第六章总线系统-课件

第六章总线系统ppt课件第六章总线系统 ppt课件本章内容本章内容本章首先讲述总线系统的一些基本概念和基本技术，在此基础上，具体介绍当前实用的PCI总线和正在流行的InfiniBand标准。6.1 总线的概念和结构形态6.2 总线接口6.3 总线的仲裁6.4总线的定时和数据传送模式6.5 HOST总线和PCI总线6,6 InfiniBand标准2本章内容本章首先讲述总线系统的一些基本概念和基本技术，在6.1总线的概念和结构形态总线的概念和结构形态l总线的基本概念l总线的连接方式l总线的内部结构l总线结构实例36.1总线的概念和结构形态总线的基本概念3第六章总线系统-课件第六章总线系统-课件6.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念l总线的特性可分为：物理特性、功能特性、电气特性、时间特性。l物理特性：总线的物理连接方式（根数、插头、插座形状，引脚排列方式）l功能特性：每根线的功能l电气特性：每根线上信号的传递方向及有效电平范围。l时间特性：规定了每根总线在什么时间有效。66.1.1总线的基本概念总线的特性可分为：物理特性、功能特性6.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念l相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的,但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因何在呢?l为了使不同厂家生产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工作。目前，已经出现了很多总线标准，如PCI、ISA等。l采用标准总线的优点l简化系统设计l简化系统结构，提高系统可靠性l便于系统的扩充和更新76.1.1总线的基本概念相同的指令系统，相同的功能，不同厂家6.1.16.1.1总线的基本概念总线的基本概念l总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。l一次操作可以传输的数据位数l如S100为8位，ISA为16位，EISA为32位，PCI-2可达64位。l总线宽度不会超过微处理器外部数据总线的宽度。86.1.1总线的基本概念总线带宽：总线本身所能达到的最高传输【例1】（1）某总线在一个总线周期中并行传送4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33MHz，总线带宽是多少?（2）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66MHz，总线带宽是多少?解：（1）设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得Dr=D/T=D（1/T）=Df=4B33106/s=132MB/s（2）64位=8BDr=Df=8B66106/s=528MB/s9【例1】（1）某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，6.1.2总线的连接方式 l适配器（接口）：适配器（接口）：实现高速高速CPUCPU与低速外与低速外设之之间工作工作速度上的匹配和同步，并完成速度上的匹配和同步，并完成计算机和外算机和外设之之间的的所有数据所有数据传送和控制。送和控制。l单机系机系统中中总线结构的两种基本构的两种基本类型：型：l单总线：使用一条：使用一条单一的系一的系统总线来来连接接CPUCPU、内存和内存和I/OI/O设备。l单总线结构特点：构特点：在在单总线结构中，要求构中，要求连接到接到总线上的上的逻辑部件必部件必须高速运行，以便在某些高速运行，以便在某些设备需要使用需要使用总线时，能迅速，能迅速获得得总线控制控制权；而当不再使用；而当不再使用总线时，能迅速放弃，能迅速放弃总线控制控制权。否。否则，由于一条，由于一条总线由多种功能部件共用，由多种功能部件共用，可能可能导致很大的致很大的时间延延迟。106.1.2总线的连接方式 适配器（接口）：实现高速CPU与低1.单总线结构单总线结构-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、主存、主存和和I/O设备，叫做单总线结构。设备，叫做单总线结构。此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；而便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。6.1.2 总线的连接方式111.单总线结构-使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和(1)取指令取指令：当：当CPU取一条指令时，首先把程序计数器取一条指令时，首先把程序计数器PC中的地址同控制信息一起送至总线上。在中的地址同控制信息一起送至总线上。在“取指令取指令”情情况下的地址是主存地址况下的地址是主存地址,此时该地址所指定的主存单元的内此时该地址所指定的主存单元的内容一定是一条指令，而且将被传送给容一定是一条指令，而且将被传送给CPU。(2)传送数据传送数据：取出指令之后，：取出指令之后，CPU将检查操作码。操将检查操作码。操作码规定了对数据要执行什么操作，以及数据是流进作码规定了对数据要执行什么操作，以及数据是流进CPU还还是流出是流出CPU。(3)I/O操作操作：如果该指令地址字段对应的是外围设备地：如果该指令地址字段对应的是外围设备地址，则外围设备译码器予以响应，从而在址，则外围设备译码器予以响应，从而在CPU和与该地址相和与该地址相对应的外围设备之间发生数据传送，而数据传送的方向由指对应的外围设备之间发生数据传送，而数据传送的方向由指令操作码决定。令操作码决定。12(1)取指令：当CPU取一条指令时，首先把程序计数器PC(4)DMA操作操作:某些外围设备也可以指定地址。某些外围设备也可以指定地址。如果一个由外围如果一个由外围设备指定的地址对应于一个主存单元，则主存予以响应，于是在主设备指定的地址对应于一个主存单元，则主存予以响应，于是在主存和外设间将进行直接存储器传送存和外设间将进行直接存储器传送(DMA)。(5)单总线结构容易扩展成多单总线结构容易扩展成多CPU系统系统：这只要在系统总线上：这只要在系统总线上挂接多个挂接多个CPU即可。即可。13(4)DMA操作:某些外围设备也可以指定地址。如果一2.双总线结构双总线结构这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主存仍用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现可通过系统总线与外设之间实现DMA操作，而不必经过操作，而不必经过CPU。当。当然这种双总线系统以增加硬件为代价。然这种双总线系统以增加硬件为代价。142.双总线结构143.三总线结构三总线结构它是在双总线系统的基础上增加它是在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的。总线形成的。在在DMA方式中，外设与存储器间直接交换数据而不经方式中，外设与存储器间直接交换数据而不经过过CPU，从而减轻了，从而减轻了CPU对数据输入输出的控制，而对数据输入输出的控制，而“通通道道”方式进一步提高了方式进一步提高了CPU的效率。通道实际上是一台具的效率。通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为有特殊功能的处理器，又称为IOP(I/O处理器处理器),它分担了它分担了一部分一部分CPU的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。显然，由于增加了存之间的数据传送。显然，由于增加了IOP，使整个系统，使整个系统的效率大大提高。然而这是以增加更多的硬件代价换来的。的效率大大提高。然而这是以增加更多的硬件代价换来的。153.三总线结构1516166.1.2总线的连接方式l多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条总线。如图所示。l176.1.2总线的连接方式多总线：在CPU、主存、I/O之间互桥桥扩充扩充总线接口总线接口系统总线系统总线CPU总线总线扩充总线扩充总线4.多总线结构多总线结构高速总线高速总线具有缓冲、转换、控具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路制功能的逻辑电路支持大容量支持大容量I/O设备设备18CPUCache主存桥LAN接口视频接口图形接口SCSI接口6.1.2总线的连接方式l高速的CPU总线：CPU和cache之间采用l系统总线：主存连在其上。l高速总线上可以连接高速LAN（100Mb/s局域网）、视频接口、图形接口、SCSI接口（支持本地磁盘驱动器和其他外设）、Firewire接口（支持大容量I/O设备）。高速总线通过扩充总线接口与扩充总线相连，扩充总线上可以连接串行方式工作的I/O设备。l通过桥CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连。桥实质上是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。l多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。196.1.2总线的连接方式高速的CPU总线：CPU和cache6.1.3总线的内部结构l早期总线的内部结构如图所示，它实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般也由50100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。206.1.3总线的内部结构早期总线的内部结构如图所示，它实际上21216.1.3总线的内部结构早期总线结构的不足之处在于：lCPU是总线上惟一的主控者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。l总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密与CPU相关，通用性较差。226.1.3总线的内部结构早期总线结构的不足之处在于：226.1.4总线的内部结构l当代流行的总线内部结构（中断请求和中断认可）（中断请求和中断认可）（总线请求和总线授权）（总线请求和总线授权）（时钟信号、电源线、地线、系统复位等）（时钟信号、电源线、地线、系统复位等）236.1.4总线的内部结构当代流行的总线内部结构（中断请求和中6.1.4总线的内部结构l由地址线、数据线、控制线组成。其结构与简单总线相似，但一般是32条地址线，32或64条数据线。为了减少布线，64位数据的低32位数据线常常和地址线采用多路复用方式。l仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。l中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。l公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。246.1.4总线的内部结构由地址线、数据线、控制线组成。其结构6.1.5总线结构实例l大多数计算机采用了分层次的多总线结构。l右图它是一个三层次的多总线结构即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。256.1.5总线结构实例大多数计算机采用了分层次的多总线结构。6.1.5总线结构实例 lPentium机的总线结构分为三层：CPU总线、PCI总线和ISA总线。CPUCPUPCIPCIISAISA北北桥桥南南桥桥266.1.5总线结构实例 CPUPCIISA北南266.2 总线接口总线接口一、信息的传送方式一、信息的传送方式 l计算机系统中，传输信息基本有三种方式：l串行传送l并行传送l分时传送l出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。分时传送即总线的分时复用。276.2 总线接口一、信息的传送方式 276.2 总线接口总线接口l串行传送l使用一条传输线，采用脉冲传送。l主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。l缺点就是速度慢。286.2 总线接口串行传送286.2 总线接口总线接口l并行传送l每一数据位需要一条传输线，一般采用电位传送。l分时传送l总线复用或是共享总线的部件分时使用总线。296.2 总线接口并行传送296.2 总线接口总线接口二、总线接口的基本概念二、总线接口的基本概念306.2 总线接口二、总线接口的基本概念301.什么是接口：什么是接口：接口接口即即I/O设备适配器，具体指设备适配器，具体指CPU和主和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。2.接口的作用：接口部件在它动态连接的两个部件之间接口的作用：接口部件在它动态连接的两个部件之间起着起着“转换器转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传的作用，以便实现彼此之间的信息传送。送。3.接口与接口与CPU和外设的连接：为了使所有的外围设备能和外设的连接：为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确地工作，够兼容，并能在一起正确地工作，CPU规定了不同的规定了不同的信息传送控制方法。信息传送控制方法。一个标准接口可能连接一个设备，一个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备。也可能连接多个设备。311.什么是接口：接口即I/O设备适配器，具体指CPU和4.典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能：(1).控制控制-接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。作，如启动、关闭设备等。(2).缓冲缓冲-接口在外围设备和计算机系统其他部件之间接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。(3).状态状态-接口监视外围设备的工作状态并保存状态信接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据息。状态信息包括数据“准备就绪准备就绪”、“忙忙”、“错误错误”等等，供等等，供CPU询问外围设备时进行分析之用。询问外围设备时进行分析之用。324.典型的接口通常具有如下功能：324.典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能：(4).转换转换-接口可以完成任何要求的数据转换，例如并接口可以完成任何要求的数据转换，例如并串转换或串并转换，因此数据能在外围设备和串转换或串并转换，因此数据能在外围设备和CPU之间正确地进行传送。之间正确地进行传送。(5).整理整理-接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。(6).程序中断程序中断-每当外围设备向每当外围设备向CPU请求某种动作时，接请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到口即发生一个中断请求信号到CPU。334.典型的接口通常具有如下功能：336.2 总线接口总线接口5:5:适配器的两面性适配器的两面性-必有两个接口：必有两个接口：一是和系一是和系统总线的接口，的接口，CPUCPU和适配器的数据交和适配器的数据交换一定的是并行方式；一定的是并行方式；二是和外二是和外设的接口，适配器和外的接口，适配器和外设的数据交的数据交换可可能是并行方式，也可能是串行方式。根据外能是并行方式，也可能是串行方式。根据外围设备供求串行数据或并行数据的方式不同，适配器分供求串行数据或并行数据的方式不同，适配器分为串行数据接口串行数据接口和和并行数据接口并行数据接口两大两大类。346.2 总线接口5:适配器的两面性-必有两个接口：33535【例【例2】利用串行方式传送字符（如图），每】利用串行方式传送字符（如图），每秒钟传送的比特（秒钟传送的比特（bit）位数常称为波特率。）位数常称为波特率。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，每一个秒，每一个字符格式规定包含字符格式规定包含10个比特位（起始位、停个比特位（起始位、停止位、止位、8个数据位），问传送的波特率是多少个数据位），问传送的波特率是多少?每个比特位占用的时间是多少每个比特位占用的时间是多少?解：波特率为：10位120/秒=1200波特每个比特位占用的时间Td是波特率的倒数：Td=1/1200=0.83310-3s=0.833ms36【例2】利用串行方式传送字符（如图），每秒钟传送的比特（bi6.3 总线的仲裁总线的仲裁l连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态，其中主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方请求。每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。l为了解决多个功能模块争用总线的问题，必须设置总线仲裁部件。l总线占用期：主方持续控制总线的时间。l按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式和分布式两种。376.3 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l主设备(Master)：控制总线完成数据传输l从设备(Slave)：被动实现数据交换l总线仲裁：决定当前控制总线的主设备l集中仲裁：中央仲裁器负责l分布仲裁：比较各个主设备仲裁号决定某一时刻，只能有一个主设备控制总线，某一时刻，只能有一个主设备控制总线，其它设备此时可以作为从设备其它设备此时可以作为从设备某一时刻，只能有一个设备向总线发送数据，某一时刻，只能有一个设备向总线发送数据，但可以有多个设备从总线接收数据但可以有多个设备从总线接收数据38主设备(Master)：控制总线完成数据传输某一时刻，只能有6.3 总线的仲裁总线的仲裁一、集中式仲裁一、集中式仲裁l集中式仲裁有三种：集中式仲裁有三种：链式式查询方式：离中央仲裁器最近的方式：离中央仲裁器最近的设备具有最高具有最高优先先权，离，离总线控制器越控制器越远，优先先权越低。越低。优点：只用很少几根点：只用很少几根线就能按一定就能按一定优先次序先次序实现总线控制，并且控制，并且这种种链式式结构很容易构很容易扩充充设备。缺点：是缺点：是对询问链的的电路故障很敏感，路故障很敏感，优先先级固定。固定。396.3 总线的仲裁一、集中式仲裁39集中仲裁：链式查询方式集中仲裁：链式查询方式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140集中仲裁：链式查询方式总I/O接口0BSBRI/O接口1I6.3 总线的仲裁总线的仲裁l计数器定数器定时查询方式：方式：总线上的任一上的任一设备要求使用要求使用总线时，通通过BRBR线发出出总线请求。求。l中央仲裁器接到中央仲裁器接到请求信号以后，在求信号以后，在BSBS线为“0”“0”的情况下的情况下让计数器开始数器开始计数，数，计数数值通通过一一组地址地址线发向各向各设备。l每个每个设备接口都有一个接口都有一个设备地址判地址判别电路，当地址路，当地址线上的上的计数数值与与请求求总线的的设备地址相一致地址相一致时，该设备 置置“1”BS“1”BS线，获得了得了总线使用使用权，此，此时中止中止计数数查询。l每次每次计数可以从数可以从“0”“0”开始，也可以从中止点开开始，也可以从中止点开发始。如始。如果从果从“0”“0”开始，各开始，各设备的的优先次序与先次序与链式式查询法相同，法相同，优先先级的的顺序是固定的。如果从中止点开始，序是固定的。如果从中止点开始，则每个每个设备使用使用总线的的优级相等。相等。416.3 总线的仲裁计数器定时查询方式：总线上的任一设备要求6.3 总线的仲裁总线的仲裁l计数数器器的的初初值也也可可用用程程序序来来设置置，这可可以以方方便便地地改改变优先先次次序序，但但这种种灵灵活活性性是是以以增加增加线数数为代价的。可方便的改代价的。可方便的改变优先先级。426.3 总线的仲裁计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便 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设备地址设备地址集中仲裁：计数器定时查询方式集中仲裁：计数器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 143 0总数据线地址线I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接6.3 总线的仲裁总线的仲裁l在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。l当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。446.3 总线的仲裁在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均6.3 总线的仲裁总线的仲裁l独立请求方式的优点：（1）响应时间快，即确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。（2）对优先次序的控制相当灵活。它可以预先固定，例如BR0优先级最高，BR1次之BRn最低；也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽（禁止）某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。因此当代总线标准普遍采用独立请求方式。456.3 总线的仲裁独立请求方式的优点：45排队器排队器排队器排队器集中仲裁：独立请求方式集中仲裁：独立请求方式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46排队器排队器集中仲裁：独立请求方式总数据线地址线I/O接口06.3 总线的仲裁总线的仲裁2.分布式仲裁分布式仲裁 特点：特点：不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的自己的仲裁号仲裁号和和仲裁器仲裁器。工作原理：工作原理：当某一个或多个功能块有总线请求时，把它们当某一个或多个功能块有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，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，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。裁策略为基础。476.3 总线的仲裁2.分布式仲裁476.3 总线的仲裁总线的仲裁l分布式仲裁示意图486.3 总线的仲裁分布式仲裁示意图48分布式仲裁中央中央处理器处理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N31249分布式仲裁中央设备接口设备接口设备接口312496.3 总线的仲裁总线的仲裁（1）所有参与本次竞争的各主设备将设备竞争号CN取反后打到仲裁总线AB上，以实现“线或”逻辑。AB线低电平时表示至少有一个主设备的CNi为1，AB线高电平时表示所有主设备的CNi为0。（2）竞争时CN与AB逐位比较，从最高位（b7）至最低位（b0）以一维菊花链方式进行，只有上一位竞争得胜者Wi+1位为1。当CNi=1，或CNi=0且ABi为高电平时，才使Wi位为1。若Wi=0时，将一直向下传递，使其竞争号后面的低位不能送上AB线。（3）竞争不到的设备自动撤除其竞争号。在竞争期间，由于W位输入的作用，各设备在其内部的CN线上保留其竞争号并不破坏AB线上的信息。（4）由于参加竞争的各设备速度不一致，这个比较过程反复（自动）进行，才有最后稳定的结果。竞争期的时间要足够，保证最慢的设备也能参与竞争。506.3 总线的仲裁（1）所有参与本次竞争的各主设备将设备竞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一、总线定时l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。l定时：事件出现在总线上的时序关系。l同步定时：l异步定时：516.4总线的定时和数据传送模式一、总线定时516.4总线的定时和数据传送模式总线的定时和数据传送模式1、同步定时526.4总线的定时和数据传送模式1、同步定时526.4总线的定时和数据传送模式总线的定时和数据传送模式2、异步定时536.4总线的定时和数据传送模式2、异步定时53【例3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询相结合的二维总线控制结构。每一对请求线BRi和授权线BGi组成一对菊花链查询电路。每一根请求线可以被若干个传输速率接近的设备共享。当这些设备要求传送时通过BRi线向仲裁器发出请求，对应的BGi线则串行查询每个设备，从而确定哪个设备享有总线控制权。请分析说明图6.14所示的总线仲裁时序图。54【例3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用独立请求与菊花链查询5555解：从时序图看出，该总线采用异步定时协议。l当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线上发出申请信号BRi（1）。lCPU按优先原则同意后给出授权信号BGi作为回答（2）。lBGi链式查询各设备，并上升从设备回答SACK信号证实已收到BGi信号（3）。lCPU接到SACK信号后下降BG作为回答（4）。l在总线“忙”标志BBSY为“0”情况该设备上升BBSY，表示该设备获得了总线控制权，成为控制总线的主设备（5）。l在设备用完总线后，下降BBSY和SACK（6）l释放总线。l在上述选择主设备过程中，可能现行的主从设备正在进行传送。此时需等待现行传送结束，即现行主设备下降BBSY信号后（7），新的主设备才能上升BBSY，获得总线控制权。56解：从时序图看出，该总线采用异步定时协议。566.4总线的定时和数据传送模式总线的定时和数据传送模式二、总线数据传送模式l读、写操作读、写操作：读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。一般，主方先以一个总线周期发出命令和从方地址，经过一定的延时再开始数据传送总线周期。为了提高总线利用率，减少延时损失，主方完成寻址总线周期后可让出总线控制权，以使其他主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数据传送总线周期。576.4总线的定时和数据传送模式二、总线数据传送模式576.4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一个地读出或写入。对于CPU（主方）存储器（从方）而言的块传送，常称为猝发式传送，其块长一般固定为数据线宽度（存储器字长）的4倍。例如一个64位数据线的总线，一次猝发式传送可达256位。这在超标量流水中十分有用。586.4总线的定时和数据传送模式块传送操作：只需给出块的起始地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l写后读、读修改写操作写后读、读修改写操作：这是两种组合操作。只给出地址一次（表示同一地址），或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。前者用于校验目的，后者用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。这两种操作和猝发式操作一样，主方掌管总线直到整个操作完成。596.4总线的定时和数据传送模式写后读、读修改写操作：这是两种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l广播、广集操作广播、广集操作：一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。但有的总线允许一个主方对多个从方进行写操作，这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集，它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源。606.4总线的定时和数据传送模式广播、广集操作：一般而言，数据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l演示过程616.4总线的定时和数据传送模式演示过程616.5 HOST总线和总线和PCI总线总线一、多总线结构l如图，典型的多总线结构框图。实际上，这也是高档PC机和服务器的主板总线框图。626.5 HOST总线和PCI总线一、多总线结构6263636.5 HOST总线和总线和PCI总线总线lHOST总线：该总线有CPU总线、系统总线、主存总线、前端总线等多种名称，各自反映了总线功能的一个方面。这里称“宿主”总线，也许更全面，因为HOST总线不仅连接主存，还可以连接多个CPU。lHOST总线：连接“北桥”芯片与CPU之间的信息通路，它是一个64位数据线和32位地址线的同步总线。32位的地址线可支持处理器4GB的存储寻址空间。总线上还接有L2级cache，主存与cache控制器芯片。后者用来管理CPU对主存和cache的存取操作。CPU拥有HOST总线的控制权，但在必要情况下可放弃总线控制权。646.5 HOST总线和PCI总线HOST总线：该总线有CPU6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线lPCI总线：连接各种高速的PCI设备。PCI是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。PCI设备可以是主设备，也可以是从设备，或兼而有之。在PCI设备中不存在DMA（直接存储器传送）的概念，这是因为PCI总线支持无限的猝发式传送。这样，传统总线上用DMA方式工作的设备移植到PCI总线上时，采用主设备工作方式即可。系统中允许有多条PCI总线，它们可以使用HOST桥与HOST总线相连，也可使用PCI/PCI桥与已和HOST总线相连的PCI总线相连，从而得以扩充PCI总线负载能力。lLAGACY总线：可以是ISA，EISA，MCA等这类性能较低的传统总线，以便充分利用市场上丰富的适配器卡，支持中、低速I/O设备。656.5 HOST总线和PCI总线PCI总线：连接各种高速的P6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线l在PCI总线体系结构中有三种桥。其中HOST桥又是PCI总线控制器，含有中央仲裁器。桥起着重要的作用，它连接两条总线，使彼此间相互通信。桥又是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。l桥本身的结构可以十分简单，如只有信号缓冲能力和信号电平转换逻辑，也可以相当复杂，如有规程转换、数据快存、装拆数据等。666.5 HOST总线和PCI总线在PCI总线体系结构中有三种6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线二、PCI总线信号线lPCI总线的基本传输机制是猝发式传送，利用桥可以实现总线间的猝发式传送。写操作时，桥把上层总线的写周期先缓存起来，以后的时间再在下层总线上生成写周期，即延迟写。读操作时，桥可早于上层总线，直接在下层总线上进行预读。无论延迟写和预读，桥的作用可使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。676.5 HOST总线和PCI总线二、PCI总线信号线676.5 HOST总线和总线和PCI总线总线PCI总线信号线l必要引脚控设备49条 l目标设备47条 l可选引脚51条（主要用于64位扩展、中 断请求、高速缓存支持等）l总引脚数120条（包含电源、地、保留 引脚等）686.5 HOST总线和PCI总线PCI总线信号线686.5 HOST总线和总线和PCI总线总线三、总线周期类型lPCI总线周期由当前被授权的主设备发起。PCI支持任何主设备和从设备之间点到点的对等访问，也支持某些主设备的广播读写。l存储器读/写总线周期l存储器写和使无效周期l特殊周期l配置读/写周期696.5 HOST总线和PCI总线三、总线周期类型696.5 HOST总线和总线和PCI总线总线四、总线周期操作706.5 HOST总线和PCI总线四、总线周期操作706.5 HOST总线和总线和PCI总线总线PCIPCI总线周期的操作周期的操作过程有如下特点：程有如下特点：（1 1）采用同步）采用同步时序序协议。总线时钟周期以上跳周期以上跳沿开始，半个周期高沿开始，半个周期高电平，半个周期低平，半个周期低电平。平。总线上所有上所有事件，即信号事件，即信号电平平转换出出现在在时钟信号的下跳沿信号的下跳沿时刻，而刻，而对信号的采信号的采样出出现在在时钟信号的上跳沿信号的上跳沿时刻。刻。（2 2）总线周期由被授周期由被授权的主方启的主方启动，以，以帧FRAME#FRAME#信号信号变为有效来指示一个有效来指示一个总线周期的开始。周期的开始。（3 3）一个）一个总线周期由一个地址期和一个或多个数据周期由一个地址期和一个或多个数据期期组成成。在地址期内除。在地址期内除给出目出目标地址外，地址外，还在在C/BE#C/BE#线上上给出出总线命令以指明命令以指明总线周期周期类型。型。716.5 HOST总线和PCI总线PCI总线周期的操作过程有如PCIPCI总线周期的操作周期的操作过程有如下特点：程有如下特点：（4 4）地址期）地址期为一个一个总线时钟周期，一个数据期在没周期，一个数据期在没有等待状有等待状态下也是一个下也是一个时钟周期。一次数据周期。一次数据传送是在挂送是在挂钩信号信号IRDY#IRDY#和和TRDY#TRDY#都有效情况下完成，任一信号无效（在都有效情况下完成，任一信号无效（在时钟上跳沿被上跳沿被对方采方采样到），都将加入等待状到），都将加入等待状态。（5 5）总线周期周期长度由主方确定。在度由主方确定。在总线周期期周期期间FRAME#FRAME#持持续有效，但在最后一个数据期开始前撤除。即以有效，但在最后一个数据期开始前撤除。即以FRAME#FRAME#无效后，无效后，IRDY#IRDY#也也变为无效的无效的时刻表明一个刻表明一个总线周周期期结束。由此可束。由此可见，PCIPCI的数据的数据传送以猝送以猝发式式传送送为基本基本机制，机制，单一数据一数据传送反而成送反而成为猝猝发式式传送的一个特例。并送的一个特例。并且且PCIPCI具有无限制的猝具有无限制的猝发能力，猝能力，猝发长度由主方确定，没度由主方确定，没有有对猝猝发长度加以固定限制。度加以固定限制。6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线72PCI总线周期的操作过程有如下特点：6.5 HOST总线和PCIPCI总线周期的操作周期的操作过程有如下特点：程有如下特点：（6 6）主方启）主方启动一个一个总线周期周期时要求目要求目标方确方确认。即在即在FRAMEFRAME#变为有效和目有效和目标地址送上地址送上ADAD线后，目后，目标方方在延在延迟一个一个时钟周期后必周期后必须以以DEVSELDEVSEL#信号有效予以响信号有效予以响应。否。否则，主，主设备中止中止总线周期。周期。（7 7）主方）主方结束一个束一个总线周期周期时不要求目不要求目标方确方确认。目。目标方采方采样到到FRAMEFRAME#信号已信号已变为无效无效时，即知道下一数，即知道下一数据据传送是最后一个数据期。目送是最后一个数据期。目标方方传输速度跟不上主方速速度跟不上主方速度，可用度，可用TRDY#TRDY#无效通知主方加入等待状无效通知主方加入等待状态时钟周期。当周期。当目目标方出方出现故障不能故障不能进行行传输时，以，以STOP#STOP#信号有效通知信号有效通知主方中止主方中止总线周期。周期。6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线73PCI总线周期的操作过程有如下特点：6.5 HOST总线和6.5 HOST总线和总线和PCI总线总线五、总线仲裁lPCI总线采用集中式仲裁方式，每个PCI主设备都有独立的REQ#（总线请求）和GNT#（总线授权）两条信号线与中央仲裁器相连。由中央仲裁器根据一定的算法对各主设备的申请进行仲裁，决定把总线使用权授予谁。但PCI标准并没有规定仲裁算法。746.5 HOST总线和PCI总线五、总线仲裁746.6 InfiniBand标准标准756.6 InfiniBand标准756.6 InfiniBand标准标准返回766.6 InfiniBand标准返回76本本 章章 小小 结结l总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通道，并在争用资源的基础上进行工作。l总线有物理特性、功能特性、电气特性、机械特性，因此必须标准化。l微型计算机系统的标准总线从ISA总线（16位，带宽8MB/s）发展到EISA总线（32位，带宽33.3MB/s）和VESA总线（32位，带宽132MB/s），又进一步发展到PCI总线（64位，带宽264MB/s）。l衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率。返回77本 章 小 结总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能本本 章章 小小 结结l当代流行的标准总线追求与结构、CPU、技术无关的开发标准。其总线内部结构包含：数据传送总线（由地址线、数据线、控制线组成）；仲裁总线；中断和同步总线；公用线（电源、地线、时钟、复位等信号线）。l计算机系统中，根据应用条件和硬件资源不同，信息的传输方式可采用：并行传送；串行传送；复用传送。返回78本 章 小 结当代流行的标准总线追求与结构、CPU、技术无关本本 章章 小小 结结l各种外围设备必须通过I/O接口与总线相连。I/O接口是指CPU、主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它动态联结的两个功能部件间起着缓冲器和转换器的作用，以便实现彼此之间的信息传送。l总线仲裁是总线系统的核心问题之一。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件。它通过采用优先级策略或公平策略，选择其中一个主设备作为总线的下一次主方，接管总线控制权。按照总线仲裁电路的位置不同:l集中式仲裁:仲裁方式必有一个中央仲裁器，它受理所有功能模块的总线请求，按优先原则或公平原则。l分布式仲裁。分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。返回79本 章 小 结各种外围设备必须通过I/O接口与总线相连。I/本本 章章 小小 结结l总线定时是总线系统的又一核心问题之一。为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议，通常采用同步定时与异步定时两种方式l在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定，总线周期的长度是固定的。l在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上，不需要统一的公共时钟信号。l在异步定时中，总线周期的长度是可变的。当代的总线标准大都能支持以下数据传送模式：读/写操作；块传送操作；写后读、读修改写操作；广播、广集操作。返回80本 章 小 结总线定时是总线系统的又一核心问题之一。为了同步本本 章章 小小 结结lPCI总线总线是当前实用的总线，是一个高带宽且与处理器无关的标准总线，又是重要的层次总线。它采用同步定时协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。PCI适合于低成本的小系统，因此在微型机系统中得到了广泛的应用。lInfiniBand标准标准，瞄准了高端服务器市场的最新I/O规范，它是一种基于开关的体系结构，可连接多达64000个服务器、存储系统、网络设备，能替代当前服务器中的PCI总线，数据传输率高达30GB/s。因此适合于高成本的较大规模计算机系统。返回81本 章 小 结PCI总线是当前实用的总线，是一个高带宽且与处1.1.单总线结构：构：它是一它是一组总线连接整个接整个计算机系算机系统的各大功能部件，的各大功能部件，各大部件之各大部件之间的所有的信息的所有的信息传送都通送都通过这组总线。其。其结构构如如图所示。所示。单总线的的优点是允点是允许I/OI/O设备之之间或或I/OI/O设备与内存之与内存之间直接交直接交换信息，只需信息，只需CPUCPU分配分配总线使用使用权，不需要，不需要CPUCPU干干预信息的交信息的交换。所以。所以总线资源是由各大功能部件分源是由各大功能部件分时共享共享的。的。单总线的缺点是由于全部系的缺点是由于全部系统部件都部件都连接在一接在一组总线上，所以上，所以总线的的负载很重，可能使其吞量达到很重，可能使其吞量达到饱和甚至不和甚至不能能胜任的程度。故多任的程度。故多为小型机和微型机采用。小型机和微型机采用。821.单总线结构：82多多总线结构：构：多多总线结构是通构是通过桥、CPUCPU总线、系、系统总线和高和高速速总线彼此相彼此相连，各大部件的信息，各大部件的信息传送不是只通送不是只通过系系统总线，体，体现了高速、中速和低速了高速、中速和低速设备连接到不同接到不同总线上同上同时工作，以提高工作，以提高总线的效率和吞吐率，而且的效率和吞吐率，而且处理器理器结构的构的变化不影响高速化不影响高速总线。83多总线结构：832 2（1 1）简化了硬件的化了硬件的设计（2 2）简化了系化了系统结构构（3 3）系）系统扩充性好充性好（4 4）系）系统更新性能好更新性能好842 （1）简化了硬件的设计8417.PCI17.PCI总线上有上有HOSTHOST桥、PCI/LAGACYPCI/LAGACY总线桥、PCI/PCIPCI/PCI桥。桥在在PCIPCI总线体系体系结构中起着重要作用，它构中起着重要作用，它连接两接两条条总线，使彼此，使彼此间相互通信。相互通信。桥是一个是一个总线转换部件，可以把一条部件，可以把一条总线的地址的地址空空间映射到另一条映射到另一条总线的地址空的地址空间上，从而使系上，从而使系统中中任意一个任意一个总线主主设备都能看到同都能看到同样的一份地址表。的一份地址表。桥可以可以实现总线间的猝的猝发式式传送，可使所有的存送，可使所有的存取都按取都按CPUCPU的需要出的需要出现在在总线上。上。因此，以因此，以桥连接接实现的的PCIPCI总线结构具有很好的构具有很好的扩充性和兼容性，允充性和兼容性，允许多条多条总线并行工作。并行工作。8517.PCI总线上有HOST桥、PCI/LAGACY总线桥18.18.分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。都有自己的仲裁号和仲裁器。当它当它们有有总线请求求时，把它，把它们唯一的仲裁号唯一的仲裁号发送到送到共享的仲裁共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号上得到的号与自己的号与自己的号进行比行比较。如果仲裁如果仲裁总线上的号大，上的号大，则它的它的总线请求不予响求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁者的仲裁号保留在仲裁总线上，分布式仲裁是以上，分布式仲裁是以优先先级仲裁策略仲裁策略为基基础。19.19.总线的一次信息的一次信息传送送过程，大致可分程，大致可分为：请求求总线，总线仲裁，仲裁，寻址，信息址，信息传送，状送，状态返回。返回。20.70*8=560MHz/s20.70*8=560MHz/s8618.分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都21.PCI21.PCI总线:是一种不依附于某个具体是一种不依附于某个具体处理器的局部理器的局部总线，支持支持1010种外种外设，并能在高，并能在高时钟频率下保持高性能。率下保持高性能。总线时钟频率率为33.3MHz/66MHz33.3MHz/66MHz，最大数据，最大数据传输速率速率133MB/s,133MB/s,采用采用时钟同步方式，与同步方式，与CPUCPU及及时钟频率无关，率无关，总线宽度度3232位位(5V)/64(5V)/64位位(3.3V)(3.3V)，能自，能自动识别外外设。总线具有与具有与处理器和存理器和存储器子系器子系统完全并行操作的能力，完全并行操作的能力，具有具有隐含的中央仲裁系含的中央仲裁系统，采用多路复用方式，采用多路复用方式(地址地址线和数据和数据线)减少了引脚数，支持减少了引脚数，支持6464位位寻址，具有完全的多址，具有完全的多总线主控能主控能力。力。8721.PCI总线:是一种不依附于某个具体处理器的局部总线，InfiniBandInfiniBand标准准:针对处理器和智能理器和智能I/OI/O设备之之间数据流而提出的数据流而提出的一种新体系一种新体系结构，用于在服构，用于在服务器中取代器中取代PCIPCI总线，采，采用用InfiniBandInfiniBand结构将允构将允许服服务器提供更高的器提供更高的带宽和和可可扩展能力，并增展能力，并增强了存了存储设备扩充的灵活性。充的灵活性。InfiniBandInfiniBand允允许服服务器，器，远程存程存储器，其他网器，其他网络设备接入到一个由开关和接入到一个由开关和链路路组成的中央开关网成的中央开关网带，可，可连接多达接多达6400064000个服个服务器，存器，存储系系统和网和网络设备。88InfiniBand标准:88