計算機組成原理(第六章2)

1、計算機組成原理第六章 總線系統(tǒng) 課程教學要求本章內(nèi)容： 6.1 總線的概念和結構形態(tài) 6.2 總線接口 6.3 總線的仲裁 6.4 總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式 6.5 HOST總線和PCI總線 6.6 InfiniBand 標準 本章小結6.1總線的概念和結構形態(tài)討論問題：討論問題：1 1 總線的基本概念總線的基本概念2 2 總線的連接方式總線的連接方式3 3 總線結構對計算機系統(tǒng)性能的影響總線結構對計算機系統(tǒng)性能的影響4 4 總線的內(nèi)部結構總線的內(nèi)部結構5 5 總線結構實例總線結構實例總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.1.1總線的基本概念 總線是構成計算機系統(tǒng)的互連機構，是多個系統(tǒng)總線是構成計算機系統(tǒng)的互連

2、機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)或信息傳送的公共通路。功能部件之間進行數(shù)據(jù)或信息傳送的公共通路。一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類：一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類： (1)(1)內(nèi)部總線內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運算部件內(nèi)部連接各寄存器及運算部件之間的總線。之間的總線。 (2) 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線：CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件，如存儲器、通道等互相連接的總線。部件，如存儲器、通道等互相連接的總線。 (3) I/O總線總線：中、低速：中、低速I/O設備之間互相連接的總設備之間互相連接的總線。線。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)1.1.總線的特性總線的特性(

3、 (教材教材P183-184P183-184) ) 物理特性物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線的根數(shù)，總線：指總線的物理連接方式，包括總線的根數(shù)，總線的插頭、插座的形狀，引腳線的排列方式等。的插頭、插座的形狀，引腳線的排列方式等。 功能特性功能特性：描述總線中每一根線的功能。：描述總線中每一根線的功能。 電氣特性電氣特性：定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。：定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。送入送入CPU的信號叫輸入信號的信號叫輸入信號(IN)，從，從CPU發(fā)出的信號叫輸出信發(fā)出的信號叫輸出信號號(OUT)。 時間特性時間特性: 定義了每根線在什么時間有效。規(guī)定了總線

4、上各定義了每根線在什么時間有效。規(guī)定了總線上各信號有效的時序關系，信號有效的時序關系，CPU才能正確無誤地使用。才能正確無誤地使用。 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)2.2.總線的標準化總線的標準化 采用同一類的指令系統(tǒng)，具備同一種功能，不同采用同一類的指令系統(tǒng)，具備同一種功能，不同廠家生產(chǎn)的各功能部件卻在實現(xiàn)方法上幾乎沒有相同廠家生產(chǎn)的各功能部件卻在實現(xiàn)方法上幾乎沒有相同的，然而的，然而, , 各廠家生產(chǎn)的相同功能部件卻可以互換使各廠家生產(chǎn)的相同功能部件卻可以互換使用，其原因用，其原因: : 在于它們都遵守了相同的系統(tǒng)總線的要在于它們都遵守了相同的系統(tǒng)總線的要求，這就是系統(tǒng)總線的求，這就是系統(tǒng)總線的標準化問

5、題標準化問題。 總線帶寬總線帶寬：總線本身所能達到的最高傳輸速率，：總線本身所能達到的最高傳輸速率，是衡量總線性能的重要指標，單位是衡量總線性能的重要指標，單位: :兆字節(jié)兆字節(jié)/ /秒秒( (MB/s) )總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)【例【例1 1】(1)(1)某總線在一個總線周期中并行某總線在一個總線周期中并行傳送傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為f=33MHz，則總線帶寬是多少，則總線帶寬是多少? (2)如果一個總線周期中并行傳送如果一個總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率升為位數(shù)據(jù)，總線時

6、鐘頻率升為f= 66MHz，則總線帶寬是多少，則總線帶寬是多少? 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)解：解：(1)設總線帶寬用設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用表示，總線時鐘周期用 =1/f表示，一表示，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示。表示。根據(jù)定義可得根據(jù)定義可得: Dr = D1/ = Df =4B33 M/s=132 MB/s(2) 64位位=8B， Dr= Df =8B66 M/s=528 MB/s (自閱）自閱）6.1.2 總線的連接方式總線的連接方式 1.1.單總線結構單總線結構在許多單處理器的在許多單處理器的計算機中，使用一條單一的系統(tǒng)計算機中，使用一條單一的系統(tǒng)總線來

7、連接總線來連接CPU、主存和、主存和I/O設備，叫做單總線結構。設備，叫做單總線結構。CAI演示演示?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)包括：單總線結構和多總線結構包括：單總線結構和多總線結構 在單總線結構的計算機中，要求連接到總線上的在單總線結構的計算機中，要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在各設備需要使用總線邏輯部件必須高速運行，以便在各設備需要使用總線時能迅速獲得總線控制權；時能迅速獲得總線控制權； 而當不再使用總線時，又能迅速放棄總線控制權。而當不再使用總線時，又能迅速放棄總線控制權。否則，由于一條總線由多種功能部件共用，可能導致否則，由于一條總線由多種功能部件共用，可能導致很大的時間延遲。很

8、大的時間延遲。 總線上進行的操作總線上進行的操作： (1)(1)取指令取指令：當：當CPU取一條指令時，首先把程序計取一條指令時，首先把程序計數(shù)器數(shù)器PC中的地址同控制信息一起送至總線上，通過總中的地址同控制信息一起送至總線上，通過總線，完成線，完成“取指令取指令”操作。操作。(2) 傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)：取出指令之后，：取出指令之后，CPU將按操作碼的將按操作碼的要求對數(shù)據(jù)進行傳送和處理，也需要通過總線，完成要求對數(shù)據(jù)進行傳送和處理，也需要通過總線，完成數(shù)據(jù)的傳送。數(shù)據(jù)的傳送。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) (3) I/O操作操作：如果該指令地址字段對應的是外圍：如果該指令地址字段對應的是外圍設備地址，則外圍

9、設備譯碼器予以響應，從而通過總設備地址，則外圍設備譯碼器予以響應，從而通過總線使線使CPU和與該地址相對應的外圍設備之間發(fā)生數(shù)據(jù)和與該地址相對應的外圍設備之間發(fā)生數(shù)據(jù)傳送。傳送。(4) DMA操作操作: 某些外圍設備也可以指定主存地址。某些外圍設備也可以指定主存地址。 如果主存予以響應，則在主存和外設間將進行直接存如果主存予以響應，則在主存和外設間將進行直接存儲器傳送儲器傳送(DMA)。(5) 單總線結構容易擴展成多單總線結構容易擴展成多CPU系統(tǒng)系統(tǒng)：這只要在：這只要在系統(tǒng)總線上掛接多個系統(tǒng)總線上掛接多個CPU即可。即可。2.2.多總線結構多總線結構在CPU、主存、I/O之間互聯(lián)采用多條總線

10、。如圖所示。 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 高速的高速的CPU總線：總線：CPU和和cache之間采用。之間采用。 系統(tǒng)總線：主存連在其上。系統(tǒng)總線：主存連在其上。 高速總線上可以連接高速高速總線上可以連接高速LAN（100Mb/s局域網(wǎng)）局域網(wǎng)）、視頻接口、圖形接口、視頻接口、圖形接口、SCSI接口（支持本地磁盤驅(qū)接口（支持本地磁盤驅(qū)動器和其他外設）、動器和其他外設）、Firewire接口（支持大容量接口（支持大容量I/O設設備）。高速總線通過擴充總線接口與擴充總線相連，備）。高速總線通過擴充總線接口與擴充總線相連，擴充總線擴充總線上可以連接串行方式工作的上可以連接串行方式工作的I/O設備設備。 特點特

11、點: : CPU總線、系統(tǒng)總線和高速總線通過總線、系統(tǒng)總線和高速總線通過“橋橋”彼此彼此相連。相連。橋橋?qū)嵸|(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能實質(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路。的邏輯電路。 多總線結構體現(xiàn)了多總線結構體現(xiàn)了高速高速、中速中速、低速設備低速設備連接到連接到不同的總線上同時進行工作，以提高總線的效率和不同的總線上同時進行工作，以提高總線的效率和吞吐量，而且處理器結構的變化不影響高速總線。吞吐量，而且處理器結構的變化不影響高速總線。6.1.3 總線的內(nèi)部結構總線的內(nèi)部結構 早期總線的內(nèi)部結構如圖所示，早期總線的內(nèi)部結構如圖所示，CAI演示演示。 這種簡單的總線一般由這種簡

12、單的總線一般由50100條線組成，這些線條線組成，這些線按其功能可分為三類：按其功能可分為三類：地址線地址線、數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線和和控制線控制線。 ( (見后圖見后圖) )總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)簡單總線結構的簡單總線結構的不足之處不足之處在于：在于：（1）CPU是總線上的唯一主控者是總線上的唯一主控者;（2）總線信號是總線信號是CPU引腳信號的延伸，即：引腳信號的延伸，即：總線結構與總線結構與CPU緊密相關，因而通用性較差。緊密相關，因而通用性較差。 當代流行的總線內(nèi)部結構如圖。當代流行的總線內(nèi)部結構如圖。CAI演示演示 它是一些標準總線，其追求的是與結構、它是一些標準總線，其追求的是與結構、CPU、技術

13、無關的開發(fā)標準，并滿足包括多個技術無關的開發(fā)標準，并滿足包括多個CPU在內(nèi)的主在內(nèi)的主控者環(huán)境需求?？卣攮h(huán)境需求。 在當代總線結構中，在當代總線結構中，CPU和它片內(nèi)的和它片內(nèi)的Cache一起一起作為一個模塊與總線相連。系統(tǒng)中允許有多個這樣的作為一個模塊與總線相連。系統(tǒng)中允許有多個這樣的處理器模塊。而由總線控制器完成幾個總線請求者之處理器模塊。而由總線控制器完成幾個總線請求者之間的協(xié)調(diào)與仲裁。間的協(xié)調(diào)與仲裁。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)整個總線分成如下四部分：整個總線分成如下四部分： 1 1 數(shù)據(jù)傳送總線數(shù)據(jù)傳送總線： 由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線 組成。組成。 2 2 仲裁總線仲裁總

14、線： 包括總線請求線和總線授權線。包括總線請求線和總線授權線。 3 3 中斷和同步總線中斷和同步總線：用于處理帶優(yōu)先級的中斷操：用于處理帶優(yōu)先級的中斷操 作，包括中斷請求線和中斷認可線。作，包括中斷請求線和中斷認可線。 4 4 公用線公用線： 包括時鐘信號線、電源線、地線、包括時鐘信號線、電源線、地線、 系統(tǒng)復位線以及加電或斷電的時序信號線等。系統(tǒng)復位線以及加電或斷電的時序信號線等。6.1.5 總線結構實例總線結構實例 ( (?？坡詫？坡裕?大多數(shù)計算機采用了分層次的多總線結構。在這種結構中，大多數(shù)計算機采用了分層次的多總線結構。在這種結構中，按照設備模塊傳送信息的速度，分成不同層次的總線。按

15、照設備模塊傳送信息的速度，分成不同層次的總線。 例如，例如，pentium計算機主板的總線結構框圖，其按速度分成：計算機主板的總線結構框圖，其按速度分成：CPU總線、總線、PCI總線、總線、 ISA總線等?？偩€等。 （見后圖）。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)CAI演示演示 Pentium機總線的三層結構：機總線的三層結構： CPU總線總線PCI總線總線ISA總線總線： CPU總線總線：（略）：（略） 也稱也稱CPU存儲器存儲器總線，它是一個總線，它是一個64位數(shù)據(jù)線和位數(shù)據(jù)線和32位地址線的高速同步總線。位地址線的高速同步總線。 主存擴充容量是以內(nèi)存條形式插入主板有關插座主存擴充容量是以內(nèi)存條形式插入主板有

16、關插座來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。 CPU總線還接有總線還接有L2級級cache，主存控制器和，主存控制器和cache控制器芯片用來管理控制器芯片用來管理CPU對主存和對主存和cache的存取操作。的存取操作。 CPU是這條總線的主控者，但必要時可放棄總線是這條總線的主控者，但必要時可放棄總線控制權?？刂茩?。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)PCI總線總線： 用于連接高速用于連接高速的的I/O設備模塊。通過設備模塊。通過“橋橋”芯片，芯片，上上面與更高速的面與更高速的CPU總線相連，下面與低速的總線相連，下面與低速的ISA總線總線相接。相接。PCI總線是一個總線是一個32(或或64位位)的較高速同步總線，的較高速同步總

17、線，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/地址線是同一組線，分時復用。地址線是同一組線，分時復用。 PCI總線采用集中式仲裁方式，有專用的總線采用集中式仲裁方式，有專用的PCI總線總線仲裁器。主板上一般有仲裁器。主板上一般有3個個PCI總線擴充槽?？偩€擴充槽?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)ISA總線總線： Pentium機使用該總線與低速機使用該總線與低速I/O設備連接。主板設備連接。主板上一般留有上一般留有3 4個個ISA總線擴充槽，以便使用各種總線擴充槽，以便使用各種16位位/8位適配器卡。該總線支持位適配器卡。該總線支持7個個DMA通道和通道和15級可屏蔽級可屏蔽硬件中斷。硬件中斷。 另外，另外，ISA總線控制邏輯還通過主板上的

18、片級總線總線控制邏輯還通過主板上的片級總線與實時鐘與實時鐘/日歷、日歷、ROM、鍵盤和鼠標控制器、鍵盤和鼠標控制器(8042微處微處理器理器)等芯片相連接。等芯片相連接?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng) CPU總線、總線、PCI總線、總線、ISA總線通過總線通過兩個兩個“橋橋”芯芯片連成整體。橋芯片在此起到了信號速度緩沖、電平片連成整體。橋芯片在此起到了信號速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換和控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。通過橋?qū)深惒煌目傓D(zhuǎn)換和控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。通過橋?qū)深惒煌目偩€線“粘合粘合”在一起的技術特別適合于系統(tǒng)的升級換代。在一起的技術特別適合于系統(tǒng)的升級換代。 Pentium個人機總線系統(tǒng)中，有一個核心邏輯芯個人機總

19、線系統(tǒng)中，有一個核心邏輯芯片片組，簡稱組，簡稱PCI芯片組，它包括：主存控制器和芯片組，它包括：主存控制器和cache控控制器芯片、北橋芯片和南橋芯片。這個芯片組叫制器芯片、北橋芯片和南橋芯片。這個芯片組叫Intel 430系列、系列、440系列，它們在系統(tǒng)中起著至關重要的作系列，它們在系統(tǒng)中起著至關重要的作用。用?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.2總線接口 1 1 信息的傳送方式信息的傳送方式 2 2 接口的基本概念接口的基本概念總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.2.1信息的傳送方式 數(shù)字計算機使用二進制數(shù)，它們可用電位數(shù)字計算機使用二進制數(shù)，它們可用電位的高、低來表示，也可用脈沖的有、無來表示。的高、低來表示，也可

20、用脈沖的有、無來表示。 計算機中傳輸信息常采用三種方式：計算機中傳輸信息常采用三種方式： 串行傳送串行傳送 并行傳送并行傳送 分時傳送分時傳送。 出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳送的信息通常采用送的信息通常采用并行傳送并行傳送方式。方式?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)1.1.串行傳送串行傳送 信息以串行方式傳送時，只有一條傳輸線，且采信息以串行方式傳送時，只有一條傳輸線，且采用用脈沖傳送脈沖傳送。即：數(shù)據(jù)。即：數(shù)據(jù)“0或或1”按位依次順序傳送按位依次順序傳送（以（以脈沖信號脈沖信號“有或無有或無”形式形式），每拍（次）傳一位。），每拍（次）傳一位?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng) 在

21、串行傳送時，被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件在串行傳送時，被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件進行并進行并/ /串變換，這稱為串變換，這稱為拆卸拆卸；而在接收部件又需；而在接收部件又需要進行串要進行串/ /并變換，這稱為并變換，這稱為裝配裝配。串行傳送串行傳送的優(yōu)點：的優(yōu)點： 一位一位地傳送數(shù)據(jù)，可采用高強度脈沖信號傳送，這一位一位地傳送數(shù)據(jù)，可采用高強度脈沖信號傳送，這對于長距離傳輸顯得特別重要。而且，不管傳送的數(shù)據(jù)量有多對于長距離傳輸顯得特別重要。而且，不管傳送的數(shù)據(jù)量有多少，只需要一條傳輸線，成本比較低廉。少，只需要一條傳輸線，成本比較低廉。串串- -并并變換變換傳送過程：傳送過程：并行數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)并行

22、數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)2.2.并行傳送并行傳送 用并行方式傳送二進制信息時，對每位數(shù)據(jù)都用并行方式傳送二進制信息時，對每位數(shù)據(jù)都需要單獨一條傳輸線，從而使得多位二進制數(shù)碼在同需要單獨一條傳輸線，從而使得多位二進制數(shù)碼在同一時刻同時進行傳送。一時刻同時進行傳送。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 并行傳送一般采用并行傳送一般采用電位電位傳送傳送。由于所有的位同時。由于所有的位同時被傳送，所以并行數(shù)據(jù)傳被傳送，所以并行數(shù)據(jù)傳送比串行數(shù)據(jù)傳送快得多。送比串行數(shù)據(jù)傳送快得多。串、并行傳送的示意圖，串、并行傳送的示意圖，CAI演示演示。 （參見教材參見教材P188）3.3.分時傳送分時傳送分時傳送有兩種概念分時傳送有兩種概念: :

23、一、總線復用方式一、總線復用方式 總線上在不同的時間間隔中，可以分別完成傳總線上在不同的時間間隔中，可以分別完成傳送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務。（送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務。（復用復用）二、部件分時使用方式二、部件分時使用方式 當多部件共享總線時，各部件根據(jù)控制命令，當多部件共享總線時，各部件根據(jù)控制命令，分時使用總線來完成自己的數(shù)據(jù)傳送任務。（分時使用總線來完成自己的數(shù)據(jù)傳送任務。（分時分時）總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.2.2接口的基本概念 接口接口：又稱又稱I/O設備適配器，具體指設備適配器，具體指CPU和主和主存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。總線系統(tǒng)

24、總線系統(tǒng)CPU接口接口主存主存或外設或外設演示演示 接口部件在所連接的兩個部件之間起著接口部件在所連接的兩個部件之間起著“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器”的作用，以便實現(xiàn)彼此之間的信息傳送。的作用，以便實現(xiàn)彼此之間的信息傳送。為了使所有的外圍設備能夠兼容，并能在一為了使所有的外圍設備能夠兼容，并能在一起正確地工作，起正確地工作，CPU規(guī)定了不同的信息傳送控制規(guī)定了不同的信息傳送控制方法。方法。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.控制控制接口接受程序的指令信息來控制外圍設備的動作，如啟動、接口接受程序的指令信息來控制外圍設備的動作，如啟動、關閉設備等。關閉設備等。 2.緩沖緩沖接口在外

25、圍設備和計算機系統(tǒng)其他部件之間用作為一個緩接口在外圍設備和計算機系統(tǒng)其他部件之間用作為一個緩沖器，以補償或調(diào)整各種設備在速度上的差異。沖器，以補償或調(diào)整各種設備在速度上的差異。 3.狀態(tài)狀態(tài)接口監(jiān)視并保存外圍設備的工作狀態(tài)信息。包括接口監(jiān)視并保存外圍設備的工作狀態(tài)信息。包括: 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)“準備就緒準備就緒”、“忙忙”、“錯誤錯誤”等，供等，供CPU查詢外圍設備時查詢外圍設備時進行分析之用。進行分析之用。 4.4.轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換接口可以根據(jù)需要完成各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，例如并接口可以根據(jù)需要完成各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，例如并/ /串串轉(zhuǎn)換、串轉(zhuǎn)換、串/ /并轉(zhuǎn)換等，以保證數(shù)據(jù)能在外圍設并轉(zhuǎn)換等，以保證數(shù)據(jù)能在外圍設備和備

26、和CPU之間正確地進行傳送。之間正確地進行傳送。 5.整理整理接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時可接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時可以修改字計數(shù)器或當前內(nèi)存地址寄存器等。以修改字計數(shù)器或當前內(nèi)存地址寄存器等。 6.程序中斷程序中斷每當外圍設備向每當外圍設備向CPU請求某種動作時，接口即發(fā)請求某種動作時，接口即發(fā)生一個中斷請求信號到生一個中斷請求信號到CPU?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)事實上，一個適配器包含有兩個接口事實上，一個適配器包含有兩個接口( (如下圖如下圖):):1、與系統(tǒng)總線的接口與系統(tǒng)總線的接口： CPU和適配器的數(shù)據(jù)交換一定的是并行方式；和適配器的數(shù)據(jù)交換一定的是并行方式；2

27、、與外設的接口與外設的接口： 適配器和外設的數(shù)據(jù)交換可能是并行方式，也適配器和外設的數(shù)據(jù)交換可能是并行方式，也可能是串行方式，根據(jù)外圍設備供求數(shù)據(jù)的方式可能是串行方式，根據(jù)外圍設備供求數(shù)據(jù)的方式來確定。來確定。 串行傳送信息的速率：通常用串行傳送信息的速率：通常用波特率波特率、比特率比特率來來表示。表示。波特率波特率定義：定義：每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為波特率波特率。比特率比特率定義：定義：每秒鐘傳送的有效數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為每秒鐘傳送的有效數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為比特率比特率?！纠俊纠?利用串行方式傳送字符，假設數(shù)據(jù)傳送速率利用串行方式傳送字符，假設數(shù)據(jù)傳送速率是是120個字符

28、個字符/秒，每一個字符格式規(guī)定包含秒，每一個字符格式規(guī)定包含10個數(shù)據(jù)位個數(shù)據(jù)位(起始位、停止位、起始位、停止位、8個數(shù)據(jù)位個數(shù)據(jù)位)，問傳送的波特數(shù)是多，問傳送的波特數(shù)是多少少? ? 每個數(shù)據(jù)位占用的時間是多少每個數(shù)據(jù)位占用的時間是多少? ? （教材（教材P190)【解】：【解】：波特數(shù)為：波特數(shù)為：10位位120/秒秒=1200波特波特 每個數(shù)據(jù)位占用的時間每個數(shù)據(jù)位占用的時間Td是波特數(shù)的倒數(shù)：是波特數(shù)的倒數(shù)： Td=1/1200 =0.83310-3 s= 0.833ms6.3總線的仲裁、定時和數(shù)據(jù)傳送模式包括： 1 總線的仲裁 2 總線的定時 3 總線的數(shù)據(jù)傳送模式總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6

29、.3.1總線的仲裁連接到總線上的功能模塊都有主動和被動兩種形態(tài)。為了解決多個主設備同時競爭總線主動控制權問題，必須具有總線仲裁部件，以某種方式選擇其中一個主設備作為總線的下一次主方，稱為：總線仲裁?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)什么叫什么叫總線仲裁總線仲裁： 對多個主設備提出的占用總線請求，一般采用對多個主設備提出的占用總線請求，一般采用優(yōu)先級或公平策略進行仲裁。優(yōu)先級或公平策略進行仲裁。 按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為集中式仲裁集中式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁兩類。兩類。仲裁策略與方式：仲裁策略與方式：1.1.集中式仲裁（集中式仲裁（教材P191圖6.9

30、) ) 集中式仲裁中每個功能模塊都有兩條線連到中央仲裁器： 一條: 送往仲裁器的總線請求信號線BR； 另一條: 仲裁器送出的總線授權信號線BG?？偩€授權常用如下三種方法： 鏈式查詢方式 計數(shù)器定時查詢方式 獨立請求方式總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)(1) (1) 鏈式查詢方式鏈式查詢方式基本思想： 各設備通過共用單一的請求線，向中央仲裁器發(fā)出總線請求“BR ”。在總線不忙（BS線狀態(tài)為“0” ）的情況下，仲裁器發(fā)出總線授權信號“BG”。 該信號串行地從一個I/O接口傳送到下一個I/O接口，一旦查到發(fā)出總線請求的接口，BG信號便不再往下查詢。使該I/O接口獲得了總線控制權（將BS置為“1”）。 顯然，離中央仲

31、裁器越近的設備優(yōu)先級就越高?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)鏈式查詢方式的優(yōu)點: 只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)多個設備的總線仲裁，并且很容易擴充設備。鏈式查詢方式鏈式查詢方式鏈式查詢方式的缺點鏈式查詢方式的缺點: 1. 由于對請求需要查詢確定，故：由于對請求需要查詢確定，故：響應速度較慢。響應速度較慢。 2. 對查詢鏈電路的故障很敏感。一旦由于某種原對查詢鏈電路的故障很敏感。一旦由于某種原因造成因造成“斷鏈斷鏈”，那么，斷點以后的設備都無法獲得，那么，斷點以后的設備都無法獲得總線的使用權了?？偩€的使用權了。鏈式查詢方式鏈式查詢方式問題問題?鏈式查詢方式鏈式查詢方式問題問題? 3. 3. 查詢鏈的優(yōu)先級

32、是固定的，如果優(yōu)先級高的設查詢鏈的優(yōu)先級是固定的，如果優(yōu)先級高的設備頻繁的出現(xiàn)請求時，優(yōu)先級較低的設備就可能長期備頻繁的出現(xiàn)請求時，優(yōu)先級較低的設備就可能長期不能使用總線。不能使用總線。仲仲裁裁器器權利的過度不均等權利的過度不均等！(2)(2)計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)器定時查詢方式基本思想： 總線上的任一設備要求使用總線時，仍然通過共同的BR線向中央仲裁器發(fā)出總線請求。區(qū)別： 仲裁器接到請求信號以后，在總線不忙（BS線為“0” ）的情況下，啟動仲裁地址計數(shù)器開始計數(shù)，并把計數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設備。 每個設備接口都有一個每個設備接口都有一個設備地址比較電路設備地址比較電路，當?shù)?，當?shù)刂肪€上的

33、計數(shù)值與請求總線的設備地址相一致時，該址線上的計數(shù)值與請求總線的設備地址相一致時，該設備立即占用總線（設備立即占用總線（置置BS線線為為“1”1”），從而獲得總），從而獲得總線使用權，同時中止計數(shù)查詢。線使用權，同時中止計數(shù)查詢。原理示意圖原理示意圖 計數(shù)器定時查詢方式原理計數(shù)器定時查詢方式原理 ： 當當“BR”被受理，則仲裁器啟動計數(shù)器開始計數(shù)，并被受理，則仲裁器啟動計數(shù)器開始計數(shù)，并作為設備地址號發(fā)送出來，一旦查到發(fā)出作為設備地址號發(fā)送出來，一旦查到發(fā)出“BR”信號的設信號的設備，計數(shù)器立即停止計數(shù)，并授權該設備使用總線。備，計數(shù)器立即停止計數(shù)，并授權該設備使用總線。設備地址查詢設備地址查

34、詢仲仲裁裁器器計數(shù)器查詢方式的特點： 1. 若每次計數(shù)器都從“0”開始，則：各設備的優(yōu)先次序與鏈式查詢法相同，即：優(yōu)先級的順序是固定的。 若每次計數(shù)器啟動都從上次的中止點開始，則每個設備使用總線的優(yōu)先級相等。仲仲裁裁器器 當然，這種靈活性是以增加線數(shù)為代價的（如：當然，這種靈活性是以增加線數(shù)為代價的（如：增加為增加為3 3根線，可管理根線，可管理2 23 3=8=8個設備；增加為個設備；增加為4 4根線，則根線，則可管理可管理2 24 4=16=16個設備等）個設備等）。2. 計數(shù)器的初值可用程序來設置，因而可以方便地改變優(yōu)先次序。仲仲裁裁器器(3)(3)獨立請求方式獨立請求方式基本思想： 讓

35、每一個共享總線的設備都有一對獨立的總線請求線BRi和總線授權線BGi。任何一個設備要求使用總線時，都可獨立地向仲裁器發(fā)出自己的請求信號BRi。 中央仲裁器中的排隊電路，可決定首先響應哪個設備的請求，并立即給該設備以授權信號BGi?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)原理示意圖原理示意圖 每個設備都可以獨立地向每個設備都可以獨立地向仲裁器發(fā)出自己的仲裁器發(fā)出自己的請求信號請求信號BRi，并獨立地接受總線授權并獨立地接受總線授權BGi 。仲仲裁裁器器獨立請求方式的特點獨立請求方式的特點： 1. 1. 響應時間快，確定優(yōu)先響應的設備所花費的時響應時間快，確定優(yōu)先響應的設備所花費的時間少，不用逐個設備地查詢。間少，不用逐

36、個設備地查詢。 2. 2. 既可以預先固定，也可以通過程序來方便地既可以預先固定，也可以通過程序來方便地改變優(yōu)先次序，因此對優(yōu)先次序的控制相當靈活；改變優(yōu)先次序，因此對優(yōu)先次序的控制相當靈活； 3. 3. 可以用屏蔽可以用屏蔽( (禁止禁止) )請求的辦法，封鎖來自某請求的辦法，封鎖來自某些設備的請求。些設備的請求。（對設備的請求進行干預和管理對設備的請求進行干預和管理） 4. 4. 這種方式需增加的線數(shù)較多（這種方式需增加的線數(shù)較多（N個設備，需個設備，需要要2N根線），仲裁器的結構相應也根線），仲裁器的結構相應也要復雜一些。要復雜一些。集中式總線仲裁方式集中式總線仲裁方式演示演示6.3.2

37、 6.3.2 分布式仲裁分布式仲裁特點： 分布式仲裁的最大特點是：不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。 共享的仲裁總線上總是保留著當前占用總線模塊的仲裁號?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng) 當其它模塊有總線請求時，各自的仲裁器將從仲當其它模塊有總線請求時，各自的仲裁器將從仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。裁總線上得到的號與自己的號進行比較。l 如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響 應，并撤消它的仲裁號比較。應，并撤消它的仲裁號比較。l 最后獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。最后獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。 顯然，分布式仲裁仍然

38、是以顯然，分布式仲裁仍然是以優(yōu)先級仲裁策略優(yōu)先級仲裁策略為基為基礎，但是取消了中央仲裁器。礎，但是取消了中央仲裁器。6.4總線的定時與數(shù)據(jù)傳送模式1、總線定時總線的定時：是關于總線控制的另一個重要概念。 先看看總線上的一次信息傳送的完整過程: 請請 求求 總總 線線總總 線線 仲仲 裁裁 尋尋 址址 從從 方方信信 息息 傳傳 送送狀狀 態(tài)態(tài) 返返 回回為了同步主方為了同步主方/從方的操作，雙方必須制訂定時協(xié)議。從方的操作，雙方必須制訂定時協(xié)議。定時定時：事件出現(xiàn)在總線上的時序關系。：事件出現(xiàn)在總線上的時序關系。 定時方式定時方式： 同步定時；同步定時； 異步定時異步定時(1) (1) 同步定

39、時同步定時 在同步定時協(xié)議中，由總線時鐘信號來確定事件出 現(xiàn)在總線上的時刻。 由于采用了公共時鐘，每個功能模塊什么時候發(fā) 送或接收信息都由統(tǒng)一時鐘規(guī)定，因此，同步定 時具有較高的傳輸頻率。 同步定時適用于總線長度較短、各功能模塊存取 時間比較接近的情況?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)（同步定時時序）（同步定時時序）(2) (2) 異步定時異步定時 在異步定時協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應答式或互鎖機制基礎上。在這種系統(tǒng)中，不需要統(tǒng)一的公共時鐘信號，總線周期的長度是可變的?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)異步定時的優(yōu)點異步定時的優(yōu)點: : 總線周期長度可變，不把響應時間總線周期長度可變，不

40、把響應時間強加到功能模塊上，因而允許快速和慢速的功能模塊強加到功能模塊上，因而允許快速和慢速的功能模塊都能連接到同一總線上。但這以增加總線控制的復雜都能連接到同一總線上。但這以增加總線控制的復雜性和成本為代價。性和成本為代價。 讀數(shù)據(jù)的同步時序和異步時序讀數(shù)據(jù)的同步時序和異步時序演示演示。6.4.2總線數(shù)據(jù)傳送模式 當代的總線標準大都能支持以下四類模式的數(shù)據(jù)傳送： 1、讀、寫操作讀操作：由從方到主方的數(shù)據(jù)傳送； 寫操作：由主方到從方的數(shù)據(jù)傳送。 一般，主方先用一個總線周期發(fā)出命令和從方地址，經(jīng)過一定的延時再開始數(shù)據(jù)傳送總線周期。 為了提高總線利用率，減少延時損失，主方完成尋址總線周期后可讓出總

41、線控制權，以使其它主方完成更緊迫的操作。然后再重新競爭總線，完成數(shù)據(jù)傳送總線周期。 2、塊傳送操作只需給出塊的起始地址，然后按塊長度、依次讀出或?qū)懭胝麎K數(shù)據(jù)。對于CPU(主方)與存儲器(從方)之間的塊傳送，常稱為猝發(fā)式傳送，其塊長一般固定為數(shù)據(jù)線寬度(存儲器字長)的4倍。3、先寫后讀、先讀后寫操作先寫后讀、先讀后寫操作對同一地址單元，或進行對同一地址單元，或進行先寫后讀先寫后讀操作，或進行操作，或進行先讀后寫先讀后寫操作。前者用于校驗目的；后者用于多道程操作。前者用于校驗目的；后者用于多道程序系統(tǒng)中對共享存儲資源的保護。這兩種操作和猝發(fā)序系統(tǒng)中對共享存儲資源的保護。這兩種操作和猝發(fā)式操作一樣，

42、主方掌管總線直到整個操作完成。式操作一樣，主方掌管總線直到整個操作完成。 4、 廣播、廣集操作一般而言，數(shù)據(jù)傳送只在一個主方和一個從方之間進行。但有的總線允許一個主方對多個從方進行寫操作，這種操作稱為廣播。 一個主方對多個從方同時進行讀操作稱為廣集，它可以將選定的多個從方數(shù)據(jù)在總線上完成AND或OR操作，用以檢測多個中斷源?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5HOST總線和PCI總線6.5.1 多總線結構6.5.2 PCI總線信號（自閱）6.5.3 總線周期類型（自閱）6.5.4 PCI總線周期操作（自閱）6.5.5 PCI總線仲裁（自閱）總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5.1多總線結構 可見： PCI既是一個與處理器

43、無關的高速外圍總線，又是至關重要的層間總線。它采用同步時序協(xié)議和集中式仲裁策略，并具有自動配置能力。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)本章小結本章小結典型的典型的PCI總線結構總線結構框圖框圖演示演示。HOST總線該總線有CPU總線、系統(tǒng)總線、主存總線等多種名稱，各自反映總線功能的一個方面。這里稱“宿主（HOST)”總線，也許更全面，因為HOST總線不僅連接主存，還可以連接多個CPU?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)PCI總總線線連接各種高速的PCI設備。PCI設備可以是主設備，也可以是從設備，或兼而有之。在PCI設備中不存在DMA的概念，這是因為PCI總線支持無限的猝發(fā)式傳送。這樣，傳統(tǒng)總線上用DMA方式工作的設備移植到PC

44、I總線上時，采用主設備工作方式即可。 系統(tǒng)中允許有多條PCI總線，它們可以使用HOST橋與HOST總線相連，也可使用PCI/PCI橋與已和HOST總線相連的PCI總線相連，從而得以擴充整個系統(tǒng)的PCI總線負載能力。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)LAGACY總線總線可以是ISA，EISA，MCA等這類性能較低的傳統(tǒng)總線，以便充分利用市場上豐富的適配器卡，支持中、低速I/O設備?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)在在PCI總線體系結構中有總線體系結構中有三種橋三種橋。橋連接。橋連接兩條總線，使彼此間相互通信。兩條總線，使彼此間相互通信。 橋又是一個橋又是一個總線轉(zhuǎn)換部件，可以把一條總線的地址空間映總線轉(zhuǎn)換部件，可以把一條總線的地

45、址空間映射到另一條總線的地址空間上，從而使系統(tǒng)中射到另一條總線的地址空間上，從而使系統(tǒng)中任意一個總線主設備都能看任意一個總線主設備都能看到同樣的一份地址到同樣的一份地址表。表。 PCI總線的基本傳輸機制是猝發(fā)式傳送，利用橋可以實現(xiàn)總線間的猝發(fā)式傳送。寫操作時，橋把上層總線的寫周期內(nèi)容先緩存起來，以后的時間再在下層總線上生成寫周期，即延遲寫。讀操作時，橋可早于上層總線，直接在下層總線上進行預先讀。無論延遲寫和預先讀，橋的作用可使所有的存取都按CPU的需要出現(xiàn)在總線上。 由上可見，以橋連接實現(xiàn)的PCI總線結構具有很好的擴充性和兼容性，允許多條總線并行工作。它與處理器無關，不論HOST總線上是單CP

46、U還是多CPU，也不論CPU是什么型號，只要有相應的HOST橋芯片(組)，就可與PCI總線相連?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5.2PCI總線信號總線信號(自閱） 表6.1-1列出了PCI標準2.0版的必備類信號名稱及其功能描述。 總線周期類型由C/BE#線上的總線命令給出?？偩€周期長度由周期類型和FRAME#(幀)、IRDY#(主就緒)、IRDY#(目標就緒)、STOP#(停止)等信號控制。一個總線周期由一個地址期和一個或多個數(shù)據(jù)期組成。 表6.1-2列出了可選類信號。 電源線和地線未列入表中。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5.3總線周期類型總線周期類型(自閱） PCI總線周期由當前被授權的主設備發(fā)起。PCI支

47、持任何主設備和從設備之間點到點的對等訪問，也支持某些主設備的廣播讀寫。 PCI總線周期類型由主設備在C/BE30線上送出的4位總線命令代碼指明，被目標設備譯碼確認，然后主從雙方協(xié)調(diào)配合完成指定的總線周期操作。4位代碼組合可指定16種總線命令，但實際給出12種。 PCI總線命令格式如表6.2所示存儲器讀/寫總線周期以猝發(fā)式傳送為基本機制，一次猝發(fā)式傳送總線周期通常由一個地址期和一個或幾個數(shù)據(jù)周期組成。存儲器讀/寫周期的解釋，取決于PCI總線上的存儲器控制器是否支持存儲器/cache之間的PCI傳輸協(xié)議。如果支持，則存儲器讀/寫一般是通過cache來進行；否則，是以數(shù)據(jù)塊非緩存方式來傳輸?？偩€系統(tǒng)

48、總線系統(tǒng)存儲器寫和使無效周期與存儲器寫周期的區(qū)別在于，前者不僅保證一個完整的cache行被寫入，而且在總線上廣播“無效”信息，命令其他cache中的同一行地址變?yōu)闊o效。關于存儲器讀的三個總線周期的說明示于表6.3中。特殊周期用于主設備將其信息(如狀態(tài)信息)廣播到多個目標方。配置讀/寫周期是PCI具有自動配置能力的體現(xiàn)。PCI有三個相互獨立的物理地址空間，即存儲器、I/O、配置空間。雙地址周期用于主方指示它正在使用64位地址。 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5.4總線周期操作總線周期操作(自閱） 下面以數(shù)據(jù)傳送類的總線周期為代表，說明PCI總線周期的操作過程。一個讀操作總線周期時序示例（CAI演示） 圖中

49、的環(huán)形箭頭符號表示某信號線由一個設備驅(qū)動轉(zhuǎn)換成另一設備驅(qū)動的過渡期，避免兩個設備同時驅(qū)動一條信號線的沖突。 我們看到，PCI總線周期的操作過程有如下特點：(1)采用同步時序協(xié)議。 總線上所有事件，即信號電平轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在時鐘信號的下跳沿時刻，而對信號的采樣出現(xiàn)在時鐘信號的上跳沿時刻。(2)總線周期由被授權的主方啟動，以幀F(xiàn)RAME#信號變?yōu)橛行碇甘疽粋€總線周期的開始。(3)一個總線周期由一個地址期和一個或多個數(shù)據(jù)期組成。在地址期內(nèi)除給出目標地址外， 還在C/BE#線上給出總線命令以指明總線周期類型。總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) (4)地址期為一個總線時鐘周期，一個數(shù)據(jù)期在沒有等待狀態(tài)下也是一個時鐘周期。一次

50、數(shù)據(jù)傳送是在掛鉤信號IRDY#和TRDY#都有效情況下完成，任一信號無效(在時鐘上跳沿被對方采樣到)，都將加入等待狀態(tài)。 (5)總線周期長度由主方確定。在總線周期期間FRAME#持續(xù)有效，但在最后一個數(shù)據(jù)期開始前撤除。由此可見，PCI的數(shù)據(jù)傳送以猝發(fā)式傳送為基本機制，且PCI具有無限制的猝發(fā)能力，猝發(fā)長度由主方確定，沒有對猝發(fā)長度加以固定限制。 (6)主方啟動一個總線周期時要求目標方確認。即在FRAME#變?yōu)橛行Ш湍繕说刂匪蜕螦D線 后，目標方在延遲一個時鐘周期后必須以DEVSEL#信號有效予以響應。否則，主設備中止總線周期。(7)主方結束一個總線周期時不要求目標方確認。目標方采樣到FRAME#信號已變?yōu)闊o效時，即知道下一數(shù)據(jù)傳送是最后一個數(shù)據(jù)期?？偩€系統(tǒng)總線系統(tǒng)6.5.5總線仲裁總線仲裁(自閱） PCI總線采用集中式仲裁方式，每個PCI主設備都有獨立的REQ#(總線請求)和GNT#(總線授權)兩條信號線與中央仲裁器相連。由中央仲裁器根據(jù)一定的算法對各主設備的申請進行仲裁，決定把總線使用權授予誰。但PCI標準并沒有規(guī)定仲裁算法。 中央仲裁器不僅采樣每個設備的R