计算机组成原理第六章第1讲总线的概念和结构形态

第六章总线系统2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6.5HOST总线和PCI总线6.6InfiniBand标准36.1总线的概念和结构形态总线的基本概念总线的连接方式总线的内部结构总线结构实例46.1.1总线的基本概念•上一章学习：CPU内部有各种功能部件，之间有数据、地址、控制信号的传递及协调工作。•依靠的是各种线路将其连接•总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。•借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。56.1.1总线的基本概念•总线可分为以下几类：内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算器部件之间的总线。系统总线：外部总线。CPU和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线。I/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线。66.1.1总线的基本概念总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。•物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座形状，引脚排列方式）•功能特性：每根线的功能•电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。•时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。76.1.1总线的基本概念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？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。86.1.1总线的基本概念采用标准总线的优点•简化系统设计•简化系统结构，提高系统可靠性•便于系统的扩充和更新96.1.1总线的基本概念总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。•定义：一次操作可以传输的数据位数•如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。•总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。10【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?11【例1】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）=D×f=4B×33×106/s=132MB/s（2）64位=8BDr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s126.1.2总线的连接方式总线将CPU和各部件、设备相连不能直接与CPU相连，需要适配器适配器（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。136.1.2总线的连接方式单机系统中总线结构的两种基本类型：•单总线：使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备。146.1.2总线的连接方式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。实际情况：外设的速度差异很大156.1.2总线的连接方式当高速设备和低速设备同在一个总线上：•1.分时工作•2.信息传送效率和吞吐量受到极大限制解决方法：多总线结构166.1.2总线的连接方式多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。如图所示。176.1.2总线的连接方式高速的CPU总线：CPU和cache之间采用系统总线：连接主存高速总线：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（支持大容量I/O设备）。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。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。186.1.2总线的连接方式特点：•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早期总线的内部结构如图所示206.1.3总线的内部结构早期总线结构的不足之处在于：•CPU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。•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。216.1.4总线的内部结构当代流行的总线内部结构226.1.4总线的内部结构当代流行总线结构：•标准总线•CPU与存储器、外设以及总线控制器并列共同使用总线•便于实现总线与各部件结构技术的无关性•能支持多CPU结构总线控制器：•完成多个总线请求者之间的协调与仲裁。236.1.4总线的内部结构包含四部分：•数据传输总线：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位数据线常常和地址线采用多路复用方式。•仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。•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。•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大多数计算机采用了分层次的多总线结构。Pentium计算机主板总线结构是一个三层次的多总线结构，即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。25266.1.5总线结构实例•Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。CPUPCIISA北桥南桥27286.1.5总线结构实例CPU总线：•64位数据，32位地址总线。•总线时钟频率：66.6MHz•连接主存控制器，实现主存访问•连接两级Cache•CPU是总线主控者29306.1.5总线结构实例PCI总线：•PeripheralComponentInterconnection:外围部件扩展接口•33.3MHz，带宽132M/s•集中式仲裁•连接高速I/O设备，图形显示器适配器、网络接口控制器、硬盘控制器等•桥：上连接CPU总线、下连接ISA总线北桥南桥31326.1.5总线结构实例ISA总线IndustrialStandardArchitecture工业标准结构总线与低速I/O设备连接支持7个DMA通道和15级可屏蔽硬件中断连接鼠标、键盘、ROM等