6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响

另一方面，在单总线系统中，访问主存和1／O传送可使用相 同的操作码，或者说使用相同的指令，但它们使用不同的地 址。
吞吐量
计算机系统的吞吐快地输入内存，CPU能够多快地取指令， 数据能够多快地从内存取出或存入，以及所得结果能够多快 地从内存送给一台外围设备。这些步骤中的每一步都关系到 主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
在双总线系统中，对主存和外设进行存取的判断是利用 各自的指令操作码。由于主存地址和外设地址出现于 不同的总线上，所以存储容量不会受到外围设备多少 的影响。
指令系统
在双总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有不同的 指令系统，这是因为操作码规定了要使用哪一条总线，所以 在双总线系统中，访存操作和输入／输出操作各有不同的指 令。
简单总线结构的不足之处在于：第一，CPU是总线的唯一 控制者。即使后来增加了具有简单仲裁逻辑的DMA控制 器以支持DMA传送，但仍不能满足多CPU环境的要求。 第二，总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密 与CPU相关，通用性差。
当代流行的总线内部结构如下页图所示， 它是一些标准总 线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足包 括多个CPU在内的主控者环境需求。
Pentium个人机总线系统中有一个核心逻辑芯片组，简 称PCI芯片组，它包括主存控制器和cache控制芯片、 北桥芯片和南桥芯片。这个芯片组叫Intel430系列、 440系列，他们在系统中起者字关重要的作用。
在当代总线结构中，CPU和它私有的cache一起作为一 个模块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。 而总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。
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
ISA总线 Pentium机使用该总线与低速 1／O设备连接。 主板上一般留有 3－4个ISA总线扩充槽，以便使用各种 16位／8位适配器卡。该总线支持7个DMA通道和15级可 屏蔽硬件中断。另外，ISA总线控制逻辑还通过主板上的 片级总线与实时钟／日历、ROM、键盘和鼠标控制器 （8042微处理器）等芯片相连接。
图6.6是Pentium计算机主板的总线结构框图（见演示图6.6）。 可以看出，它是一个三层次的多总线结构，即有CPU总线、 PCI总线和ISA总线。
CPU总线 也称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和32 位地址线的同步总线。总线时钟频率为66.6MHZ（或 60MHZ），CPU内部时钟是此时钟频率的倍频。 此总线可连 接4—128MB的主存。主存扩充容量是以内存条形式插入主板 有关插座来实现的。CPU总线还接有L2级cache。主存控制器 和cache控制器芯片用来管理CPU对主存和。ache的存取操作。 CPU是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制权。从 传统的观点看，可以把CPU总线看成是CPU引脚信号的延伸。
6.1.3 总线结构对计算机系统性能的影响
在一个计算机系统中，采用哪种总线结构，往往对计算 机系统的性能有很大影响。下面从三个方面来讨论这 种影响。
最大存储容量 初看起来，一个计算机系统的最大存储 容量似乎与总线无关，但实际上总线结构对最大存储 容量也会产生一定的影响。例如在单总线系统中，对 主存和外设进行存取的差别，仅仅在于出现在总线上 的地址不同，为此必须为外围设备保留某些地址。由 于某些地址必须用于外围设备，所以在单总线系统中， 最大主存容量必须小于由计算机字长所决定的可能的 地址总数。
PCI总钱 用于连接高速的 1／O设备模块，如图形显示器
适配器、网络接口控制器、硬盘控制器等。通过“桥” 芯片，上面与更高速的CPU总线相连，下面与低速的ISA 总线相接。PCI总线是一个32（或64位）的同步总线，32 位（或64位）数据／地址线是同一组线，分时复用。总 线时钟频率为33.3MHZ，总线带宽是132MB／s. PCI总线 采用集中式仲裁方式，有专用的PCI总线仲裁器。主板上 一般有3个PCI总线扩充槽。
由于上述原因，采用双端口存储器可以增加主存的有效速度。
早期总线的内部结构如图6.4所示，它实际上是处理器芯 片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种 简单的总线一般也由50——100条线组成，这些线按其功
能可以分为三类：地址线、数据线和控制线。地址线是单
向的，用来传送主存和设备的地址；数据线是双向的，用 来传送数据；控制线对每一根来说是单向的（CPU发向接 口或接口发向CPU)，用来指明数据传送的方向（存储器 读、存储器写、I/O读、I/O写），中断控制（请求，识别） 和定时控制等。
我们看到，CPU总线、PCI总线、ISA总线通过两个“桥” 芯片连成整体。桥芯片在此起到了信号速度缓冲、电 平转换和控制协议的转换作用。有的资料将CPU总线PCI总线的桥称为北桥，将PCI总线-ISA总线的桥称为 南桥。通过桥将两类不同的总线粘合在一起的技术特 别适合于系统的升级代换。这样，每当CPU芯片升级 时只需改变CPU总线和北桥芯片，全部原有的外围设 备可自动继续工作。
4 公用线： 包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位 线以及加电或断电的时序信号线等。
6.1.5 总线结构实例
大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中， 速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近 的设备模块使用同一类总线。显然，这种结构的优点不仅解 决了总线负载过重的问题，而且使总线设计简单，并能充分 发挥每类总线的效盲目。