计算机组成与结构第6章_总线系统

第6章总线系统2019年12月17日星期二2目录6.1总线的概念和结构形态——理解6.2总线接口——了解6.3总线的仲裁——理解6.4总线的定时和数据传送模式——了解6.5HOST总线和PCI总线——了解6.6InfiniBand标准——了解2019年12月17日星期二3考研大纲要求(一)总线概述1.总线的基本概念2.总线的分类3.总线的组成及性能指标(二)总线仲裁1.集中仲裁方式2.分布仲裁方式(三)总线操作和定时1.同步定时方式2.异步定时方式(四)总线标准2019年12月17日星期二46.1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总线的内部结构6.1.4总线结构实例2019年12月17日星期二56.1.1总线的基本概念总线构成计算机系统的互联机构，是系统内各功能部件之间进行信息传送的公共通路。总线的分类按传送的信息分数据总线、地址总线、控制总线按连接部件分内部总线、局部总线、系统总线、通信总线2019年12月17日星期二6按传送信息分类的总线地址总线单向，三态总线，用于传送地址信息；其位数决定可直接寻址的范围；数据总线双向，三态总线，用于传送数据信息；其位数有8位、16位、32位、64位等；控制总线传送控制、状态信息；其类型决定计算机的特色；位数不定。2019年12月17日星期二7按连接部件分类的总线内部总线各芯片内部逻辑器件的连接总线；局部总线CPU与其他部件的连接总线；介于CPU内部总线和系统总线之间，可高速传输数据；系统总线计算机各功能部件的连接总线；通信总线（IO总线）微机系统与微机系统、其他设备之间的连接总线；2019年12月17日星期二8M.M扩展板CPU插件板I/O插件板BUS总线的物理实现2019年12月17日星期二91、总线的特性物理特性总线的位数，总线插头、插座的形状，引脚的排列方式等；功能特性确定每一根总线的名称、定义、功能与逻辑关系等，如传送数据、地址、控制信号；电气特性规定每一根总线上信号的传送方向及有效电平范围等内容；时间特性总线上各信号有效的时序关系；2019年12月17日星期二102、总线标准总线的标准化为保证总线的性能充分发挥以及兼容问题而提出的；主要包括总线的各种特性、数据传输率、总线通信协议、仲裁协议等一系列规定和约定。总线标准的来源权威组织正式公布的标准；实际存在的工业标准；典型的标准总线ISA、EISA、PCI等；按总线标准设计的接口是通用接口。2019年12月17日星期二113、总线的性能指标总线宽度一次总线操作中，最多可传送的数据位数。总线周期一次总线操作所需要的最小间隔时间。总线周期与总线的时钟频率成反比，即T=1/f总线带宽单位时间内通过总线的数据位数，总线的数据传输率；单位一般为MB/s。2019年12月17日星期二12课本P186【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，则总线带宽是多少?一个总线周期T=1/f=1/(33×106)一个总线周期的传送的数据量D=4B总线带宽Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×106/s=132MB/s(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，则总线带宽是多少?总线带宽Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s2019年12月17日星期二136.1.2总线的连接方式适配器：又称接口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。单机系统中，总线结构的三种基本类型：单总线结构使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。双总线结构在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。三总线结构在各外部设备与通道之间增加一组I/O总线。多总线结构通过桥将多总线彼此相连。2019年12月17日星期二14系统内的所有部件均由系统总线连接；优点：各部件之间可直接进行通信；系统易于扩充；缺点：总线负载重；若有慢速设备，则会产生较大的时间延迟，降低系统的工作效率。单总线结构CPU主存设备适配器设备适配器系统总线2019年12月17日星期二15系统内的所有部件均由系统总线连接；在CPU和主存之间再专门设置了一组高速的存储总线。特点：保持了单总线的优点（简单、易扩充）；减轻了系统总线的工作负担，使CPU工作效率有所提高；但增加了硬件成本。双总线结构CPU主存设备适配器设备适配器存储总线系统总线2019年12月17日星期二16系统总线负责连接CPU、主存、I/O通道；存储总线负责连接CPU与主存；I/O总线负责连接各I/O适配器。特点：设置了通道，对外设进行统一的管理，分担了CPU的工作。提高了CPU工作效率，同时也最大限度的提高外设的工作速度。但硬件成本进一步增加。三总线结构CPU主存设备适配器设备适配器IOPI/O总线系统总线存储总线2019年12月17日星期二17三总线结构的又一形式局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存2019年12月17日星期二18多总线结构2019年12月17日星期二196.1.3总线的内部结构早期总线内部结构实际是CPU芯片引脚的延伸；早期总线的不足CPU是总线上惟一的主控者。总线结构与CPU紧密相关，通用性较差。2019年12月17日星期二20现代总线多采用标准总线与结构、CPU、技术无关；又被称为底板总线。现代总线可分为四个部分：数据传送总线地址线、数据线、控制线；仲裁总线总线请求线、总线授权线；中断和同步总线中断请求线、中断认可线；公用线时钟信号、电源等；2019年12月17日星期二21CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形调制解调器图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISAEISA标准总线控制器SCSIⅡ控制器存储器6.1.4总线结构实例CPU-存储器总线，64位DB、32位AB，66.6MHzPCI总线连接快速外设32位/64位总线宽度33.3MHzPCI-ISA总线连接低速外设16位DB，24位AB8MHz何谓“桥”？具有缓存、转换、控制功能的逻辑电路2019年12月17日星期二226.1.5总线技术的发展历程1981年，IBM公司推出了PC/XT总线；1984年，Intel公司联合几家公司制定了ISA总线规范；ISA，IndustryStandardArchitecture，工业标准结构1987年，IBM公司推出了MCA总线；MCA，MicroChannelArchitecture，微通道结构1991年，Intel、Compaq等9家公司联合推出EISA总线；EISA，ExtendedIndustrialStandardArchitecture1992年，视频电子标准协会(VESA)公布了VL总线标准；VL，VESALocalBus1992年，Intel公司推出了PCI总线；PCI，PeripheralComponentInterconnect，外围设备互连总线1996年，Intel公司推出了AGP总线；AGP，AcceleratedGraphicsPort，加速图形接口2019年12月17日星期二23总线技术的发展历程PC/XT总线2019年12月17日星期二24PC/XT总线早期PC/XT微机配套的8位系统总线，也称为PC总线；主板上包括8个PC/XT总线扩展槽；主板时钟频率为14.3128MHz；CPU时钟为4.77MHz，最快的访存周期由4个时钟周期构成，总线带宽约为1MB/s；PC/XT总线扩展槽包括62个管脚；CPU引脚经过8282、8286、8288、8259、8237等芯片组合而成；右侧为A列，左侧为B列，各31个管脚，包括地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线与电源线五类；2019年12月17日星期二25扬声器8个8位62引脚扩展槽扩展总线缓冲CPU8088(4.77MHz)8087（可选）ROMBIOSDRAM控制器RAM8237DMA控制器DMA页面寄存器8253定时/计数器8259中断控制器8250串行通信控制器键盘与并行控制电路2019年12月17日星期二26ISA总线16位的总线结构，并保持了对8位总线的兼容性；主板上也是8个扩展槽；扩展槽既可以插入16位板卡，也可以插入8位板卡；总线时钟与CPU时钟均为6~12MHz，访存周期至少3个时钟周期，总线带宽约为4~8MB/s；ISA总线设计为长短插槽形式；前62管脚的长插槽信号分布与功能含义大致与PC总线相同；后36管脚的短插槽ISA总线新增，分为C、D列，各18个管脚；2019年12月17日星期二27ISA总线插槽同一类型的插槽都是相通的，板卡可以插入其中任何一个槽中。2019年12月17日星期二28ISA声卡2019年12月17日星期二292019年12月17日星期二30EISA总线EISA总线是ISA总线的扩展数据总线从16位变为32位，地址总线从24位变为32位；增加了突发式传送（BurstTransfer，又称猝发式传送）；支持多处理器的高性能32位标准总线。EISA总线扩展槽的插脚分上、下两层；上层同ISA总线的兼容；下层是EISA总线新增的信号；ISA插板EISA插板2019年12月17日星期二31PCI总线PCI总线是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式连接起来的总线标准，是基于奔腾处理器而发展的总线。PCI总线的主要性能数据总线32位（5V），可扩充到64位（3.3V）；最多支持10台外设；总线时钟频率33MHz/66MHz；支持突发式传送，最大数据传输速率528MB/s；能自动识别外设，硬件插卡自动识别、配置，即插即用；独特的中间缓冲器设计方式，独立于CPU，并将CPU子系统与外设分开；支持多主设备系统；2019年12月17日星期二32PCI插槽2019年12月17日星期二33PCI系统结构PCI总线中提出了“桥”的概念“桥”——连接两条总线，使总线之间互相通信；PCI总线是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。桥的类型主桥：连接CPU和基本PCI总线，也称为“北桥”；标准总线桥：连接PCI总线和其他标准IO总线；PCI桥：连接两条PCI总线；南桥2019年12月17日星期二34CPUCache控制器内存控制器处理器总线与主PCI总线桥接器高速缓存Cache内存DRAMPCI与PCI桥接器PCI与ISA桥接器PCI与EISA桥接器LANI/O控制器MODEM控制器I/O支持软盘键盘串行口I/O支持并行口声频处理器总线主PCI总线次PCI总线ISA总线EISA总线存储器总线PCISCSI卡PCI显卡标准总线桥PCI桥主桥基于PCI总线的系统结构图2019年12月17日星期二35PentiumPC的体系结构处理器总线2019年12月17日星期二36AGP总线AGP总线是一种显示卡专用的局部图形总线；严格的说，AGP不能称为总线，因为它是点对点连接，即控制芯片和AGP显示卡连接连接；AGP总线直接与主板的北桥芯片相连，让显示芯片与系统主内存直接相连;避免了窄带宽的PCI总线形成的系统瓶颈，增加3D图形数据传输速度;在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。2019年12月17日星期二37AGP插槽2019年12月17日星期二38AGP接口的发展1996年，AGP1.0图形标准问世；包括AGP1X和AGP2X两种模式；数据传输带宽分别达到了266MB/s和533MB/s；1998