计算机组成原理之 总线系统

总线带宽
总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。 线带宽 线本身所能 到的最高传输 率 Byte/s y / 设总线在同一个时钟周期内能并行传送D个字节，总线带宽为 Dr 总线时钟周期为T，总线频率f=1/T，总线带宽Dr=D/T=D*f 例1 （l）某总线在一个总线周期中并行传送 4个字节的数据， 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？ 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：（l）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=D×F=4B×33×106/s=132MB/s (2) 64位=8B， Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s
分时传送
采用总线复用方式 连在总线上的部件分时使用总线
31
32
总线接口基本概念
接口(Interface)即I/O设备适配器(Adaptor)， 具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连 接的逻辑部件。 接的逻辑部件
地址总线 CPU 接 数据总线 口 控制总线 外设
接口功能
缓冲，速度匹配; 数据格式转换; 传送主机控制信号(start，stop); 监视并保存设备的工作状态(ready，busy， error); 5. 识别和指示数据传送的地址和传输量; 6. 程序中断。 1. 2 2. 3. 4.
集中式仲裁
链式查询方式 计数器定时查询方式 独立请求方式
37
38
链式查询方式
数据总线 地址总线 数据总线，地址总线 中 央 仲 裁 器
BS BR
计数器定时查询方式
总线 中 央 仲 裁 器 设备地址计数
BR BS 接口1 接口2 接口n
接口1 BG
接口2
接口n
BS------总线忙 BR------总线请求 BG------总线响应请求 （授权） 通过接口的优先级排队电路来实现. 离总线控制器越远, 优先级越低. 优先级越低 用线少-----BG1根,易扩充; 对响应链的电路故障很敏感.
总线接口
信息传送方式 总线接口基本概念
25
26
信息传送方式
串行传送 并行传送 分时传送
串行传送
发送部件 00000101 并-串转换 串-并转换 接收部件
位时间 传送脉冲
T1
低位
T2 0
T3 1
T4 0
T5 0
T6 0
T7 0
T8
高位
1
0
27
28
串行传送
一条传输线 每次 每次一位 位 先低位,后高位 同步--- “位时间” 成本低,速度慢
11
12
InfiniBand 体系结构
InfiniBand通信协议栈
13
14
还有各种总线…
SCSI接口总线 SCSI(Small Computer System Interface)即小型计算 机系统接口，它是系统级接口，也是 种双向并行 机系统接口，它是系统级接口，也是一种双向并行 设备总线。 IEEE1394串行接口 全称是 IEEE1394 高性能串行总线标准（ IEEE1394 High Performance Serial BUS Standard）。 ） 无线上网卡PCMCIA 接口 。。。
22
DMA 33/66/100 IDE 接口 6 Channel Audio ICH2 I82801BA （南桥芯片） USB 133MB/s PCI 总线
LAN
CMOS RAM/BIOS
Pentium 4 微处理器微机系统结构
23
24
本章主要内容
总线基本概念 总线接口 总线的仲裁与定时 常用总线
15
16
总线基本概念
总线定义、分类，特性，标准 总线连接方式 总线结构对系统性能影响 总线内部结构
总线连接方式
总线的排列以及与其它各类部件的连接方式影 响计算机系统性能
单总线结构 双总线结构 总线结构 三总线结构
17
18
三总线结构
系统总线
总线基本概念
通道
CPU 存储总线
内存
设备 接口
总线标准化
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 ，因为它们都遵守了相同的系统总线的要求。 采用标准总线的优点 简化系统设计 简化系统结构，提高系统可靠性 便于系统的扩充和更新
7
8
总线标准化
常见的总线标准： ISA(Industrial Standard Architecture ):16位，带宽 位 带宽 8MB/s EISA(Extended ISA):32位，带宽 33.3MB／S VESA(video electronics standard association ):32位， 带宽 132MB／s AGP（Advanced Graphic Port）:32 32位（1996-1.0/19981996 1 0/1998 2.0/2000-3.0：1X—8X），266MB/S PCI(peripheral component interconnect):3 32位, PCI–X,64位 PCI-Express: 2002年1.0：2Gb/s， 2006年2.0：4Gb/s， 2010年3.0 ：8Gb/s 8Gb/ SATA(Serial Advanced Technology Attachment):20001.0,1.5Gb/s;2004-2.0,3Gb/s,2009-3.0,6Gb/s USB(universal Serial Bus)，1996-1.0，1.5Mb/s；20012.0， 480Mb/s；2008-3.0，5Gb/s
I/O总线 ······ 适配器 ······ 设备
总线定义、分类，特性，标准 总线连接方式 总线结构对系统性能影响 总线内部结构
设备
单总线系统中，由于所有逻辑部件都挂在系统总线上，因此总 线只能分时工作，传输效率较低。 双总线结构增加了存储中线，CPU与内存有专用高速总线,减轻 系统总线的负担； 三总线结构增加I/0中线，外设的处理有专门的通道执行。
总线结构实例
Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线、 Pentium机的总线结构分为三层：CPU总线 PCI总线和ISA总线。
CPU
北 桥

PCI
南 桥
ISA
21
CPU Pentium 4 400MHz 带宽 3.2GB/s 系统总线 AGP 4X >1GB/s I82850 芯片 （北桥芯片） 北桥芯片 存储器接口 Dual Channel RDRAM 带宽 3.2GB/s
19
20
总线内部结构
在早期总线的内部结构CPU是总线的唯一控制者。在当代总线 结构中，整个总线分成如下四部分：1 数据传送总线： 由地址 线、数据线、控制线组成。2 仲裁总线： 包括总线请求线和总 线授权线。3 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。 包括中断请求线和中断认可线 4 公用线： 公用线 时钟信号线、电 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。
总线基本概念 总线接口 总线的仲裁与定时 常用总线
35
36
总线的仲裁
总线仲裁：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，对总线的使 用进行合理的分配和管理。部件要使用总线 进行通信时,要向控制部件发请求信号。控制 要向控制部件发请求信号 控制 部件按各部件的优先级来决定谁使用总线。 根据总线控制部件的位置,仲裁方式分为两类: 集中式总线仲裁 分布式总线仲裁（不作要求）
5
6
总线特性
物理特性--总线的物理连接方式 根数，插头、座的形状，引线的排列方式 功能特性--总线中每一根线的功能 总线中每 根线的功能 地址,数据,控制总线三类 电气特性--每根线上信号的传递方向及有效电 平范围 单/双向,电平高有效/低有效及范围 时间特性--规定了每根线在什么时间有效 只有规定了总线上各信号有效的时序关系， 只有规定了总线 各信号有效的时序关系 CPU才能正确无误的使用。
33
34
本章主要内容
例2： 利用串行方式传送字符，每秒钟传送的数 利用串行方式传送字符 每秒钟传送的数 据位数常称为波特。假设数据传送速率是120个字 符/秒 秒，每一个字符格式规定包含 每 个字符格式规定 含10个数据位(起 始位、停止位、8个数据位)，问传送的波特数是 多少?每个数据位占用的时间是多少? 【解】： 【解】 波特数为：10位×120/秒=1200波特 每个数据位占用的时间Td是波特数的倒数： 是波特数的倒数 Td=1/1200=0.833×0.001s=0.833ms
9
10
InfiniBand总线
InfiniBand总线来源于NGIO（next generation I/O）和Future I/O这 两种竞争的总线结构 是一种基于全双工 两种竞争的总线结构，是 种基于全双工、交换式串行传输的新型的 交换式串行传输的新型的 I/O标准，主要用于服务器与I/O存储以及服务器之间的通信。 InfiniBand 贸易协会（ IBTA ， InfiniBand trade association ）成立于 2000年，由 年 由Compaq C 、HP、IBM、Dell D ll、Intel I t l、Microsoft Mi ft和Sun S 七家 公司牵头，共同研究发展高速先进的I/O标准。这项标准最初的命名为 System I/O，后来更名为InfiniBand。InfiniBand 1.0是这项新标准的 第 个版本 于2000年10月完成，支持一个通道内多个连接的网络。 第一个版本，于 月完成 支持 个通道内多个连接的网络 2008 年， Mellanox 成为首家提供 40Gb InfiniBand 适配器的厂商。 40Gb InfiniBand适配器可以加快大规模数据中 4 适配器可以加快大规模数据中心的 的InfiniBand连接 连接。 InfiniBand目前主要用于高端企业集群和金融等领域。 IDC 的统计数据显示， 2007 年全球范围内 InfiniBand 适配器产品总收 入为 9000 万美元， 万美元 InfiniBand 进入 2007 年 11 月所列出的超级计算机 500强，市场占有率也有所增长。它在全球超级计算机中心中，占有四 分之一的数据中心互连市场。IBTA预计2011年InfiniBand链路速率将 突破240Gb/s。