PC_Bus_总线性能指标/频率单位

文章目录

• • 总线构成和性能指标
  • • 最重要指标(3个)
    • 🎈频率和周期
    • • 单位
  • 总线事务🎈
  • 总线仲裁方式
  • 定时方式
  • • 同步定时方式
    • • 时标
    • 异步定时方式
    • 半同步通信
    • 分离式通信
  • 突发传送
  • • 例
  • 多通道存储器总线
  • • 例

总线构成和性能指标

• 总线复用:

  • 一条信号线分时传输两种信号
  • 比如总线多路复用,用同一组物理线路传输地址码和数据信息

• 信号线数:

  • 地址总线,数据总线,控制总线三种信号线的总和

• 总线传输周期

  • 一次总线操作所需要的时间(有4个阶段)
    • 申请
    • 寻址
    • 传输
    • 结束
  • 通常由若干总线时钟周期构成

• 总线时钟周期

  • 计算机有统一的时钟,控制整个计算机的各个部件,总线也受到此时钟的控制
  • 时钟同步/异步
    • 总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线
    • 与时钟异步的称为异步总线

• 总线时钟频率$F_M$

  • 即机器的时钟频率,时钟周期的倒数

• 总线频率(总线工作频率)F

  • 类似于机器主频,总线上各种操作的频率是总线周期的倒数

  • 总线频率不一定等于机器时钟频率(总线时钟频率)

  • 总线工作频率不总是等于总线时钟频率

    • 比如,每个时钟周期可以传送两次数据(上升沿/下降沿各一次)
    • 那么如果工作频率是时钟频率的2倍

  • 例:

    • 机器时钟频率为$F_M=$500MHz,字长为32bit(4B)的计算机,传输一个字需要5个时钟周期

    • 那么总线周期

      • $$\begin{gathered} T_B=5T_M \\ {f}_B=\frac{1}{5}{f}_M=\frac{1}{5}\times 500MHz=100MHz \\ {v}_B=w\times f_B=4B\times 100M{s}^{-1}=400Bps \end{gathered}$$

• 总线宽度W

  • 数据总线的根数(用bit来表示),比如8位

• 总线带宽V

  • 总线的数据传输速率(上限)
  • 单位时间内,总线上传输数据的位数
  • 通常用每秒传输信息的字节数(Byte/s或者兆字节美秒MByte/s简写为MBps)来衡量

最重要指标(3个)

• 总线宽度W(数据位宽度$W_D$)

  • 如果给出的说明包含数据位和校验位,校验位的传输不计入宽度,只有数据位宽度才是有效的
    • 以极端的方式考虑和理解:假设传输数据的宽度为1,校验位宽度为100,那么也只能够按照数据位宽度1来计算
    • 校验位的增多不会加快传输任务的完成

• 总线频率$f_B$

  • 更准确的说,应该是数据的传输频率

• 总线带宽V

  • 如果总线是单向传输的

    • $$\begin{gathered} V_1=W_D{f}_B=W_D(k{f}_M) \\ 其中:f_B=k{f}_M \end{gathered}$$

    • 公式$f_B=k{f}_M$中的

      • $k$表示一个时钟时钟周期总线可以完成从信息传送次数为k
      • $W_D$数据总线中数据位宽度
        • 在给出数据位和校验位的时候需要关心
        • 否则一般默认就是数据总线宽度
        • Note:
          • $W_D$还有一层意思就是每个总线工作周期可完成的传输数据量
          • 因此$W_D\times f_B$就是每秒钟可以传输的数据总量,也就是带宽
      • $f_M$表示时钟频率(总线时钟频率=机器时钟频率)
      • $f_B$是总线工作频率
        • $f_B=k{f}_M$
      • $V_1$下标表示单向传输

  • 如果总线支持全双工双向传输

    • $$V=2V_1=2W_D{f}_B=2W_{D}k{f}_M$$

• 例如:

  • 总线频率为33MHz

  • 总线宽度为32bit

  • 总线带宽

    • $$\begin{gathered} v=\frac{S}{T}=Sf=32bit\times 33MHz \\ v=4B\times 33MHz=4B\times 33M{s}^{-1}=132MB{s}^{-1}=132MBps \end{gathered}$$

🎈频率和周期

• $某个频率为nHz,表示1s时间内可以执行有n个周期$的任务

• $单个周期时间为T=\frac{1}{f}=\frac{1}{n}$

单位

• $$\begin{gathered} 1M=1\times 10^6 \\ Hz=\frac{1}{s}=s^{-1}=ps \\ Hz\times s=1 \\ \frac{1}{Hz}=H{z}^{-1}=\frac{1}{Hz}=\frac{1}{s^{-1}}=1s \end{gathered}$$

  • $$\begin{gathered} 设频率为100MHz;周期为 \\ \frac{1}{100MHz}=\frac{1}{10^2\times 10^6{s}^{-1}}=10^{-8}s=10\times 10^{-9}s=10ns \end{gathered}$$

总线事务🎈

• 从请求总线到完成总线使用的操作序列称为总线事务
• 一次总线操作所需要的时间(有4个阶段)
  • 申请
  • 仲裁(优先级)
    • 决定下一个传输周期的总线使用权
  • 寻址
  • 传输
  • 释放(让出总线使用权)

总线仲裁方式

• 链式查询

  • 控制总线中有3根线(属于控制总线)用于总线控制(传递三类信号)
    • 从IO接口指向总线控制部件
      • BS总线忙
        • IO设备向总线控制反馈是否正在使用总线
      • BR总线请求
    • 从总线控制部件指向IO接口
      • BG总线同意(允许)
    • 解释:
      • 总线请求（BR, BREQ 或 BRQ）**。**表明发出该请求信号的设备要使用（数据）总线。
      • 总线允许（BG 或 BGRT）**。**表明CPU允许接收到信号的设备使用总线。(G:grant授权允许)
      • 中断请求（IRQ）。低优先级设备请求CPU中断。
  • 如果BG到达的接口A恰有总线请求BR,那么BG信号就不再往下传递
    • 该接口A就获得了总线的控制权
  • 这种方式最为简单,仅需要3根(有的教材也称2根)控制线(就可以确定总线使用权分配个哪个设备)
  • 但是容易发现,优先级低的设备可能很难获得请求
  • 对电路故障很敏感,如果BG在某处故障,后面的设备将得不到BG信号

• 计数器定时查询方式

  • 相对于链式查询,该计数器定时查询比链式查询

    • 少了一根总线同意线BG
    • 多了一组设备线BD
      • 设备地址线充当了总线允许(统一)的角色
      • 需要的设备地址线根式为$\lceil {\log }_{2}n\rceil$
        • 满足$2^x=n$,(应该要通过一个译码器来指定具体设备,有待考证)
      • 从总线控制部件指向各个IO接口

  • 一根总线请求BR

  • 一根总线忙BS

  • 当总线控制部件接收到BR送来的总线请求信号(BR)后,

    • 在总线未被使用(BS=0)的情况下,总线控制部件中的计算器开始计数
    • 并通过设备地址线向各个设备发送一组地址信号
    • 🎈当某个请求占用总线的设备X的设备地址和计数器值一致的时候,X就获得了总线的使用权
    • 此时终止计数查询(计数器值记为E)

  • 特点:

    • 计数可以从0开始

      • 那么一旦设备的优先级次序被固定,设备的优先级就是按照$0,1,\cdots ,n$的顺序降序排列(固定不变)
      • 每次新的处理都从E=0开始
      • 这种情况下,退化为链式查询,但是对于控制线的数量较多,对于线路故障的敏感性好于链式查询

    • 计数也可以从上一次计数的终点开始

      • 那么就是一种循环方法
      • 此时,设备使用总线的优先级相等

    • 计数器初值还可以有程序设置,从而实现优先级次序的改变!

  • 这种方式对于电路故障不如赖链式查询方式敏感,但是增加了控制线数量

  • n个IO接口需要$\lceil {\log }_{2}n\rceil$根设备地址线

  • 总的控制线$\lceil {\log }_{2}n\rceil +2$

    • 2表示BR,BS

• 独立请求方式

  • 每个IO接口都具有各自的总线请求(BR)和总线同意
  • 响应最快
  • 通过增加控制线数为代价(n个设备需要的控制线数达到2n+1)
    • +1表示BS线

定时方式

同步定时方式

• 采用统一的时钟信号(统一时标)控制数据的传送
  • 总线通信的双方采用同一个时钟信号
  • 但是一次总线事务不一定在一个周期内完成
  • 时钟频率不一定大亨与工作频率

时标

• 通常由cpu的总线控制部件发出
  • 虽然可以有各个部件的时序发生器发出
  • 但是用于同步的时钟信必须来自总线控制部件
  • 即,同步时钟信号不能够由各自设备各自提供

异步定时方式

• 同步通信方式也叫应答方式
  • 没有公用的时钟信号
  • 完全靠双方相互制约的握手信号来实现定时控制

半同步通信

• 兼具同步通信和异步通信的特点
• 例如,在某个采用半同步方式的总线总是从某个时钟开始
  • 在每个信号到来之前,采样Wait信号
    • 如果无效,则说明数据未准备好
    • 那么下个时钟到来之时,再采样Wait信号,知道信号有效时,去数据线上取数据
    • PCI总线是一种半同步总线
      • 所有事件都在时钟下降沿同步
      • 总线设备在时钟开始的上升沿采样总线信号

分离式通信

• 客服了前三种方式的消极等待

突发传送

• 突发(猝发)传送总线事务是指,发送方在传输完地址后,连续进行若干次数据的发送

  • 即一次传输一个地址和一批地址连续的数据
  • 将多个数据单元作合作一个独立传输处理,最大化设备的吞吐量
    • 一般使用支持突发传送方式的总线来提高存储器的读写效率

• 可以连续传送地址连续的数据

  • 由于一般的传送方式(非猝发)方式,需要走遍4个总线事务的几个阶段
    • 申请>仲裁>寻址>传输>释放
    • 而使用猝发方式,可以在传输阶段不释放总线地连续读取数据(地址连续的数据),提高传输效率

• 对比

  • 并行传输:传输过程中有多个数据位同时在设备之间进行传输
  • 串行传输:数据的二进制代码在一条物理通道上以位为单位,按时间逐位传输的方式
  • 同步传输:传输过程中由统一的时钟控制,同步时钟信号来自于总线控制器

例

• 某个同步总线的时钟频率(机器频率)为100MHz,换算为时钟周期为$\frac{1}{100\times 10^{6}M{s}^{-1}}=10ns$
  • 总线宽度为32bit=4B
  • 采用地址/数据线复用方案(传输地址和数据是串行执行的,只有将地址传输完毕后,才开始传输数据)
    • 传输一个地址或者数据都是占用一个时钟周期
    • 如果不采用猝发方式传送,那么传送一个数据,就包含一个总线周期,即至少包含两个时钟周期
    • 如果采用猝发方式,在存取地址连续的数据时,可以在传输数据的环节有提高效率
  • 问,在最好的情况下(处理的数据地址连续),将128bit写入主存需要多少时间
    • 分为两部分:
      • 传输一次地址:占用一个时钟周期10ns
      • $传输连续的4次(128/32)数据,耗时4\times 10=40ns$
    • Note:即使采用猝发方式传送,向量两次数据传送的间隔不能够比传送周期还要短,会造成冲突
      • 低位交叉存储器的流水读取中,知道这一点限制是重要的交叉存取的度m就是存取周期/传送
    • 总耗时50ns

多通道存储器总线

• 存储器通道数$k$相当于总线条数,如果单通道(单条总线)的带宽为$v_0$,那么$k$通道的总线带宽为$k{v}_0$
  • 如果单条总线

例

• 某3通道存储器总线,各通道的工作频率为$f_B=$1333MHz

  • 总线宽度$W=W_D=64bit=\frac{64}{8}=8Byte$

  • 那么单条通道的带宽$v_0=W_D{f}_B=8\times 1333MB/s$

  • 3通道总带宽为:$v=3v_0=24\times 1333MB/s\approx 32GB/s$