：最大载客量：6道道x12车车/小时小时x50人人/车车=3600人人/小时小时io.821十二月十二月2022信号线类型信号线类型 总线的信号线类型有：专用、复用总线的信号线类型有：专用、复用专用专用信号线：信号线：-信号线专用来传

11、送某一种信息。信号线专用来传送某一种信息。例如，使用分立的数据线和地址线，使得数据信息专门由数据线传例如，使用分立的数据线和地址线，使得数据信息专门由数据线传输，地址信息专门由地址线传输。输，地址信息专门由地址线传输。复用信号线：复用信号线：-信号线在不同的时间传输不同的信息信号线在不同的时间传输不同的信息。例如，许多总线采用数据例如，许多总线采用数据/地址线分时复用方式，用一组数据线在总地址线分时复用方式，用一组数据线在总线事务的地址阶段传送地址信息，在数据阶段传送数据信息。这样线事务的地址阶段传送地址信息，在数据阶段传送数据信息。这样就使得地址和数据通过同一组数据线进行传输。就使得地址和数

12、据通过同一组数据线进行传输。信号分时复用的优缺点：信号分时复用的优缺点：-优：减少总线条数，缩小体积、降低成本。优：减少总线条数，缩小体积、降低成本。-缺：总线模块的电路变复杂，且不能并行。缺：总线模块的电路变复杂，且不能并行。io.921十二月十二月2022总线裁决（总线控制总线裁决（总线控制/使用使用/访问权的获得）访问权的获得）什么是总线裁决？什么是总线裁决？当多个设备需要使用总线进行通信时，采用某种策略选择一个设备使用总线当多个设备需要使用总线进行通信时，采用某种策略选择一个设备使用总线为什么要进行总线裁决为什么要进行总线裁决？总线被连接在其上的所有设备共享，如果没有任何控制，那么当多

13、个设备需总线被连接在其上的所有设备共享，如果没有任何控制，那么当多个设备需要进行通信时，每个设备都试图为各自的传输将信号送到总线上，这样就会要进行通信时，每个设备都试图为各自的传输将信号送到总线上，这样就会产生混乱。产生混乱。如何避免上述混乱？如何避免上述混乱？在总线中引入一个或多个总线主控设备，只能主控设备控制总线在总线中引入一个或多个总线主控设备，只能主控设备控制总线-主控设备：能发起总线请求并控制总线。（如：处理器）主控设备：能发起总线请求并控制总线。（如：处理器）-从设备：只能响应从主控设备发来的总线命令。（如：主存）从设备：只能响应从主控设备发来的总线命令。（如：主存）利用总线裁决决

14、定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权利用总线裁决决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权总线被多个设备共享，但每一时刻只能有一对设备使用总线传输信息。总线被多个设备共享，但每一时刻只能有一对设备使用总线传输信息。io.1021十二月十二月2022总线裁决（总线控制总线裁决（总线控制/使用使用/访问权的获得）访问权的获得）总线裁决信号：总线裁决信号：总线请求线和总线许可线总线请求线和总线许可线总线请求线可以和数据线复用，但影响带宽总线请求线可以和数据线复用，但影响带宽如：数据线和总线请求线复用时，总线裁决和数据传输不能同时进行如：数据线和总线请求线复用时，总线裁决和数据传输不能同时进行总线

15、裁决有两种方式：集中式和分布式总线裁决有两种方式：集中式和分布式集中式：集中式：将控制逻辑做在一个将控制逻辑做在一个专门的总线控制器或总线裁决器专门的总线控制器或总线裁决器中，通过将所有中，通过将所有的总线请求集中起来利用一个的总线请求集中起来利用一个特定的裁决算法特定的裁决算法进行裁决进行裁决菊花链菊花链（Daisychain）计数器定时查询计数器定时查询（Querybyacounter）独立请求并行判优独立请求并行判优（Centralized,Parallel）分布式：分布式：没有专门的总线控制器，其控制逻辑分散在各个部件或设备中没有专门的总线控制器，其控制逻辑分散在各个部件或设备中自举式

16、自举式（Self-selection）冲突检测冲突检测（Collisiondetection）裁决方案应在以下两个因素间进行平衡裁决方案应在以下两个因素间进行平衡等级性等级性(Priority)具有高优先级的设备应该先被服务具有高优先级的设备应该先被服务公平性公平性(Fairness)即使具有最低优先权的设备也不能永远得不到总线使用权即使具有最低优先权的设备也不能永远得不到总线使用权SKIPio.1121十二月十二月2022菊花链总线裁决菊花链总线裁决 Disadvantages：不能保证公正性不能保证公正性对电路故障敏感对电路故障敏感限制了总线速度限制了总线速度菊花链查菊花链查询电路询电路G

17、rantRequest1Request2RequestnGrant1Grant2Grant3Grant从从最高优先权的设备最高优先权的设备依次向最低优先权的设备串依次向最低优先权的设备串行相连。如果到达的设备有行相连。如果到达的设备有总线请求，则总线请求，则Grant信号就信号就不再往下传，该设备建立总不再往下传，该设备建立总线忙线忙Busy信号，表示它已获信号，表示它已获得了总线使用权。得了总线使用权。BusArbiterDevice 1HighestPriorityDevice NLowestPriorityDevice 2GrantGrantGrantBusyRequestAdvanta

18、ge：简单简单(simple)，只需几根线就能按一定优先次，只需几根线就能按一定优先次序实现总线裁决。序实现总线裁决。易扩充设备易扩充设备(flexible)串行查询方式串行查询方式BACK查询查询信号信号相当于相当于“击鼓传花击鼓传花”io.1221十二月十二月2022计数器定时查询裁决计数器定时查询裁决基本思想：基本思想：比菊花链查询多比菊花链查询多一组设备线（一组设备线（DevID），），少一根总线允许线少一根总线允许线BG。总线控制器接收。总线控制器接收到到BR送来的总线请求信号后，在总线未被使用（送来的总线请求信号后，在总线未被使用（Busy=0）的情况下，由计数器开始计数，）的情况

19、下，由计数器开始计数，并将计数值通过设备线向各设备发出。当某个有总线请求的设备号与计数值一致时，该设备并将计数值通过设备线向各设备发出。当某个有总线请求的设备号与计数值一致时，该设备便获得总线使用权，此时终止计数查询，同时该设备建立总线忙便获得总线使用权，此时终止计数查询，同时该设备建立总线忙Busy信号。信号。优点：优点：设备设备优先级灵活优先级灵活：可通过设置不同的计数初始值来改变。：可通过设置不同的计数初始值来改变。若每次初值皆为若每次初值皆为0，则固定；，则固定；若每次初值总是刚获得总线使用权的设备，则是平等的循环优先级方式。若每次初值总是刚获得总线使用权的设备，则是平等的循环优先级方

20、式。对电路故障不如菊花链查询那样敏感。对电路故障不如菊花链查询那样敏感。缺点：缺点：需要增加一组设备线需要增加一组设备线总线设备的控制逻辑变复杂总线设备的控制逻辑变复杂(需需对设备号进行译码对设备号进行译码比较等比较等)BusArbiterDevice 1Priority?Device NPriority?Device 2Dev IDBusyRequestBACK相当于相当于“点名报到点名报到”io.1321十二月十二月2022独立请求方式裁决独立请求方式裁决各设备都有一对总线请求各设备都有一对总线请求线线Req和总线允许线和总线允许线Grant。当某设备要使用总线时，当某设备要使用总线时，就

21、通过对应的总线请求线就通过对应的总线请求线将请求信号送到总线控制将请求信号送到总线控制器。器。总线控制器中有一个总线控制器中有一个判优判优电路电路，可根据各设备的优，可根据各设备的优先级确定选择哪个设备。先级确定选择哪个设备。控制器可给各请求线以固控制器可给各请求线以固定的优先级，也可编程设定的优先级，也可编程设置置ENP0P1P2G0G1G2并行判优电路并行判优电路p0、P1、p2优先级怎样？优先级怎样？BusArbiterDevice 1Device NDevice 2GrantReq优点：优点：响应速度快。响应速度快。若可编程，则优先级灵活若可编程，则优先级灵活缺点：缺点：控制逻辑复杂，

22、控制线数量多。控制逻辑复杂，控制线数量多。p0P1p2问题：如果有问题：如果有N个设备，则菊花个设备，则菊花链和独立请求各需多少裁决线？链和独立请求各需多少裁决线？2，2N并行判优方式并行判优方式裁决算法：裁决算法：总线控制器可采用固定的并行判优算法、平等的循环菊花链算总线控制器可采用固定的并行判优算法、平等的循环菊花链算法、动态优先级算法（如：最近最少用算法、先来先服务算法）等。法、动态优先级算法（如：最近最少用算法、先来先服务算法）等。BACK相当于相当于“领导说了算领导说了算”io.1421十二月十二月2022自举分布式裁决自举分布式裁决优先级固定，各设备独立决定自己是否是最高优先级请求

23、者优先级固定，各设备独立决定自己是否是最高优先级请求者需请求总线的设备在各自对应的总线请求线上送出请求信号需请求总线的设备在各自对应的总线请求线上送出请求信号在总线裁决期间每个设备将比自己优先级高的请求线上的信号取回分析：在总线裁决期间每个设备将比自己优先级高的请求线上的信号取回分析：-若有总线请求信号，则本设备不能立即使用总线若有总线请求信号，则本设备不能立即使用总线-若没有，则可以立即使用总线，并通过总线忙信号阻止其他设备使用总线若没有，则可以立即使用总线，并通过总线忙信号阻止其他设备使用总线-最低优先级设备可以不需要总线请求线，为什么？最低优先级设备可以不需要总线请求线，为什么？-需要较

24、多连线用于请求信号，所以，许多总线用数据线需要较多连线用于请求信号，所以，许多总线用数据线DB作为总线请求线作为总线请求线N个设备要多少请求信号？个设备要多少请求信号？-NuBus（MacintoshII中的底板式总线）、中的底板式总线）、SCSI总线等采用该方案总线等采用该方案上图中的优先级上图中的优先级(优先级优先级)是什么？是什么？设备设备3设备设备2设备设备1设备设备0BR0(Busy)Device0Device1Device3BR1BR2Device2BR3N个！个！BACKio.1521十二月十二月2022冲突检测方式裁决冲突检测方式裁决基本思想：基本思想：当某个设备要使用总线时，

25、它首先检查一下是否有其他设备正在使用总线当某个设备要使用总线时，它首先检查一下是否有其他设备正在使用总线如果没有，那它就置总线忙，然后使用总线；如果没有，那它就置总线忙，然后使用总线；若两个设备若两个设备同时检测到总线空闲同时检测到总线空闲，则可能会同时使用总线，此时发生冲突；，则可能会同时使用总线，此时发生冲突；一个设备在传输过程中，它会一个设备在传输过程中，它会帧听总线帧听总线以检测是否发生了冲突；以检测是否发生了冲突；当冲突发生时，当冲突发生时，两个设备都会停止传输两个设备都会停止传输，延迟一个随机时间后再重新使用总线，延迟一个随机时间后再重新使用总线-该方案一般用在网络通信总线上，如：

26、该方案一般用在网络通信总线上，如：Ethernet总线等。总线等。BACKio.1621十二月十二月2022总线定时方式总线定时方式什么是总线的定时什么是总线的定时 通过总线裁决确定了哪个设备可以使用总线，那么一个取得了总线控制通过总线裁决确定了哪个设备可以使用总线，那么一个取得了总线控制权的设备如何控制总线进行总线操作呢？也即如何来定义总线事务中的权的设备如何控制总线进行总线操作呢？也即如何来定义总线事务中的每一步何时开始、何时结束呢？这就是总线通信的定时问题。每一步何时开始、何时结束呢？这就是总线通信的定时问题。总线通信的定时方式总线通信的定时方式Synchronous(同步同步)：用时钟

27、来同步定时：用时钟来同步定时Asynchronous(异步异步)：用握手信号定时：用握手信号定时Semi-Synchronous(半同步）：同步半同步）：同步(时钟时钟)和异步和异步(握手信号握手信号)结合结合Splittransaction（拆（拆分事务）：在从设备准备数据时，释放总线分事务）：在从设备准备数据时，释放总线CPU-主存总线都采用同步方式主存总线都采用同步方式异步方式只有异步方式只有I/O总线才会使用总线才会使用I/O总线大多采用半同步方式总线大多采用半同步方式拆分拆分事务方式可以提高总线的有效带宽事务方式可以提高总线的有效带宽SKIPio.1721十二月十二月2022同步总线

28、同步总线(SynchronousBus)BReqBGCmd+AddrR/WAddressData1Data2Data简单的同步协议如下图：简单的同步协议如下图：Advantage:控制逻辑少而速度快控制逻辑少而速度快Disadvantages:（1）所有设备在同一个时钟速率下运行，故以最慢速设备为准）所有设备在同一个时钟速率下运行，故以最慢速设备为准（2）由于时钟偏移问题，同步总线不能很长）由于时钟偏移问题，同步总线不能很长实际上，存储器总线比这种协议的总线复杂得多实际上，存储器总线比这种协议的总线复杂得多存储器（从设备）响应需要一段时间，并不能在随后的时钟周期就准备好数据存储器（从设备）响应

29、需要一段时间，并不能在随后的时钟周期就准备好数据CLK控制线上有一个控制线上有一个时钟信号时钟信号进行定时进行定时，有有确定的通信协议确定的通信协议BACK一个总线事务：地址阶段一个总线事务：地址阶段+数据阶段数据阶段+数据阶段数据阶段io.1821十二月十二月2022非非时时钟钟定定时时，没没有有一一个个公公共共的的时时钟钟标标准准。因因此此，能能够够连连接接带带宽宽范范围围很很大大的的各各种种设备。总线能够加长而不用担心时钟偏移（设备。总线能够加长而不用担心时钟偏移（clockskew）问题）问题采用采用握手协议（握手协议（handshakingprotocol）即：应答方式。即：应答方式

30、。只只有有当当双双方方都都同同意意时时，发发送送者者或或接接收收者者才才会会进进入入到到下下一一步步，协协议议通通过过一一对对附加的附加的“握手握手”信号线（信号线（Ready、Ack）来实现）来实现异步通信有非互锁、半互锁和全互锁三种方式异步通信有非互锁、半互锁和全互锁三种方式异步总线异步总线(AsynchronousBus)优点：优点：灵活，可挂接各种具有不同工作速度的设备灵活，可挂接各种具有不同工作速度的设备 缺点缺点:对噪声较敏感（任何时候都可能接收到对方的应答信号）对噪声较敏感（任何时候都可能接收到对方的应答信号）接口逻辑较复杂接口逻辑较复杂ReadyAck非互锁方式ReadyAck

31、半互锁方式ReadyAck全互锁方式BACKio.1921十二月十二月2022HandshakingProtocol(握手协议握手协议)ThreecontrollinesReadReq:请求读内存单元请求读内存单元(地址信息同时送到地址地址信息同时送到地址/数据线上数据线上)DataRdy:表示已准备好数据表示已准备好数据(数据同时送到地址数据同时送到地址/数据线上数据线上)Ack:ReadReqorDataRdy的回答信号的回答信号上述为上述为read过程过程,但但write操作基本类似操作基本类似ReadReqAddressDataDataAckDataRdy1223445667BACKR

32、eadReq和和Ack之间的握手过程之间的握手过程完成完成地址信息的传输地址信息的传输DataRdy和和Ack之间的握手过程之间的握手过程完成完成数据信息的传输数据信息的传输一共有多少次握手？一共有多少次握手？一个总线事务：地址阶段一个总线事务：地址阶段+数据阶段数据阶段+数据阶段数据阶段7次次是全互锁方式！是全互锁方式！io.2021十二月十二月2022半同步总线半同步总线通过通过“Wait”信号从设备告知主设备何时数据有效信号从设备告知主设备何时数据有效结合了同步和异步的优点。既保持了结合了同步和异步的优点。既保持了“所有信号都由时钟定时所有信号都由时钟定时”的特点，的特点，又允许又允许“

33、不同速度设备共存于总线不同速度设备共存于总线”BReqBGCmd+AddrR/WAddressData1Data2DataData1Wait为解决异步方式对噪声敏感的问题，在异步总线中引入时钟信号为解决异步方式对噪声敏感的问题，在异步总线中引入时钟信号就绪和应答等握手信号就绪和应答等握手信号(如：如：Wait信号、信号、TRDY和和IRDY信号等信号等)都在时钟的上升沿有效都在时钟的上升沿有效信号的有效时间限制在时钟到达的时刻，而不受其他时间的信号干扰信号的有效时间限制在时钟到达的时刻，而不受其他时间的信号干扰CLKBACKio.2121十二月十二月2022SplitBusTransactio

34、n(拆分总线事务拆分总线事务)从设备地址从设备地址主设备编号主设备编号将一个事务分成两个子过程：将一个事务分成两个子过程：过程过程1：主控设备：主控设备A获得总线使用权获得总线使用权后，将请求的事务类型、地址及其他信息（如后，将请求的事务类型、地址及其他信息（如A的标识等）的标识等）发到总线，从设备发到总线，从设备B记下这些信息。记下这些信息。A发完信息后便立即发完信息后便立即释放总线释放总线，其他设备便可使用总线，其他设备便可使用总线 过程过程2：B收到收到A发来的信息后，按照发来的信息后，按照A的要求的要求准备数据准备数据，准备好后，准备好后，B便请求使用总线，便请求使用总线，获使用获使用

35、权权后，后，B将将A的编号及所需数据送到总线，的编号及所需数据送到总线，A便可接收便可接收io.2221十二月十二月2022SplitBusTransaction(拆拆分总线事务分总线事务)请求请求-回答方式（回答方式（Request-Reply）CPU启动一次读或写事务启动一次读或写事务-传送信息：传送信息：address,data,andcommand然后等待存储器回答然后等待存储器回答分离总线事务方式（分离总线事务方式（SplitBusTransaction）CPU启动一次读启动一次读/写事务后，释放总线写事务后，释放总线-传送信息：传送信息：address,data（Write）,an

36、dcommand存储器启动一次回答事务，请求使用总线存储器启动一次回答事务，请求使用总线-传送信息：传送信息：data(read)oracknowledge(write)优点：优点：系统总效率改善系统总效率改善(例如，在存储器存取数据时可以释放总线，以被其他设备使用例如，在存储器存取数据时可以释放总线，以被其他设备使用)缺点：缺点：单独的事务响应时间变长单独的事务响应时间变长增加复杂性增加复杂性BACKio.2321十二月十二月2022例例1：同步和异步总线的最大带宽比较：同步和异步总线的最大带宽比较 举例：假定同步总线的时钟周期为举例：假定同步总线的时钟周期为50ns，每次总线传输花每次总线

37、传输花1个时钟周期，异步总线个时钟周期，异步总线每次握手需要每次握手需要40ns，两种总线的数据都是两种总线的数据都是32位宽位宽，存储器的取数时间为，存储器的取数时间为200ns。要求求出从该存储器中读出一个字时两种总线的带宽。要求求出从该存储器中读出一个字时两种总线的带宽。分析如下：分析如下：同步总线的步骤和时间为：同步总线的步骤和时间为：（1）发送地址和读命令到存储器：）发送地址和读命令到存储器：50ns（2）存储器读数据：存储器读数据：200ns（3）传送数据到设备：传送数据到设备：50ns所以总时间为所以总时间为300ns，故最大总线带宽为，故最大总线带宽为4B/300ns，即：即：

38、13.3MB/s。异步总线的步骤和时间为：异步总线的步骤和时间为：第第1步为：步为：40ns；第第2、3、4步为：步为：Max(3x40ns，200ns)=200ns；（第第2、3、4步都和存储器访问时间重叠）步都和存储器访问时间重叠）第第5、6、7步为：步为：3x40ns=120ns。总时间为总时间为360ns，故最大带宽为故最大带宽为4B/360ns=11.1MB/s由由此此可可知知：同同步步总总线线仅仅比比异异步步快快大大约约20%。要要获获得得这这样样的的速速度度，异异步步总总线线上上的设备和存储器必须足够快，以使每次在的设备和存储器必须足够快，以使每次在40ns内能完成一个子过程内能

39、完成一个子过程如果存储器读为如果存储器读为230ns，则结果为多少？，则结果为多少？总时间为总时间为350ns，4B/350ns=11.4MB/sio.2421十二月十二月2022例例2：数据块大小对带宽的影响：数据块大小对带宽的影响假定有一个系统具有下列特性：假定有一个系统具有下列特性：(1)系统支持系统支持416个个32位字的块访问。位字的块访问。(2)64位位同同步步总总线线，时时钟钟频频率率为为200MHz，每每个个64位位数数据据传传输输需需一一个个时时钟钟周周期期，地地址发送到存储器需址发送到存储器需1个时钟周期。个时钟周期。(3)在每次总线操作在每次总线操作(事务事务)间有两个空

40、闲时钟周期。间有两个空闲时钟周期。(4)存储器访问时间对于开始的存储器访问时间对于开始的4个字是个字是200ns，随后每随后每4个字是个字是20ns。假定读出数据在总线上传送的同时，随后假定读出数据在总线上传送的同时，随后4个字的存储器读操作也重叠进行个字的存储器读操作也重叠进行一个总线事务由一个地址传送后跟一个数据块传送组成一个总线事务由一个地址传送后跟一个数据块传送组成请请求求出出分分别别用用4-字字块块和和16-字字块块方方式式读读取取256个个字字时时的的持持续续带带宽宽和和等等待待时时间间。并并且求出两种情况下每秒钟内的有效总线事务数。且求出两种情况下每秒钟内的有效总线事务数。io.

41、2521十二月十二月2022举例举例-数据块大小对带宽的影响数据块大小对带宽的影响 分析分析4-字块传送情况：字块传送情况：对对于于4-字字块块传传送送方方式式，一一次次总总线线事事务务由由一一个个地地址址传传送送后后跟跟一一个个4-字字块块的的数数据据传传送送组组成成。也也即每个总线事务传送一个即每个总线事务传送一个4个字的数据块。个字的数据块。每个数据块所花时间为：每个数据块所花时间为：(1)发送一个地址到主存花发送一个地址到主存花1个时钟周期个时钟周期(2)从主存读从主存读4个字花：个字花：200ns/(5ns/Cycle)=40个时钟周期个时钟周期(一个周期是一个周期是109ns/20

42、0MHz=1000/200=5ns)(3)4个字（个字（128位）的传输需位）的传输需2个时钟周期个时钟周期(一个一个64位数据传输需位数据传输需1个时钟周期个时钟周期)(4)在这次传送和下次之间有在这次传送和下次之间有2个空闲时钟周期个空闲时钟周期所所以以一一次次总总线线事事务务总总共共需需45个个周周期期，256个个字字需需256/4=64个个事事务务，所所以以整整个个传传送送需需45x64=2880个个时时钟钟周周期期，因因而而总总等等待待时时间间为为：2880周周期期x5ns/周周期期=14400ns。每每秒秒钟钟的的总总线线事事务务数数为为：64 x(1s/14400ns)=4.44

43、M个个。总总线线带带宽宽为为：(256 x 4B)/14400ns=71.11MB/s。1 clock=40 clock2 clock2 clockI/OMemoryBlockaddressRead memory Data transfer Bus idleLatency=2880 clock cyclesBandwidth=71.11MB/secio.2621十二月十二月2022举例举例-数据块大小对带宽的影响数据块大小对带宽的影响 分析分析16-字块传送情况：字块传送情况：对对于于16-字字块块传传送送，一一次次总总线线事事务务由由一一个个地地址址传传送送后后跟跟一一个个16-字字块块的的

44、数数据据传传送送组组成成。也也即即每每个总线事务传送一个个总线事务传送一个16个字的数据块。个字的数据块。第一个第一个4-字所花时间为：字所花时间为：(1)发送一个地址到主存花发送一个地址到主存花1个时钟周期个时钟周期(2)从主存读开始的从主存读开始的4字花：字花：200ns/(5ns/Cycle)=40个时钟周期个时钟周期(3)4个字的传输需个字的传输需2个时钟周期，个时钟周期，在传输期间存储器开始读取下一个在传输期间存储器开始读取下一个4字字(4)在本次和下次之间有在本次和下次之间有2个空闲时钟，此期间下一个个空闲时钟，此期间下一个4字已读完字已读完所所以以，16字字中中其其余余三三个个4

45、字字只只要要重重复复上上述述最最后后两两步步。因因此此对对于于16-字字块块传传送送，一一次次总总线线事事务务共共需需花花费费的的周周期期数数为为：1+40+4x(2+2)=57个个周周期期，256个个字字需需256/16=16个个事事务务，因因此此整整个个传传送送需需57x16=912个个时时钟钟周周期期。故故总总等等待待时时间间为为：912周周期期x5ns/周周期期=4560ns。几几乎乎仅仅是是前前者者的的1/3。每每秒秒钟钟的的总总线线事事务务个个数数为为：16x(1s/4560ns)=3.51M个个。总总线线带带宽宽为：为：(256x4B)x(1s/4560ns)=224.56MB/

46、s，比前者高比前者高3.6倍。倍。由此可见，大数据块传输的优势非常明显。由此可见，大数据块传输的优势非常明显。1 clock40 clock2 clock2 clockI/OMemoryLatency=912 clock cyclesBandwidth=224.56MB/secio.2721十二月十二月2022增加同步总线带宽的措施增加同步总线带宽的措施提高时钟频率提高时钟频率Databuswidth(增加数据线宽度增加数据线宽度)能同时传送更多位能同时传送更多位Example:SPARCstation20smemorybus有有128bitCost:morebuslinesBlocktran

47、sfers(允许大数据块传送允许大数据块传送)背对背总线周期，也称为突发背对背总线周期，也称为突发(Burst)传输方式传输方式只要开始送一次地址，后面连续送数据只要开始送一次地址，后面连续送数据Cost:(a)增加复杂性增加复杂性(b)延长响应时间延长响应时间SplitBusTransaction(拆分总线事务拆分总线事务)一次总线事务时间延长，但整个系统带宽增加一次总线事务时间延长，但整个系统带宽增加Cost:(a)增加复杂性增加复杂性(b)延长响应时间延长响应时间不采用分时复用方式不采用分时复用方式地址和数据可以同时送出地址和数据可以同时送出Cost(代价代价):(a)morebusli

48、nes,(b)增加复杂性增加复杂性io.2821十二月十二月2022关于关于I/O总线标准总线标准I/O总线总线是各类是各类I/O控制器与控制器与CPU、内存之间传输数据的一组公用信号、内存之间传输数据的一组公用信号线，这些信号线在物理上与主板扩展槽中插入的扩展卡（线，这些信号线在物理上与主板扩展槽中插入的扩展卡（I/O控制器）控制器）直接连接。直接连接。I/O总线是标准总线，总线是标准总线，I/O总线标准有：总线标准有：ISA/EISA总线：（已逐步被淘汰）总线：（已逐步被淘汰）Multibus总线：（已逐步被淘汰）总线：（已逐步被淘汰）PCI总线：目前总线：目前PC机所用的主流标准机所用的

49、主流标准PCI-Express(高速高速PCI总线总线)：目前：目前PC机所用的主流标准机所用的主流标准I/O总线的带宽总线的带宽总线的数据传输速率总线的数据传输速率(MB/s)=数据线位数数据线位数/8总线工作频率（总线工作频率（MHz）每个总线周期的传输次数每个总线周期的传输次数io.2921十二月十二月2022PCI总线扩展槽总线扩展槽io.3021十二月十二月2022（自学（自学）PCI总线标准总线标准 (1)信号线信号线PCI有有50根必须的信号线根必须的信号线。按功能可分为以下几组：。按功能可分为以下几组：系统信号：系统信号：包括时钟和复位线。包括时钟和复位线。地地址址和和数数据据

50、信信号号：包包含含32根根分分时时复复用用的的地地址址/数数据据线线、4根根分分时时复复用用的的总总线线命命令令/字节使能线以及对这字节使能线以及对这36根信号线进行奇偶校验的一根校验信号线。根信号线进行奇偶校验的一根校验信号线。接接口口控控制制信信号号：对对总总线线事事务务进进行行定定时时控控制制，用用于于在在事事务务的的发发起起者者和和响响应应者者之之间进行协调。间进行协调。裁裁决决信信号号：它它不不同同于于其其他他信信号号，不不是是所所有有设设备备共共享享同同一一根根信信号号线线，而而是是每每个个总总线线主主控控设设备备都都有有一一对对仲仲裁裁线线：总总线线请请求求和和总总线线允允许许。