《系統(tǒng)總線》PPT課件.ppt

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1、第八章 系統(tǒng)總線 一、總線基本概念 總線： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多個(gè)功能部件之間的連接線，通過它可以實(shí)現(xiàn)部件 之間地址信息、數(shù)據(jù)和控制信息的傳送。 總線的分類 a.內(nèi)部總線 (又稱芯片總線 ) 在集成電路芯片內(nèi)部（含 CPU、運(yùn)算器等）或?qū)⒉煌慕M成連接 在一起的總線 b.系統(tǒng)總線 指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中模板與模板之間的連接總線，包含諸如 ISA、 PCI、 AGP等總線方式 c.外部總線 外總線是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其外設(shè)通信的 總線，如 RS 232通信總線、網(wǎng)線總線等。 1、總線的特性 物理特性 描述總線的形狀、數(shù)量、插頭的形式等特性 , 如地址總線有 18根， RS-232的接口使用 9針

2、D型接口等。 功能特性 描述每一根線的功能 如：地址線的數(shù)量指明了 CPU能訪問的主存范圍，數(shù)據(jù)總線指 明了一次交換的數(shù)據(jù)位數(shù) 電氣特性 描述每一根線的有效電平及傳送信號(hào)的方向。如： 地址線單向傳輸，數(shù)據(jù)線雙向傳輸，高電平有效、低電平有效。 時(shí)間特性 各線什么時(shí)間有效及相互之間的時(shí)序關(guān)系 2、總線的標(biāo)準(zhǔn)化問題 總線的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)兼容的一個(gè)重要的組成部分 3、總線帶寬 指總線在單位時(shí)間內(nèi)所能達(dá)到的最高傳輸速率，單位是 MB/S。 它是衡量總線性能的重要技術(shù)指標(biāo)。 例 1 設(shè)一個(gè) 32位的處理器有 16位外部數(shù)據(jù)總線 ,時(shí)鐘頻率為 50MHZ,若總 線傳輸?shù)淖疃讨芷跒?4個(gè)時(shí)鐘周期 ,問處理器的最

3、大數(shù)據(jù)傳輸率是多少 ? 若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率 ,可采用什么措施 ? 解 :數(shù)據(jù)傳輸率即單位時(shí)間內(nèi) (1秒 )傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量 數(shù)據(jù)傳輸率 = 2B * 50MHZ/ 4 = 25MB/s 要把總線的數(shù)據(jù)傳輸率提高一倍 ,可采取的方法有三種 : 1)數(shù)據(jù)總線的寬度提高到 32位 ,此時(shí) : 數(shù)據(jù)傳輸率 = 4B * 50MHZ/ 4 = 50MB/s 2)將總線的時(shí)鐘頻率提高到 100MHZ,此時(shí) : 數(shù)據(jù)傳輸率 = 2B * 100MHZ/ 4 = 50MB/s 3)將傳輸?shù)淖疃虝r(shí)間縮短為 2個(gè)時(shí)鐘周期 ,此時(shí) : 數(shù)據(jù)傳輸率 = 2B * 50MHZ/ 2 = 50MB/s 例 2 某網(wǎng)絡(luò)每秒

4、發(fā)出 30次訪問請(qǐng)求，每次請(qǐng)求的數(shù)據(jù)量為 64KB。問 100M的網(wǎng)絡(luò)能否承受該訪問？ 30*64K*8 = 15360Kb = 15Mb 100Mb 二、總線的連接方式 1、單總線結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) a.訪內(nèi)和訪外指令相同 ,由地址來處分 ,減少了一類 I/O指令 b.總線簡(jiǎn)單，使用靈活，易于擴(kuò)展 c. 所有設(shè)備分時(shí)工作，適用于慢速的小型或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 d.適用于高速外設(shè)的情況 e.任意兩外設(shè)之間可以直接交換信息 (其中主設(shè)備需有總線控制能力 ) 2、雙總線結(jié)構(gòu) 在單總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加主存總線組成 特點(diǎn) a.由于外設(shè)和內(nèi)存分處與不同總線，分訪內(nèi)和訪外指令。 b.主存總線的增加減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)

5、擔(dān)，提高了并行性。 c.仍然保持了單總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)。 3、三總線結(jié)構(gòu) 在雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加 I/O總線組成 特點(diǎn) a.由于外設(shè)和內(nèi)存分處與不同總線，分訪內(nèi)和訪外指令。 b. 并行性進(jìn)一步提高，通道處理機(jī)分擔(dān)了部分 CPU的 I/O功能。 4、總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響 對(duì)最大存儲(chǔ)容量的影響 單總線結(jié)構(gòu)對(duì)最大存儲(chǔ)容量有影響 雙總線和三總線結(jié)構(gòu)對(duì)最大存儲(chǔ)容量沒有影響 對(duì)指令系統(tǒng)的影響 單總線結(jié)構(gòu)沒有訪內(nèi) /訪外指令之分 雙總線和三總線結(jié)構(gòu)訪內(nèi)和訪外用不同的指令來區(qū)分 吞吐量 單總線結(jié)構(gòu)的吞吐量小 三總線結(jié)構(gòu)的吞吐量大 雙總線結(jié)構(gòu)的吞吐量居中 三、總線的控制 1、總線的控

6、制方式 總線的控制主要是解決連接在公共總線上多個(gè)設(shè)備之間使用總線 的仲裁問題，完成這一功能的部件是總線控制器。 1)串行鏈接方式 B G : 總線允許 B R : 總線請(qǐng)求 B S: 總線忙 總線 控制 器 設(shè)備 n 設(shè)備 2 設(shè)備 1 BG BR 數(shù)據(jù) BS 在單總線和雙總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中 ,總線控制器是 CPU的一部分 , 在三總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中 ,它還是通道處理機(jī)的一部分。現(xiàn)在， 總線總裁器一般是一個(gè)單獨(dú)的功能模塊。 B G : 總線允許 B R : 總線請(qǐng)求 B S: 總線忙 總線 控制 器 設(shè)備 n 設(shè)備 2 設(shè)備 1 BG BR 數(shù)據(jù) BS 工作過程分析 : 設(shè)備 N向總線控制器發(fā)

7、總線使用請(qǐng)求 總線控制器檢查 BS信 號(hào) 若 BS=0 總線控制器發(fā) BG信號(hào) BG按照設(shè)備的物理 連接次序查詢 ,直到找到第一個(gè)發(fā)出 BR的設(shè)備 置 BS=1. 如果有 2個(gè)設(shè)備都發(fā)出了總線使用請(qǐng)求 ,此時(shí)響應(yīng)哪一個(gè)設(shè)備 ? 離總線控制器近的設(shè)備 . B G : 總線允許 B R : 總線請(qǐng)求 B S: 總線忙 總線 控制 器 設(shè)備 n 設(shè)備 2 設(shè)備 1 BG BR 數(shù)據(jù) BS 優(yōu)點(diǎn) : a. 設(shè)備擴(kuò)充容易。 b.控制器簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) : a.優(yōu)先級(jí)由設(shè)備的物理位置確定，設(shè)置不靈活。 b.單點(diǎn)故障明顯 c.響應(yīng)速度慢 2)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式 B R : 總線請(qǐng)求 B S: 總線 忙 C oun

8、t : 計(jì)數(shù) 總線 控制 器 設(shè)備 n 設(shè)備 2 設(shè)備 1 BR BS 數(shù)據(jù) C ount 工作過程分析 : 設(shè)備 N向總線控制器發(fā)總線使用請(qǐng)求 總線控制器檢查 BS信 號(hào) 若 BS=0 計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù) 當(dāng)計(jì)數(shù)值等于發(fā)出 BR請(qǐng) 求的設(shè)備號(hào)時(shí)，設(shè)備得到總線使用權(quán) 置 BS=1 設(shè)備的優(yōu)先級(jí)別能否改變，若能，則如何改變 ? 改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初始值 . B R : 總線請(qǐng)求 B S: 總線 忙 C ount : 計(jì)數(shù) 總線 控制 器 設(shè)備 n 設(shè)備 2 設(shè)備 1 BR BS 數(shù)據(jù) C ount 優(yōu)點(diǎn) : a. 不存在單點(diǎn)故障 b.優(yōu)先級(jí)改變靈活 ( 如何體現(xiàn) ？ ) 缺點(diǎn) : a. 設(shè)備擴(kuò)充較困難

9、 (增加計(jì)數(shù)線數(shù)量 ) 。 b.響應(yīng)速度較慢 3)獨(dú)立請(qǐng)求方式 B R x : 總線請(qǐng)求 B Gx : 總線允許 總線 控制 器 設(shè)備 n 設(shè)備 2 設(shè)備 1 B R 1 B G1 B R 2 B G2 數(shù)據(jù) BR n BG n 工作過程分析 : 所有設(shè)備通過各自獨(dú)立的 BR線向控制器發(fā)總線使用請(qǐng)求 總 線控制器經(jīng)過裁決 通過獨(dú)立的 BG線響應(yīng)請(qǐng)求 設(shè)備的優(yōu)先級(jí)如何確定 ? 由控制器中的裁決器按照一定的策略確定 (可編程 ) 優(yōu)點(diǎn) : a. 不存在單點(diǎn)故障 b.優(yōu)先級(jí)改變靈活 c.響應(yīng)速度快 缺點(diǎn) : a. 線數(shù)與設(shè)備的數(shù)量有關(guān)，設(shè)備擴(kuò)充較困難。 b.控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜 B R x : 總線請(qǐng)求

10、 B Gx : 總線允許 總線 控制 器 設(shè)備 n 設(shè)備 2 設(shè)備 1 B R 1 B G1 B R 2 B G2 數(shù)據(jù) BR n BG n 4)總線控制方式總結(jié) 總線控制方式總體上分為集中控制和分散控制。 集中控制： 總線控制器基本集中在一起，上述的三種方式屬于集中控制，其 具體體現(xiàn)是每個(gè)設(shè)備有兩根線送到總線仲裁控制器，其一是總線 請(qǐng)求使用信號(hào) BR、另一個(gè)是總線授權(quán)信號(hào)線 BG。 分散控制： 總線控制邏輯分散在總線各部件中。 四、總線的通信方式 解決部件獲得總線控制權(quán)后，采用哪種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 常用的總線通信方式有 同步通信 和 異步通信 。 1)同步通信 不采用應(yīng)答信號(hào) 實(shí)現(xiàn)方法 :

11、 采用統(tǒng)一的時(shí)鐘或每個(gè)部件自帶時(shí)鐘 ,但受源部件同步時(shí)鐘的同步 優(yōu)點(diǎn) : 時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)： 在設(shè)備速度不一致時(shí)按最壞情況確定，傳輸線不能太長（時(shí)鐘 相移）。 2)異步通信方式 采用應(yīng)答信號(hào) 實(shí)現(xiàn)方法 發(fā)送信息的同時(shí)還要發(fā)送本設(shè)備的時(shí)間標(biāo)志信號(hào) ,并用“應(yīng)答方 式”進(jìn)行。單向應(yīng)答不能判斷數(shù)據(jù)是否正確傳送，一般采用雙 向應(yīng)答。有非互鎖、半互鎖和全互鎖三種三種類型 地址與模式 就緒 應(yīng)答 全互鎖 數(shù)據(jù)傳輸可靠 適用于傳輸周期不同的設(shè)備 對(duì)通訊線的長度沒有嚴(yán)格的要求 缺點(diǎn)： 速度慢 異步通信方式的 優(yōu)點(diǎn) : 五、總線的數(shù)據(jù)傳送模式 1、數(shù)據(jù)傳送的方式 串行傳送、并行傳送、串并傳送 1)

12、串行傳送 只使用一根傳輸線，采用脈沖方式傳送信息 每次傳送 1位信息 低位先傳送、高位后傳送 一次新的傳送的開始，一定是以一個(gè)由高電平到低電平的跳變。 1 0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 1 結(jié) 束 位 校 驗(yàn) 位 起 始 位 數(shù)據(jù)位 空閑位 高 位 低 位 串行傳送的數(shù)據(jù)格式編碼 起始位（ 1位） ：表示一次傳輸?shù)拈_始 數(shù)據(jù)位（ 58位）：被傳送的數(shù)據(jù) 校驗(yàn)位（ 1位） ：用于傳輸校驗(yàn) 停止位（ 12位）：表示本次傳輸結(jié)束， 高電平 兩次傳輸之間的間隙時(shí)間內(nèi)，發(fā)送端應(yīng)該發(fā)送什么電平？為什么？ 高！ 采用“位時(shí)間”，即一個(gè)二進(jìn)制位在傳輸線

13、上占用的時(shí)間。 為了實(shí)現(xiàn)串行傳送，在發(fā)送端的接口中需要“并行 串行” 轉(zhuǎn) 換電路，在接收端需要“串行 并行”轉(zhuǎn)換電路。 UART異步時(shí)序接收端采用外部時(shí)鐘與接收的數(shù)據(jù)同步，外 時(shí)鐘周期和接收的每一位數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間關(guān)系為： Tc=Td/K 位時(shí)間 第一數(shù)據(jù)位采樣 起始位確定 起始位檢測(cè) 采樣時(shí)刻 串行信號(hào) 如果待發(fā)送的數(shù)據(jù)中有連續(xù)相鄰的 1或 0，接收端如何區(qū)分？ 波特率的概念 是指?jìng)鬏斖ǖ纻鬏?代碼 的頻寬指標(biāo)，單位是位 /秒。不同于 時(shí)鐘 頻率 (單位是 HZ/秒 )、不同于 數(shù)據(jù) 的傳輸速率 (單位是字符 /秒或 bps， 是指?jìng)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)位 ) 應(yīng)用舉例 數(shù)據(jù)傳輸速率是 120字符 /秒

14、，而每個(gè)字符格式規(guī)定包含十個(gè)代碼位， 則此時(shí)傳送的波特率為多少？ 10*120位 /秒 = 1200位 /秒 = 1200波特 反過來有波特如何求數(shù)據(jù)的傳輸速率？ 2、各種典型的總線類型 常用的總線： STD、 ISA、 EISA、 VESA、 PCI、 AGP、 infiniBaud等總線 STD(STanDard Bus)總線 是規(guī)模最小 ， 面向工業(yè)控制的 8位系統(tǒng)總線 ISA（ Industrial Standard Architecture） 最早制定 的 總線技術(shù)， 頻率 58MHZ ，帶寬 5-8MB/s . (位位兼容的 AT總線稱為 ISA) EISA(Extended In

15、dustry Standard Architecture)總線。 在 ISA總線的基礎(chǔ)上，為 32位微機(jī)開發(fā) 由 VESA于 1992年 5月推出。具有 MB/S的數(shù)據(jù)傳 輸率。采用了開放性結(jié)構(gòu)、協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸率高、價(jià)格低 廉、能支持多種硬 器件。但規(guī)范性、兼容性和擴(kuò)展性均較 差，結(jié)構(gòu)偏簡(jiǎn)單，無緩沖器，只能支持個(gè)外設(shè)插接板， 而且有時(shí)還隨所用的 CPU和其工作頻率而變。并且只是對(duì) CPU總線的直接擴(kuò)充，其規(guī)范只發(fā)揮了 Intel 486CPU的功 能，對(duì)于 Pentium并沒有充分支持 。 VESA 總線 該總線可分為 PCI1.0和 PCI 2.0。 PCI 1.0為 32位總線，時(shí)鐘頻 率

16、 33MHz，總線最大傳輸率為 32 33 8 132MB/S，而 PCI 2.0為 64位總線，時(shí)鐘頻率 66MHz，最大傳輸率 264MB/S,目 前最新版本為 PCI 2.1。對(duì)于 Pentium有充分支持 。 AGP(Accelerated Graphics Port ) AGP總線的平均頻率是 66MHz，最大傳輸速率是 533Mbps， 這是 PCI總線方式傳輸速度的 4倍 PCI(Peripheral Component Interconnect) InfiniBand是 PCI總線的替代品，采用了與 PCI完全不同的 架構(gòu)，具有極高帶寬和靈活的擴(kuò)展能力，理論帶寬分別可以達(dá) 到

17、500MB/s、 2GB/s和創(chuàng)記錄的 6GB/s，同時(shí)，可以讓應(yīng)用程序 在無需 CPU協(xié)助直接訪問外圍設(shè)備，它還解決了 PCI總線中設(shè) 備的距離問題，外部設(shè)備可以放到距離服務(wù)器很遠(yuǎn)的地方工作 （如果使用的是光纜，最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到 0.3-10千米），服務(wù) 器的體積也因此縮小了許多。還支持熱交換。 是 存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò) 和 集群 最好的連接技術(shù) InfiniBand總線技術(shù) 存儲(chǔ)總線 有三種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能為存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供普通的連接層體系結(jié)構(gòu) ， 分 別是光纖通道 、 以太網(wǎng)尤其是千兆以太網(wǎng) 、 InfiniBaud。 a)光纖通道的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì) 優(yōu)點(diǎn)： 高速 、 低延遲 ， 具有高級(jí)流量控制 (千兆具有 ，

18、百兆沒有 )， 可 以適應(yīng)存儲(chǔ) I/O等突發(fā)流量 。 缺點(diǎn)： 難于實(shí)現(xiàn)和管理 應(yīng)用：最初是作為通用連接技術(shù)出現(xiàn) ， 現(xiàn)在已經(jīng)成為事實(shí)上的 SAN的標(biāo)準(zhǔn) 。 三種連接層技術(shù)比較與分析 c)InfiniBaud 是一種用于代替 PCI主機(jī) I/O總線的 串行總線 。由 Intel 公司組織開發(fā)，并受到 Compaq、 HP、 SUN、 IBM等公司的支 持，作為期望在 PC和 UNIX平臺(tái)使用的主要系統(tǒng)組件。 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟 、 管理方便 ， 具有高帶寬和流量控制功能 。 缺點(diǎn)：不能適應(yīng)大容量事務(wù)處理對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲低的要求 應(yīng)用：能很好地支持 NAS， 已用于 iSCSI-SAN。 b)以太網(wǎng) /千兆

19、以太網(wǎng) 橋是不同速率總線之間的連接器件，起信號(hào)速度緩沖、電 平轉(zhuǎn)換、控制協(xié)議轉(zhuǎn)換等作用。 總線中 橋 的概念 CPU 內(nèi)存緩存 系統(tǒng)內(nèi)存 橋 至磁盤控制器 至視頻控制器 主機(jī) I/O總線 系統(tǒng)內(nèi)存總線 主機(jī) I/O總線中的橋 計(jì)算機(jī)中的南橋： 負(fù)責(zé) IDE、 ISA、 USB、串并口及電源管理系統(tǒng)之間的聯(lián)系 和協(xié)調(diào) 計(jì)算機(jī)中北橋： 支持和管理 CPU、 AGP、 PCI和內(nèi)存等設(shè)備。 南、北橋在主板上的位置： 北橋一般比較靠近 CPU，而南橋則一般在 PCI擴(kuò)展槽附近。 橋技術(shù)的發(fā)展： a.北橋 圖形存儲(chǔ)控制中心 GMCH (Graphics and Memory Controller Hub) b.南橋 輸入 /輸出控制中心 ICH(I/O Controller Hub) c. 南橋的新發(fā)展： ICH5支持 S-ATA 2005年和 2006年，將相繼推出 ICH7和 ICH8，整合寬帶網(wǎng) 絡(luò)接口， PCI Express(下一 代跨平臺(tái)互連標(biāo)準(zhǔn)，有望取代 AGP技術(shù) )界面，支持 USB 3.0及無線 USB傳輸界面，數(shù)據(jù)傳 輸率分別為 500M/s和 200M/s。