計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 02系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)是由一組相互之間通信的3種基本類型（CPU、存儲(chǔ)器和I/O）的部件或模塊組成的網(wǎng)絡(luò)。因此，必須有使模塊連接在一起的通路連接各種模塊的通路的集合稱為互連結(jié)構(gòu)早期使用分散連接，即部件之間使用單獨(dú)的連線，連線復(fù)雜，影響了CPU的效率在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，互連結(jié)構(gòu)已成為決定計(jì)算機(jī)性能的重要因素之一現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)總線和各種多總線結(jié)構(gòu)（包括層次式總線）BusInterconnection現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連Point-to-PointInterconnect總線的基本概念總線(Bus)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)機(jī)構(gòu)，是連接兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路總線的關(guān)鍵特征是共享傳輸媒質(zhì)連接到總線上的功能模塊有主動(dòng)和被動(dòng)兩種形態(tài)主方(Master)：可以啟動(dòng)一個(gè)總線周期從方(Slave)：只能響應(yīng)主方請(qǐng)求總線的分類一個(gè)單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為如下幾類：內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件之間的總線系統(tǒng)總線：CPU同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他具有高速傳輸功能的部件I/O總線：中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線多處理器系統(tǒng)中，還要有通信總線總線特性機(jī)械特性：機(jī)械特性是指總線在機(jī)械連接方式上的一些性能，保證機(jī)械上的可靠連接電氣特性：電氣特性是指總線的每一根傳輸線上信號(hào)的傳遞方向和有效的電平范圍，確保電氣上正確連接功能特性：功能特性是指總線中每根傳輸線的功能時(shí)間特性：時(shí)間特性是指總線中的任一條線在什么時(shí)間內(nèi)有效總線性能指標(biāo)總線寬度標(biāo)準(zhǔn)傳輸率時(shí)鐘同步/異步總線復(fù)用總線控制方式其他指標(biāo)總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線：系統(tǒng)模塊間傳輸數(shù)據(jù)的路徑成組使用雙向地址總線：指定數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)的來源和去向成組使用單向控制總線：控制對(duì)數(shù)據(jù)地址線的訪問和使用單獨(dú)使用單向/雙向總線連接方式單總線雙總線多總線層間總線單總線雙總線存儲(chǔ)總線系統(tǒng)總線CPUMM接口接口I/OI/O……LocalBus系統(tǒng)總線-I/O總線接口接口接口IOPMMCPUI/OI/OI/O…系統(tǒng)總線I/O總線…傳統(tǒng)總線示例層間/高性能總線示例多總線示例層間總線BridgeMMCacheCPUBridge高速I/O…系統(tǒng)總線高速總線Cache總線高速I/O低速I/O低速I/O低速I/O擴(kuò)展總線總線標(biāo)準(zhǔn)所謂總線標(biāo)準(zhǔn)，可視為系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個(gè)互連的標(biāo)準(zhǔn)界面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)總線的要求：支持眾多性能不同的模塊支持批量生產(chǎn)，并要質(zhì)量穩(wěn)定、價(jià)格低廉可替換、可組合微型計(jì)算機(jī)常用的標(biāo)準(zhǔn)總線ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，8位（后來16位）數(shù)據(jù)線，20位（后來24位）地址線，工作頻率8.33MHzEISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）總線：擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，16或32位數(shù)據(jù)線，32位地址線，工作頻率8.33MHz，支持Burst方式傳輸數(shù)據(jù)VESA（VideoElectronicsStandardAssociation）總線：32位局部總線，連接顯卡、網(wǎng)卡等，最高工作頻率33MHz。沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，各廠家產(chǎn)品兼容性差，針對(duì)80486PCI（PeripheralComponentInterface）總線：外圍部件互連總線（局部總線），V1.0支持33MHz工作頻率，32位地址和數(shù)據(jù)線互用；V2.1支持66MHz工作主頻，64位地址和數(shù)據(jù)線互用總線設(shè)計(jì)要素總線仲裁機(jī)制(Arbitration)定時(shí)方式(SequentialSystem/Timing)數(shù)據(jù)傳輸模式(DataTransferType)總線寬度(BusWidth)總線復(fù)用方式(Time-DivisionMultiplexing,TDM)

總線仲裁仲裁原則公平性優(yōu)先級(jí)集中式仲裁鏈?zhǔn)讲樵兎绞接?jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式獨(dú)立請(qǐng)求方式分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個(gè)潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號(hào)和仲裁器鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞降囊环N實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式獨(dú)立請(qǐng)求方式總線定時(shí)同步(synchronoustiming)：事件在總線上的時(shí)刻由總線時(shí)鐘信號(hào)來確定，傳輸頻率較高，適用于各功能模塊速度相差不多的情況。異步(asynchronoustiming)：應(yīng)答方式或互鎖機(jī)制?？偩€周期長(zhǎng)度可變，適用于快速、慢速設(shè)備連接到同一總線。同步時(shí)序異步時(shí)序總線數(shù)據(jù)傳輸模式讀、寫：總線傳輸?shù)淖罨拘问剑彩撬锌偩€系統(tǒng)都必須支持的傳輸方式成塊傳輸：現(xiàn)代總線具有的特征，可實(shí)現(xiàn)與高速設(shè)備的信息傳輸讀－修改－寫：主要用于共享存儲(chǔ)器的保護(hù)，如進(jìn)程管理中的PV原語、管程等寫后讀：主要用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)總線寬度并行(parallel)總線：一次可以傳送多個(gè)二進(jìn)制位串行(serial)總線：一次只能傳送一個(gè)二進(jìn)制位總線復(fù)用分時(shí)復(fù)用常見實(shí)例：數(shù)據(jù)線、地址線復(fù)用分時(shí)復(fù)用優(yōu)點(diǎn)節(jié)省空間和成本分時(shí)復(fù)用缺點(diǎn)控制電路復(fù)雜潛在的性能降低PCI總線PCI(PeripheralComponentInterconnect)總線是一種高性能局部總線，是為了滿足外設(shè)間以及外設(shè)與主機(jī)間高速數(shù)據(jù)傳輸而提出來的。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI-SIG

(PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup)/SpecYearChangesummaryPCI1.01992OriginalissuePCI2.01993Incorporatedconnectorandadd-incardspecificationPCI2.11995Incorporatedclarificationsandadded66

MHzchapterPCI2.21998Incorporated

ECNs,andimprovedreadabilityPCI2.32002IncorporatedECNs,errata,anddeleted5voltonlykeyedadd-incardsPCI3.02004Removedsupportfor5.0voltkeyedsystemboardconnectorPCI總線連接示例PCIExpress總線2001年春季的IDF上Intel正式公布PCIExpress(PCIe)，是取代PCI總線的第三代I/O技術(shù)，也稱為3GIO，旨在替代舊的PCI、PCI-X和AGP總線標(biāo)準(zhǔn)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接，比起PCI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請(qǐng)求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率，達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬PCIe交由PCI-SIG認(rèn)證發(fā)布后才改名為PCI-Express/PCIExpress1X數(shù)據(jù)通道PCIExpress拓?fù)涫纠齈CIExpress協(xié)議結(jié)構(gòu)現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)常用總線比較規(guī)格總線寬度時(shí)鐘頻率資料速率PCI2.332位33/66MHz133/266MB/sPCI-X1.064位66/100/133MHz533/800/1066MB/sPCI-X2.0（DDR）64位133MHz2.1GB/sPCI-X2.0（QDR）64位133MHz4.2GB/sAGP2X32位66MHz*2=532MB/sAGP4X32位66MHz*4=1.0GB/sAGP8X32位66MHz*8=2.1GB/sPCIe1.0X11位2.5GHz500MB/s（雙工，文稿數(shù)據(jù)）PCIe1.0X22位2.5GHz1GB/s（雙工）PCIe1.0X44位2.5GHz2GB/s（雙工）PCIe1.0X88位2.5GHz4GB/s（雙工）PCIe1.0X1616位2.5GHz8GB/s（雙工）PCIExpresslinkperformanceVersionIntro-

ducedLinecodeTransfer

rateperlane[i][ii]Throughput[i][iii]x1x2x4x8x161.02003NRZ8b/10b2.5

GT/s0.250

GB/s0.500GB/s1.000GB/s2.000GB/s4.000GB/s2.020075.0GT/s0.500GB/s1.000GB/s2.000GB/s4.000GB/s8.000GB/s3.02010128b/130b8.0GT/s0.985GB/s1.969GB/s3.938GB/s7.877GB/s15.754GB/s4.0201716.0GT/s1.969GB/s3.938GB/s7.877GB/s15.754GB/s31.508GB/s5.0201932.0GT/s3.938GB/s7.877GB/s15.754GB/s31.508GB/s63.015GB/s6.02022PAM-4

FEC1b/1b

242B/256B

FLIT64.0GT/s

32.0GBd7.563GB/s15.125GB/s30.250GB/s60.500GB/s121.000GB/s7.02025(planned)128.0GT/s

64.0GBd15.125GB/s30.250GB/s60.500GB/s121.000GB/s242.000GB/sNotesi.Ineachdirection(eachlaneisadualsimplexchannel).ii.Transferratereferstotheencodedserialbitrate;2.5GT/smeans2.5Gbit/sserialdatarate.iii.Throughputindicatest