第六章總線系統(tǒng).ppt

1、1.第6章，總線系統(tǒng)，背面，2。本章首先介紹了總線系統(tǒng)的一些基本概念和技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，詳細介紹了當(dāng)前實用的PCI總線和流行的InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)。6.1總線概念和結(jié)構(gòu)形式6.2總線接口6.3總線仲裁6.4總線時序和數(shù)據(jù)傳輸模式6.5 HOST總線和PCI總線6，6 InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)，3，6.1總線概念和結(jié)構(gòu)形式，總線基本概念總線連接模式總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)示例，4，6.1.1總線基本概念，數(shù)字計算機由幾個系統(tǒng)功能組件組成，它們可以通過協(xié)同工作形成總線定義：計算機的幾個功能組件之間不可能完全互連，因此需要有一個公共的信息通道，即總線總線是計算機系統(tǒng)的互連機制，是多個系統(tǒng)功能組件之間數(shù)據(jù)傳輸

2、的公共通道。借助總線連接，計算機實現(xiàn)了各系統(tǒng)功能部件之間的地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭奪資源的基礎(chǔ)上工作。5.6.1.1總線的基本概念可以分為以下幾類：內(nèi)部總線：連接中央處理器內(nèi)部寄存器和算術(shù)部件的總線。系統(tǒng)總線：外部總線。連接中央處理器和計算機系統(tǒng)中其他高速功能部件的總線。輸入輸出總線：連接中低速輸入輸出設(shè)備的總線。6.6.1.1公共汽車的基本概念。客車的特性可分為物理特性、功能特性、電氣特性和時間特性。物理特性：總線的物理連接方式(數(shù)量、插頭插座形狀、引腳排列方式)功能特性：每條線路的功能電氣特性：每條線路的信號傳輸方向和有效電平范圍。時間特性：指定每條總線何時有效。7、6.1.1總

3、線的基本概念、相同的指令系統(tǒng)和相同的功能、不同制造商生產(chǎn)的功能組件在實現(xiàn)方法上幾乎不相同，但不同制造商生產(chǎn)的相同功能組件可以互換使用。原因是什么？為了使不同制造商生產(chǎn)的相同功能部件可以互換，有必要對系統(tǒng)總線進行標(biāo)準(zhǔn)化。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了許多總線標(biāo)準(zhǔn)，如PCI、ISA等。利用標(biāo)準(zhǔn)總線的優(yōu)勢簡化了系統(tǒng)設(shè)計和結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性，便于系統(tǒng)擴展和更新。8 . 6 . 1 . 1總線、總線帶寬的基本概念：總線本身能夠達到的最高傳輸速率。在一次操作中可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)是S100 8位，ISA 16位，EISA 32位，PCI-2 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。示例1 (1)假設(shè)一個總

4、線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33兆赫茲，那么總線帶寬是多少？(2)如果在一個總線周期內(nèi)并行傳輸64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率將升至66兆赫，總線帶寬是多少？解決方案：(1)用Dr表示總線帶寬，用T=1/f表示總線時鐘周期，用D表示一個總線周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。根據(jù)定義，Dr=D/T=D(1/T)=DF=4b 33106/S=132 MB/S(2)64位=8BDR=DF獨立系統(tǒng)中有兩種基本類型的總線結(jié)構(gòu)：單總線：單系統(tǒng)總線用于連接中央處理器、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備。單總線結(jié)構(gòu)的特點：在單總線結(jié)構(gòu)中，連接到總線的邏輯部件必須高速運行，這樣當(dāng)一些設(shè)備需要使用總線時，它們可以快速獲得總線控制權(quán)；當(dāng)

5、總線不再使用時，它可以迅速放棄總線的控制權(quán)。否則，總線會被各種功能組件共享，這可能會導(dǎo)致很大的時間延遲。單總線結(jié)構(gòu)單系統(tǒng)總線用于連接中央處理器、主存儲器和輸入輸出設(shè)備，這種結(jié)構(gòu)稱為單總線結(jié)構(gòu)。此時，連接到總線的邏輯組件必須高速運行，以便一些設(shè)備在需要使用總線時能夠快速獲得總線控制權(quán)；當(dāng)總線不再使用時，它可以迅速放棄總線的控制權(quán)。6.1.2總線連接模式，12，(1)取指令：當(dāng)中央處理器取指令時，它首先將程序計數(shù)器中的地址連同控制信息一起發(fā)送到總線。在“取指令”的情況下，地址是主存儲器地址。此時，由該地址指定的主存儲單元的內(nèi)容必須是一條指令，并將被傳送到中央處理器。(2)數(shù)據(jù)傳輸：取指令后，中央處

6、理器檢查操作碼。操作碼指定如何處理數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)是流入還是流出中央處理器。(3)輸入輸出操作：如果指令地址字段對應(yīng)外圍設(shè)備地址，則外圍設(shè)備解碼器響應(yīng)，從而在中央處理器和對應(yīng)地址的外圍設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛴芍噶畈僮鞔a決定。13，(4)直接存儲器存取操作：一些外圍設(shè)備也可以指定地址。如果外圍設(shè)備指定的地址對應(yīng)于一個主存儲器單元，則主存儲器響應(yīng)，并且在主存儲器和外圍設(shè)備之間執(zhí)行直接存儲器傳輸。(5)單總線結(jié)構(gòu)易于擴展為多處理器系統(tǒng)：只需在系統(tǒng)總線上掛接多個處理器。雙總線結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)保留了單總線系統(tǒng)簡單易擴展的優(yōu)點，但在中央處理器和主存儲器之間專門設(shè)置了一組高速存儲器總線，使中央處理器

7、可以通過專用總線與存儲器交換信息，減輕了系統(tǒng)總線的負擔(dān)。同時，主存儲器仍然可以實現(xiàn)系統(tǒng)總線和外設(shè)之間的直接存儲器存取操作，而不需要經(jīng)過中央處理器。當(dāng)然，這種雙總線系統(tǒng)是以增加硬件為代價的。三總線結(jié)構(gòu)它是在雙總線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加輸入輸出總線而形成的。在直接存儲器存取模式下，數(shù)據(jù)直接在外圍設(shè)備和存儲器之間交換，而不經(jīng)過中央處理器，因此減少了中央處理器對數(shù)據(jù)輸入和輸出的控制，而“通道”模式進一步提高了中央處理器的效率。事實上，通道是一種具有特殊功能的處理器，也稱為IOPs(I/O處理器)，它共享CPU的一些功能，以實現(xiàn)外設(shè)的統(tǒng)一管理以及外設(shè)和主存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。顯然，由于IOP的增加，整個系統(tǒng)的

8、效率大大提高。然而，這是以增加更多硬件為代價的。16、17、6.1.2總線連接模式、多總線：多總線用于中央處理器、主存儲器和輸入輸出之間的互連，如圖所示。18、中央處理器、高速緩存、主存、橋接器、局域網(wǎng)接口、視頻接口、圖形接口、SCSI接口、擴展總線接口、火線接口、系統(tǒng)總線、中央處理器總線、串行接口、現(xiàn)代接口、傳真接口、擴展總線、4。多總線結(jié)構(gòu)支持大容量輸入/輸出設(shè)備，19，6.1.2總線連接模式，高速中央處理器總線：中央處理器和高速緩存之間使用系統(tǒng)總線，主存儲器與之相連。高速總線可與高速局域網(wǎng)(100兆字節(jié)/秒局域網(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(shè))和火線接

9、口(支持大容量輸入/輸出設(shè)備)連接。高速總線通過擴展總線接口與擴展總線相連，串行工作的輸入輸出設(shè)備可以連接在擴展總線上。它們通過橋式中央處理器總線、系統(tǒng)總線和高速總線相互連接。從本質(zhì)上講，電橋是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換和控制功能的邏輯電路。多總線結(jié)構(gòu)是指高速、中速和低速設(shè)備同時連接到不同的總線上工作，從而提高總線的效率和吞吐量，并且處理器結(jié)構(gòu)的變化不影響高速總線。20、6.1.3總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，早期的總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它實際上是處理器芯片管腳的延伸，是處理器和輸入輸出設(shè)備適配器之間的通道。這種簡單的總線一般由50100條線組成，根據(jù)它們的功能可以分為三類：地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。21，22，6.1

10、.3總線。早期總線結(jié)構(gòu)的缺點是中央處理器是總線上唯一的主機。即使增加了具有簡單仲裁邏輯的直接存儲器存取控制器來支持直接存儲器存取傳輸，仍然不能滿足多處理器環(huán)境的要求。總線信號是中央處理器管腳信號的延伸，因此總線結(jié)構(gòu)與中央處理器密切相關(guān)，通用性差。23、6.1.4總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)代流行的總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，24、6.1.4總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由地址線、數(shù)據(jù)線和控制線組成。它的結(jié)構(gòu)類似于簡單總線，但它通常有32條地址線和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)線通常與地址線多路復(fù)用。仲裁總線：包括總線請求線和總線授權(quán)線。中斷和同步總線：用于優(yōu)先處理中斷操作，包括中斷請求線和中斷確認線。公共線

11、：包括時鐘信號線、電源線、地線、系統(tǒng)復(fù)位線、上電或斷電定時信號線等。25，6.1.5總線結(jié)構(gòu)示例，大多數(shù)計算機采用分層多總線結(jié)構(gòu)。右邊是三層多總線結(jié)構(gòu)，即中央處理器總線、PCI總線和內(nèi)部總線。26、6.1.5總線結(jié)構(gòu)示例，奔騰機器的總線結(jié)構(gòu)分為三層：中央處理器總線、PCI總線和ISA總線。1.信息的傳輸方式在計算機系統(tǒng)中傳輸信息基本上有三種方式：串行傳輸、并行傳輸和分時傳輸為了速度和效率，在系統(tǒng)總線上傳輸?shù)男畔⒈仨毑⑿袀鬏?。分時傳輸是總線的分時復(fù)用。28、6.2總線接口，串行傳輸采用傳輸線，脈沖傳輸采用。主要優(yōu)點是只需要一條傳輸線，這對長距離傳輸尤其重要。無論傳輸多少數(shù)據(jù)，只需要一條傳輸線，成

12、本相對較低。缺點是速度慢。29、6.2總線接口，每個數(shù)據(jù)位并行傳輸需要一條傳輸線，一般采用電位傳輸。分時傳輸總線復(fù)用或共享總線的組件使用總線分時。30，6.2總線接口，2?？偩€接口的基本概念，31，1。什么是接口：接口是輸入輸出設(shè)備適配器，特指通過總線連接在中央處理器、主存儲器和外圍設(shè)備之間的邏輯部件。2.接口功能：接口組件在兩個動態(tài)連接的組件之間起到“轉(zhuǎn)換器”的作用，實現(xiàn)它們之間的信息傳輸。3.接口與中央處理器和外圍設(shè)備之間的連接：為了使所有外圍設(shè)備兼容并正確地協(xié)同工作，中央處理器規(guī)定了不同的信息傳輸控制方法。標(biāo)準(zhǔn)接口可以連接一個設(shè)備或多個設(shè)備。典型的接口通常具有以下功能：(1)控制接口通過

13、程序的指令信息控制外圍設(shè)備的動作，如啟動和關(guān)閉設(shè)備。(2)緩沖區(qū)-該接口用作外圍設(shè)備和計算機系統(tǒng)其他部分之間的緩沖區(qū)，以補償各種設(shè)備的速度差異。(3)狀態(tài)-接口監(jiān)控外圍設(shè)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)“就緒”、“忙碌”、“錯誤”等。可用于中央處理器在查詢外圍設(shè)備時進行分析。典型的接口通常具有以下功能：(4)轉(zhuǎn)換-接口可以完成任何所需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如并串轉(zhuǎn)換或串并轉(zhuǎn)換，以便數(shù)據(jù)可以在外圍設(shè)備和中央處理器之間正確傳輸。(5)完成該接口可以執(zhí)行一些特殊功能，如在必要時修改字計數(shù)器或當(dāng)前存儲器地址寄存器。(6)。程序中斷每當(dāng)外圍設(shè)備向中央處理器請求某個動作時，接口就會向中央處理器發(fā)送一個中

14、斷請求信號。34，6.2總線接口，5:適配器有兩個方面必須有兩個接口：一個是與系統(tǒng)總線的接口，CPU和適配器之間的數(shù)據(jù)交換必須是并行模式；第二是與外圍設(shè)備的接口，適配器和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換可以是并行的，也可以是串行的。根據(jù)向外圍設(shè)備提供串行數(shù)據(jù)或并行數(shù)據(jù)的不同方式，適配器分為兩類：串行數(shù)據(jù)接口和并行數(shù)據(jù)接口。35，36，示例2字符以串行模式傳輸(如圖所示)，每秒傳輸?shù)奈粩?shù)通常稱為波特率。假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸速率為120字符/秒，每個字符格式包含10位(起始位、停止位和8個數(shù)據(jù)位)。傳輸?shù)牟ㄌ芈适嵌嗌?？每一位需要多少時間？波特率為：10位120/s=1200波特。每個位Td占用的時間與波特率成反比：

15、TD=1/1200=0.83310-3s=0.833 ms，37，6.3總線仲裁。連接到總線的功能模塊有主動和被動兩種模式，在這兩種模式下，主機可以啟動一個總線周期，而從機每次總線操作只能有一個主機，但可以有多個從機。為了解決多個功能模塊爭奪總線的問題，必須設(shè)置總線仲裁組件?？偩€占用期：主機持續(xù)控制總線的時間。根據(jù)總線仲裁電路的不同位置，仲裁模式分為集中式和分布式。38，主：控制總線完成數(shù)據(jù)傳輸從：被動實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換總線仲裁：對決定當(dāng)前控制總線的主設(shè)備進行集中仲裁；中央仲裁器的分布式仲裁：比較各種主設(shè)備的仲裁數(shù)，確定在某一時刻，只有一個主設(shè)備可以控制總線，此時其他設(shè)備可以作為從設(shè)備，在某一時刻，

16、只有一個設(shè)備可以向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，多個設(shè)備可以從總線接收數(shù)據(jù)，39，6.3總線仲裁，1。集中式仲裁有三種集中式仲裁：鏈?zhǔn)讲樵兡Ｊ剑弘x中央仲裁器最近的設(shè)備優(yōu)先級最高，離總線控制器越遠，優(yōu)先級越低。優(yōu)點：總線控制只需幾條線路就可以按一定的優(yōu)先順序?qū)崿F(xiàn)，這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)便于設(shè)備擴展。缺點：對詢問鏈的電路故障敏感，優(yōu)先級固定。40、集中仲裁：鏈查詢模式、輸入/輸出接口1、41、6.3總線仲裁、計數(shù)器計時查詢模式：當(dāng)總線上的任何設(shè)備需要使用總線時，它通過BR線路發(fā)送總線請求。在接收到請求信號后，中央仲裁器在基站線路為“0”時使計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值通過一組地址線發(fā)送到每個設(shè)備。每個設(shè)備接口都有一個設(shè)備地

17、址識別電路。當(dāng)?shù)刂肪€上的計數(shù)值與請求總線的設(shè)備地址一致時，設(shè)備設(shè)置“1”BS線以獲得總線使用權(quán)，然后停止計數(shù)查詢。每次計數(shù)可以從“0”開始，也可以從停止點開始。如果從“0”開始，每個設(shè)備的優(yōu)先級順序與鏈查詢方法相同，并且優(yōu)先級順序是固定的。如果從停止點開始，每個設(shè)備使用的總線具有相同的優(yōu)先級。42，6.3總線仲裁，計數(shù)器的初始值也可以由程序設(shè)置，這可以很容易地改變優(yōu)先級，但這種靈活性是以增加行數(shù)為代價的。改變優(yōu)先級很方便。43，集中仲裁：計數(shù)器計時查詢模式，輸入/輸出接口1，設(shè)備地址，44，6.3總線仲裁。在獨立請求模式下，共享總線的每個設(shè)備都有一對總線請求線BRi和總線授權(quán)線BGi。當(dāng)設(shè)備需要使用總線時，它會向設(shè)備發(fā)送請求信號。總線仲裁器中有一個排隊電路，它根據(jù)某個優(yōu)先級順序決定哪個設(shè)備應(yīng)該首先響應(yīng)請求，并給該設(shè)備一個授權(quán)信號BGi。45、6.3總線仲裁和獨立請求模式的優(yōu)點如下：(1)響應(yīng)時間快，即確定優(yōu)先響應(yīng)設(shè)備的時間少，不需要一個接一個地查詢。(2)優(yōu)先權(quán)的控制相當(dāng)靈活