中国种学技大学 计算机组成原理 系统互连与通信一总线 (RV$6.9,唐第3章) 李曦(Ilxx@ustc.edu.cn)
计算机组成原理 系统互连与通信——总线 (RV $6.9，唐第3章) 李曦（llxx@ustc.edu.cn）
"hello,world n" s》 片内总线 CPU 片外总线 寄存器文件 内部总线：·系统总线，·O总线 PC ALU 外围总线：外设总线 系统总线 存储器总线 0 主存 “he11o, world\n" 总线接回 储器 he11o代码 I/O总线 000 扩展槽，留待 网络适配器一 USB 图形 磁盘 控制器 类的设备使用 适配器 控制器 中7 鼠标 键盘 显示器 “hel1o,world\n” 磁盘 存储在磁盘上的he11o 可执行文件
"hello, world\n" 片内总线 片外总线 内部总线：系统总线，I/O总线 外围总线：外设总线
/写 读/写 读/写 状态 状态 总线 地址 地址 I/O 地址 状态 CPU 中断 接口 中断 存储器 数据 数据 数据 DMA DMA 定义：连接多个部件的传输线 一数据、地址、控制（状态，命令） 总线的关键特征：多设备共享的传输线。 主设备master:任意时刻只能有一个设备向总线发送信息，系统 瓶颈 一从设备slave:多个部件可以同时从总线接受相同的信息，广播式 总线拓扑：单总线，多总线 总线周期 BR1 BR2 数据传输过程 Master 1 Arbiter circuit Master 2 一同步方式 BG1 BG2 总线仲裁 Bus 单/多master系统 -集中式，分布式(CAN) I/O device 1 1/O device n 。 总线标准
总线 • 定义：连接多个部件的传输线 – 数据、地址、控制（状态，命令） • 总线的关键特征：多设备共享的传输线。 – 主设备master：任意时刻只能有一个设备向总线发送信息，系统 瓶颈 – 从设备slave：多个部件可以同时从总线接受相同的信息，广播式 • 总线拓扑：单总线，多总线 • 总线周期 – 数据传输过程 – 同步方式 • 总线仲裁 – 单/多master系统 – 集中式，分布式（CAN）） • 总线标准
总线拓扑结构：多层PCI总线 USTC 存储器总线 CPU 存储器 桥0 桥4 PCI总线4 设备 桥5 PCI总线5 PCI总线0 桥3 总线桥 桥1 PCl总线3 设备 PCl总线1 标准总线 桥2 PCI总线2
总线拓扑结构：多层PCI总线 设备 桥4 CPU 存储器 存储器总线 PCI总线4 桥0 桥5 PCI总线5 PCI总线0 总线桥 标准总线 桥1 PCI总线1 桥3 PCI总线3 设备 桥2 PCI总线2
总线传输过程：总线周期 USTC ·完成一次总线传输可分为3个阶段 -1 申请阶段：仲裁算法（集中式、分布式） 主设备提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线 使用权授于某一申请者。 ·链式查询、计数器定时查询、独立请求 数据传输：同步控制，传输模式（串/并、单字/突发） ·寻址阶段：取得了使用权的主设备，通过总线发出本次打算访 问的从设备的存储地址或设备地址及有关命令，启动从设备。 传数阶段：主设备和从设备进行数据交换。 结束阶段：从总线上撤除有关信息，让出使用权。 对于独占系统（只有一个主设备的简单系统）， 只有数据传输阶段
总线传输过程：总线周期 • 完成一次总线传输可分为3个阶段 – 申请阶段：仲裁算法（集中式、分布式） • 主设备提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线 使用权授于某一申请者。 • 链式查询、计数器定时查询、独立请求 – 数据传输：同步控制，传输模式（串/并、单字/突发） • 寻址阶段：取得了使用权的主设备，通过总线发出本次打算访 问的从设备的存储地址或设备地址及有关命令，启动从设备。 • 传数阶段：主设备和从设备进行数据交换。 – 结束阶段：从总线上撤除有关信息，让出使用权。 • 对于独占系统（只有一个主设备的简单系统）， 只有数据传输阶段
总线通信控制：同步通信方式 USTC 通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信。时标通 常由CPU的总线控制部件发出，送到总线上的所有部件； 也可以由每个部件各自的时序发生器发出，但是必须有总 线控制部件发出的时钟信号对它们进行同步。 总线读周期 对于读命令，其传输周 期为： 。 T:主模块发地址 时钟 T2:主模块发读命令 ● T3:从模块提供数据 地址 T4:主模块撤销读命令 读命令 ·仲裁？ 数据 data
总线通信控制：同步通信方式 • 通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信。时标通 常由CPU的总线控制部件发出，送到总线上的所有部件； 也可以由每个部件各自的时序发生器发出，但是必须有总 线控制部件发出的时钟信号对它们进行同步。 • 对于读命令，其传输周 期为： • T1：主模块发地址 • T2：主模块发读命令 • T3：从模块提供数据 • T4：主模块撤销读命令 • 仲裁？ 总线读周期 读命令 地址 data 数据 时钟 T1 T2 T3 T4
异步通信方式 s》 ·没有公共的时钟标准， 采用应答方式（握手） -主设备发Request,从设备发响应Ack; ·确认总线周期的开始和结束 读 -三种：不互锁，半互锁，全互锁 地址 -例：PC半互锁 MSYN 数据 Req SSYN ACK 读写 1/O 接口 请求 CPU 地址 应答 应答 数据 不互锁方式 半互锁方式 全互锁方式
异步通信方式 • 没有公共的时钟标准，采用应答方式（握手） – 主设备发Request，从设备发响应Ack； • 确认总线周期的开始和结束 – 三种：不互锁，半互锁，全互锁 – 例：PCI半互锁
半同步通信协议 s》 时钟周期 总线传输周期 Tw Tw 时钟 REQ (就绪) 地址 主设备 读命令 数据 从设备 ACK 回答
半同步通信协议
分离事务通信协议：总线利用率 STC 子周期1 子周期2 时钟 地址 主(M) 从(S) 数据 总线空闲 地址、命令 (其它主控 数据 M ◆S 器可用) ◆M 总线事务(Bus transaction)：在一个总线周期中发生的一系列活动。 典型：请求操作、裁决操作、地址传输、数据传输、总线释放
主(M) 地址 数据 S M 总线空闲 (其它主控 器可用) 地址、命令 M S 数据 从(S) 时钟 子周期 1 子周期 2 分离事务通信协议：总线利用率 总线事务（Bus transaction）：在一个总线周期中发生的一系列活动。 典型：请求操作、裁决操作、地址传输、数据传输、总线释放
总线数据传输方式（物理层） ·总线传输方式 数字数掘 一串行总线、并行总线 (a)NRZ码 NR/绵码的 ·传输一字节使用的信道数 同步时钟 -串行、并行传输 (b)曼制斯特编码 (c)差分曼彻斯特 ·串并转换问题 绵钙 ·数据编码方式 结点A 结点B 数据传输模式 网络层 P数据报 P数据报 数据 装入 取出i -单字节传输 链路层 物理层 1010.32.0110 1010..011 一突发传输 链路
总线数据传输方式(物理层) • 总线传输方式 – 串行总线、并行总线 • 传输一字节使用的信道数 – 串行、并行传输 • 串并转换问题 • 数据编码方式 • 数据传输模式 – 单字节传输 – 突发传输