六章总线系统-课件.ppt
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1、第六章总线系统 ppt课件本章内容本章内容本章首先讲述总线系统的一些基本概念和基本技术,在此基础上,具体介绍当前实用的PCI总线和正在流行的InfiniBand标准。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总线的定时和数据传送模式6.5 HOST总线和PCI总线6,6 InfiniBand标准26.1总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态l总线的基本概念l总线的连接方式l总线的内部结构l总线结构实例36.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念l总线的特性可分为:物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。l物理特性:总线的物理连接方式(根数、插头、插座形状,引脚
2、排列方式)l功能特性:每根线的功能l电气特性:每根线上信号的传递方向及有效电平范围。l时间特性:规定了每根总线在什么时间有效。66.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念l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,其原因何在呢?l为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用,就需要进行系统总线的标准化工作。目前,已经出现了很多总线标准,如PCI、ISA等。l采用标准总线的优点l简化系统设计l简化系统结构,提高系统可靠性l便于系统的扩充和更新76.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念l总线带宽:总线本身
3、所能达到的最高传输速率。l一次操作可以传输的数据位数l如S100为8位,ISA为16位,EISA为32位,PCI-2可达64位。l总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。8【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,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=8BD
4、r=Df=8B66106/s=528MB/s96.1.2总线的连接方式 l适配器(接口):实现高速适配器(接口):实现高速CPUCPU与低速外设之间工作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。所有数据传送和控制。l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:l单总线:使用一条单一的系统总线来连接单总线:使用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、内存和内存和I/OI/O设备。设备。l单总线结构特点:单总线结构特点:在单总线结构中,要求连接到总线上的逻辑部件必在单总线结构中,要求连接到总线
5、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。否则,由于一条总线由多种功能部件共用,线控制权。否则,由于一条总线由多种功能部件共用,可能导致很大的时间延迟。可能导致很大的时间延迟。101.单总线结构单总线结构-使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存、主存和和I/O设备,叫做单总线结构。设备,叫做单总线结构。此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行,以此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行,以
6、便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权;而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。当不再使用总线时,能迅速放弃总线控制权。6.1.2 总线的连接方式11(1)取指令取指令:当:当CPU取一条指令时,首先把程序计数器取一条指令时,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。在中的地址同控制信息一起送至总线上。在“取指令取指令”情情况下的地址是主存地址况下的地址是主存地址,此时该地址所指定的主存单元的内此时该地址所指定的主存单元的内容一定是一条指令,而且将被传送给容一定是一条指令,而且将被传送给CPU。(2)传送数据传送数据:取出
7、指令之后,:取出指令之后,CPU将检查操作码。操将检查操作码。操作码规定了对数据要执行什么操作,以及数据是流进作码规定了对数据要执行什么操作,以及数据是流进CPU还还是流出是流出CPU。(3)I/O操作操作:如果该指令地址字段对应的是外围设备地:如果该指令地址字段对应的是外围设备地址,则外围设备译码器予以响应,从而在址,则外围设备译码器予以响应,从而在CPU和与该地址相和与该地址相对应的外围设备之间发生数据传送,而数据传送的方向由指对应的外围设备之间发生数据传送,而数据传送的方向由指令操作码决定。令操作码决定。12(4)DMA操作操作:某些外围设备也可以指定地址。某些外围设备也可以指定地址。如
8、果一个由外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,于是在主存和外设间将进行直接存储器传送主存和外设间将进行直接存储器传送(DMA)。(5)单总线结构容易扩展成多单总线结构容易扩展成多CPU系统系统:这只要在系统总线上挂:这只要在系统总线上挂接多个接多个CPU即可。即可。132.双总线结构双总线结构这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点,但又在这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点,但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线,使和主存之间专门设置了一组高速的存储总线,使CPU可通过专可通过专用总
9、线与存储器交换信息,并减轻了系统总线的负担,同时主存仍用总线与存储器交换信息,并减轻了系统总线的负担,同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现可通过系统总线与外设之间实现DMA操作,而不必经过操作,而不必经过CPU。当。当然这种双总线系统以增加硬件为代价。然这种双总线系统以增加硬件为代价。143.三总线结构三总线结构它是在双总线系统的基础上增加它是在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的。总线形成的。在在DMA方式中,外设与存储器间直接交换数据而不方式中,外设与存储器间直接交换数据而不经过经过CPU,从而减轻了,从而减轻了CPU对数据输入输出的控制,而对数据输入输出的控制,而“通道通道”方式进一
10、步提高了方式进一步提高了CPU的效率。通道实际上是一的效率。通道实际上是一台具有特殊功能的处理器,又称为台具有特殊功能的处理器,又称为IOP(I/O处理器处理器),它分担它分担了一部分了一部分CPU的功能,以实现对外设的统一管理及外设与的功能,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,由于增加了主存之间的数据传送。显然,由于增加了IOP,使整个系,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。的。15166.1.2总线的连接方式l多总线:在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。如图所示。l17CPUCache主
11、存主存桥桥LAN接口接口视频视频接口接口图形图形接口接口SCSI接口接口扩充扩充总线接口总线接口Firewire接口接口系统总线系统总线CPU总线总线串行串行接口接口Moderm接口接口Fax接口接口扩充总线扩充总线4.多总线结构多总线结构高速总线高速总线具有缓冲、转换、控具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路制功能的逻辑电路支持大容量支持大容量I/O设备设备186.1.2总线的连接方式l高速的CPU总线:CPU和cache之间采用l系统总线:主存连在其上。l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
12、(支持大容量I/O设备)。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。l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。l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。196.1.3总线的内部结构l早期总线的内部结构如图所示,它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。这种简单的总线一般也由50100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。20216.1.3总线的内部结构早期总线结构
13、的不足之处在于:lCPU是总线上惟一的主控者。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。l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。226.1.4总线的内部结构l当代流行的总线内部结构(中断请求和中断认可)(中断请求和中断认可)(总线请求和总线授权)(总线请求和总线授权)(时钟信号、电源线、地线、系统复位等)(时钟信号、电源线、地线、系统复位等)236.1.4总线的内部结构l由地址线、数据线、控制线组成。其结构与简单总线相似,但一般是32条地址线,32或64条数据线。为了减少布线,64位数据的低32位数据线常常和
14、地址线采用多路复用方式。l仲裁总线:包括总线请求线和总线授权线。l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。l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。246.1.5总线结构实例l大多数计算机采用了分层次的多总线结构。l右图它是一个三层次的多总线结构即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。256.1.5总线结构实例 lPentium机的总线结构分为三层:CPU总线、PCI总线和ISA总线。CPUCPUPCIPCIISAISA北北桥桥南南桥桥266.2 总线接口总线接口一、信息的传送方式一、信息的传送方式 l计算机系统中,传输信息
15、基本有三种方式:l串行传送l并行传送l分时传送l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。分时传送即总线的分时复用。276.2 总线接口总线接口l串行传送l使用一条传输线,采用脉冲传送。l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,不管传送的数据量有多少,只需要一条传输线,成本比较低廉。l缺点就是速度慢。286.2 总线接口总线接口l并行传送l每一数据位需要一条传输线,一般采用电位传送。l分时传送l总线复用或是共享总线的部件分时使用总线。296.2 总线接口总线接口二、总线接口的基本概念二、总线接口的基本概念301.什么是接口:什么是接口:接口接口即即I
16、/O设备适配器,具体指设备适配器,具体指CPU和主和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。2.接口的作用:接口部件在它动态连接的两个部件之间接口的作用:接口部件在它动态连接的两个部件之间起着起着“转换器转换器”的作用,以便实现彼此之间的信息传的作用,以便实现彼此之间的信息传送。送。3.接口与接口与CPU和外设的连接:为了使所有的外围设备能和外设的连接:为了使所有的外围设备能够兼容,并能在一起正确地工作,够兼容,并能在一起正确地工作,CPU规定了不同的规定了不同的信息传送控制方法。信息传送控制方法。一个标准接口可能连接一个设备,一个标准接口可能
17、连接一个设备,也可能连接多个设备。也可能连接多个设备。314.典型的接口通常具有如下功能:典型的接口通常具有如下功能:(1).控制控制-接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作,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。如启动、关闭设备等。(2).缓冲缓冲-接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用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。作为一个缓冲器,以补偿各种设备在速度上的差异。(3).状态状态-接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据状态信息包括数据“准备就绪准备就
18、绪”、“忙忙”、“错误错误”等等等,供等,供CPU询问外围设备时进行分析之用。询问外围设备时进行分析之用。324.典型的接口通常具有如下功能:典型的接口通常具有如下功能:(4).转换转换-接口可以完成任何要求的数据转换,例如并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串转换或串并转换,因此数据能在外围设备和CPU之之间正确地进行传送。间正确地进行传送。(5).整理整理-接口可以完成一些特别的功能,例如在需要时可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。以修改字计数器或当前内存地址寄存器。(6).程序中断程序中断-每当外围设
19、备向每当外围设备向CPU请求某种动作时,接口请求某种动作时,接口即发生一个中断请求信号到即发生一个中断请求信号到CPU。336.2 总线接口总线接口5:5:适配器的两面性适配器的两面性-必有两个接口:必有两个接口:一是和系统总线的接口,一是和系统总线的接口,CPUCPU和适配器的数据交和适配器的数据交换一定的是并行方式;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。根据外围设备能是并行方式,也可能是串行方式。根据外围设备供求串行数据或并行数据的方式不同,适配器分为供求串行数据或并行数据的方式不同,适配器分
20、为串行数据接口串行数据接口和和并行数据接口并行数据接口两大类。两大类。3435【例【例2】利用串行方式传送字符(如图),每】利用串行方式传送字符(如图),每秒钟传送的比特(秒钟传送的比特(bit)位数常称为波特率。)位数常称为波特率。假设数据传送速率是假设数据传送速率是120个字符个字符/秒,每一个秒,每一个字符格式规定包含字符格式规定包含10个比特位(起始位、停个比特位(起始位、停止位、止位、8个数据位),问传送的波特率是多少个数据位),问传送的波特率是多少?每个比特位占用的时间是多少每个比特位占用的时间是多少?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
21、数:Td=1/1200=0.83310-3s=0.833ms366.3 总线的仲裁总线的仲裁l连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态,其中主方可以启动一个总线周期,而从方只能响应主方请求。每次总线操作,只能有一个主方,但是可以有多个从方。l为了解决多个功能模块争用总线的问题,必须设置总线仲裁部件。l总线占用期:主方持续控制总线的时间。l按照总线仲裁电路的位置不同,仲裁方式分为集中式和分布式两种。37l主设备(Master):控制总线完成数据传输l从设备(Slave):被动实现数据交换l总线仲裁:决定当前控制总线的主设备l集中仲裁:中央仲裁器负责l分布仲裁:比较各个主设备仲裁号决定某一时刻,
22、只能有一个主设备控制总线,某一时刻,只能有一个主设备控制总线,其它设备此时可以作为从设备其它设备此时可以作为从设备某一时刻,只能有一个设备向总线发送数据,某一时刻,只能有一个设备向总线发送数据,但可以有多个设备从总线接收数据但可以有多个设备从总线接收数据386.3 总线的仲裁总线的仲裁一、集中式仲裁一、集中式仲裁l集中式仲裁有三种:集中式仲裁有三种:链式查询方式:离中央仲裁器最近的设备具有最高优链式查询方式:离中央仲裁器最近的设备具有最高优先权,离总线控制器越远,优先权越低。先权,离总线控制器越远,优先权越低。优点:只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线优点:只用很少几根线就能按一定优先次序
23、实现总线控制,并且这种链式结构很容易扩充设备。控制,并且这种链式结构很容易扩充设备。缺点:是对询问链的电路故障很敏感,优先级固定。缺点:是对询问链的电路故障很敏感,优先级固定。39集中仲裁:链式查询方式集中仲裁:链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG-总线同意总线同意I/O接口接口1406.3 总线的仲裁总线的仲裁l计数器定时查询方式:总线上的任一设备要求使用总线时,计数器定时查询方式:总线上的任一设备要求使用总线时,通过通过BRBR线发出总线请求。线发出总线请求。l
24、中央仲裁器接到请求信号以后,在中央仲裁器接到请求信号以后,在BSBS线为线为“0”“0”的情况下的情况下让计数器开始计数,计数值通过一组地址线发向各设备。让计数器开始计数,计数值通过一组地址线发向各设备。l每个设备接口都有一个设备地址判别电路,当地址线上的每个设备接口都有一个设备地址判别电路,当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时,该设备计数值与请求总线的设备地址相一致时,该设备 置置“1”BS“1”BS线,获得了总线使用权,此时中止计数查询。线,获得了总线使用权,此时中止计数查询。l每次计数可以从每次计数可以从“0”“0”开始,也可以从中止点开发始。如开始,也可以从中止点开发始。如果
25、从果从“0”“0”开始,各设备的优先次序与链式查询法相同,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级相等。使用总线的优级相等。416.3 总线的仲裁总线的仲裁l计数器的初值也可用程序来设置,这可以计数器的初值也可用程序来设置,这可以方便地改变优先次序,但这种灵活性是以方便地改变优先次序,但这种灵活性是以增加线数为代价的。可方便的改变优先级。增加线数为代价的。可方便的改变优先级。42 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口
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