組件互連 微機(jī)課件

MicrocomputerPrincipleandInterfacingTechniques

微機(jī)原理與接口技術(shù)電信學(xué)院控制科學(xué)與工程系Page2

MicrocomputerPrinciplesandInterfacing

Topic:ComponentInterconnection內(nèi)容從系統(tǒng)談起——分而制之的還原論思想基本概念：接口與實(shí)現(xiàn)、接口與協(xié)議，總線與交換原理：基于總線的互連技術(shù)基本總線互連技術(shù)基本總線技術(shù)的改進(jìn)：多總線結(jié)構(gòu)，局部總線，…如何基于總線技術(shù)構(gòu)建高性能系統(tǒng)常見(jiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)原理：基于交換的互連技術(shù)比較：總線技術(shù)和交換技術(shù)Page3參考文獻(xiàn)[1]謝長(zhǎng)生，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)，人民郵電出版社，2002.（課本）第5章5.1,5.3[2]李昌武，凌志浩，李飛編著，史濟(jì)民主審，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社，北京，2004.(老課本)該書第2章，第3章3.4節(jié)[3]張昆藏，施一萍，經(jīng)致遠(yuǎn)譯，計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)（第4版），清華大學(xué)出版社，北京，1999.[美]WilliamStallings，ComputerOrganization&Architecture:DesignforPerformance(FourthEdition),PrenticeHall.Page4從系統(tǒng)談起什么是“系統(tǒng)”？如何分析一個(gè)系統(tǒng)?分而制之的還原論思想=>“分析”方法與還原論相對(duì)的系統(tǒng)論思想=>“綜合”方法2023/6/26Page5TongjiUniversityPage6從系統(tǒng)談起基于還原論的思想我們有必要首先將計(jì)算機(jī)（系統(tǒng)）分解成為若干子系統(tǒng)，然后考察相對(duì)比較簡(jiǎn)單的每個(gè)子系統(tǒng)的構(gòu)成以及子系統(tǒng)之間的連接方式。本章重點(diǎn)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)模塊之間的連接原理。Page7互連結(jié)構(gòu)問(wèn)題：如何將電氣上相互獨(dú)立的兩個(gè)或者多個(gè)部件連接在一起，使它們能夠相互通信？這一互連問(wèn)題(InterconnectionProblem)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中普遍存在，遍及各個(gè)層次：CPU內(nèi)部各個(gè)模塊的互連計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的互連計(jì)算機(jī)與外部各個(gè)IO設(shè)備之間的互連多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的互連大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的互連思考和想象：結(jié)構(gòu)互連你能想出多少種方式？Page8互連結(jié)構(gòu)互連結(jié)構(gòu)的方式：從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瓤矗嚎偩€，交換，無(wú)線，網(wǎng)絡(luò)從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度看：直線形，環(huán)形，樹形，網(wǎng)狀，…Page9互連結(jié)構(gòu)最基本的幾種互連結(jié)構(gòu)總線連接：共享導(dǎo)電體這個(gè)傳輸媒介交換連接：電路交換，包交換，元組(Cell)交換等無(wú)線連接：共享電磁場(chǎng)這個(gè)無(wú)線傳輸媒介未來(lái)可能的進(jìn)展之一：局部的光連接和全光交換研究互連結(jié)構(gòu)的意義計(jì)算機(jī)部件之間的互連方式是影響計(jì)算機(jī)發(fā)展和性能的最重要潛在影響因素之一！每一次互連的變化（電氣標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議等）都對(duì)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)提出了新的要求。Page10互連結(jié)構(gòu)概念：接口與實(shí)現(xiàn)接口(Interface)：在與特定模塊交互時(shí)需遵循其規(guī)范，這種規(guī)范就構(gòu)成了該模塊對(duì)外的接口。對(duì)接口的詳細(xì)說(shuō)明往往就形成了協(xié)議(protocol)。實(shí)現(xiàn)(Implementation)：與接口相對(duì)，在這里做名詞用，特指提供某種接口的模塊。它可以是硬件，也可以是軟件，還可以是包含硬件和軟件的固件。硬件模塊的接口體現(xiàn)為電氣信號(hào)的時(shí)序和交互軟件模塊的接口體現(xiàn)為函數(shù)聲明和函數(shù)交互時(shí)序不同的模塊可以具有相同的接口，或者說(shuō)，它們是同一接口的不同實(shí)現(xiàn)。這一特性方便了計(jì)算機(jī)部件的系列化開發(fā)，從而可以更方便的進(jìn)行部件替換和升級(jí)。Page11互連結(jié)構(gòu)之總線問(wèn)題：什么是總線？定義1(片面觀點(diǎn))：總線是連接各個(gè)功能部件的導(dǎo)線。定義2(全面觀點(diǎn))：完整的總線應(yīng)當(dāng)包含連接各個(gè)功能部件的導(dǎo)線、各個(gè)功能部件內(nèi)部的接口電路以及可能存在的總線控制與管理部件。傳輸媒介+分散于各個(gè)模塊+總線控制與管理（導(dǎo)線）內(nèi)部的接口電路

總線控制與管理：總線申請(qǐng)，總線仲裁，總線傳輸，總線釋放等功能Page12互連結(jié)構(gòu)之總線總線的分類串行總線vs.并行總線同步總線vs.異步總線片內(nèi)總線，系統(tǒng)總線和I/O總線(chipbus,systembus,&I/Obus)…….(因此，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)并相互組合，就可以得到不同類型的總線，從而也產(chǎn)生了大量的名詞)思考：串行總線和并行總線的比較同步總線和異步總線的比較(從性能，成本，使用的方便性，適用的范圍幾個(gè)方面)Page13互連結(jié)構(gòu)之總線問(wèn)題：如何應(yīng)用總線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)模塊之間的互連？最簡(jiǎn)單的方式：將各個(gè)模塊通過(guò)“插槽”直接連接到總線上擴(kuò)展方式：中繼(Repeater)和級(jí)連(Stack)不同總線之間的轉(zhuǎn)換：橋接器(Bridge)Page14互連結(jié)構(gòu)之總線示例：一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部總線互連2023/6/26Page15TongjiUniversity互連結(jié)構(gòu)之總線示例（續(xù)）：一點(diǎn)小改進(jìn)——局部總線(LocalBus)2023/6/26Page16TongjiUniversity互連結(jié)構(gòu)之總線示例（續(xù)）：深入CPU，例如ARM芯片的AHB總線2023/6/26Page17TongjiUniversity互連結(jié)構(gòu)之總線示例（續(xù)）延伸到外設(shè)2023/6/26Page18TongjiUniversity互連結(jié)構(gòu)之總線思考：如何衡量總線的性能？(P.132) 需要引入某種技術(shù)指標(biāo)，就像描述計(jì)算機(jī)性能的MIPS和MFLOPS那樣，可以描述總線的性能總線頻寬：總線本身所能達(dá)到的最高傳輸率總線頻寬(MB/s)＝總線頻率×數(shù)據(jù)線寬度總線傳輸率：在一定傳輸方式下所能達(dá)到的傳輸率總線傳輸率Q=總線頻率f×傳輸數(shù)據(jù)寬度W /傳輸一次數(shù)據(jù)所需時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)N其它常見(jiàn)指標(biāo)：總線時(shí)鐘頻率，數(shù)據(jù)寬度，地址寬度Page19互連結(jié)構(gòu)之總線思考：總線是如何工作的(總線的工作原理)？共享媒介媒介爭(zhēng)用與總線仲裁集中式仲裁和分布式仲裁總線接口和設(shè)備接口相配合Page20互連結(jié)構(gòu)之總線思考：如何基于總線技術(shù)構(gòu)建高性能系統(tǒng)？ 幾個(gè)提示如果大量設(shè)備連接到總線上，系統(tǒng)性能就會(huì)下降。因?yàn)榭偩€是共享傳輸媒介的總線和其上各個(gè)設(shè)備之間的性能應(yīng)該匹配，否則就應(yīng)考慮增加緩沖或者增加層次Page21互連結(jié)構(gòu)之總線思考：如何基于總線技術(shù)構(gòu)建高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？(P.129-132)方案1：改進(jìn)總線技術(shù)本身，例如提高時(shí)鐘頻率，增加數(shù)據(jù)寬度，采用突發(fā)傳輸技術(shù)(bursttransmission)等；方案2：變單總線結(jié)構(gòu)為多總線總線方案3：在數(shù)據(jù)傳輸速率很高的器件之間增加局部總線(localbus)，例如在內(nèi)存和顯示器之間增加一條局部的視頻總線Page22互連結(jié)構(gòu)之總線實(shí)例：Pentium機(jī)的總線層次結(jié)構(gòu)與橋接芯片Page23互連結(jié)構(gòu)之總線了解實(shí)際中幾種常見(jiàn)的總線ISA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線)和EISA總線VESA總線(視頻局部總線)PCI總線(外部設(shè)備互連總線)突發(fā)傳送機(jī)制AGP總線(高速圖形接口總線)FutureBUSNGIO總線(下一代輸入輸出總線)SCSI總線USB…Page24互連結(jié)構(gòu)之總線總線的發(fā)展歷史和當(dāng)前現(xiàn)狀總線發(fā)展歷史的幾個(gè)特點(diǎn)早起：寬度增加，頻率提高中期：增加局部總線，計(jì)算機(jī)從單總線走向多總線結(jié)構(gòu)晚期：引入交換架構(gòu)2023/6/26Page25TongjiUniversity互連結(jié)構(gòu)之交換問(wèn)題：什么是交換？類比：電話系統(tǒng)的交換機(jī)(交換原理)交換取消了對(duì)傳輸媒介的共享，提高了并行使用情況下單個(gè)端口的帶寬(數(shù)據(jù)傳輸率)。思考：總線技術(shù)和交換技術(shù)的比較從性能，成本，使用的方便性上比較思考：如何基于交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊互連？Page26互連結(jié)構(gòu)之交換實(shí)例：交換結(jié)構(gòu)互連2023/6/26Page27TongjiUniversity互連結(jié)構(gòu)之交換實(shí)例分析:Pentium系列微計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Ref[1]:P131圖52，[2]:P26圖2-7，P27圖2-8基于總線思想的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)：南橋和北橋基于交換思想的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)：存儲(chǔ)控制中心和I/O控制中心Page28互連結(jié)構(gòu)之交換實(shí)例：Pentium機(jī)的總線層次結(jié)構(gòu)與橋接芯片Page29聯(lián)系實(shí)際實(shí)例：在實(shí)際的計(jì)算機(jī)中尋找用于不同部件互連的部分最大的互連部件就是主板本身主板上進(jìn)一步分布著PCI總線(白色插槽)、AGP總線(棕色插槽)、南橋北橋或者是芯片組、PCI到ISA/EISA的橋接器以支持鍵盤串口并口、IDE控制器以支持到硬盤連接、PCI到PCI橋接器以支持?jǐn)U展PCI插槽、Ethernet以太網(wǎng)接口Page30一塊計(jì)算機(jī)主板Page31小結(jié)從系