第六章總線系統返回1本章內容6.1總線的概念和結構形態6.2總線接口6.3總線的仲裁6.4總線的定時和數據傳送模式6.5HOST總線和PCI總線6,6InfiniBand標準26.1總線的概念和結構形態總線的基本概念總線的連接方式總線的內部結構總線結構實例36.1.1總線的基本概念數字計算機是由若干系統功能部件構成的，這些系統功能部件在一起工作才能形成一個完整的計算機系統。總線定義：總線是構成計算機系統的互聯機構，是多個系統功能部件之間進行數據傳送的公共通路。借助于總線連接，計算機在各系統功能部件之間實現地址、數據和控制信息的交換。

46.1.1總線的基本概念總線分類：內部總線：CPU內部連接各寄存器及運算器部件之間的總線。系統總線：外部總線。CPU和計算機系統中其他高速功能部件相互連接的總線，如主存、通道。I/O總線：中低速I/O設備相互連接的總線。

56.1.1總線的基本概念總線的特性物理特性：總線的物理連接方式（根數、插頭、插座形狀，引腳排列方式）功能特性：每根線的功能電氣特性：每根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。時間特性：規定了每根總線在什么時間有效。66.1.1總線的基本概念相同的指令系統，相同的功能，不同廠家生產的各功能部件在實現方法上幾乎沒有相同的,但各廠家生產的相同功能部件卻可以互換使用，為什么?系統總線的標準化ISA總線、EISA總線、PCI總線76.1.1總線的基本概念總線帶寬：總線本身所能達到的最高傳輸速率。是衡量總線性能的重要指標單位：MB/SISA為16位，總線帶寬8MB/S；EISA為32位，總線帶寬33.3MB/S；PCI-2可達64位，總線帶寬100MB/S。總線帶寬受總布線長度、總線驅動器/接收器性能、連接在總線上的模塊數影響。8【例1】（1）某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節的數據，假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz，總線帶寬是多少?（2）如果一個總線周期中并行傳送64位數據，總線時鐘頻率升為66MHz，總線帶寬是多少?解：（1）設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數據量用D表示，根據定義可得

Dr=D/T=D×（1/T）=D×f=4B×33×106/s=132MB/s

（2）64位=8B Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s96.1.2總線的連接方式

適配器（接口）：實現高速CPU與低速外設之間工作速度上的匹配和同步，并完成計算機和外設之間的所有數據傳送和控制。

單機系統中總線結構的兩種基本類型：

單總線：使用一條單一的系統總線來連接CPU、內存和I/O設備。

106.1.2總線的連接方式單總線結構特點：在單總線結構中，要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在某些設備需要使用總線時，能迅速獲得總線控制權；而當不再使用總線時，能迅速放棄總線控制權。否則，由于一條總線由多種功能部件共用，可能導致很大的時間延遲。116.1.2總線的連接方式多總線：在CPU、主存、I/O之間互聯采用多條總線。126.1.2總線的連接方式CPU總線：CPU和cache之間采用系統總線：主存連在其上。高速總線：連接高速LAN（100Mb/s局域網）、視頻接口、圖形接口、SCSI接口（支持本地磁盤驅動器和其他外設）、Firewire接口（數字音視頻設備、外部硬件及其他高速外設）。高速總線通過擴充總線接口與擴充總線相連，擴充總線上可以連接串行方式工作的I/O設備。通過橋，CPU總線、系統總線和高速總線彼此相連。橋實質上是一種具有緩沖、轉換、控制功能的邏輯電路。多總線結構體現了高速、中速、低速設備連接到不同的總線上同時進行工作，以提高總線的效率和吞吐量，而且處理器結構的變化不影響高速總線。136.1.3總線的內部結構早期總線是處理器芯片引腳的延伸是處理器與I/O設備適配器的通道。總線一般也由50～100條線組成。按其功能可分為三類：地址線、數據線和控制線。146.1.3總線的內部結構早期總線結構的不足之處在于：CPU是總線上惟一的主控者。即使后來增加了具有簡單仲裁邏輯的DMA控制器以支持DMA傳送，但仍不能滿足多CPU環境的要求。通用性較差總線信號是CPU引腳信號的延伸，故總線結構緊密與CPU相關。156.1.4總線的內部結構當代流行的總線內部結構166.1.4總線的內部結構數據傳送總線：由地址線、數據線、控制線組成。其結構與簡單總線相似，為了減少布線，低位數據線常常和地址線采用多路復用方式。仲裁總線：總線請求線和總線授權線。中斷和同步總線：用于處理帶優先級的中斷操作，包括中斷請求線和中斷認可線。公用線：包括時鐘信號線、電源線、地線、系統復位線等。176.1.5總線結構實例Pentium機的總線結構分為三層CPU總線PCI總線ISA總線186.1.5總線結構實例

Pentium機的總線結構分為三層：CPU總線、PCI總線和ISA總線。

CPUPCIISA北橋南橋196.2總線接口一、信息的傳送方式

計算機系統中，傳輸信息基本有三種方式：串行傳送并行傳送分時傳送系統總線上傳送的信息必須采用并行傳送方式。分時傳送即總線的分時復用。

206.2總線接口串行傳送使用一條傳輸線，采用脈沖傳送，有脈沖表示1，無脈沖表示0。優點：成本低廉。缺點：速度慢。位時間：一個二進制位在傳輸線上占用的時間長度串行傳送時低位在前、高位在后216.2總線接口并行傳送每一數據位需要一條傳輸線，一般采用電位傳送。分時傳送總線復用共享總線的部件分時使用總線如：低位數據線和地址線復用226.2總線接口二、總線接口的基本概念

接口是CPU和主存、外設之間通過總線進行連接的邏輯部件。236.2總線接口接口的功能：控制、緩沖、狀態、轉換、程序中斷。一個適配器的兩個接口：一個同系統總線相連，采用并行方式另外一個同設備相連，可能采用并行方式或是串行方式。

24【例2】利用串行方式傳送字符（如P193圖6.9），每秒鐘傳送的比特（bit）位數常稱為波特率。假設數據傳送速率是120個字符/秒，每一個字符格式規定包含10個比特位（起始位、停止位、8個數據位），問傳送的波特率是多少?每個比特位占用的時間是多少?解：波特率為：10位×120/秒=1200波特每個比特位占用的時間Td是波特率的倒數：Td=1/1200=0.833×10-3s=0.833ms256.3總線的仲裁連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態，其中主方可以啟動一個總線周期，而從方只能響應主方請求。每次總線操作，只能有一個主方，但是可以有多個從方。為了解決多個功能模塊爭用總線的問題，必須設置總線仲裁部件。總線占用期：主方持續控制總線的時間。按照總線仲裁電路的位置不同，仲裁方式分為集中式和分布式兩種。266.3總線的仲裁一、集中式仲裁集中式仲裁有三種：鏈式查詢方式：離中央仲裁器最近的設備具有最高優先權，離總線控制器越遠，優先權越低。優點：只用很少幾根線就能按一定優先次序實現總線控制，并且這種鏈式結構很容易擴充設備。缺點：是對詢問鏈的電路故障很敏感，優先級固定。276.3總線的仲裁計數器定時查詢方式：總線上的任一設備要求使用總線時，通過BR線發出總線請求。中央仲裁器接到請求信號以后，在BS線為“0”的情況下讓計數器開始計數，計數值通過一組地址線發向各設備。每個設備接口都有一個設備地址判別電路，當地址線上的計數值與請求總線的設備地址相一致時，該設備

置“1”BS線，獲得了總線使用權，此時中止計數查詢。

每次計數可以從“0”開始，也可以從中止點開發始。如果從“0”開始，各設備的優先次序與鏈式查詢法相同，優先級的順序是固定的。如果從中止點開始，則每個設備使用總線的優級相等。28296.3總線的仲裁獨立請求方式：每一個共享總線的設備均有一對總線請求線BRi和總線授權線BGi。當設備要求使用總線時，便發出該設備的請求信號。總線仲裁器中有一個排隊電路，它根據一定的優先次序決定首先響應哪個設備的請求，給設備以授權信號BGi。獨立請求方式的優點是響應時間快，即確定優先響應的設備所花費的時間少，用不著一個設備接一個設備地查詢。對優先次序的控制相當靈活。它可以預先固定，例如BR0優先級最高，BR1次之…BRn最低；也可以通過程序來改變優先次序；還可以用屏蔽（禁止）某個請求的辦法，不響應來自無效設備的請求。當代總線標準普遍采用獨立請求方式。30316.3總線的仲裁二、分布式仲裁不需要中央仲裁器，而是多個仲裁器競爭使用總線當它們有總線請求時，把它們唯一的仲裁號發送到共享的仲裁總線上，每個仲裁器將仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應，并撤消它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。326.4總線的定時和數據傳送模式一、總線定時總線的一次信息傳送過程：請求總線、總線仲裁、尋址、信息傳送、狀態返回。

定時：事件出現在總線上的時序關系。

同步定時異步定時336.4總線的定時和數據傳送模式1、同步定時346.4總線的定時和數據傳送模式2、異步定時35【例3】某CPU采用集中式仲裁方式，使用獨立請求與菊花鏈查詢相結合的二維總線控制結構。每一對請求線BRi和授權線BGi組成一對菊花鏈查詢電路。每一根請求線可以被若干個傳輸速率接近的設備共享。當這些設備要求傳送時通過BRi線向仲裁器發出請求，對應的BGi線則串行查詢每個設備，從而確定哪個設備享有總線控制權。請分析說明圖6.14所示的總線仲裁時序圖。3637解：從時序圖看出，該總線采用異步定時協議。當某個設備請求使用總線時，在該設備所屬的請求線上發出申請信號BRi（1）。CPU按優先原則同意后給出授權信號BGi作為回答（2）。BGi鏈式查詢各設備，并上升從設備回答SACK信號證實已收到BGi信號（3）。CPU接到SACK信號后下降BG作為回答（4）。在總線“忙”標志BBSY為“0”情況該設備上升BBSY，表示該設備獲得了總線控制權，成為控制總線的主設備（5）。在設備用完總線后，下降BBSY和SACK（6）釋放總線。在上述選擇主設備過程中，可能現行的主從設備正在進行傳送。此時需等待現行傳送結束，即現行主設備下降BBSY信號后（7），新的主設備才能上升BBSY，獲得總線控制權。386.4總線的定時和數據傳送模式二、總線數據傳送模式1、讀/寫操作：讀操作是由從方到主方的數據傳送；寫操作是由主方到從方的數據傳送。主方先以一個總線周期發出命令和從方地址，經過一定的延時再開始數據傳送總線周期。為了提高總線利用率，減少延時損失，主方完成尋址總線周期后可讓出總線控制權，以使其他主方完成更緊迫的操作。然后再重新競爭總線，完成數據傳送總線周期。396.4總線的定時和數據傳送模式2、塊傳送操作：只需給出塊的起始地址，然后對固定塊長度的數據一個接一個地讀出或寫入。對于CPU（主方）存儲器（從方）而言的塊傳送，常稱為猝發式傳送，其塊長一般固定為數據線寬度（存儲器字長）的4倍。例如一個64位數據線的總線，一次猝發式傳送可達256位。這在超標量流水中十分有用。406.4總線的定時和數據傳送模式3、寫后讀、讀修改寫操作：這是兩種組合操作。只給出地址一次（表示同一地址），或進行先寫后讀操作，或進行先讀后寫操作。前者用于校驗目的，后者用于多道程序系統中對共享存儲資源的保護。416.4總線的定時和數據傳送模式4、廣播、廣集操作：一個主方對多個從方進行寫操作，這種操作稱為廣播。與廣播相反的操作稱為廣集，它將選定的多個從方數據在總線上完成AND或OR操作，用以檢測多個中斷源。426.4總線的定時和數據傳送模式演示過程436.5HOST總線和PCI總線多總線結構典型的多總線結構框圖。高檔PC機和服務器的主板總線框圖。446.5HOST總線和PCI總線HOST總線：該總線有CPU總線、系統總線、主存總線、前端總線等多種名稱，各自反映了總線功能的一個方面。宿主總線更全面，因為HOST總線不僅連接主存，還可以連接多個CPU。HOST總線：連接“北橋”芯片與CPU之間的信息通路，它是一個64位數據線和32位地址線的同步總線。456.5HOST總線和PCI總線PCI總線：連接各種高速的PCI設備。PCI是一個與處理器無關的高速外圍總線，又是至關重要的層間總線。采用同步時序協議和集中式仲裁策略，并具有自動配置能力。PCI設備可以是主設備，也可以是從設備，或兼而有之。系統中允許有多條PCI總線，它們可以使用HOST橋與HOST總線相連，也可使用PCI/PCI橋與已和HOST總線相連的PCI總線相連，從而得以擴充PCI總線負載能力。LAGACY總線：可以是ISA，EISA，MCA等這類性能較低的傳統總線，以便充分利用市場上豐富的適配器卡，支持中、低速I/O設備。466.5HOST總線和PCI總線在PCI總線體系結構中有三種橋：HOST橋、PCI/PCI橋、PCI/LAGACY橋橋起著重要的作用，它連接兩條總線，使彼此間相互通信。橋又是一個總線轉換部件，可以把一條總線的地址空間映射到另一條總線的地址空間上，從而使系統中任意一個總線主設備都能看到同樣的一份地址表。橋本身的結構可以十分簡單，如只有信號緩沖能力和信號電平轉換邏輯，也可以相當復雜，如有規程轉換、數據快存、裝拆數據等。47本章小結總線是構成計算機系統的互聯機構，是多個系統功能部件之間進行數據傳送的公共通道，并在爭用資源的基礎上進行工作。總線有物理特性、功能特性、電氣特性、機械特性，因此必須標準化。微型計算機系統的標準總線從ISA總線（16位，帶寬8MB/s）發展到EISA總線（32位，帶寬33.3MB/s）和VESA總線（32位，帶寬132MB/s），又進一步發展到PCI總線（64位，帶寬264MB/s）。衡量總線性能的重要指標是總線帶寬，它定義為總線本身所能達到的最高傳輸速率。返回48本章小結當代流行的標準總線追求與結構、CPU、技術無關的開發標準。其總線內部結構包含：①數據傳送總線（由地址線、數據線、控制線組成）；②仲裁總線；③中斷和同步總線；④公用線（電源、地線、時鐘、復位等信號線）。計算機系統中，根據應用條件和硬件資源不同，信息的傳輸方式可采用：①并行傳送；②串行傳送；③復用傳送。返回49本章小結各種外圍設備必須通過I/O接口與總線相連。I/O接口是指CPU、主存、外圍設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。接