《現(xiàn)代計算機結(jié)構綜述》第四章總線技術.ppt

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第四章,總線技術,現(xiàn)代計算機結(jié)構綜述,計算機“神經(jīng)元”,回顧,控制器的基本功能CPU的性能指標奔騰處理器的體系結(jié)構的發(fā)展過程,目標,知道什么是總線了解總線在計算機系統(tǒng)中的重要地位掌握總線的分類掌握總線的組成與結(jié)構了解PCI總線,電腦內(nèi)的總線構成,,總線的概念和功能,概念：總線是構成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。功能：借助于總線連接，計算機在各系統(tǒng)功能部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭用資源的基礎上進行工作。,從輸入設備到存儲器從存儲器到CPU從CPU到存儲器從存儲器到輸出或存儲設備,單處理器系統(tǒng)總線的大致分類,(])CPU內(nèi)部連接各寄存器及運算部件之間的總線，稱為內(nèi)部總線。(2)CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件，如存儲器、通道等互相連接的總線，稱為系統(tǒng)總線。(3)實現(xiàn)主機系統(tǒng)與外部設備或其他主機系統(tǒng)之間的互聯(lián)的總線，稱為外部總線。,總線的概念和結(jié)構形態(tài),總線的特性,物理特性功能特性電氣特性時間特性,物理特性,總線的物理特性是指總線的物理連接方式包括：總線的根數(shù)總線的插頭插座的形狀引腳線的排列方式等等,功能特性,功能特性描述總線中每一根線的功能。地址總線的寬度指明了總線能夠直接訪問存儲器的地址空間范圍；數(shù)據(jù)總線的寬度指明了訪問一次存儲器或外設時能夠交換數(shù)據(jù)的位數(shù)；控制總線包括CPU發(fā)出的各種控制命令(如存儲器讀/寫、I/O讀/寫)，請求信號與仲裁信號，外設與CPU的時序同步信號，中斷信號，DMA控制信號等等。,電氣特性、時間特性,電氣特性定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。一般規(guī)定進入CPU的信號叫輸入信號(IN)，從CPU發(fā)出的信號叫輸出信號(OUT)。地址總線是單向輸出線，數(shù)據(jù)總線是雙向傳送的信號線，這兩類信號線都是高電平有效?？刂瓶偩€中各條線一般是單向的，有CPU發(fā)出的，也有進入CPU的。有高電平有效的，也有低電平有效的?？偩€的電平都符合TTL電平的定義。時間特性時間特性定義了每根線在什么時間有效。,總線的概念和結(jié)構形態(tài),采用總線實現(xiàn)互聯(lián)的優(yōu)勢,方便系統(tǒng)構建、擴充系統(tǒng)性能,減少各個部件之間的連線數(shù)量,總線的分類,多種分類方法,按總線所承擔的任務按總線所處的物理位置按總線所傳送的信息類型按總線一次傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)按總線操作的定時方式,1按總線所承擔的任務,可分為內(nèi)部總線和外部總線內(nèi)部總線用于實現(xiàn)主機系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊(部件)之間的互聯(lián)。外部總線用于實現(xiàn)主機系統(tǒng)與外部設備或其他主機系統(tǒng)之間的互聯(lián)。其中，專門用于主機系統(tǒng)與外設之間互連的總線稱為設備總線。許多設備總線常被叫做某某接口，例如SCSI接口、USB接口等。,2按總線所處的物理位置,可分為(芯)片內(nèi)總線、功能模塊(板)內(nèi)總線、功能模塊(板)間總線(即通常說的系統(tǒng)總線)和外部總線。片內(nèi)總線實現(xiàn)芯片內(nèi)部功能部件之間的連接，例如微處理器內(nèi)部使用的總線。功能模塊(板)內(nèi)總線實現(xiàn)該電路板上各個集成電路芯片之間的互聯(lián)。功能模塊(板)間總線則用于把各個功能模塊(如CPU、主存儲器、I/O接口適配器等)連接到一起，構成主機系統(tǒng)，所以也稱它為系統(tǒng)總線。,其他分類法,3按總線所傳送的信息類型可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線等。4按總線一次傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)又分為串行總線(一次僅傳送一位二進制位，僅需設置一根數(shù)據(jù)信號線)和并行總線(一次同時傳送多位二進制位，需要設置多條平行數(shù)據(jù)信號線)。5按總線操作的定時方式，又有同步總線和異步總線之分。,微機中總線有非常多的說法，相互之間好像還有點矛盾，為什么？,總線伴隨著微機的發(fā)展而發(fā)展，曾用的、正用的、將用的舉不勝舉。從微機系統(tǒng)角度看，不同層次、不同部件間也有不同的總線。各種分類方法也使總線存在多種名稱。系統(tǒng)總線是個比較籠統(tǒng)的說法，一般指構成微機系統(tǒng)的主要總線。例如16位PC機中，ISA總線就是系統(tǒng)總線?，F(xiàn)在的32位PC機主要采用PCI總線連接外設接口電路，雖然PCI總線的英文原意是“外設互連接口”總線，但鑒于它的重要作用，常常也就稱其為系統(tǒng)總線。而PCI總線是從所謂的“局部總線”概念引出的，所以過去也稱PCI總線為局部總線。當時“局部總線”就是指從CPU引腳引出的總線。,微機中總線有非常多的說法，相互之間好像還有點矛盾，為什么？,內(nèi)部總線的含義隨著微機發(fā)展也有變化。在早期的微機中，內(nèi)部總線只有一條，微機系統(tǒng)中的各個功能部件都與該總線相連，而這個總線也往往從CPU引腳延伸而來，所以這個總線起著舉足輕重的作用。可以說，沒有這個總線也就無法連接各個部件無法構成微機系統(tǒng)，所以稱早期微機的內(nèi)部總線為“系統(tǒng)總線”也就順理成章了。,微機中總線有非常多的說法，相互之間好像還有點矛盾，為什么？,隨著微機飛速發(fā)展，內(nèi)部總線從一條變?yōu)槎鄺l，功能由弱到強，也逐漸不與CPU有關?，F(xiàn)代微型機中，內(nèi)部總線又可以分成：處理器總線（CPU引腳）、存儲器總線（專用于連接主存儲器系統(tǒng)）、系統(tǒng)總線、I/O擴展總線等。再例如，在PC機的發(fā)展過程中存在多種總線：IBMPC總線、IBMAT總線（經(jīng)標準化后稱為ISA總線），EISA總線、VESA總線、PCI總線。還有AGP、USB、IEEE1394等。有些接口也常常被稱為總線，例如AGP接口也常被稱為AGP總線。,,總線的規(guī)范主要從以下五個方面來描述總線的功能和特性。邏輯規(guī)范時序規(guī)范電器規(guī)范機械規(guī)范通信協(xié)議,總線標準,總線的分類,總線的性能,決定因素：,帶寬單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（MB/s）寬度總線的線纜數(shù)(位)時鐘頻率代表總線上操作的快慢（hz）負載能力連接模塊的最大數(shù)目,總線的組成與結(jié)構,總線的組成,邏輯構成：,連接各個功能模塊的信號線,管理總線作用的總線控制器,總線的組成與結(jié)構,總線互連機制,數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線,數(shù)據(jù)總線為系統(tǒng)部件之間提供傳輸數(shù)據(jù)的通路。,1雙向傳輸2數(shù)據(jù)線的數(shù)目一般與計算機字長相同3采用三態(tài)能力的電路(高電位態(tài)（＋5v伏特）、低電位態(tài)（0v伏特）、高阻態(tài)),數(shù)據(jù)總線,地址總線的作用是傳送地址信號，它不僅用于傳送內(nèi)存地址，而且計算機系統(tǒng)對I/O端口的尋址也要通過地址總線來完成。特點是：1單向傳輸2地址線的數(shù)目決定尋址能力的大小,地址總線,控制總線上傳送一個部件對另一個部件的控制信號，以控制系統(tǒng)完成規(guī)定的操作功能?？刂瓶偩€可用于控制數(shù)據(jù)總線和地址總線的使用?？刂瓶偩€的特點是：單向傳輸控制線的類型和數(shù)目決定于總線類型,控制總線,總線控制器——控制和分配總線的使用,總線系統(tǒng)的資源分配與管理,提供總線定時信號脈沖,負責總線使用權的仲裁,總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換,傳輸數(shù)據(jù)的緩沖,按邏輯功能劃分：總線主設備、總線從設備總線主設備是總線操作的發(fā)起者，負責全面的總線控制；總線的從設備不能引發(fā)總線操作，只能作為總線操作的對象。按在信息交換中的地位劃分可分為：總線源設備、總線目的設備源設備是發(fā)送數(shù)據(jù)的設備目的設備是接收數(shù)據(jù)的設備。注意源設備未必是主設備，目的設備也未必是從設備。,總線上的設備分類,總線的組成與結(jié)構,總線的結(jié)構,,總線的組成與結(jié)構,PCI（外圍部件互連專業(yè)組）局部總線PCI總線是基于分層多層次總線設計思想而設計的一種總線。最初，PCI是一種局部總線，如今，PCI總線扮演了系統(tǒng)總線的角色，PCI總線具有以下特點：,,較高的總線帶寬——最大4.264GB/s支持數(shù)據(jù)塊傳輸——高速磁盤和高速網(wǎng)卡支持多個設備成為總線的主控設備——多CPU獨立于微處理器的總線——與具體CPU的體系無關數(shù)據(jù)總線和地址總線可以分時復用——雙樣性電源支持+5V和+3.3V兩種支持即插即用(P&P)——plug&play高可靠性——奇偶校驗保證完整性和準確性,總線的組成與結(jié)構,PCI（外圍部件互連專業(yè)組）局部總線,定義了100根信號線，其中50根必備信號線，分成以下六組：,1地址與數(shù)據(jù)分時復用信號線、命令總線和奇偶校驗總線2系統(tǒng)信號線，時鐘和復位信號線3接口控制線，主從設備的選擇，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯??？刂菩盘柧€4仲裁線，設備總線申請和應答信號線5中斷信號線，中斷請求和應答信號線6出錯報告線，奇偶校驗錯誤和其他總線操作錯誤,,總線的組成與結(jié)構,PCI（外圍部件互連專業(yè)組）局部總線,,總線的組成與結(jié)構,USB(UniversalSerialBus)通用串行總線,采用通用連接器和自動配置及熱插拔技術和相應的軟件，實現(xiàn)資源共享和外設的簡單快速連接。,Hub設備：完成USB設備的添加、插拔檢測和電源管理等功能?？梢韵蛳聦釉O備提供電源和設置速度類型并且能為其他USB設備提供擴展端口。,功能設備：在總線上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)或控制信息，完成某項具體功能的硬件設備。如鼠標，鍵盤等。一種功能設備就是一種插在Hub上的外設。,總線的組成與結(jié)構,USB(UniversalSerialBus)通用串行總線,USB數(shù)據(jù)流類型：控制信號流，塊數(shù)據(jù)流，中斷數(shù)據(jù)流，實時數(shù)據(jù)流。傳輸類型：控制傳輸；批傳輸；中斷傳輸；等時傳輸,總線的組成與結(jié)構,高性能串行總線標準IEEE1394,主要性能特點：,1、通用性強。,一個接口上最多可連接63個不同種類的設備。,2、傳輸速率高。最高可達3.2Gb/s,3、實時性好。4、總線提供電源。5、系統(tǒng)中各設備之間的關系是平等的。6、連接方便。允許熱插拔和即插即用。,總線的組成與結(jié)構,AGP局部總線,AGP—AcceleratedGraphicsPort是由Intel所提出的總線界面標準，通常AGP顯示卡都是使用單獨的AGP總線,主存儲器與顯卡直接相連,數(shù)據(jù)傳輸速率是PCI的數(shù)倍,數(shù)據(jù)傳輸速率是PCI的數(shù)倍,一塊主板上只可以有一個AGP插槽,點對點的方式與存儲器連接,總線的組成與結(jié)構,DMA通道,直接存儲器訪問（DirectMemoryAccess）,在外設和主存之間直接開辟一條數(shù)據(jù)通道，在不需要CPU干預也不需要其他軟件介入的情況下在兩者之間進行高速數(shù)據(jù)傳送方式。,總線的組成與結(jié)構,DMA通道,DMA控制器,在DMA傳送方式中，對數(shù)據(jù)傳送過程進行控制的硬件成為DMA控制器,DMA方式的過程,當外設需要進行數(shù)據(jù)傳送時，通過DMA控制器向CPU提出DMA傳送請求，CPU響應之后將讓出系統(tǒng)總線，由DMA控制器接管總線進行數(shù)據(jù)傳送。,總線的組成與結(jié)構,DMA通道,DMA控制器的基本組成,1主存地址計數(shù)器——數(shù)據(jù)地址2傳送長度計數(shù)器——數(shù)據(jù)塊長度3數(shù)據(jù)緩沖寄存器——數(shù)據(jù)4DMA請求觸發(fā)器5控制/狀態(tài)邏輯6中斷機構,總線的組成與結(jié)構,DMA通道,DMA控制器的功能——傳送數(shù)據(jù)過程中，完全代替了CPU的控制,1接受請求，并向CPU發(fā)送總線請求2當CPU響應后，并發(fā)出響應信號后，控制器接管對總線的控制，進入DMA傳送。3確定數(shù)據(jù)的地址和長度，自動修改地址計數(shù)器和長度計數(shù)器4識別數(shù)據(jù)傳送方向，發(fā)出讀寫信號并傳送5向CPU報道DMA傳送結(jié)束,總線的組成與結(jié)構,DMA通道,DMA傳送過程,1DMA預處理2數(shù)據(jù)傳送3DMA的后處理,總線的組成與結(jié)構,DMA通道,DMA方式的特點1它使主存與CPU的固定聯(lián)系脫鉤，主存即可被CPU訪問也可以被外設訪問2在數(shù)據(jù)塊傳送時，主存地址的確定，傳送數(shù)據(jù)的計數(shù)等都是用硬件電路實現(xiàn)的。,3主存中開辟專用的緩沖區(qū)，及時供給和接受外設數(shù)據(jù)4DMA傳送速度快，CPU和外設并行工作，提高了系統(tǒng)的效率5DMA在開始前和結(jié)束后要通過程序和中斷方式進行預處理和后處理,總線的組成與結(jié)構,DMA通道,DMA方式的特點,總結(jié),總線,系統(tǒng)總線,主板總線,將CPU和主存聯(lián)系,擴充總線,PCI總線,可同時支援多個周邊設備,AGP總線,以點對點方式,由主存直接和AGP顯卡相連,USB總線,速度,USB1.012Mbps,特性,提供電源,支持多媒體,最多可連接127個裝置,IEEE1394總線,速度,400Mbps,特性,最多63個裝置,總結(jié),總線的種類總線標準涉及的方面總線的性能指標總線的組成PCI總線的特點,作業(yè),書上第1、2、3、4題,