7第八章系統(tǒng)總線

1、,第八章 系統(tǒng)總線,一、總線基本概念?總線：計算機系統(tǒng)中多個功能部件之間的連接線，通過它可以實現(xiàn)部件之間地址信息、數(shù)據和控制信息的傳送。?總線的分類a.內部總線(又稱芯片總線)在集成電路芯片內部（含CPU、運算器等）或將不同的組成連接在一起的總線b.系統(tǒng)總線指計算機系統(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,外總線是指計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其外設通信的總線，如RS

2、232通信總線、網線總線等。,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)據總線指明了一次交換的數(shù)據位數(shù)?電氣特性描述每一根線的有效電平及傳送信號的方向。如：地址線單向傳輸，數(shù)據線雙向傳輸，高電平有效、低電平有效。,?時間特性各線什么時間有效及相互之間的時序關系

3、2、總線的標準化問題總線的標準化是實現(xiàn)兼容的一個重要的組成部分3、總線帶寬指總線在單位時間內所能達到的最高傳輸速率，單位是MB/S。它是衡量總線性能的重要技術指標。,例1 設一個32位的處理器有16位外部數(shù)據總線,時鐘頻率為50MHZ,若總線傳輸?shù)淖疃讨芷跒?個時鐘周期,問處理器的最大數(shù)據傳輸率是多少?若想提高一倍數(shù)據傳輸率,可采用什么措施?,解:數(shù)據傳輸率即單位時間內(1秒)傳輸?shù)臄?shù)據量 數(shù)據傳輸率= 2B * 50

4、MHZ/ 4 = 25MB/s要把總線的數(shù)據傳輸率提高一倍,可采取的方法有三種:1)數(shù)據總線的寬度提高到32位,此時: 數(shù)據傳輸率= 4B * 50MHZ/ 4 = 50MB/s2)將總線的時鐘頻率提高到100MHZ,此時: 數(shù)據傳輸率= 2B * 100MHZ/ 4 = 50MB/s3)將傳輸?shù)淖疃虝r間縮短為2個時鐘周期,此時: 數(shù)據傳輸率= 2B * 50MHZ/ 2 = 50MB/s,例2 某

5、網絡每秒發(fā)出30次訪問請求，每次請求的數(shù)據量為64KB。問100M的網絡能否承受該訪問？,30*64K*8 = 15360Kb= 15Mb < 100Mb,,,二、總線的連接方式,1、單總線結構,,?特點a.訪內和訪外指令相同,由地址來處分,減少了一類I/O指令b.總線簡單，使用靈活，易于擴展c. 所有設備分時工作，適用于慢速的小型或微型計算機系統(tǒng)中d.適用于高速外設的情況e.任意兩外設之間可以直接交換信息(其中主設

6、備需有總線控制能力),,2、雙總線結構,?在單總線結構的基礎上增加主存總線組成,,?特點a.由于外設和內存分處與不同總線，分訪內和訪外指令。b.主存總線的增加減輕了系統(tǒng)總線的負擔，提高了并行性。c.仍然保持了單總線結構的系統(tǒng)簡單、易于擴充的優(yōu)點。,3、三總線結構,?在雙總線結構的基礎上增加I/O總線組成,?特點a.由于外設和內存分處與不同總線，分訪內和訪外指令。b. 并行性進一步提高，通道處理機分擔了部分CPU的I/O功能

7、。,4、總線結構對計算機系統(tǒng)性能的影響,? 對最大存儲容量的影響 單總線結構對最大存儲容量有影響 雙總線和三總線結構對最大存儲容量沒有影響? 對指令系統(tǒng)的影響 單總線結構沒有訪內/訪外指令之分 雙總線和三總線結構訪內和訪外用不同的指令來區(qū)分?吞吐量 單總線結構的吞吐量小 三總線結構的吞吐量大 雙總線結構的吞吐量居中,,,三、總線的控制,1、總線的控制方式總線的控制主要是解決連接在公共總線上多個設備之

8、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,?在單總線和雙總線結構的計算機中,總線控制器是CPU的一部分,在三總線結構的計算機中,它還是通道處理機的一部分?，F(xiàn)在，總線總裁器一般是一個單獨的功能模塊。,?工作過程分析:設備N向總線控制器發(fā)總線使用請求 ? 總線控制器檢查BS信號 ? 若BS=0 ? 總線控制器發(fā)BG信號 ? BG按照設備的物理連接次序查詢,直到找到第一個發(fā)出BR的設備? 置BS=1.?

9、 如果有2個設備都發(fā)出了總線使用請求,此時響應哪一個設備?離總線控制器近的設備.,,?優(yōu)點:a. 設備擴充容易。b.控制器簡單?缺點:a.優(yōu)先級由設備的物理位置確定，設置不靈活。b.單點故障明顯c.響應速度慢,2)計數(shù)器定時查詢方式,?工作過程分析:設備N向總線控制器發(fā)總線使用請求 ? 總線控制器檢查BS信號 ? 若BS=0 ? 計數(shù)器開始計數(shù) ? 當計數(shù)值等于發(fā)出BR請求的設備號時，設備得到總線使用權? 置BS=1

10、? 設備的優(yōu)先級別能否改變，若能，則如何改變?改變計數(shù)器的計數(shù)初始值.,,,?優(yōu)點:a. 不存在單點故障b.優(yōu)先級改變靈活 ( 如何體現(xiàn) ？ )?缺點:a. 設備擴充較困難(增加計數(shù)線數(shù)量) 。b.響應速度較慢,3)獨立請求方式,?工作過程分析:所有設備通過各自獨立的BR線向控制器發(fā)總線使用請求 ? 總線控制器經過裁決 ? 通過獨立的BG線響應請求? 設備的優(yōu)先級如何確定 ?由控制器中的裁決器按照一定的策略確定

11、(可編程),,?優(yōu)點:a. 不存在單點故障b.優(yōu)先級改變靈活c.響應速度快?缺點:a. 線數(shù)與設備的數(shù)量有關，設備擴充較困難。b.控制器的設計復雜,4)總線控制方式總結,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)是每個設備有兩根線送到總線仲裁控制器，其一是總線請求使用信號BR、另一個是總線授權信號線BG。?分散控制：總線控制邏輯分散在總線各

12、部件中。,,,四、總線的通信方式,?解決部件獲得總線控制權后，采用哪種方式進行數(shù)據交換。常用的總線通信方式有同步通信和異步通信。1)同步通信?不采用應答信號?實現(xiàn)方法:采用統(tǒng)一的時鐘或每個部件自帶時鐘,但受源部件同步時鐘的同步,?優(yōu)點:時序關系簡單，實現(xiàn)簡單。?缺點：在設備速度不一致時按最壞情況確定，傳輸線不能太長（時鐘相移）。,,2)異步通信方式,?采用應答信號?實現(xiàn)方法發(fā)送信息的同時還要發(fā)送本設備的時間標志信號,

13、并用“應答方式”進行。單向應答不能判斷數(shù)據是否正確傳送，一般采用雙向應答。有非互鎖、半互鎖和全互鎖三種三種類型,全互鎖,?數(shù)據傳輸可靠?適用于傳輸周期不同的設備?對通訊線的長度沒有嚴格的要求?缺點：速度慢,?異步通信方式的優(yōu)點:,,,五、總線的數(shù)據傳送模式,1、數(shù)據傳送的方式串行傳送、并行傳送、串并傳送1)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

14、始，一定是以一個由高電平到低電平的跳變。,?串行傳送的數(shù)據格式編碼,起始位（1位） ：表示一次傳輸?shù)拈_始數(shù)據位（5~8位）：被傳送的數(shù)據校驗位（1位） ：用于傳輸校驗停止位（1~2位）：表示本次傳輸結束，高電平,?兩次傳輸之間的間隙時間內，發(fā)送端應該發(fā)送什么電平？為什么？高！,,采用“位時間”，即一個二進制位在傳輸線上占用的時間。?為了實現(xiàn)串行傳送，在發(fā)送端的接口中需要“并行 – 串行”轉換電路，在接收端需要“串

15、行 –并行”轉換電路。?UART異步時序接收端采用外部時鐘與接收的數(shù)據同步，外時鐘周期和接收的每一位數(shù)據所占用的時間關系為：,Tc=Td/K,?如果待發(fā)送的數(shù)據中有連續(xù)相鄰的1或0，接收端如何區(qū)分？,?波特率的概念,是指傳輸通道傳輸代碼的頻寬指標，單位是位/秒。不同于時鐘頻率(單位是HZ/秒)、不同于數(shù)據的傳輸速率(單位是字符/秒或bps，是指傳輸?shù)臄?shù)據位)?應用舉例數(shù)據傳輸速率是120字符/秒，而每個字符格式規(guī)定包含十個代碼

16、位，則此時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，頻率5~

17、8MHZ ，帶寬5-8MB/s .(８位／１６位兼容的AT總線稱為ISA)? EISA(Extended Industry Standard Architecture)總線。 在ISA總線的基礎上，為32位微機開發(fā),由VESA于1992年5月推出。具有１３２MB/S的數(shù)據傳輸率。采用了開放性結構、協(xié)議簡單、傳輸率高、價格低廉、能支持多種硬 器件。但規(guī)范性、兼容性和擴展性均較差，結構偏簡單，無緩沖器，只能支持３個外設插接板，

18、而且有時還隨所用的CPU和其工作頻率而變。并且只是對CPU總線的直接擴充，其規(guī)范只發(fā)揮了Intel 486CPU的功能，對于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，時鐘頻率33MHz，總線最大傳輸率為32×33／8＝132MB/S，而PCI 2.0為64位總線，時鐘頻率66MHz，最大傳輸率264MB/S,目前最新版本為PCI 2.1。

19、對于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，具有極高帶寬和靈活的擴展能力，理論帶寬分別可以達到500MB/s、2GB/s和創(chuàng)記錄

20、的6GB/s，同時，可以讓應用程序在無需CPU協(xié)助直接訪問外圍設備，它還解決了PCI總線中設備的距離問題，外部設備可以放到距離服務器很遠的地方工作（如果使用的是光纜，最遠距離可以達到0.3-10千米），服務器的體積也因此縮小了許多。還支持熱交換。 是存儲網絡和集群最好的連接技術,?InfiniBand總線技術,,,?存儲總線,,有三種網絡技術可能為存儲網絡提供普通的連接層體系結構，分別是光纖通道、以太網尤其是千兆以

21、太網、InfiniBaud。a)光纖通道的存儲優(yōu)勢·優(yōu)點： 高速、低延遲，具有高級流量控制(千兆具有，百兆沒有)，可以適應存儲I/O等突發(fā)流量。·缺點： 難于實現(xiàn)和管理· 應用：最初是作為通用連接技術出現(xiàn)，現(xiàn)在已經成為事實上的SAN的標準。,? 三種連接層技術比較與分析,c)InfiniBaud 是一種用于代替PCI主機I/O總線的串行總線。由Intel公司組織開發(fā)，并受到Compa

22、q、HP、SUN、IBM等公司的支持，作為期望在PC和UNIX平臺使用的主要系統(tǒng)組件。,·優(yōu)點：技術成熟、管理方便，具有高帶寬和流量控制功能。·缺點：不能適應大容量事務處理對網絡延遲低的要求 ·應用：能很好地支持NAS，已用于iSCSI-SAN。,b)以太網/千兆以太網,橋是不同速率總線之間的連接器件，起信號速度緩沖、電平轉換、控制協(xié)議轉換等作用。,,?總線中橋的概念,?計算機中的南橋：,負責ID

23、E、ISA、USB、串并口及電源管理系統(tǒng)之間的聯(lián)系和協(xié)調?計算機中北橋： 支持和管理CPU、AGP、PCI和內存等設備。?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擴展槽附近。,?橋技術的發(fā)展：,,a.北橋 ?圖形存儲控制中心GMCH (Gra

24、phics 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，整合寬帶網絡接口，PCI Express(下一代跨平臺互連標準，有望取代AGP技術)界面，支持USB 3.0及無線USB傳輸界面，數(shù)據傳輸率分別為500M/s和200M/s