《系统总线》PPT课件.ppt

第八章 系统总线 一、总线基本概念 总线： 计算机系统中多个功能部件之间的连接线，通过它可以实现部件 之间地址信息、数据和控制信息的传送。 总线的分类 a.内部总线 (又称芯片总线 ) 在集成电路芯片内部（含 CPU、运算器等）或将不同的组成连接 在一起的总线 b.系统总线 指计算机系统中模板与模板之间的连接总线，包含诸如 ISA、 PCI、 AGP等总线方式 c.外部总线 外总线是指计算机系统之间或计算机系统与其外设通信的 总线，如 RS 232通信总线、网线总线等。 1、总线的特性 物理特性 描述总线的形状、数量、插头的形式等特性 , 如地址总线有 18根， RS-232的接口使用 9针 D型接口等。 功能特性 描述每一根线的功能 如：地址线的数量指明了 CPU能访问的主存范围，数据总线指 明了一次交换的数据位数 电气特性 描述每一根线的有效电平及传送信号的方向。如： 地址线单向传输，数据线双向传输，高电平有效、低电平有效。 时间特性 各线什么时间有效及相互之间的时序关系 2、总线的标准化问题 总线的标准化是实现兼容的一个重要的组成部分 3、总线带宽 指总线在单位时间内所能达到的最高传输速率，单位是 MB/S。 它是衡量总线性能的重要技术指标。 例 1 设一个 32位的处理器有 16位外部数据总线 ,时钟频率为 50MHZ,若总 线传输的最短周期为 4个时钟周期 ,问处理器的最大数据传输率是多少 ? 若想提高一倍数据传输率 ,可采用什么措施 ? 解 :数据传输率即单位时间内 (1秒 )传输的数据量 数据传输率 = 2B * 50MHZ/ 4 = 25MB/s 要把总线的数据传输率提高一倍 ,可采取的方法有三种 : 1)数据总线的宽度提高到 32位 ,此时 : 数据传输率 = 4B * 50MHZ/ 4 = 50MB/s 2)将总线的时钟频率提高到 100MHZ,此时 : 数据传输率 = 2B * 100MHZ/ 4 = 50MB/s 3)将传输的最短时间缩短为 2个时钟周期 ,此时 : 数据传输率 = 2B * 50MHZ/ 2 = 50MB/s 例 2 某网络每秒发出 30次访问请求，每次请求的数据量为 64KB。问 100M的网络能否承受该访问？ 30*64K*8 = 15360Kb = 15Mb 100Mb 二、总线的连接方式 1、单总线结构 特点 a.访内和访外指令相同 ,由地址来处分 ,减少了一类 I/O指令 b.总线简单，使用灵活，易于扩展 c. 所有设备分时工作，适用于慢速的小型或微型计算机系统中 d.适用于高速外设的情况 e.任意两外设之间可以直接交换信息 (其中主设备需有总线控制能力 ) 2、双总线结构 在单总线结构的基础上增加主存总线组成 特点 a.由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。 b.主存总线的增加减轻了系统总线的负担，提高了并行性。 c.仍然保持了单总线结构的系统简单、易于扩充的优点。 3、三总线结构 在双总线结构的基础上增加 I/O总线组成 特点 a.由于外设和内存分处与不同总线，分访内和访外指令。 b. 并行性进一步提高，通道处理机分担了部分 CPU的 I/O功能。 4、总线结构对计算机系统性能的影响 对最大存储容量的影响 单总线结构对最大存储容量有影响 双总线和三总线结构对最大存储容量没有影响 对指令系统的影响 单总线结构没有访内 /访外指令之分 双总线和三总线结构访内和访外用不同的指令来区分 吞吐量 单总线结构的吞吐量小 三总线结构的吞吐量大 双总线结构的吞吐量居中 三、总线的控制 1、总线的控制方式 总线的控制主要是解决连接在公共总线上多个设备之间使用总线 的仲裁问题，完成这一功能的部件是总线控制器。 1)串行链接方式 B G : 总线允许 B R : 总线请求 B S: 总线忙 总线 控制 器 设备 n 设备 2 设备 1 BG BR 数据 BS 在单总线和双总线结构的计算机中 ,总线控制器是 CPU的一部分 , 在三总线结构的计算机中 ,它还是通道处理机的一部分。现在， 总线总裁器一般是一个单独的功能模块。 B G : 总线允许 B R : 总线请求 B S: 总线忙 总线 控制 器 设备 n 设备 2 设备 1 BG BR 数据 BS 工作过程分析 : 设备 N向总线控制器发总线使用请求 总线控制器检查 BS信 号 若 BS=0 总线控制器发 BG信号 BG按照设备的物理 连接次序查询 ,直到找到第一个发出 BR的设备 置 BS=1. 如果有 2个设备都发出了总线使用请求 ,此时响应哪一个设备 ? 离总线控制器近的设备 . B G : 总线允许 B R : 总线请求 B S: 总线忙 总线 控制 器 设备 n 设备 2 设备 1 BG BR 数据 BS 优点 : a. 设备扩充容易。 b.控制器简单 缺点 : a.优先级由设备的物理位置确定，设置不灵活。 b.单点故障明显 c.响应速度慢 2)计数器定时查询方式 B R : 总线请求 B S: 总线 忙 C ount : 计数 总线 控制 器 设备 n 设备 2 设备 1 BR BS 数据 C ount 工作过程分析 : 设备 N向总线控制器发总线使用请求 总线控制器检查 BS信 号 若 BS=0 计数器开始计数 当计数值等于发出 BR请 求的设备号时，设备得到总线使用权 置 BS=1 设备的优先级别能否改变，若能，则如何改变 ? 改变计数器的计数初始值 . B R : 总线请求 B S: 总线 忙 C ount : 计数 总线 控制 器 设备 n 设备 2 设备 1 BR BS 数据 C ount 优点 : a. 不存在单点故障 b.优先级改变灵活 ( 如何体现 ？ ) 缺点 : a. 设备扩充较困难 (增加计数线数量 ) 。 b.响应速度较慢 3)独立请求方式 B R x : 总线请求 B Gx : 总线允许 总线 控制 器 设备 n 设备 2 设备 1 B R 1 B G1 B R 2 B G2 数据 BR n BG n 工作过程分析 : 所有设备通过各自独立的 BR线向控制器发总线使用请求 总 线控制器经过裁决 通过独立的 BG线响应请求 设备的优先级如何确定 ? 由控制器中的裁决器按照一定的策略确定 (可编程 ) 优点 : a. 不存在单点故障 b.优先级改变灵活 c.响应速度快 缺点 : a. 线数与设备的数量有关，设备扩充较困难。 b.控制器的设计复杂 B R x : 总线请求 B Gx : 总线允许 总线 控制 器 设备 n 设备 2 设备 1 B R 1 B G1 B R 2 B G2 数据 BR n BG n 4)总线控制方式总结 总线控制方式总体上分为集中控制和分散控制。 集中控制： 总线控制器基本集中在一起，上述的三种方式属于集中控制，其 具体体现是每个设备有两根线送到总线仲裁控制器，其一是总线 请求使用信号 BR、另一个是总线授权信号线 BG。 分散控制： 总线控制逻辑分散在总线各部件中。 四、总线的通信方式 解决部件获得总线控制权后，采用哪种方式进行数据交换。 常用的总线通信方式有 同步通信 和 异步通信 。 1)同步通信 不采用应答信号 实现方法 : 采用统一的时钟或每个部件自带时钟 ,但受源部件同步时钟的同步 优点 : 时序关系简单，实现简单。 缺点： 在设备速度不一致时按最坏情况确定，传输线不能太长（时钟 相移）。 2)异步通信方式 采用应答信号 实现方法 发送信息的同时还要发送本设备的时间标志信号 ,并用“应答方 式”进行。单向应答不能判断数据是否正确传送，一般采用双 向应答。有非互锁、半互锁和全互锁三种三种类型 地址与模式 就绪 应答 全互锁 数据传输可靠 适用于传输周期不同的设备 对通讯线的长度没有严格的要求 缺点： 速度慢 异步通信方式的 优点 : 五、总线的数据传送模式 1、数据传送的方式 串行传送、并行传送、串并传送 1)串行传送 只使用一根传输线，采用脉冲方式传送信息 每次传送 1位信息 低位先传送、高位后传送 一次新的传送的开始，一定是以一个由高电平到低电平的跳变。 1 0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 1 结 束 位 校 验 位 起 始 位 数据位 空闲位 高 位 低 位 串行传送的数据格式编码 起始位（ 1位） ：表示一次传输的开始 数据位（ 58位）：被传送的数据 校验位（ 1位） ：用于传输校验 停止位（ 12位）：表示本次传输结束， 高电平 两次传输之间的间隙时间内，发送端应该发送什么电平？为什么？ 高！ 采用“位时间”，即一个二进制位在传输线上占用的时间。 为了实现串行传送，在发送端的接口中需要“并行 串行” 转 换电路，在接收端需要“串行 并行”转换电路。 UART异步时序接收端采用外部时钟与接收的数据同步，外 时钟周期和接收的每一位数据所占用的时间关系为： Tc=Td/K 位时间 第一数据位采样 起始位确定 起始位检测 采样时刻 串行信号 如果待发送的数据中有连续相邻的 1或 0，接收端如何区分？ 波特率的概念 是指传输通道传输 代码 的频宽指标，单位是位 /秒。不同于 时钟 频率 (单位是 HZ/秒 )、不同于 数据 的传输速率 (单位是字符 /秒或 bps， 是指传输的数据位 ) 应用举例 数据传输速率是 120字符 /秒，而每个字符格式规定包含十个代码位， 则此时传送的波特率为多少？ 10*120位 /秒 = 1200位 /秒 = 1200波特 反过来有波特如何求数据的传输速率？ 2、各种典型的总线类型 常用的总线： STD、 ISA、 EISA、 VESA、 PCI、 AGP、 infiniBaud等总线 STD(STanDard Bus)总线 是规模最小 ， 面向工业控制的 8位系统总线 ISA（ Industrial Standard Architecture） 最早制定 的 总线技术， 频率 58MHZ ，带宽 5-8MB/s . (位位兼容的 AT总线称为 ISA) EISA(Extended Industry Standard Architecture)总线。 在 ISA总线的基础上，为 32位微机开发 由 VESA于 1992年 5月推出。具有 MB/S的数据传 输率。采用了开放性结构、协议简单、传输率高、价格低 廉、能支持多种硬 器件。但规范性、兼容性和扩展性均较 差，结构偏简单，无缓冲器，只能支持个外设插接板， 而且有时还随所用的 CPU和其工作频率而变。并且只是对 CPU总线的直接扩充，其规范只发挥了 Intel 486CPU的功 能，对于 Pentium并没有充分支持 。 VESA 总线 该总线可分为 PCI1.0和 PCI 2.0。 PCI 1.0为 32位总线，时钟频 率 33MHz，总线最大传输率为 32 33 8 132MB/S，而 PCI 2.0为 64位总线，时钟频率 66MHz，最大传输率 264MB/S,目 前最新版本为 PCI 2.1。对于 Pentium有充分支持 。 AGP(Accelerated Graphics Port ) AGP总线的平均频率是 66MHz，最大传输速率是 533Mbps， 这是 PCI总线方式传输速度的 4倍 PCI(Peripheral Component Interconnect) InfiniBand是 PCI总线的替代品，采用了与 PCI完全不同的 架构，具有极高带宽和灵活的扩展能力，理论带宽分别可以达 到 500MB/s、 2GB/s和创记录的 6GB/s，同时，可以让应用程序 在无需 CPU协助直接访问外围设备，它还解决了 PCI总线中设 备的距离问题，外部设备可以放到距离服务器很远的地方工作 （如果使用的是光缆，最远距离可以达到 0.3-10千米），服务 器的体积也因此缩小了许多。还支持热交换。 是 存储网络 和 集群 最好的连接技术 InfiniBand总线技术 存储总线 有三种网络技术可能为存储网络提供普通的连接层体系结构 ， 分 别是光纤通道 、 以太网尤其是千兆以太网 、 InfiniBaud。 a)光纤通道的存储优势 优点： 高速 、 低延迟 ， 具有高级流量控制 (千兆具有 ， 百兆没有 )， 可 以适应存储 I/O等突发流量 。 缺点： 难于实现和管理 应用：最初是作为通用连接技术出现 ， 现在已经成为事实上的 SAN的标准 。 三种连接层技术比较与分析 c)InfiniBaud 是一种用于代替 PCI主机 I/O总线的 串行总线 。由 Intel 公司组织开发，并受到 Compaq、 HP、 SUN、 IBM等公司的支 持，作为期望在 PC和 UNIX平台使用的主要系统组件。 优点：技术成熟 、 管理方便 ， 具有高带宽和流量控制功能 。 缺点：不能适应大容量事务处理对网络延迟低的要求 应用：能很好地支持 NAS， 已用于 iSCSI-SAN。 b)以太网 /千兆以太网 桥是不同速率总线之间的连接器件，起信号速度缓冲、电 平转换、控制协议转换等作用。 总线中 桥 的概念 CPU 内存缓存 系统内存 桥 至磁盘控制器 至视频控制器 主机 I/O总线 系统内存总线 主机 I/O总线中的桥 计算机中的南桥： 负责 IDE、 ISA、 USB、串并口及电源管理系统之间的联系 和协调 计算机中北桥： 支持和管理 CPU、 AGP、 PCI和内存等设备。 南、北桥在主板上的位置： 北桥一般比较靠近 CPU，而南桥则一般在 PCI扩展槽附近。 桥技术的发展： a.北桥 图形存储控制中心 GMCH (Graphics and Memory Controller Hub) b.南桥 输入 /输出控制中心 ICH(I/O Controller Hub) c. 南桥的新发展： ICH5支持 S-ATA 2005年和 2006年，将相继推出 ICH7和 ICH8，整合宽带网 络接口， PCI Express(下一 代跨平台互连标准，有望取代 AGP技术 )界面，支持 USB 3.0及无线 USB传输界面，数据传 输率分别为 500M/s和 200M/s。