第6章-总线系统要点课件

第6章总线系统第6章总线系统目录目录l6.1总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态理解理解l6.2总线接口总线接口了解了解l6.3总线的仲裁总线的仲裁理解理解l6.4总线的定时和数据传送模式总线的定时和数据传送模式了解了解l6.5HOST总线和总线和PCI总线总线了解了解l6.6InfiniBand标准标准了解了解2024/6/162目录6.1总线的概念和结构形态理解2023/考研大纲要求考研大纲要求(一一)总线概述总线概述1.总线的基本概念总线的基本概念2.总线的分类总线的分类3.总线的组成及性能指标总线的组成及性能指标(二二)总线仲裁总线仲裁1.集中仲裁方式集中仲裁方式2.分布仲裁方式分布仲裁方式(三三)总线操作和定时总线操作和定时1.同步定时方式同步定时方式2.异步定时方式异步定时方式(四四)总线标准总线标准2024/6/163考研大纲要求(一)总线概述2023/8/936.1总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态l6.1.1总线的基本概念总线的基本概念l6.1.2总线的连接方式总线的连接方式l6.1.3总线的内部结构总线的内部结构l6.1.4总线结构实例总线结构实例2024/6/1646.1总线的概念和结构形态6.1.1总线的基本概念206.1.1总线的基本概念总线的基本概念l总线总线构成计算机系统的互联机构，是构成计算机系统的互联机构，是系统内各功能部件之间进行系统内各功能部件之间进行信息传送的公共通路信息传送的公共通路。l总线的分类总线的分类按连接部件分按连接部件分u内部总线、局部总线、系统总线、通信总线内部总线、局部总线、系统总线、通信总线按传送的信息分按传送的信息分u数据总线、地址总线、控制总线数据总线、地址总线、控制总线2024/6/1656.1.1总线的基本概念总线2023/8/95按传送信息分类的总线按传送信息分类的总线l地址总线地址总线单向单向，三态总线，用于传送，三态总线，用于传送地址信息地址信息；其位数决定可直接寻址的范围；其位数决定可直接寻址的范围；l数据总线数据总线双向双向，三态总线，用于传送，三态总线，用于传送数据信息数据信息；其位数有其位数有8位、位、16位、位、32位、位、64位等；位等；l控制总线控制总线传送控制、状态信息；传送控制、状态信息；位数不定。位数不定。2024/6/166按传送信息分类的总线地址总线2023/8/96按连接部件分类的总线按连接部件分类的总线l内部总线内部总线各芯片内部逻辑器件的连接总线；各芯片内部逻辑器件的连接总线；l局部总线局部总线CPU与其他部件的连接总线；与其他部件的连接总线；介于介于CPU内部总线和系统总线之间，可高速传输数据；内部总线和系统总线之间，可高速传输数据；l系统总线系统总线计算机各功能部件的连接总线；计算机各功能部件的连接总线；l通信总线通信总线微机系统与微机系统、其他设备之间的连接总线；微机系统与微机系统、其他设备之间的连接总线；2024/6/167按连接部件分类的总线内部总线2023/8/97M.M 扩展板扩展板CPU 插件板插件板I/O插件板插件板BUS总线的物理实现总线的物理实现2024/6/168M.M扩展板CPU插件板I/O插件板BUS总线的物理实现1、总线的特性、总线的特性l物理特性物理特性总线的位数，总线插头、插座的形状，引脚的排列方式等；总线的位数，总线插头、插座的形状，引脚的排列方式等；l功能特性功能特性确定每一根总线的名称、定义、功能与逻辑关系等，如传送确定每一根总线的名称、定义、功能与逻辑关系等，如传送数据、地址、控制信号；数据、地址、控制信号；l电气特性电气特性规定每一根总线上信号的传送方向及有效电平范围等内容；规定每一根总线上信号的传送方向及有效电平范围等内容；l时间特性时间特性总线上各信号有效的时序关系；总线上各信号有效的时序关系；2024/6/1691、总线的特性物理特性2023/8/992、总线标准、总线标准l总线的标准化总线的标准化为保证总线的性能充分发挥以及兼容问题而提出的；为保证总线的性能充分发挥以及兼容问题而提出的；主要包括总线的各种特性、数据传输率、总线通信协议、主要包括总线的各种特性、数据传输率、总线通信协议、仲裁协议等一系列规定和约定。仲裁协议等一系列规定和约定。l总线标准的来源总线标准的来源权威组织正式公布的标准；权威组织正式公布的标准；实际存在的工业标准；实际存在的工业标准；l典型的标准总线典型的标准总线ISA、EISA、PCI等；等；l按总线标准设计的接口是按总线标准设计的接口是通用接口通用接口。2024/6/16102、总线标准总线的标准化2023/8/9103、总线的性能指标、总线的性能指标l总线宽度总线宽度一次总线操作中，最多可传送的数据位数。一次总线操作中，最多可传送的数据位数。l总线周期总线周期一次总线操作所需要的最小间隔时间。一次总线操作所需要的最小间隔时间。总线周期与总线的时钟频率成反比，即总线周期与总线的时钟频率成反比，即T=1/fl总线带宽总线带宽单位时间内通过总线的数据位数，总线的数据传输率；单位时间内通过总线的数据位数，总线的数据传输率；单位一般为单位一般为MB/s。2024/6/16113、总线的性能指标总线宽度2023/8/911课本课本P185【例例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?l一个总线周期一个总线周期T=1/f=1/(33106)l一个总线周期的传送的数据量一个总线周期的传送的数据量D=4Bl总线带宽总线带宽Dr=D/T=D1/T=Df=4B33106/s=132MB/s(2)如果一个总线周期中并行传送如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少，则总线带宽是多少?l总线带宽总线带宽Dr=Df=8B66106/s=528MB/s2024/6/1612课本P185【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送46.1.2总线的连接方式总线的连接方式l适配器：又称接口适配器：又称接口实现高速实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。l单机系统中，总线结构的三种基本类型：单机系统中，总线结构的三种基本类型：单总线结构单总线结构u使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接CPU、内存和、内存和I/O设备。设备。双总线结构双总线结构u在在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。三总线结构三总线结构u在各外部设备与通道之间增加一组在各外部设备与通道之间增加一组I/O总线。总线。多总线结构多总线结构u通过桥将多总线彼此相连。通过桥将多总线彼此相连。2024/6/16136.1.2总线的连接方式适配器：又称接口2023/8/l系统内的所有部件均由系统内的所有部件均由系统总线系统总线连接；连接；l优点：优点：各部件之间可直接进行通信；系统易于扩充；各部件之间可直接进行通信；系统易于扩充；l缺点：缺点：总线负载重；总线负载重；若有慢速设备，则会产生较大的时间延迟。若有慢速设备，则会产生较大的时间延迟。动画演示：动画演示：6-1.swf6-1.swf单总线结构单总线结构CPUCPU主存主存设备设备适配器适配器设备设备适配器适配器系统总线系统总线2024/6/1614系统内的所有部件均由系统总线连接；动画演示：6-1.swf单l系统内的所有部件均由系统内的所有部件均由系统总线系统总线连接；在连接；在CPU和主存之间再专和主存之间再专门设置了一组高速的门设置了一组高速的存储总线存储总线。l特点：特点：保持了单总线的优点（简单、易扩充）；保持了单总线的优点（简单、易扩充）；减轻了系统总线的工作负担，使减轻了系统总线的工作负担，使CPU工作效率有所提高；工作效率有所提高；但增加了硬件成本。但增加了硬件成本。动画演示：动画演示：6-2.swf6-2.swf双总线结构双总线结构CPU主存主存设备设备适配器适配器设备设备适配器适配器存储总线存储总线系统总线系统总线2024/6/1615系统内的所有部件均由系统总线连接；在CPU和主存之间再专门设l系统总线系统总线负责连接负责连接CPU、主存、主存、I/O通道；通道；存储总线存储总线负责连接负责连接CPU与主存；与主存；I/O总线总线负责连接各负责连接各I/O适配器。适配器。l特点：特点：设置了设置了通道通道，对外设进行统一的管理，分担了，对外设进行统一的管理，分担了CPU的工作。的工作。提高了提高了CPU工作效率，同时也最大限度的提高外设的工作工作效率，同时也最大限度的提高外设的工作速度。速度。但硬件成本进一步增加。但硬件成本进一步增加。动画演示：动画演示：6-3.swf6-3.swf三总线结构三总线结构CPU主存主存设备适配器设备适配器设备适配器设备适配器IOPI/OI/O总线总线系统总线系统总线存储总线存储总线2024/6/1616系统总线负责连接CPU、主存、I/O通道；存储总线负责连接C三总线结构的又一形式三总线结构的又一形式局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/OI/O控制器控制器主存主存2024/6/1617三总线结构的又一形式局域网系统总线CPUCache局部总线扩多总线结构多总线结构2024/6/1618多总线结构2023/8/9186.1.3总线的内部结构总线的内部结构l早期总线内部结构早期总线内部结构实际是实际是CPU芯片芯片引脚的延伸；引脚的延伸；l早期总线的不足早期总线的不足CPU是总线上惟是总线上惟一的主控者。一的主控者。总线结构与总线结构与CPU紧密相关，通用紧密相关，通用性较差。性较差。2024/6/16196.1.3总线的内部结构早期总线内部结构2023/8/9现代总线现代总线l多采用标准总线多采用标准总线与结构、与结构、CPU、技术无关；、技术无关；又被称为底板总线。又被称为底板总线。l现代总线可分为四个部分：现代总线可分为四个部分：数据传送总线数据传送总线u地址线、数据线、控制线；地址线、数据线、控制线；仲裁总线仲裁总线u总线请求线、总线授权线；总线请求线、总线授权线；中断和同步总线中断和同步总线u中断请求线、中断认可线；中断请求线、中断认可线；公用线公用线u时钟信号、电源等；时钟信号、电源等；2024/6/1620现代总线多采用标准总线2023/8/920CPUCPU多媒体多媒体PCI PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形调制解调器调制解调器图文传真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz33 MHz的的3232位数据通路位数据通路8 MHz8 MHz的的1616位数据通路位数据通路ISA EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSISCSI 控制器控制器存储器存储器6.1.4 总线结构实例总线结构实例CPU-CPU-存储器总线，存储器总线，6464位位DBDB、3232位位ABAB，66.6MHz66.6MHzPCIPCI总线总线连接快速外设连接快速外设3232位位/64/64位总线宽度位总线宽度33.3MHz33.3MHzPCI-ISAPCI-ISA总线总线连接低速外设连接低速外设1616位位DBDB，2424位位ABAB8MHz8MHz何谓何谓“桥桥”？具有缓存、转换、控具有缓存、转换、控制功能的逻辑电路制功能的逻辑电路动画演示：动画演示：6-5.swf2024/6/1621CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形调制解调器图文传真6.1.5总线技术的发展历程总线技术的发展历程l1981年，年，IBM公司推出了公司推出了PC/XT总线；总线；l1984年，年，Intel公司联合几家公司制定了公司联合几家公司制定了ISA总线规范；总线规范；ISA，IndustryStandardArchitecture，工业标准结构，工业标准结构l1987年，年，IBM公司推出了公司推出了MCA总线；总线；MCA，MicroChannelArchitecture，微通道结构，微通道结构l1991年，年，Intel、Compaq等等9家公司联合推出家公司联合推出EISA总线；总线；EISA，ExtendedIndustrialStandardArchitecturel1992年，视频电子标准协会年，视频电子标准协会(VESA)公布了公布了VL总线标准；总线标准；VL，VESALocalBusl1992年，年，Intel公司推出了公司推出了PCI总线；总线；PCI，PeripheralComponentInterconnect，外围设备互连总线，外围设备互连总线l1996年，年，Intel公司推出了公司推出了AGP总线；总线；AGP，AcceleratedGraphicsPort，加速图形接口，加速图形接口2024/6/16226.1.5总线技术的发展历程1981年，IBM公司推出了总线技术的发展历程总线技术的发展历程PC/XT总线总线2024/6/1623总线技术的发展历程PC/XT总线2023/8/923PC/XT总线总线l早期早期PC/XT微机配套的微机配套的8位系统总线，也称为位系统总线，也称为PC总线；总线；主板上包括主板上包括8个个PC/XT总线扩展槽；总线扩展槽；主板时钟频率为主板时钟频率为14.3128MHz；CPU时钟为时钟为4.77MHz，最快的访存周期由，最快的访存周期由4个时钟周期构个时钟周期构成，总线带宽约为成，总线带宽约为1MB/s；lPC/XT总线扩展槽包括总线扩展槽包括62个管脚；个管脚；CPU引脚经过引脚经过8282、8286、8288、8259、8237等芯片组等芯片组合而成；合而成；右侧为右侧为A列，左侧为列，左侧为B列，各列，各31个管脚，包括地址线、数个管脚，包括地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线与电源线五类；据线、控制线、状态线、辅助线与电源线五类；2024/6/1624PC/XT总线早期PC/XT微机配套的8位系统总线，也称为P2024/6/16252023/8/925ISA总线总线l16位位的总线结构，并保持了对的总线结构，并保持了对8位总线的兼容性；位总线的兼容性；主板上也是主板上也是8个扩展槽；个扩展槽；扩展槽既可以插入扩展槽既可以插入16位板卡，也可以插入位板卡，也可以插入8位板卡；位板卡；总线时钟与总线时钟与CPU时钟均为时钟均为612MHz，访存周期至少，访存周期至少3个时钟个时钟周期，总线带宽约为周期，总线带宽约为48MB/s；lISA总线设计为长短插槽形式；总线设计为长短插槽形式；前前62管脚的长插槽管脚的长插槽u信号分布与功能含义大致与信号分布与功能含义大致与PCPC总线相同；总线相同；后后36管脚的短插槽管脚的短插槽uISA总线新增，分为总线新增，分为C、D列，各列，各18个管脚；个管脚；2024/6/1626ISA总线16位的总线结构，并保持了对8位总线的兼容性；20ISA总线插槽总线插槽同一类型的同一类型的插槽都是相插槽都是相通的，板卡通的，板卡可以插入其可以插入其中任何一个中任何一个槽中。槽中。2024/6/1627ISA总线插槽同一类型的插槽都是相通的，板卡可以插入其中任何ISA声卡声卡2024/6/1628ISA声卡2023/8/9282024/6/16292023/8/929EISA总线总线lEISA总线是总线是ISA总线的扩展总线的扩展数据总线从数据总线从16位变为位变为32位，位，地址总线从地址总线从24位变为位变为32位；位；增加了突发式传送（增加了突发式传送（BurstTransfer，又称猝发式传送）；，又称猝发式传送）；支持多处理器的高性能支持多处理器的高性能32位位标准总线。标准总线。lEISA总线扩展槽的插脚分上、下两层；总线扩展槽的插脚分上、下两层；上层同上层同ISA总线的兼容；总线的兼容；下层是下层是EISA总线新增的信号；总线新增的信号；2024/6/1630EISA总线EISA总线是ISA总线的扩展2023/8/93PCI总线总线lPCI总线是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式连接起总线是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式连接起来的总线标准，是基于奔腾处理器而发展的总线。来的总线标准，是基于奔腾处理器而发展的总线。lPCI总线的主要性能总线的主要性能数据总线数据总线32位（位（5V），可扩充到，可扩充到64位（位（3.3V）；最多支持最多支持10台外设；台外设；总线时钟频率总线时钟频率33MHz/66MHz；支持突发式传送，最大数据传输速率支持突发式传送，最大数据传输速率528MB/s；能自动识别外设，硬件插卡自动识别、配置，能自动识别外设，硬件插卡自动识别、配置，即插即用即插即用；独特的中间缓冲器设计方式，独立于独特的中间缓冲器设计方式，独立于CPU，并将，并将CPU子系子系统与外设分开；统与外设分开；支持多主设备系统；支持多主设备系统；2024/6/1631PCI总线PCI总线是一种将系统中外围部件以结构化可控制方式PCI插槽插槽2024/6/1632PCI插槽2023/8/932PCI系统结构系统结构lPCI总线中提出了总线中提出了“桥桥”的概念的概念“桥桥”连接两条总线，使总线之间互相通信；连接两条总线，使总线之间互相通信；PCI总线是在总线是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，和原来的系统总线之间插入的一级总线，由一个由一个桥接电路桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。接口以协调数据的传送。l桥的类型桥的类型主桥：连接主桥：连接CPU和基本和基本PCI总线，也称为总线，也称为“北桥北桥”；标准总线桥：连接标准总线桥：连接PCI总线和其他标准总线和其他标准IO总线；总线；PCI桥：连接两条桥：连接两条PCI总线；总线；南桥南桥2024/6/1633PCI系统结构PCI总线中提出了“桥”的概念南桥2023/8CPUCache 控制器控制器内存控制器内存控制器处理器总线与主处理器总线与主PCI总线桥接器总线桥接器高速缓存高速缓存Cache内存内存DRAMPCI与与PCI桥接器桥接器PCI与与ISA桥接器桥接器PCI与与EISA桥接器桥接器LAN I/O控制器控制器MODEM控制器控制器I/O支持支持软盘软盘键盘键盘串行口串行口I/O支持支持并行口并行口声频声频处理器总线处理器总线主主PCI总线总线次次PCI总线总线ISA总线总线EISA总线总线存储器存储器总线总线PCI SCSI卡卡PCI 显卡显卡标准标准总线桥总线桥PCI桥桥主桥主桥基于基于PCI总线的系统结构图总线的系统结构图2024/6/1634CPUCache控制器高速缓存内存PCI与PCIPCI与IPentium PC的体系结构的体系结构 处理器总线处理器总线2024/6/1635PentiumPC的体系结构处理器总线2023/8/93AGP总线总线lAGP总线是一种显示卡专用的局部图形总线；总线是一种显示卡专用的局部图形总线；严格的说，严格的说，AGP不能称为总线，因为它是点对点连接，即不能称为总线，因为它是点对点连接，即控制芯片和控制芯片和AGP显示卡连接连接；显示卡连接连接；lAGP总线直接与主板的北桥芯片相连，让显示芯片与系统主内总线直接与主板的北桥芯片相连，让显示芯片与系统主内存直接相连存直接相连;避免了窄带宽的避免了窄带宽的PCI总线形成的系统瓶颈，增加总线形成的系统瓶颈，增加3D图形数据图形数据传输速度传输速度;在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。2024/6/1636AGP总线AGP总线是一种显示卡专用的局部图形总线；2023AGP插槽插槽2024/6/1637AGP插槽2023/8/937AGP接口的发展接口的发展l1996年，年，AGP1.0图形标准问世；图形标准问世；包括包括AGP1X和和AGP2X两种模式；两种模式；数据传输带宽分别达到了数据传输带宽分别达到了266MB/s和和533MB/s；l1998年，年，AGP2.0规范正式发布；规范正式发布；增加了增加了AGP4X模式，数据传输带宽达到模式，数据传输带宽达到1066MB/s；l1998年，年，AGPPro接口与接口与AGP2.0同时推出同时推出；在原有在原有AGP插槽的两侧进行延伸，提供额外的电能，增强插槽的两侧进行延伸，提供额外的电能，增强其功能。其功能。l2000年，年，AGP3.0规范正式发布；规范正式发布；增加了增加了AGP8X模式，数据传输带宽达到了模式，数据传输带宽达到了2133MB/s；2024/6/1638AGP接口的发展1996年，AGP1.0图形标准问世；20286主板386主板486主板2024/6/1639286主板386主板486主板2023/8/939Pentium主板支持PentiumII/III的主板支持Pentium4的主板2024/6/1640Pentium主板支持PentiumII/III的主板支持P6.2总线接口总线接口l6.2.1信息的传送方式信息的传送方式l6.2.2接口的基本概念接口的基本概念2024/6/16416.2总线接口6.2.1信息的传送方式2023/8/6.2.1信息的传送方式信息的传送方式l串行传送串行传送使用一条传输线，采用脉冲传送。使用一条传输线，采用脉冲传送。特点：成本比较低廉，信息传送速度慢；特点：成本比较低廉，信息传送速度慢；l并行传送并行传送每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送；每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送；系统总线的信息传送方式。系统总线的信息传送方式。l分时传送分时传送总线传送信息的分时复用总线传送信息的分时复用u某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。共享总线部件对总线的分时复用共享总线部件对总线的分时复用u在不同的时间内由不同的部件使用总线。在不同的时间内由不同的部件使用总线。动画演示：动画演示：6-7.swf串行和并行串行和并行传送示意图传送示意图例如：例如：CPU中的复用引脚中的复用引脚例如：系统中主模块对例如：系统中主模块对总线的争用总线的争用2024/6/16426.2.1信息的传送方式串行传送动画演示：6-7.swf2024/6/16432023/8/9436.2.2接口的基本概念接口的基本概念l接口接口I/O设备适配器；设备适配器；指指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。l接口的典型功能接口的典型功能控制、缓冲、状态、转换、中断等。控制、缓冲、状态、转换、中断等。l一个适配器必有两个接口一个适配器必有两个接口一个同系统总线相连，采用并行方式；一个同系统总线相连，采用并行方式；另外一个同设备相连，可能采用并行方式或是串行方式。另外一个同设备相连，可能采用并行方式或是串行方式。lCPU、接口和外围设备之间的连接关系、接口和外围设备之间的连接关系课本课本P192图图6.7动画演示：动画演示：6-8.swf2024/6/16446.2.2接口的基本概念接口动画演示：6-8.swf2课本课本P193【例例2】利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特(bit)位数常位数常称为波特率。称为波特率。假设数据传送速率是假设数据传送速率是120个字符个字符/秒，每一个字符格式规秒，每一个字符格式规定包含定包含10位（起始位、停止位、位（起始位、停止位、8个数据位），问传送个数据位），问传送的波特率是多少的波特率是多少?每位占用的时间是多少每位占用的时间是多少?解：解：波特率为：波特率为：10位位120/秒秒=1200波特波特每个每个bit占用的时间占用的时间Td是波特率的倒数：是波特率的倒数：Td=1/1200=0.8330.001s=0.833ms2024/6/1645课本P193【例2】利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特6.3总线的仲裁总线的仲裁l6.3.1集中式仲裁集中式仲裁l6.3.2分布式仲裁分布式仲裁2024/6/16466.3总线的仲裁6.3.1集中式仲裁2023/8/9总线的仲裁总线的仲裁l连接到总线上的功能模块有连接到总线上的功能模块有主动主动和和被动被动两种形态；两种形态；主方主方可以启动一个总线周期；可以启动一个总线周期；从方从方只能响应主方请求；只能响应主方请求；每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。l多个功能模块争用总线时，必须由多个功能模块争用总线时，必须由总线仲裁部件总线仲裁部件选择一个主选择一个主设备使用总线。设备使用总线。l总线占用期总线占用期主方持续控制总线的时间。主方持续控制总线的时间。l总线仲裁方式总线仲裁方式集中式：由集中式：由中央仲裁器中央仲裁器决定总线使用权的归属。决定总线使用权的归属。分布式：多个仲裁器竞争使用总线。分布式：多个仲裁器竞争使用总线。2024/6/1647总线的仲裁连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态；2026.3.1集中式仲裁集中式仲裁1.链式查询方式链式查询方式设备的优先权设备的优先权与总线控制器的距离与总线控制器的距离有关；有关；优点优点：硬件连接简单，判优容易，设备增删容易；：硬件连接简单，判优容易，设备增删容易；缺点缺点：对电路故障敏感，优先级固定；：对电路故障敏感，优先级固定；2.计数器定时查询方式计数器定时查询方式设备的优先权由设备的优先权由计数值计数值决定，计数值为决定，计数值为0时同链式查询方式；时同链式查询方式；优点优点：优先权控制灵活，对电路故障不敏感；：优先权控制灵活，对电路故障不敏感；缺点缺点：硬件成本增加，控制复杂度高；：硬件成本增加，控制复杂度高；3.独立请求方式独立请求方式设备的优先权由设备的优先权由中央仲裁器的内部排队逻辑中央仲裁器的内部排队逻辑决定；决定；优点优点：响应时间快，即确定优先响应的设备花费的时间少；：响应时间快，即确定优先响应的设备花费的时间少；对优先次序的控制也是相当灵活的；对优先次序的控制也是相当灵活的；缺点缺点：硬件复杂度高。：硬件复杂度高。动画演示动画演示:6-10.swf2024/6/16486.3.1集中式仲裁链式查询方式动画演示:6-10链式查询方式（链式查询方式（1/2）l连接方式连接方式采用采用菊花链菊花链的方式连接的方式连接所有具有总线使用能力的部件所有具有总线使用能力的部件；各设备各设备共用共用一根总线请求信号线一根总线请求信号线BR、总线授权信号线、总线授权信号线BG、总线忙信号线总线忙信号线BS与中央仲裁器连接；与中央仲裁器连接；l工作方式工作方式总线授权信号总线授权信号BG串行地从一个串行地从一个I/O接口传送到下一个接口传送到下一个I/O接口。接口。中央中央仲裁器仲裁器设备接口设备接口0 0设备接口设备接口1 1设备接口设备接口N NBGBRBS2024/6/1649链式查询方式（1/2）连接方式中央设备接口设备接口设备接口B总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG-总线同意总线同意I/O接口接口1链式查询方式（链式查询方式（2/2）2024/6/1650总I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG数据线计数器定时查询方式（计数器定时查询方式（1/2）l连接方式连接方式省去总线授权信号省去总线授权信号BG；增加计数器增加计数器和和设备地址线号线设备地址线号线，每次相应总线申请，由计数，每次相应总线申请，由计数值决定响应的顺序。值决定响应的顺序。l工作方式工作方式有总线请求时，发出计数值，选择设备查询请求状态，依次有总线请求时，发出计数值，选择设备查询请求状态，依次查询每一个设备；查询每一个设备；中央中央仲裁器仲裁器设备接口设备接口0设备接口设备接口1设备接口设备接口NBRBS设备地址设备地址2024/6/1651计数器定时查询方式（1/2）连接方式中央设备接口设备接口设备 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1计数器定时查询方式（计数器定时查询方式（2/2）2024/6/16520总数据线地址线I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接独立请求方式（独立请求方式（1/2）l连接方式连接方式每个部件均有每个部件均有独立的请求和响应信号线独立的请求和响应信号线，由中央仲裁器，由中央仲裁器的内部排队逻辑决定响应顺序。的内部排队逻辑决定响应顺序。中央中央仲裁器仲裁器设备接口设备接口0 0设备接口设备接口1 1设备接口设备接口N NBR0BG0BR1BG1BRNBGN2024/6/1653独立请求方式（1/2）连接方式中央设备接口设备接口设备接口B总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求独立请求方式（独立请求方式（2/2）排队器排队器2024/6/1654总数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口nBR0B6.3.2分布式仲裁分布式仲裁l分布式仲裁不需要中央仲裁器，由分布在各部件中的多个仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，由分布在各部件中的多个仲裁器竞争使用总线。器竞争使用总线。l每个潜在的主模块都有每个潜在的主模块都有自己的仲裁器自己的仲裁器和和唯一的仲裁号唯一的仲裁号，通过仲，通过仲裁总线上仲裁号的比较，决定可占用总线的部件。裁总线上仲裁号的比较，决定可占用总线的部件。某部件某部件有总线请求有总线请求时，将其时，将其仲裁号发送到共享仲裁总线上仲裁号发送到共享仲裁总线上；每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较；每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较；如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号；它的仲裁号；最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。l分布式仲裁是以分布式仲裁是以优先级仲裁策略优先级仲裁策略为基础。为基础。2024/6/16556.3.2分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，由分布6.4总线的定时和数据传送模式总线的定时和数据传送模式l6.4.1总线的定时总线的定时l6.4.2总行数据传送模式总行数据传送模式2024/6/16566.4总线的定时和数据传送模式6.4.1总线的定6.4.1总线的定时总线的定时l总线的信息传送过程总线的信息传送过程请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回；请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回；l定时定时确定确定事件出现在总线上的时序关系事件出现在总线上的时序关系；l定时的分类：定时的分类：l同步定时同步定时l异步定时异步定时2024/6/16576.4.1总线的定时总线的信息传送过程2023/8/91、同步定时、同步定时l系统采用系统采用统一的时钟信号统一的时钟信号，所有事件的出现时间均有该时钟信，所有事件的出现时间均有该时钟信号确定；号确定；l优点优点各模块配合简单一致各模块配合简单一致;数据传输效率较高；数据传输效率较高；l缺点：缺点：各模块的速度差异较大时各模块的速度差异较大时，会影响系统的整体工作效率；会影响系统的整体工作效率；时钟信号受到干扰时时钟信号受到干扰时，会，会引起错误的同步；引起错误的同步；l适用于总线长度较短，各功能模块速度相差不多的系统。适用于总线长度较短，各功能模块速度相差不多的系统。动画演示：动画演示：6-12.swf2024/6/16581、同步定时系统采用统一的时钟信号，所有事件的出现时间均有该异步定时异步定时l系统依靠系统依靠应答方式应答方式或或互锁机制互锁机制来决定事件出现的时间。来决定事件出现的时间。l优点优点总线周期长度可变；总线周期长度可变；l缺点缺点增加了总线的复杂性和成本；增加了总线的复杂性和成本；l适用于设备工作速度不一致的系统。适用于设备工作速度不一致的系统。动画演示：动画演示：6-6-13.swf13.swf2024/6/1659异步定时系统依靠应答方式或互锁机制来决定事件出现的时间。动画异步定时的互锁机制异步定时的互锁机制不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答2024/6/1660异步定时的互锁机制不互锁半互锁全互锁主设备从设备请回20236.4.2总线数据传送模式总线数据传送模式l读、写操作读、写操作主设备利用系统总线，完成与从设备直接的数据传送；主设备利用系统总线，完成与从设备直接的数据传送；l块传送操作块传送操作只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。一个地读出或写入。l写后读、读修改写操作写后读、读修改写操作只给出地址一次，或先写后读（校验），或先读后写（多只给出地址一次，或先写后读（校验），或先读后写（多道程序系统中对共享存储资源的保护）。道程序系统中对共享存储资源的保护）。l广播、广集操作广播、广集操作广播：总线允许一个主方对多个从方进行写操作。广播：总线允许一个主方对多个从方进行写操作。广集：与广播相反的操作，它将选定的多个从方数据在总广集：与广播相反的操作，它将选定的多个从方数据在总线上完成线上完成AND或或OR操作。操作。猝发式传送猝发式传送2024/6/16616.4.2总线数据传送模式读、写操作猝发式传送202309年考研真题年考研真题20.假设某系统总线在一个总线周期中并行传输假设某系统总线在一个总线周期中并行传输4字节信息，一字节信息，一个总线周期占用个总线周期占用2个时钟周期，总线时钟频率为个时钟周期，总线时钟频率为10MHz，则，则总线带宽是（总线带宽是（）A10MB/sB.20MB/SC.40MB/SD.80MB/S总线带宽总线带宽Dr=D/2T=D1/2T=D0.5f=4B0.510106/s=20MB/sB2024/6/166209年考研真题20.假设某系统总线在一个总线周期中并行传输410年考研题年考研题20、下列选项中的英文缩写均为总线标准的是（、下列选项中的英文缩写均为总线标准的是（）A.PCI、CRT、USB、EISAB.ISA、CPI、VESA、EISAC.ISA、SCSI、RAM、MIPSD.ISA、EISA、PCI、PCI-ExpressD2024/6/166310年考研题20、下列选项中的英文缩写均为总线标准的是（11年考研题年考研题20、在系统总线的数据线上，不可能传输的是（、在系统总线的数据线上，不可能传输的是（）A.指令指令B.操作数操作数C.握手（应答）信号握手（应答）信号D.中断类型号中断类型号C2024/6/166411年考研题20、在系统总线的数据线上，不可能传输的是（12年考研题年考研题19、某同步总线的时钟频率是、某同步总线的时钟频率是100MHz，宽度为，宽度为32位，位，地址地址/数据线复用，每传输一个地址或数据占用一个时数据线复用，每传输一个地址或数据占用一个时钟周期。若该总线支持突发钟周期。若该总线支持突发(猝发猝发)传输方式，则一次传输方式，则一次“主存写主存写”总线事务传输总线事务传输128位数据所需要的时间至位数据所需要的时间至少是（少是（）A.20nsB.40nsC.50nsD.80nsC2024/6/166512年考研题19、某同步总线的时钟频率是100MHz，宽度为12年考研题年考研题20、下列关于、下列关于USB总线特性的描述中，错误是（总线特性的描述中，错误是（）A.可实现外设的即插即用和热插拔可实现外设的即插即用和热插拔B.可通过级联方式连接多态外设可通过级联方式连接多态外设C.是一种通信总线，可连接不同外设是一种通信总线，可连接不同外设D.同时可传输同时可传输2位数据，数据传输率高位数据，数据传输率高D2024/6/166612年考研题20、下列关于USB总线特性的描述中，错误是（12年考研题年考研题21、下列选项中，在、下列选项中，在I/O总线的数据线上传输的信息包总线的数据线上传输的信息包括（括（）.I/O接口中的命令字接口中的命令字.I/O借口中的状态字借口中的状态字.中断类型号中断类型号A.仅仅、B.仅仅、C.仅仅、D.、D2024/6/166712年考研题21、下列选项中，在I/O总线的数据线上传输的信13年考研题年考研题43、（、（9分）某分）某32位计算机，位计算机，CPU主频为主频为800MHz，Cache命中时命中时CPI为为4，Cache块大小为块大小为32字节；主存采用字节；主存采用8体交体交叉存储方式，每个体的存储字长为叉存储方式，每个体的存储字长为32位、存储周期为位、存储周期为40ns；存储器总线宽度为；存储器总线宽度为32位，总线时钟频率为位，总线时钟频率为200MHz，支，支持突发传送总线事物。每次读突发传送总线事物的过程包持突发传送总线事物。每次读突发传送总线事物的过程包括：送首地址和命令、存储器准备数据、传送数据。每次括：送首地址和命令、存储器准备数据、传送数据。每次突发传送突发传送32字节，传送地址或字节，传送地址或32位数据均需要一个总线时位数据均需要一个总线时钟周期。请回答下列问题，要求给出理由或计算过程。钟周期。请回答下列问题，要求给出理由或计算过程。2024/6/166813年考研题43、（9分）某32位计算机，CPU主频为80013年考研题年考研题（1）CPU和总线的时钟周期各为多少？总线的带宽（即最和总线的时钟周期各为多少？总线的带宽（即最大数据传输率）为多少？大数据传输率）为多少？（2）Cache缺失时，需要用几个读突发传送总线事物来完缺失时，需要用几个读突发传送总线事物来完成一个主存块的读取？成一个主存块的读取？（3）存储器总线完成一次读突发传送总线事物所需的时间）存储器总线完成一次读突发传送总线事物所需的时间是多少？是多少？（4）若程序）若程序BP执行过程中，共执行了执行过程中，共执行了100条指令，平均每条指令，平均每条指令需要条指令需要1.2次访存，次访存，Cache的缺失率为的缺失率为5%，不考虑替，不考虑替换等开销，则换等开销，则BP的的CPU执行时间是多少？执行时间是多少？2024/6/166913年考研题（1）CPU和总线的时钟周期各为多少？总线的带宽总线带宽总线带宽Dr一个总线周期传送的字节数一个总线周期传送的字节数D总线周期总线周期T一个总线周期传送的字节数一个总线周期传送的字节数D总线时钟频率总线时钟频率f870M560MB/s20、某总线在一个总线周期中并行传送、某总线在一个总线周期中并行传送8个字节的信息，个字节的信息，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为时钟频率为70MHz，总线带宽是多少？，总线带宽是多少？2024/6/1670总线带宽Dr一个总线周期传送的字节数D总线周期T本章作业本章作业P2071、208、9、10、11、12（写课本上）（写课本上）2024/6/1671本章作业P2072023/8/971