匯流排和匯流排結(jié)構(gòu)

1、1第第 14 章章匯流排和匯流排結(jié)構(gòu)匯流排和匯流排結(jié)構(gòu)2匯流排定義匯流排定義 匯流排是一種相當(dāng)普遍的數(shù)位通訊機制 匯流排可以讓兩個（或以上）功能性單元互相傳輸控制訊號或資料。 比如 記憶體匯流排用於處理器和記憶體系統(tǒng)之間的連線 I/O匯流排用於處理器和I/O設(shè)備之間的連線3匯流排匯流排4匯流排（匯流排（Cont.）匯流排是一種可以把功能性單元互連在一起的數(shù)位通訊機制，一般電腦系統(tǒng)通常包含多個匯流排，以互連處理器、記憶體、和外部I/O設(shè)備。 5專有匯流排和標(biāo)準(zhǔn)匯流排專有匯流排和標(biāo)準(zhǔn)匯流排 專有匯流排 某些私人公司所研發(fā)的匯流排設(shè)計，可能受到專利權(quán)的保護。 標(biāo)準(zhǔn)匯流排 建立一個標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，指定所有建

2、構(gòu)硬體的細節(jié)。 讓不同廠商的各種設(shè)備可以彼此地溝通。 6共用匯流排和存取協(xié)定共用匯流排和存取協(xié)定 大部分的匯流排是共用的 處理器可經(jīng)由匯流排連接到I/O設(shè)備 結(jié)構(gòu)師定義匯流排的存取協(xié)定，指定設(shè)備的使用規(guī)則，讓各個設(shè)備都可以輪流使用匯流排。7多重匯流排多重匯流排 典型的電腦系統(tǒng)具有多重匯流排 中央?yún)R流排 特殊匯流排 也有無法看到的內(nèi)部匯流排 處理器晶片內(nèi)部匯流排 8平行被動機制平行被動機制 電腦系統(tǒng)可以使用串列匯流排，也可以使用並列（或稱為平行）匯流排。 匯流排只是平行並列的電線 沒有其它的電子元件 匯流排是被動的 提供設(shè)備的電氣連線9實體連線實體連線 匯流排可能存在於 晶片內(nèi)部（矽蝕刻電線）

3、電路板內(nèi)部（附著金屬線） 電路板之間（平行排線）10主機板的匯流排主機板的匯流排11電路板和插槽電路板和插槽12匯流排有三個主要的功能匯流排有三個主要的功能 匯流排控制（控制線） 位址訊息（位址線） 資料傳輸（ 資料線）13匯流排線路匯流排線路14擷取擷取-儲存策略儲存策略 如同記憶體系統(tǒng)，匯流排總是使用擷取儲存策略；因此，所有的資料傳輸和控制動作如果不是擷取，就是儲存。15 匯流排寬度匯流排寬度 大部分的匯流排使用並列傳輸 匯流排寬度為K位元 以K條資料線來看，顯然匯流排一次就可以傳輸K位元。 32位元匯流排具有32條資料線，一次可以同時傳送32位元。 16匯流排的擷取匯流排的擷取-儲存策略

4、儲存策略17多工技術(shù)多工技術(shù) 並列介面其實也是一種妥協(xié)。 使用多工技術(shù)降低匯流排線路數(shù)目，通常分成兩個部分： 資料多工 位址資料多工18匯流排線路（二組線路）匯流排線路（二組線路） 典型匯流排有兩種： 三組線路（控制線、位址線、資料線） 二組線路（控制線、位址線/資料線） 19匯流排寬度和資料大小匯流排寬度和資料大小 位址和資料都可以多工傳輸，因此許多結(jié)構(gòu)師為了最佳化硬體效能，往往選擇相同長度的資料和位址。 20記憶體匯流排連線圖記憶體匯流排連線圖21控制硬體和位址控制硬體和位址雖然所有的介面都會接收匯流排傳輸?shù)恼埱?，但是只有?nèi)含該請求位址的介面，才會反應(yīng)。 22記憶體介面的實現(xiàn)步驟記憶體介面

5、的實現(xiàn)步驟 23潛藏錯誤潛藏錯誤 位址衝突 當(dāng)兩個或更多介面都試圖回答某一個特定的請求時，匯流排硬體會偵測錯誤發(fā)生，報告該錯誤。 未設(shè)定的位址 也可能存取到任何介面都沒有的位址，而發(fā)生錯誤。24位址規(guī)劃和插槽位址規(guī)劃和插槽 似乎可以安裝足夠的記憶體，來防止匯流排錯誤。 但是可能有兩個問題： 記憶體匯流排的可擴充性。 某些非記憶體的其它設(shè)備可能具有連續(xù)的匯流排位址。 結(jié)構(gòu)師把記憶體置放在小型電路板，插入主機板插槽，每個插槽都已規(guī)劃成特定的位址範(fàn)圍，因此可以在不必規(guī)劃硬體的情況下，安裝記憶體。 25位址規(guī)劃和插槽（位址規(guī)劃和插槽（Cont.） 還有一種替代方式，使用者毋須特別指定位址。 讓MMU會

6、在電腦啟動時，自動規(guī)劃各個插槽位址。 這種方式會增加一些硬體成本，但以後不必理會插槽順序，直接在任何插槽上置放記憶體。 26單一或多重匯流排單一或多重匯流排 低效能電腦往往只用單一匯流排，來連線所有的元件，主要優(yōu)點在於低成本。 高效能電腦通常內(nèi)含多個匯流排，比如： 一條專門給記憶體使用 一條提供給高速I/O設(shè)備 一條則給低速I/O設(shè)備27擷取擷取儲存設(shè)備儲存設(shè)備 匯流排只提供一種工作方式，讓一個單元和另一個單元能夠互相傳輸一些位元。 我們並不一定要指定這些位元所代表的意義，可以讓每一個設(shè)備的介面硬體自行直譯，把特定位元轉(zhuǎn)譯成控制動作，而非資料傳輸動作。28擷取擷取儲存設(shè)備的控制範(fàn)例儲存設(shè)備的控

7、制範(fàn)例 假想一個內(nèi)含16燈號的硬體設(shè)備要連接到匯流排。 工程師會先列出欲執(zhí)行的動作： 29特殊意義的位址特殊意義的位址30介面動作介面動作 使用硬體來測試每一個請求的位址、動作、和資料，如下：if ( 位址 = 100 & 動作 = 儲存 & 資料 != 0) 打開顯示器; 硬體也必須檢查資料為零的情況：if ( 位址 = 100 & 動作 = 儲存 & 資料 = 0) 關(guān)閉顯示器;31非對稱設(shè)定非對稱設(shè)定 非對稱設(shè)定 只對該位址定義擷取動作，但沒有定義儲存動作。 只對該位址定義儲存動作，但沒有定義擷取動作。32定址整合定址整合 33定址整合（定址整合（Cont

8、.） 單一匯流排存取記憶體和I/O設(shè)備，匯流排所指定的位址剛好定義出處理器的位址空間。 為了避免位址衝突，每一個連接的記憶體和設(shè)備都必須指定一個唯一位址。 34指定位址範(fàn)例指定位址範(fàn)例 整個位址配置如下圖，每一個記憶體佔據(jù)1MB空間，設(shè)備則是12B空間。35 不成比例的位址表示圖不成比例的位址表示圖36空間漏洞空間漏洞 位址空間並不一定是連續(xù)的 漏洞：不連續(xù)位址的空間 匯流排的最低位址會保留給記憶體，設(shè)備則被置放在較高的位址。 37位址配置圖位址配置圖 38位址空間的重點位址空間的重點典型電腦的I/O設(shè)備通常只會使用一小部分的位址，佔整體空間的極小比例。 39匯流排規(guī)劃介面匯流排規(guī)劃介面 以打

9、開顯示器設(shè)備為例，使用C程式來執(zhí)行相關(guān)動作：int *ptr; /*宣告ptr為整數(shù)指標(biāo)*/ptr=(*int)100; /*設(shè)定指標(biāo)位址為100*/*ptr=1; /*在位址100-103之間儲存非零數(shù)值*/40匯流排規(guī)劃介面的重點匯流排規(guī)劃介面的重點在多重匯流排下，處理器會使用特殊指令來進行存?。恢领秵我粎R流排的處理器，則會轉(zhuǎn)譯該空間內(nèi)正常存取的記憶體動作。 41匯流排橋接器匯流排橋接器 橋接器是一個硬體設(shè)備，可以互連兩個匯流排，並且映射兩者之間的位址；顯然，橋接技術(shù)可以增加更多的電腦輔助設(shè)備，讓這些設(shè)備存取主匯流排。 42位址映射圖位址映射圖43交換結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu) 另一種匯流排的替代技術(shù)，就是交換結(jié)構(gòu)。 交換結(jié)構(gòu)有各種不同的型式 這些設(shè)計都跟成本有相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)：因為更多的同時傳輸，會帶給電腦更高的效能，整體成本也會跟著變貴。 44交叉矩陣的交換結(jié)構(gòu)圖交叉矩陣的交換結(jié)構(gòu)圖45結(jié)論結(jié)論 匯流排互連記憶體、I/O設(shè)備和處理器。 大部分的匯流排協(xié)定遵循擷取儲存策略，讓I/O設(shè)備可以互相傳輸資料（也可以解譯成控制訊號）。 匯流排協(xié)定有三種不同型態(tài)的資訊：控制、位址、和資料（三組線路），也可以藉由多工傳輸技