六章總線系統(tǒng)-課件

1、第六章總線系統(tǒng) ppt課件第六章總線系統(tǒng) ppt課件本章內(nèi)容本章首先講述總線系統(tǒng)的一些基本概念和基本技術，在此基礎上，具體介紹當前實用的PCI總線和正在流行的InfiniBand標準。6.1 總線的概念和結(jié)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2本章內(nèi)容本章首先講述總線系統(tǒng)的一些基本概念和基本技術，在6.1總線的概念和結(jié)構形態(tài)總線的基本概念總線的連接方式總線的內(nèi)部結(jié)構總線結(jié)構實例36.1總線的概念和結(jié)構形態(tài)總線的基本概念3第六章總線系統(tǒng)-課件第六章總線系統(tǒng)-課件6.1.1總線的基本概念總線的特性可分

2、為：物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性。物理特性：總線的物理連接方式（根數(shù)、插頭、插座形狀，引腳排列方式）功能特性：每根線的功能電氣特性：每根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。時間特性：規(guī)定了每根總線在什么時間有效。66.1.1總線的基本概念總線的特性可分為：物理特性、功能特性6.1.1總線的基本概念相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家生產(chǎn)的各功能部件在實現(xiàn)方法上幾乎沒有相同的,但各廠家生產(chǎn)的相同功能部件卻可以互換使用，其原因何在呢?為了使不同廠家生產(chǎn)的相同功能部件可以互換使用，就需要進行系統(tǒng)總線的標準化工作。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了很多總線標準，如PCI、ISA等。 采用標準總線的優(yōu)點簡化系統(tǒng)設

3、計簡化系統(tǒng)結(jié)構，提高系統(tǒng)可靠性便于系統(tǒng)的擴充和更新76.1.1總線的基本概念相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家6.1.1總線的基本概念總線帶寬：總線本身所能達到的最高傳輸速率。 一次操作可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)如S100為8位，ISA為16位，EISA為32位，PCI-2可達64位。總線寬度不會超過微處理器外部數(shù)據(jù)總線的寬度。86.1.1總線的基本概念總線帶寬：總線本身所能達到的最高傳輸【例1】（1）某總線在一個總線周期中并行傳送4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33MHz，總線帶寬是多少?（2）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66MHz，總

4、線帶寬是多少?解：（1）設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示，根據(jù)定義可得Dr=D/T=D（1/T）=Df=4B33106/s=132MB/s（2）64位=8BDr=Df=8B66106/s=528MB/s9【例1】（1）某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，6.1.2總線的連接方式 適配器（接口）：實現(xiàn)高速CPU與低速外設之間工作速度上的匹配和同步，并完成計算機和外設之間的所有數(shù)據(jù)傳送和控制。 單機系統(tǒng)中總線結(jié)構的兩種基本類型： 單總線：使用一條單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、內(nèi)存和I/O設備。 單總線結(jié)構特點： 在單總線結(jié)構中，要求連接到

5、總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在某些設備需要使用總線時，能迅速獲得總線控制權；而當不再使用總線時，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，可能導致很大的時間延遲。106.1.2總線的連接方式 適配器（接口）：實現(xiàn)高速CPU與低1.單總線結(jié)構-使用一條單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、主存和I/O設備，叫做單總線結(jié)構。此時要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在某些設備需要使用總線時能迅速獲得總線控制權；而當不再使用總線時，能迅速放棄總線控制權。6.1.2 總線的連接方式111.單總線結(jié)構-使用一條單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、主存和(1)取指令：當CPU取一條指令時，首先

6、把程序計數(shù)器PC中的地址同控制信息一起送至總線上。在“取指令”情況下的地址是主存地址,此時該地址所指定的主存單元的內(nèi)容一定是一條指令，而且將被傳送給CPU。(2)傳送數(shù)據(jù)：取出指令之后，CPU將檢查操作碼。操作碼規(guī)定了對數(shù)據(jù)要執(zhí)行什么操作，以及數(shù)據(jù)是流進CPU還是流出CPU。(3)I/O操作：如果該指令地址字段對應的是外圍設備地址，則外圍設備譯碼器予以響應，從而在CPU和與該地址相對應的外圍設備之間發(fā)生數(shù)據(jù)傳送，而數(shù)據(jù)傳送的方向由指令操作碼決定。12(1)取指令：當CPU取一條指令時，首先把程序計數(shù)器PC(4)DMA操作: 某些外圍設備也可以指定地址。 如果一個由外圍設備指定的地址對應于一個主

7、存單元，則主存予以響應，于是在主存和外設間將進行直接存儲器傳送(DMA)。(5)單總線結(jié)構容易擴展成多CPU系統(tǒng)：這只要在系統(tǒng)總線上掛接多個CPU即可。13(4)DMA操作: 某些外圍設備也可以指定地址。 如果一2.雙總線結(jié)構這種結(jié)構保持了單總線系統(tǒng)簡單、易于擴充的優(yōu)點，但又在CPU和主存之間專門設置了一組高速的存儲總線，使CPU可通過專用總線與存儲器交換信息，并減輕了系統(tǒng)總線的負擔，同時主存仍可通過系統(tǒng)總線與外設之間實現(xiàn)DMA操作，而不必經(jīng)過CPU。當然這種雙總線系統(tǒng)以增加硬件為代價。142.雙總線結(jié)構143.三總線結(jié)構它是在雙總線系統(tǒng)的基礎上增加I/O總線形成的。 在DMA方式中，外設與存

8、儲器間直接交換數(shù)據(jù)而不經(jīng)過CPU，從而減輕了CPU對數(shù)據(jù)輸入輸出的控制，而“通道”方式進一步提高了CPU的效率。通道實際上是一臺具有特殊功能的處理器，又稱為IOP(I/O處理器),它分擔了一部分CPU的功能，以實現(xiàn)對外設的統(tǒng)一管理及外設與主存之間的數(shù)據(jù)傳送。顯然，由于增加了IOP，使整個系統(tǒng)的效率大大提高。然而這是以增加更多的硬件代價換來的。153.三總線結(jié)構1516166.1.2總線的連接方式多總線：在CPU、主存、I/O之間互聯(lián)采用多條總線。如圖所示。176.1.2總線的連接方式多總線：在CPU、主存、I/O之間互CPUCache主存橋LAN接口視頻接口圖形接口SCSI接口擴充總線接口Fi

9、rewire接口系統(tǒng)總線CPU總線串行接口Moderm接口Fax接口擴充總線4. 多總線結(jié)構高速總線具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路支持大容量I/O設備18CPUCache主存橋LAN接口視頻接口圖形接口SCSI接口6.1.2總線的連接方式高速的CPU總線：CPU和cache之間采用系統(tǒng)總線：主存連在其上。高速總線上可以連接高速LAN（100Mb/s局域網(wǎng)）、視頻接口、圖形接口、SCSI接口（支持本地磁盤驅(qū)動器和其他外設）、Firewire接口（支持大容量I/O設備）。高速總線通過擴充總線接口與擴充總線相連，擴充總線上可以連接串行方式工作的I/O設備。通過橋CPU總線、系統(tǒng)總線和高速總線彼此

10、相連。橋?qū)嵸|(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路。多總線結(jié)構體現(xiàn)了高速、中速、低速設備連接到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(jié)構的變化不影響高速總線。196.1.2總線的連接方式高速的CPU總線：CPU和cache6.1.3總線的內(nèi)部結(jié)構早期總線的內(nèi)部結(jié)構如圖所示，它實際上是處理器芯片引腳的延伸，是處理器與I/O設備適配器的通道。這種簡單的總線一般也由50100條線組成，這些線按其功能可分為三類：地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。206.1.3總線的內(nèi)部結(jié)構早期總線的內(nèi)部結(jié)構如圖所示，它實際上21216.1.3總線的內(nèi)部結(jié)構早期總線結(jié)構的不足之處在于：CPU是總線上惟

11、一的主控者。即使后來增加了具有簡單仲裁邏輯的DMA控制器以支持DMA傳送，但仍不能滿足多CPU環(huán)境的要求?？偩€信號是CPU引腳信號的延伸，故總線結(jié)構緊密與CPU相關，通用性較差。226.1.3總線的內(nèi)部結(jié)構早期總線結(jié)構的不足之處在于：226.1.4總線的內(nèi)部結(jié)構當代流行的總線內(nèi)部結(jié)構（中斷請求和中斷認可）（總線請求和總線授權）（時鐘信號、電源線、地線、系統(tǒng)復位等）236.1.4總線的內(nèi)部結(jié)構當代流行的總線內(nèi)部結(jié)構（中斷請求和中6.1.4總線的內(nèi)部結(jié)構由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成。其結(jié)構與簡單總線相似，但一般是32條地址線，32或64條數(shù)據(jù)線。為了減少布線，64位數(shù)據(jù)的低32位數(shù)據(jù)線常常和地址線

12、采用多路復用方式。仲裁總線：包括總線請求線和總線授權線。中斷和同步總線：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。公用線：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。246.1.4總線的內(nèi)部結(jié)構由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成。其結(jié)構6.1.5總線結(jié)構實例大多數(shù)計算機采用了分層次的多總線結(jié)構。右圖它是一個三層次的多總線結(jié)構即有CPU總線、PCI總線和ISA總線。256.1.5總線結(jié)構實例大多數(shù)計算機采用了分層次的多總線結(jié)構。6.1.5總線結(jié)構實例 Pentium機的總線結(jié)構分為三層：CPU總線、PCI總線和ISA總線。 CPUPCIISA北橋南橋266.1.

13、5總線結(jié)構實例 CPUPCIISA北南266.2 總線接口一、信息的傳送方式 計算機系統(tǒng)中，傳輸信息基本有三種方式：串行傳送并行傳送分時傳送出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳送的信息必須采用并行傳送方式。分時傳送即總線的分時復用。 276.2 總線接口一、信息的傳送方式 276.2 總線接口串行傳送使用一條傳輸線，采用脈沖傳送。主要優(yōu)點是只需要一條傳輸線，這一點對長距離傳輸顯得特別重要，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。缺點就是速度慢。286.2 總線接口串行傳送286.2 總線接口并行傳送每一數(shù)據(jù)位需要一條傳輸線，一般采用電位傳送。 分時傳送總線復用或是共享總線的部件

14、分時使用總線。 296.2 總線接口并行傳送296.2 總線接口二、總線接口的基本概念306.2 總線接口二、總線接口的基本概念301. 什么是接口：接口即I/O設備適配器，具體指CPU和主存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。2. 接口的作用：接口部件在它動態(tài)連接的兩個部件之間起著“轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實現(xiàn)彼此之間的信息傳送。3. 接口與CPU和外設的連接：為了使所有的外圍設備能夠兼容，并能在一起正確地工作，CPU規(guī)定了不同的信息傳送控制方法。 一個標準接口可能連接一個設備，也可能連接多個設備。311. 什么是接口：接口即I/O設備適配器，具體指CPU和4. 典型的接口通常具有如下功能

15、：(1).控制-接口靠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。(2).緩沖-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，以補償各種設備在速度上的差異。(3).狀態(tài)-接口監(jiān)視外圍設備的工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息。狀態(tài)信息包括數(shù)據(jù)“準備就緒”、“忙”、“錯誤”等等，供CPU詢問外圍設備時進行分析之用。324. 典型的接口通常具有如下功能：324. 典型的接口通常具有如下功能：(4).轉(zhuǎn)換-接口可以完成任何要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，例如并串轉(zhuǎn)換或串并轉(zhuǎn)換，因此數(shù)據(jù)能在外圍設備和CPU之間正確地進行傳送。(5).整理-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

16、寄存器。(6).程序中斷-每當外圍設備向CPU請求某種動作時，接口即發(fā)生一個中斷請求信號到CPU。334. 典型的接口通常具有如下功能：336.2 總線接口5:適配器的兩面性-必有兩個接口：一是和系統(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；二是和外設的接口，適配器和外設的數(shù)據(jù)交換可能是并行方式，也可能是串行方式。根據(jù)外圍設備供求串行數(shù)據(jù)或并行數(shù)據(jù)的方式不同，適配器分為串行數(shù)據(jù)接口和并行數(shù)據(jù)接口兩大類。346.2 總線接口5:適配器的兩面性-必有兩個接口：33535【例2】利用串行方式傳送字符（如圖），每秒鐘傳送的比特（bit）位數(shù)常稱為波特率。假設數(shù)據(jù)傳送速率是120個字符/秒，

17、每一個字符格式規(guī)定包含10個比特位（起始位、停止位、8個數(shù)據(jù)位），問傳送的波特率是多少?每個比特位占用的時間是多少?解：波特率為：10位120/秒=1200波特每個比特位占用的時間Td是波特率的倒數(shù)：Td=1/1200=0.83310-3s=0.833ms36【例2】利用串行方式傳送字符（如圖），每秒鐘傳送的比特（bi6.3 總線的仲裁連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態(tài)，其中主方可以啟動一個總線周期，而從方只能響應主方請求。每次總線操作，只能有一個主方，但是可以有多個從方。 為了解決多個功能模塊爭用總線的問題，必須設置總線仲裁部件。 總線占用期：主方持續(xù)控制總線的時間。 按照總線仲裁電

18、路的位置不同，仲裁方式分為集中式和分布式兩種。376.3 總線的仲裁連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形主設備(Master)：控制總線完成數(shù)據(jù)傳輸從設備(Slave)：被動實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換總線仲裁：決定當前控制總線的主設備集中仲裁：中央仲裁器負責分布仲裁：比較各個主設備仲裁號決定某一時刻，只能有一個主設備控制總線，其它設備此時可以作為從設備某一時刻，只能有一個設備向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，但可以有多個設備從總線接收數(shù)據(jù)38主設備(Master)：控制總線完成數(shù)據(jù)傳輸某一時刻，只能有6.3 總線的仲裁一、集中式仲裁集中式仲裁有三種：鏈式查詢方式：離中央仲裁器最近的設備具有最高優(yōu)先權，離總線控制器越遠，優(yōu)

19、先權越低。優(yōu)點：只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線控制，并且這種鏈式結(jié)構很容易擴充設備。缺點：是對詢問鏈的電路故障很敏感，優(yōu)先級固定。396.3 總線的仲裁一、集中式仲裁39集中仲裁：鏈式查詢方式總線控制部件I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG數(shù)據(jù)線地址線BS -總線忙BR-總線請求BG-總線同意I/O接口140集中仲裁：鏈式查詢方式總I/O接口0BSBRI/O接口1I6.3 總線的仲裁計數(shù)器定時查詢方式：總線上的任一設備要求使用總線時，通過BR線發(fā)出總線請求。中央仲裁器接到請求信號以后，在BS線為“0”的情況下讓計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設備。每個設備接口都

20、有一個設備地址判別電路，當?shù)刂肪€上的計數(shù)值與請求總線的設備地址相一致時，該設備 置“1”BS線，獲得了總線使用權，此時中止計數(shù)查詢。 每次計數(shù)可以從“0”開始，也可以從中止點開發(fā)始。如果從“0”開始，各設備的優(yōu)先次序與鏈式查詢法相同，優(yōu)先級的順序是固定的。如果從中止點開始，則每個設備使用總線的優(yōu)級相等。416.3 總線的仲裁計數(shù)器定時查詢方式：總線上的任一設備要求6.3 總線的仲裁計數(shù)器的初值也可用程序來設置，這可以方便地改變優(yōu)先次序，但這種靈活性是以增加線數(shù)為代價的?？煞奖愕母淖儍?yōu)先級。 426.3 總線的仲裁計數(shù)器的初值也可用程序來設置，這可以方便 0BS -總線忙BR-總線請求總線控制部

21、件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口n設備地址集中仲裁：計數(shù)器定時查詢方式I/O接口1 計數(shù)器設備地址 143 0總數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接6.3 總線的仲裁在獨立請求方式中，每一個共享總線的設備均有一對總線請求線BRi和總線授權線BGi。當設備要求使用總線時，便發(fā)出該設備的請求信號?？偩€仲裁器中有一個排隊電路，它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先響應哪個設備的請求，給設備以授權信號BGi。446.3 總線的仲裁在獨立請求方式中，每一個共享總線的設備均6.3 總線的仲裁獨立請求方式的優(yōu)點： （1）響應時間快，即確定優(yōu)先響應的設備所花費的時間少，用不著一個

22、設備接一個設備地查詢。 （2）對優(yōu)先次序的控制相當靈活。 它可以預先固定，例如BR0優(yōu)先級最高，BR1次之BRn最低； 也可以通過程序來改變優(yōu)先次序； 還可以用屏蔽（禁止）某個請求的辦法，不響應來自無效設備的請求。 因此當代總線標準普遍采用獨立請求方式。456.3 總線的仲裁獨立請求方式的優(yōu)點：45排隊器排隊器集中仲裁：獨立請求方式總線控制部件數(shù)據(jù)線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意BR-總線請求46排隊器排隊器集中仲裁：獨立請求方式總數(shù)據(jù)線地址線I/O接口06.3 總線的仲裁2.分布式仲裁 特點：不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模

23、塊都有自己的仲裁號和仲裁器。 工作原理：當某一個或多個功能塊有總線請求時，把它們唯一的仲裁號發(fā)送到共享的仲裁總線上，每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。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。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。顯然，分布式仲裁是以優(yōu)先級仲裁策略為基礎。476.3 總線的仲裁2.分布式仲裁476.3 總線的仲裁分布式仲裁示意圖486.3 總線的仲裁分布式仲裁示意圖48分布式仲裁中央處理器設備接口0設備接口1設備接口N31249分布式仲裁中央設備接口設備接口設備接口312496.3 總線的仲裁（1）所有參與本次競爭的各主設備將設備競爭號CN

24、取反后打到仲裁總線AB上，以實現(xiàn)“線或”邏輯。AB線低電平時表示至少有一個主設備的CNi為1，AB線高電平時表示所有主設備的CNi為0。（2）競爭時CN與AB逐位比較，從最高位（b7）至最低位（b0）以一維菊花鏈方式進行，只有上一位競爭得勝者Wi+1位為1。當CNi=1，或CNi=0且ABi為高電平時，才使Wi位為1。若Wi=0時，將一直向下傳遞，使其競爭號后面的低位不能送上AB線。（3）競爭不到的設備自動撤除其競爭號。在競爭期間，由于W位輸入的作用，各設備在其內(nèi)部的CN線上保留其競爭號并不破壞AB線上的信息。（4）由于參加競爭的各設備速度不一致，這個比較過程反復（自動）進行，才有最后穩(wěn)定的結(jié)

25、果。競爭期的時間要足夠，保證最慢的設備也能參與競爭。506.3 總線的仲裁（1）所有參與本次競爭的各主設備將設備競6.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式一、總線定時總線的信息傳送過程：請求總線、總線仲裁、尋址、信息傳送、狀態(tài)返回。 定時：事件出現(xiàn)在總線上的時序關系。 同步定時：異步定時：516.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式一、總線定時516.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式1、同步定時526.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式1、同步定時526.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式2、異步定時536.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式2、異步定時53【例3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用獨立請求與菊花鏈查詢相結(jié)合的二維總線控制結(jié)構。

26、每一對請求線BRi和授權線BGi組成一對菊花鏈查詢電路。每一根請求線可以被若干個傳輸速率接近的設備共享。當這些設備要求傳送時通過BRi線向仲裁器發(fā)出請求，對應的BGi線則串行查詢每個設備，從而確定哪個設備享有總線控制權。請分析說明圖6.14所示的總線仲裁時序圖。54【例3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用獨立請求與菊花鏈查詢5555解：從時序圖看出，該總線采用異步定時協(xié)議。當某個設備請求使用總線時，在該設備所屬的請求線上發(fā)出申請信號BRi（1）。CPU按優(yōu)先原則同意后給出授權信號BGi作為回答（2）。BGi鏈式查詢各設備，并上升從設備回答SACK信號證實已收到BGi信號（3）。CPU接到SAC

27、K信號后下降BG作為回答（4）。在總線“忙”標志BBSY為“0”情況該設備上升BBSY，表示該設備獲得了總線控制權，成為控制總線的主設備（5）。在設備用完總線后，下降BBSY和SACK（6）釋放總線。在上述選擇主設備過程中，可能現(xiàn)行的主從設備正在進行傳送。此時需等待現(xiàn)行傳送結(jié)束，即現(xiàn)行主設備下降BBSY信號后（7），新的主設備才能上升BBSY，獲得總線控制權。56解：從時序圖看出，該總線采用異步定時協(xié)議。566.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式二、總線數(shù)據(jù)傳送模式讀、寫操作：讀操作是由從方到主方的數(shù)據(jù)傳送；寫操作是由主方到從方的數(shù)據(jù)傳送。一般，主方先以一個總線周期發(fā)出命令和從方地址，經(jīng)過一定的延時再

28、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線控制權，以使其他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。576.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式二、總線數(shù)據(jù)傳送模式576.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式塊傳送操作：只需給出塊的起始地址，然后對固定塊長度的數(shù)據(jù)一個接一個地讀出或?qū)懭?。對于CPU（主方）存儲器（從方）而言的塊傳送，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。例如一個64位數(shù)據(jù)線的總線，一次猝發(fā)式傳送可達256位。這在超標量流水中十分有用。586.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式塊傳送操作：只需給出塊的起始地6.4

29、總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式寫后讀、讀修改寫操作：這是兩種組合操作。只給出地址一次（表示同一地址），或進行先寫后讀操作，或進行先讀后寫操作。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)式操作一樣，主方掌管總線直到整個操作完成。596.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式寫后讀、讀修改寫操作：這是兩種6.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式廣播、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。與廣播相反的操作稱為廣集，它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。606.4總線的定時和數(shù)

30、據(jù)傳送模式廣播、廣集操作：一般而言，數(shù)據(jù)6.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式演示過程616.4總線的定時和數(shù)據(jù)傳送模式演示過程616.5 HOST總線和PCI總線一、多總線結(jié)構如圖，典型的多總線結(jié)構框圖。實際上，這也是高檔PC機和服務器的主板總線框圖。626.5 HOST總線和PCI總線一、多總線結(jié)構6263636.5 HOST總線和PCI總線HOST總線：該總線有CPU總線、系統(tǒng)總線、主存總線、前端總線等多種名稱，各自反映了總線功能的一個方面。這里稱“宿主”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。HOST總線：連接“北橋”芯片與CPU之間的信息通路，它是一個64位數(shù)據(jù)

31、線和32位地址線的同步總線。32位的地址線可支持處理器4GB的存儲尋址空間?？偩€上還接有L2級cache，主存與cache控制器芯片。后者用來管理CPU對主存和cache的存取操作。CPU擁有HOST總線的控制權，但在必要情況下可放棄總線控制權。646.5 HOST總線和PCI總線HOST總線：該總線有CPU6.5 HOST總線和PCI總線PCI總線：連接各種高速的PCI設備。PCI是一個與處理器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。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（直接存儲器傳送）的概

32、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PCI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PCI總線負載能力。LAGACY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。656.5 HOST總線和PCI總線PCI總線：連接各種高速的P6.5 HOST總線和PCI總線在PCI總線體系結(jié)構中有三種橋。其中HOST橋又是PCI總線控制器，含有中央仲

33、裁器。橋起著重要的作用，它連接兩條總線，使彼此間相互通信。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到同樣的一份地址表。橋本身的結(jié)構可以十分簡單，如只有信號緩沖能力和信號電平轉(zhuǎn)換邏輯，也可以相當復雜，如有規(guī)程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)快存、裝拆數(shù)據(jù)等。666.5 HOST總線和PCI總線在PCI總線體系結(jié)構中有三種6.5 HOST總線和PCI總線二、 PCI總線信號線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

34、早于上層總線，直接在下層總線上進行預讀。無論延遲寫和預讀，橋的作用可使所有的存取都按CPU的需要出現(xiàn)在總線上。676.5 HOST總線和PCI總線二、 PCI總線信號線676.5 HOST總線和PCI總線PCI總線信號線必要引腳控設備49條 目標設備47條 可選引腳51條（主要用于64位擴展、中 斷請求、高速緩存支持等）總引腳數(shù)120條（包含電源、地、保留 引腳等） 686.5 HOST總線和PCI總線PCI總線信號線686.5 HOST總線和PCI總線三、總線周期類型PCI總線周期由當前被授權的主設備發(fā)起。PCI支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。存儲器讀

35、/寫總線周期存儲器寫和使無效周期特殊周期配置讀/寫周期696.5 HOST總線和PCI總線三、總線周期類型696.5 HOST總線和PCI總線四、總線周期操作706.5 HOST總線和PCI總線四、總線周期操作706.5 HOST總線和PCI總線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?？偩€時鐘周期以上跳沿開始，半個周期高電平，半個周期低電平?？偩€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

36、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。716.5 HOST總線和PCI總線PCI總線周期的操作過程有如PCI總線周期的操作過程有如下特點：（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。即以FRAME#無效后，IRDY#也變?yōu)闊o效的時刻表明一個總線周期結(jié)束。由此可見，PCI的數(shù)據(jù)傳送以猝發(fā)式傳送為

37、基本機制，單一數(shù)據(jù)傳送反而成為猝發(fā)式傳送的一個特例。并且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。6.5 HOST總線和PCI總線72PCI總線周期的操作過程有如下特點：6.5 HOST總線和PCI總線周期的操作過程有如下特點： （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(jié)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。目標方傳輸速度跟不上主方速度

38、，可用TRDY#無效通知主方加入等待狀態(tài)時鐘周期。當目標方出現(xiàn)故障不能進行傳輸時，以STOP#信號有效通知主方中止總線周期。6.5 HOST總線和PCI總線73PCI總線周期的操作過程有如下特點：6.5 HOST總線和6.5 HOST總線和PCI總線五、總線仲裁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。746.5 HOST總線和PCI總線五、總線仲裁746.6 InfiniBand標準756.6 Infi

39、niBand標準756.6 InfiniBand標準返回766.6 InfiniBand標準返回76本 章 小 結(jié)總線是構成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通道，并在爭用資源的基礎上進行工作?？偩€有物理特性、功能特性、電氣特性、機械特性，因此必須標準化。微型計算機系統(tǒng)的標準總線從ISA總線（16位，帶寬8MB/s）發(fā)展到EISA總線（32位，帶寬33.3MB/s）和VESA總線（32位，帶寬132MB/s），又進一步發(fā)展到PCI總線（64位，帶寬264MB/s）。衡量總線性能的重要指標是總線帶寬，它定義為總線本身所能達到的最高傳輸速率。返回77本 章 小 結(jié)總線是

40、構成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構，是多個系統(tǒng)功能本 章 小 結(jié)當代流行的標準總線追求與結(jié)構、CPU、技術無關的開發(fā)標準。其總線內(nèi)部結(jié)構包含：數(shù)據(jù)傳送總線（由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成）；仲裁總線；中斷和同步總線；公用線（電源、地線、時鐘、復位等信號線）。計算機系統(tǒng)中，根據(jù)應用條件和硬件資源不同，信息的傳輸方式可采用：并行傳送；串行傳送； 復用傳送。返回78本 章 小 結(jié)當代流行的標準總線追求與結(jié)構、CPU、技術無關本 章 小 結(jié)各種外圍設備必須通過I/O接口與總線相連。I/O接口是指CPU、主存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。接口部件在它動態(tài)聯(lián)結(jié)的兩個功能部件間起著緩沖器和轉(zhuǎn)換器的作用，以便

41、實現(xiàn)彼此之間的信息傳送?？偩€仲裁是總線系統(tǒng)的核心問題之一。為了解決多個主設備同時競爭總線控制權的問題，必須具有總線仲裁部件。它通過采用優(yōu)先級策略或公平策略，選擇其中一個主設備作為總線的下一次主方，接管總線控制權。按照總線仲裁電路的位置不同:集中式仲裁:仲裁方式必有一個中央仲裁器，它受理所有功能模塊的總線請求，按優(yōu)先原則或公平原則。分布式仲裁。分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。返回79本 章 小 結(jié)各種外圍設備必須通過I/O接口與總線相連。I/本 章 小 結(jié)總線定時是總線系統(tǒng)的又一核心問題之一。為了同步主方、從方的操作，必須制訂定時協(xié)議，通常采用同步定時與異步定時

42、兩種方式在同步定時協(xié)議中，事件出現(xiàn)在總線上的時刻由總線時鐘信號來確定，總線周期的長度是固定的。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，不需要統(tǒng)一的公共時鐘信號。在異步定時中，總線周期的長度是可變的。當代的總線標準大都能支持以下數(shù)據(jù)傳送模式：讀/寫操作；塊傳送操作；寫后讀、讀修改寫操作；廣播、廣集操作。返回80本 章 小 結(jié)總線定時是總線系統(tǒng)的又一核心問題之一。為了同步本 章 小 結(jié)PCI總線是當前實用的總線，是一個高帶寬且與處理器無關的標準總線，又是重要的層次總線。它采用同步定時協(xié)議和集中式仲裁策略，并具有自動配置能力。PCI適合于低成本的小系統(tǒng)，因此在微型機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。InfiniBand標準，瞄準了高端服務器市場的最新I/O規(guī)范，它是一種基于開關的體系結(jié)構，可連接多達64000個服務器、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡設備，能替代當前服務器中的PCI總線，數(shù)據(jù)傳輸率高達30GB/s。因此適合于高成本的較大規(guī)模計算機系統(tǒng)。返回81本 章