计算机组成原理(华科版)第六章 系统总线

1、 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线1第六章第六章 系统总线系统总线 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线26.1 6.1 系统总线结构系统总线结构 总线（总线（bus），又称之为母线，是从一个或多个源部），又称之为母线，是从一个或多个源部件传送信息到一个或多个目的部件的传输线束。总线是多件传送信息到一个或多个目的部件的传输线束。总线是多个部件间的公共连线。个部件间的公共连线。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线36.1.16.1.1总线的结构与连接方式总线的结构与连接方式总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线

2、总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。 一个计算机系统中的总线，大致分为如下三类：一个计算机系统中的总线，大致分为如下三类： 内部总线内部总线 同一部件之间的总线，如同一部件之间的总线，如cpucpu内部连接内部连接各寄存器及运算器之间的连线。各寄存器及运算器之间的连线。 系统总线系统总线 同一台计算机系统各部件之间连接的总同一台计算机系统各部件之间连接的总线，如线，如cpucpu、内存、通道和各类、内存、通道和各类i/oi/o接接口间的连线。口间的连线。 多机系统总线多机系统总线 多台处理机之间互相连接的总线，它涉多台处理机之间互相连接的总线，它涉及到多机系统互连。及到多机系统互连

3、。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线4 1总线的结构总线的结构 地址线：用于选择信息传送的设备。例如，地址线：用于选择信息传送的设备。例如，cpucpu与主存传送数与主存传送数据或指令时，必须将主存单元的地址送到总线地址线据或指令时，必须将主存单元的地址送到总线地址线上，只有主存储器响应这个地址，其他设备则不响应。上，只有主存储器响应这个地址，其他设备则不响应。地址线通常是单向线，地址信息由源部件发送到目的地址线通常是单向线，地址信息由源部件发送到目的部件。部件。数据线：用于总线上的设备之间传送数据信息。数据线通常是数据线：用于总线上的设备之间传送数据信息。数据线通

4、常是双向线。例如，双向线。例如，cpucpu与主存可以通过数据线进行输入与主存可以通过数据线进行输入（取数）或输出（写数）。（取数）或输出（写数）。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线5 控制线：控制线：用于实现对设备的控制和监视功能。例如，用于实现对设备的控制和监视功能。例如，cpu与主存与主存传送信息时，传送信息时，cpu通过控制线发送读或写命令到主存，启动主通过控制线发送读或写命令到主存，启动主存读或写操作。同时，通过控制线监视主存送来的存读或写操作。同时，通过控制线监视主存送来的moc回答回答信号，判断主存的工作是否已完成。控制线通常都是单向线，信号，判断主存

5、的工作是否已完成。控制线通常都是单向线，有从有从cpu 发送出去的，也有从设备发送出去的。除以上发送出去的，也有从设备发送出去的。除以上3种线种线外，还有时钟线、电源线和地线等，分别用作时钟控制及提供外，还有时钟线、电源线和地线等，分别用作时钟控制及提供电源。为减少信号失真及噪声干扰，地线通常有多根，分布格电源。为减少信号失真及噪声干扰，地线通常有多根，分布格式很讲究。式很讲究。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线62总线的连接方式总线的连接方式 通过接口可以实现高速机器与低速外设之间工作速通过接口可以实现高速机器与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外

6、设之间的所有数度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。因此，据传送和控制。因此，“接口接口”又有又有“适配器适配器”、“设设备控制器备控制器”等名称。等名称。 根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有三种基本类型：三种基本类型：单总线结构；单总线结构；双总线结构；双总线结构；三总三总线结构。线结构。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线7（1 1） 单总线结构单总线结构 在许多微小型计算机中，使用一条单一的系统总线来连接在许多微小型计算机中，使用一条单一的系统总线来连接cpu、内存和、内存和i/o设备

7、，称为单总线结构，如图设备，称为单总线结构，如图6.1所示。所示。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线8 在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权，否控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权，否则，一条总线由多种部件共用，可能导致很大的时间延迟。则，一条总线由多种部件共用，可能导致很大的时间延迟。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总

8、线9 在单总线系统中，主存与输入、输出设备都在同一条总在单总线系统中，主存与输入、输出设备都在同一条总线上，设备的寻址采用统一编址的方法，即所有的主存单元线上，设备的寻址采用统一编址的方法，即所有的主存单元及外部设备接口寄存器的地址一起构成一个连续的地址空间及外部设备接口寄存器的地址一起构成一个连续的地址空间（单总线地址空间），因此，访内指令与输入（单总线地址空间），因此，访内指令与输入/输出指令在形输出指令在形式上完全相同，区别仅在于地址的数值不同，这就是说，对式上完全相同，区别仅在于地址的数值不同，这就是说，对输入输入/输出设备的操作，完全可以和内存的操作一样处理。这输出设备的操作，完全可

9、以和内存的操作一样处理。这样，当样，当cpu把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字段对应的地址是内存地址，则内存予以响应。此时，在段对应的地址是内存地址，则内存予以响应。此时，在cpu和内存之间将发生数据传送，数据传送的方向由指令操作码和内存之间将发生数据传送，数据传送的方向由指令操作码决定，如图决定，如图6.2(b)所示。所示。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线10pccpu控制指令内存接口外部设备地址 cpu控制数据内存接口外部设备地址(a) (b)cpu控制数据内存接口外部设备地址 cpu控制数据内存接口外部设备地

10、址(c) (d)cpu控制数据内存接口外设 2地址接口外设 1(e)图6.2 单总线的功能 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线11 如果该指令地址字段对应的是外围设备地址，则外围设备如果该指令地址字段对应的是外围设备地址，则外围设备译码器予以响应，译码器予以响应， 此时，此时，cpucpu和与该地址相对应的外围设备和与该地址相对应的外围设备之间，将发生数据传送，而数据传送的方向由指令操作码决之间，将发生数据传送，而数据传送的方向由指令操作码决定，如图定，如图6.2(c)6.2(c)所示。所示。 在单总线系统中，某些外围设备也可以指定地址。在单总线系统中，某些外围设备也

11、可以指定地址。 此时，此时，外围设备通过与外围设备通过与cpu中的总线控制部件交换控制部件的方式中的总线控制部件交换控制部件的方式占有总线。一旦外围设备得到总线控制权，就可向总线发送占有总线。一旦外围设备得到总线控制权，就可向总线发送地址信号，使总线上的地址线置为适当的代码状态，以便决地址信号，使总线上的地址线置为适当的代码状态，以便决定 它 将 要 与 那 一 个 设 备 进 行 信 息 交 换 。定 它 将 要 与 那 一 个 设 备 进 行 信 息 交 换 。 采用统一编址方法，省去一类采用统一编址方法，省去一类i/o指令，简化了指令系统。指令，简化了指令系统。此外，单总线结构简单，使用

12、灵活，易扩充。然而，单总线此外，单总线结构简单，使用灵活，易扩充。然而，单总线的地址线位数与主存地址位数相同，主存的部分地址空间要的地址线位数与主存地址位数相同，主存的部分地址空间要用于外部设备接口寄存器寻址。此外，所有的部件均通过一用于外部设备接口寄存器寻址。此外，所有的部件均通过一条总线进行通信，分时使用总线，因此，通信速度比较慢。条总线进行通信，分时使用总线，因此，通信速度比较慢。通常，单总线结构适用于小型或微型计算机的系统总线。通常，单总线结构适用于小型或微型计算机的系统总线。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线12（2 2） 双总线结构双总线结构 单总线系统

13、中，由于所有逻辑部件都挂在同一个总线上，单总线系统中，由于所有逻辑部件都挂在同一个总线上，因此总线只能分时工作，即某一时间只能允许一对部件之间因此总线只能分时工作，即某一时间只能允许一对部件之间传送数据，这就使信息传送的吞吐量受到限制。为此出现了传送数据，这就使信息传送的吞吐量受到限制。为此出现了双总线结构。这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的双总线结构。这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在优点，但又在cpu和内存之间专门设置了一组高速的存储和内存之间专门设置了一组高速的存储总线，使总线，使cpu 可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻

14、了系统总线的负担，同时内存仍可通过系统总线与外设之间了系统总线的负担，同时内存仍可通过系统总线与外设之间实现实现dma操作，而不必经过操作，而不必经过cpu。这种双总线系统以增加。这种双总线系统以增加硬件为代价，当前高档微型机中广泛采用这种总线结构。硬件为代价，当前高档微型机中广泛采用这种总线结构。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线13（3 3） 三总线结构三总线结构 图图6.4所示的为三总线系统的结构图，它是在双总线系统所示的为三总线系统的结构图，它是在双总线系统的基础上增加的基础上增加i/o总线形成的。其中系统总线是总线形成的。其中系统总线是cpu、内存、内存和

15、通道（和通道（iop）。进行数据传送的公共通路，而）。进行数据传送的公共通路，而i/o总线是总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线14 由上述可知，在由上述可知，在dma方式中，外设与存储器间直接方式中，外设与存储器间直接交换数据而不经过交换数据而不经过cpu，从而减轻，从而减轻cpu对数据输入对数据输入/输出输出的控制，而的控制，而“通道通道”方式进一步提高了方式进一步提高了cpu的效率。通道的效率。通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为实际上是一台具有特殊功能的处

16、理器，又称为iop（i/o处处理器），它分担了一部分理器），它分担了一部分cpu的功能，以实现对外设的统的功能，以实现对外设的统一管理及外设与内存之间的数据传送。显然，由于增加了一管理及外设与内存之间的数据传送。显然，由于增加了iop，整个系统的效率将大大提高，然而这是以增加更多，整个系统的效率将大大提高，然而这是以增加更多的硬件代价换来的。三总线系统通常用于中、大型计算机的硬件代价换来的。三总线系统通常用于中、大型计算机中。中。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线153. 总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响 （1） 最大存储容量最大存储容量

17、 在单总线系统中，最大内存容量必须小于由计算机字长在单总线系统中，最大内存容量必须小于由计算机字长所决定的可能的地址总数。所决定的可能的地址总数。 在双总线系统中，对内存和外设进行存取的判断是利用在双总线系统中，对内存和外设进行存取的判断是利用各自的指令操作码来进行的。由于内存地址和外设地址出现各自的指令操作码来进行的。由于内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。响。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线16（2 2） 指令系统指令系统 在双总线系统中，在双总线系统中，cpucpu

18、对内存总线和系统总线必须有不对内存总线和系统总线必须有不同的指令系统。由于使用哪条总线要由操作码加以规定，同的指令系统。由于使用哪条总线要由操作码加以规定，所以在双总线系统中，访问内存操作和输入所以在双总线系统中，访问内存操作和输入/ /输出操作各有输出操作各有不同的指令。不同的指令。 在单总线系统中，在单总线系统中，cpu 对访问内存和输入对访问内存和输入/输出操作是输出操作是使用相同的操作码，即使用相同的指令，但地址不同。使用相同的操作码，即使用相同的指令，但地址不同。（3 3） 吞吐量吞吐量 计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息

19、的速率。的速率。 系统吞吐量主要取决于内存的存取周期。系统吞吐量主要取决于内存的存取周期。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线176.1.2总线接口总线接口1信息的传送方式信息的传送方式 计算机系统中，信息传输基本有四种方式：串行传送、计算机系统中，信息传输基本有四种方式：串行传送、并行传送、并串行传送和分时传送。但是出于速度和效率上并行传送、并串行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送信息时，通常采用并行传送方式。的考虑，系统总线上传送信息时，通常采用并行传送方式。在一些微型计算机或单片机中，由于在一些微型计算机或单片机中，由于cpu 引脚数的限

20、制，引脚数的限制，系统总线传送信息时，采用的是并串行方式或分时方式。系统总线传送信息时，采用的是并串行方式或分时方式。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线18（1 1） 串行传送串行传送 当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲传送。在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二传送。在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位（进制位（bit）的脉冲信号，每次一位。通常以第一个脉冲）的脉冲信号，每次一位。通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的信号表示数码的最低有效位，最

21、后一个脉冲信号表示数码的最高有效位，图最高有效位，图6.5(a)所示的是串行传送的示意图。所示的是串行传送的示意图。 假定串行数据是由假定串行数据是由“位时间位时间”组成的，那么传送组成的，那么传送8 8个比特个比特需要需要8 8个位时间。例如，如果接受设备在第一个位时间和第个位时间。例如，如果接受设备在第一个位时间和第三个位时间接受到一个脉冲，而其余的三个位时间接受到一个脉冲，而其余的6 6个位时间没有收到个位时间没有收到脉冲，那么就会知道所收到的二进制信息是脉冲，那么就会知道所收到的二进制信息是0000010100000101，注意，注意，串行传送时低位在前，高位在后。串行传送时低位在前，

22、高位在后。 在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并行在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并行串行变换，这称为拆卸；而在接受部件又需要进行串行串行变换，这称为拆卸；而在接受部件又需要进行串行并并行变换，这称为装配。行变换，这称为装配。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线19并- 串变换串- 并变换传送数据0000101发送部件接收部件低位10100000高位位时间传送脉冲t1t2t3t4t5t6t7t8(a)发送邮件接收邮件1高位0101100低位(b)高 8 位低 8 位高 8 位低 8 位发送部件接收部件(c)图6.5 信息的传送方式(a) 串行传送

23、；(b) 并行传送；(c) 并串行传送 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线20（2 2） 并行传送并行传送 用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，这样二进制数线，这样二进制数“0”或或“1”可在不同的线上同时进行传送。可在不同的线上同时进行传送。（3 3） 并串行传送并串行传送 如果一个数据字由四个字节组成，在总线上以并串行方式如果一个数据字由四个字节组成，在总线上以并串行方式传送，那么传送一个字节时

24、采用并行方式，而字节间的传送传送，那么传送一个字节时采用并行方式，而字节间的传送采用串行方式。显然，并串行传送方式是并行方式和串行方采用串行方式。显然，并串行传送方式是并行方式和串行方式的结合。图式的结合。图6.5（c）所示的是并串行传送方式的示意图。）所示的是并串行传送方式的示意图。（4 4） 分时传送分时传送 分时传送有两种概念。一是在分时传送信息时，总线不明分时传送有两种概念。一是在分时传送信息时，总线不明确区分哪些是数据线，哪些是地址线，而是统一传送数据或确区分哪些是数据线，哪些是地址线，而是统一传送数据或地址的信息。由于传输线上既要传送地址信息，又要传送数地址的信息。由于传输线上既要

25、传送地址信息，又要传送数据信息，因此必须划分时间，以便在不同的时间间隔中完成据信息，因此必须划分时间，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。传送地址和传送数据的任务。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线212 2接口的基本概念接口的基本概念 广义地讲，广义地讲，“接口接口”是指中央处理器（是指中央处理器（cpu）和内存、外）和内存、外围设备、或两种外围设备、或两种机器设备之间通过总线进围设备、或两种外围设备、或两种机器设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它所连接的两部件之间起着行连接的逻辑部件。接口部件在它所连接的两部件之间起着“转换器转换器”

26、的作用，以便实现彼此之间的信息传送。的作用，以便实现彼此之间的信息传送。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线22 典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能： 控制控制 接口靠程序的指令信息来控制外围设备动作，如启动、关接口靠程序的指令信息来控制外围设备动作，如启动、关闭设备等。闭设备等。 缓冲缓冲 接口在外围设备和计算机系统的其他部件之间用作为一个接口在外围设备和计算机系统的其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。 状态监视状态监视 接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态接口监视外围设备的

27、工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据信息包括数据“准备就绪准备就绪”、“忙忙”、“错误错误”等等，供等等，供cpu cpu 询问外围询问外围设备时进行分析之用。设备时进行分析之用。 转换数据格式转换数据格式 接口可以完成任何要求的数据转换，例如并接口可以完成任何要求的数据转换，例如并- -串串转换或串转换或串- -并转换，因此数据能在外围设备和并转换，因此数据能在外围设备和cpucpu之间正确地进行传送。之间正确地进行传送。 整理整理 接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可修改字计接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可修改字计数器或当前内存地址寄存器。数器或当前内存地址寄存器。 程

28、序中断程序中断 每当外围设备向软件请求某种动作时，接口即发出一每当外围设备向软件请求某种动作时，接口即发出一个中断请求信号到个中断请求信号到cpu。例如，如果设备完成了一个操作或设备中存在。例如，如果设备完成了一个操作或设备中存在着一个错误状态，接口就发出中断。着一个错误状态，接口就发出中断。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线233 3串行通信与数据接口串行通信与数据接口（1） 串行通信的优点串行通信的优点 串行传送可以大大减少传送线，从而大大的降低成本。但串行传送可以大大减少传送线，从而大大的降低成本。但是串行传送的速度慢，若并行传送所需的时间为是串行传送的速度慢

29、，若并行传送所需的时间为t，则串行，则串行传送的时间至少为传送的时间至少为nt（其中（其中n为位数）。为位数）。（2 2） 传送编码传送编码 在计算机中，数和字符等都是以一定的编码表示的。编码在计算机中，数和字符等都是以一定的编码表示的。编码的种类很多，常用的主要有：的种类很多，常用的主要有： 扩展的扩展的bcdbcd交换码交换码ebcdicebcdic（extended binary coded extended binary coded decimal interchange codedecimal interchange code），这是一种），这是一种8b8b编码，通常用在编码，通常用

30、在同步通信中。同步通信中。 美国标准信息交换码美国标准信息交换码ascii（american standard code for information interchange）。）。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线24（3 3） 通信方式通信方式 在串行通信中，有两种最基本的通信方式。在串行通信中，有两种最基本的通信方式。1) 1) 异步通信异步通信asyncasync（asynchronous data communicationasynchronous data communication） 它用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结它用一个起始位表

31、示字符的开始，用停止位表示字符的结束构成一帧，如图束构成一帧，如图6.7所示。所示。 起始位占用一位，字符编码为起始位占用一位，字符编码为7 7位（位（asciiascii）码，第）码，第8 8位为奇、位为奇、偶校验位，加上这一位使字符中为偶校验位，加上这一位使字符中为“1”1”的位为奇数（或偶的位为奇数（或偶数），停止位可以是一位、一位半或两位。于是一个字符就由数），停止位可以是一位、一位半或两位。于是一个字符就由10b10b或或10.5b10.5b或或11b11b构成。构成。 用这样的方式表示字符时，字符可以一个接着一个地传送。用这样的方式表示字符时，字符可以一个接着一个地传送。 计算机组

32、成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线25 在异步数据传送中，在异步数据传送中， cpucpu与外设之间必须遵循如下二项与外设之间必须遵循如下二项规定。规定。 字符格式。字符格式。 这是对字符的编码方式，奇偶校验方式以及起始位和停这是对字符的编码方式，奇偶校验方式以及起始位和停止位的规定形式。例如用止位的规定形式。例如用asciiascii编码，字符为七位，加上一编码，字符为七位，加上一个偶校验位，一个起始位，以及一个停止位。形成一个个偶校验位，一个起始位，以及一个停止位。形成一个10b10b的字符格式。的字符格式。 波特率（波特率（baud ratebaud rate） 波特率

33、即数据传送的速率，它对于波特率即数据传送的速率，它对于cpucpu与外界的通信是与外界的通信是很重要的。假如数据传送的速率是很重要的。假如数据传送的速率是120120字符字符/s/s，而每一个字，而每一个字符字符格式为符字符格式为10b10b，则传送的波特率为，则传送的波特率为 1010120=1200b/s=1200 baud120=1200b/s=1200 baud 每一位的传送时间为波特率的倒数：每一位的传送时间为波特率的倒数： td=1/1200=0.833mstd=1/1200=0.833ms 波特率也是衡量传输通道频宽的指标。波特率也是衡量传输通道频宽的指标。 计算机组成原理计算机

34、组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线26 100/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1111100/1 0/1 起始位下一个字符起始位7位数据奇偶校验停止位第n个字符空闲位第(n+1)个字符低位高位下降边指出下一个字符的开始一位时间取决于波特率mark(a)0/1 0/1100/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1100/1 0/1 0/1 0/1起始位7位数据奇偶校验停止位第n个字符第(n+1)个字符低位高位下降边指出下一个字符的开始奇偶校验停止位第(n1)个字符7位数据(b)图6.7 异 步通 信字 符格 式 计算机组成原理计算机组成原理 第

35、六章第六章 系统总线系统总线272) 2) 同步传送同步传送 在异步传送中，每一个字符要用起始位和停止位作为字在异步传送中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用了时间，所以，在数据块传送符开始和结束的标志，占用了时间，所以，在数据块传送时，为了提高速度，就去掉这些标志，采用同步传送的方时，为了提高速度，就去掉这些标志，采用同步传送的方式。此方式在数据块开始处要用同步字符来指示，如图式。此方式在数据块开始处要用同步字符来指示，如图6.8所示。所示。 发送设备在发送的数据前面要先发送同步字符，接收设备在收发送设备在发送的数据前面要先发送同步字符，接收设备在收到同步字符后就以与

36、发送设备相同的时钟来接收数据块，从而达到同步字符后就以与发送设备相同的时钟来接收数据块，从而达到快速数据传送的目的。到快速数据传送的目的。 同步传送的速度高于异步传送速度，可达上兆波特。但它要求同步传送的速度高于异步传送速度，可达上兆波特。但它要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故而硬件结构复杂。用时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故而硬件结构复杂。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线28（4 4） 串行传送中的几个问题串行传送中的几个问题 1) 数据传送方向数据传送方向 半双工（半双工（half duplex） 如图如图6.9所示，每次只能有一个站发送，所示

37、，每次只能有一个站发送，即只能是由即只能是由a发送到发送到b，或是由，或是由b发送到发送到a，不能，不能a和和b同时发送。同时发送。 完全双工（完全双工（full duplex） 如图如图6.10所示。两个站可所示。两个站可同时发送和接收。同时发送和接收。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线292) 信号的调制和解调信号的调制和解调计算机crt图6.11 通信信号示意303000放大倍数kf/hz图6.12 电话线的频带图计算机电话线图6.13 数字信号通过电话线传送产生的畸变 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线30 所以，要用调制器（所以，

38、要用调制器（modulator）把数字信号转换为模拟信号进行传送；）把数字信号转换为模拟信号进行传送；接收时用解调器（接收时用解调器（demodulator）检测此模拟信号，再把它转换成数字信号，）检测此模拟信号，再把它转换成数字信号，如图如图6.14所示。所示。 计 算 机modem11 0 1 0 1 0 1 0010modem1 0 1 0 1 0 1 0crt数 字 信 号模 拟 信 号数 字 信 号两 线 电 话 线图 6.14 调 制与 解调 示意 图频 率 1频 率 2d ata输 出（ fsk ）0 1 0 1 0 0 1 0+010图 6.15 f s k 调 制 法 原 理

39、 图fsk（frequency shift keying）是一种常用的调制方法：它把数字信号的）是一种常用的调制方法：它把数字信号的“1”与与“0”调制成不同频率（易于鉴别）的模拟信号，其原理如图调制成不同频率（易于鉴别）的模拟信号，其原理如图6.15所示。所示。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线31 两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输的数字信号算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输的数字信号（即数据）控制。当信号为（即数据）控制。当信号为“1”时，控制上面的电子

40、开关导时，控制上面的电子开关导通，送出一串频率较高的模拟信号；当信号为通，送出一串频率较高的模拟信号；当信号为“0”时，控制时，控制下面的电子开关导通，送出一串频率较低的模拟信号，于是下面的电子开关导通，送出一串频率较低的模拟信号，于是在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线324 4intel 8251aintel 8251a可编程通信接口可编程通信接口（1 1） 基本性能基本性能 可用于同步或异步传送。可用于同步或异步传送。 同步传送，同步传送，5 58b8b字符，内部或外部字符同

41、步化，自动字符，内部或外部字符同步化，自动插入同步字符。插入同步字符。 异步传送，异步传送，5 58b8b字符，时钟速率为通信波特率的字符，时钟速率为通信波特率的1 1、1616或或6464倍。倍。 可产生中止字符，可产生可产生中止字符，可产生1 1、1.51.5或或2b2b的停止位。可检的停止位。可检查假启动位。自动检测和处理中止字符。查假启动位。自动检测和处理中止字符。 波特率，波特率， dcdc19.2kb19.2kb（异步）；（异步）； dcdc64kb64kb（同步）。（同步）。 完全双工，双缓冲器发送和接收器。完全双工，双缓冲器发送和接收器。 误差检测，具有奇偶、溢出和帧错误等检测

42、电路。误差检测，具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线33（2 2） 82518251的结构的结构 8251的结构如图的结构如图6.16的方框图所示。整个的方框图所示。整个8251可以分成五可以分成五个主要部分：接收器、发送器、调制控制、读写个主要部分：接收器、发送器、调制控制、读写/控制以及控制以及i/o缓冲器。而缓冲器。而i/o缓冲器由状态缓冲器、发送数据缓冲器由状态缓冲器、发送数据/命令缓命令缓冲器和接收数据缓冲器三部分组成。冲器和接收数据缓冲器三部分组成。8251的内部由内部数据的内部由内部数据总线实现相互之间的通信。总线实现相

43、互之间的通信。 1) 1) 接收器接收器 接收器接收由接收器接收由rxd脚输入的串行数据，并按规定的格式把脚输入的串行数据，并按规定的格式把它转换为并行数据，存放在接收数据缓冲器中。它转换为并行数据，存放在接收数据缓冲器中。 2) 2) 发送器发送器 发送器接收发送器接收cpu送来的并行数据，将它加上起始位、奇偶送来的并行数据，将它加上起始位、奇偶校验位和停止位，然后由校验位和停止位，然后由txd脚发送。脚发送。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线34发送数据 /命令缓冲器外部数据总线状态缓冲器读 /写控制逻辑resetclkrdwrcs发送器（ p s）发送（控制）

44、txdtxpdytxetxc调制控制接收（控制）接收器（s p）rxrdysyn deetrxcrxddtrdsrrtscts接收数据缓冲器图6.16 8251的方框图 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线35终止或空闲位起始位第一数据位第二数据位第三数据位第四数据位第五数据位第六数据位第七数据位第八数据位奇偶校验位终止位100/10/10/10/10/10/10/10/10/11一个字符8tc到9tc16tc1016tc916tc816tc716tc616tc516tc416tc316tc=48tc32tc图6.17 8259接收数据定时方式 计算机组成原理计算机组成

45、原理 第六章第六章 系统总线系统总线365 5并行数据接口并行数据接口 通常并行数据接口应具有以下功能：通常并行数据接口应具有以下功能： 有两个或两个以上的具有输入和输出数据的缓冲器或有两个或两个以上的具有输入和输出数据的缓冲器或锁存器的数据端口，可以和锁存器的数据端口，可以和cpucpu的数据总线相连接。的数据总线相连接。 每个数据端口都有与每个数据端口都有与cpucpu用应答方式交换数据所需的状用应答方式交换数据所需的状态信号和控制信号。具有保存控制字的控制寄存器。态信号和控制信号。具有保存控制字的控制寄存器。cpucpu可通过用户程序将控制字送到控制寄存器，命令外围设备可通过用户程序将控

46、制字送到控制寄存器，命令外围设备执行不同的功能。执行不同的功能。 具有控制外围设备的控制和定时信号。具有控制外围设备的控制和定时信号。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线37数据缓冲器1方向寄存器控制控制缓冲器方向寄存器多路转换器数据缓冲器2方向寄存器控制设备选择控制逻辑缓冲读/写中断控制总线cpu数据总线地址总线去 i/o 设备控制信号i/oi/o图6.18 典型pio简化框图 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线38（1 1） 数据缓冲器数据缓冲器 数据缓冲器可以有两个或多个。它们既可以作为输入数据数据缓冲器可以有两个或多个。它们既可以作为

47、输入数据寄存器，也可以作为输出数据寄存器，这由方向寄存器来控寄存器，也可以作为输出数据寄存器，这由方向寄存器来控制。每个数据缓冲器，可以接到由多条传输线组成的双向数制。每个数据缓冲器，可以接到由多条传输线组成的双向数据总线上去，在微型机中，通常把一个数据缓冲器称为一个据总线上去，在微型机中，通常把一个数据缓冲器称为一个端口。端口。（2 2）控制缓冲器）控制缓冲器 控制缓冲器用来作为存放控制字的控制寄存器，并且决定控制缓冲器用来作为存放控制字的控制寄存器，并且决定外围设备的工作方式。外围设备的工作方式。（3 3）多路转换器）多路转换器 多路转换器实际上是一个多路开关，通过多路转换器，两多路转换器

48、实际上是一个多路开关，通过多路转换器，两个或多个数据缓冲器的数据可转接到个或多个数据缓冲器的数据可转接到cpucpu的数据总线上去。的数据总线上去。（4 4）控制逻辑）控制逻辑 控制逻辑用来发出和接收各种控制信号，其中包括外围设控制逻辑用来发出和接收各种控制信号，其中包括外围设备的工作状态信号。备的工作状态信号。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线396.2 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 6.2.1总线的控制总线的控制 控制方式可以分成集中式和分散式两类。总线控控制方式可以分成集中式和分散式两类。总线控制逻辑基本集中在一处的，称为集中式总线控制。制逻辑基本

49、集中在一处的，称为集中式总线控制。总线控制逻辑分散在总线各部件中的，称为分散式总线控制逻辑分散在总线各部件中的，称为分散式总线控制。集中式控制是三总线、双总线和单总线总线控制。集中式控制是三总线、双总线和单总线结构机器中主要采用的方式，它主要有以下三种控结构机器中主要采用的方式，它主要有以下三种控制方式：制方式：链式查询方式；链式查询方式；计数器定时查询方式；计数器定时查询方式；独立请求方式。独立请求方式。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线401 1 链式查询方式链式查询方式 链式查询方式如图链式查询方式如图6.19(a)6.19(a)所示。图中所示的总线控制部所示

50、。图中所示的总线控制部件在单总线系统和双总线系统中常常是件在单总线系统和双总线系统中常常是cpu cpu 的一部分。在三的一部分。在三总线系统的总线系统的i/oi/o总线中，它是通道的一部分。总线中，它是通道的一部分。 链式查询方式，除一般数据总线链式查询方式，除一般数据总线d d和地址总线和地址总线a a外，主要外，主要有三根控制线：有三根控制线： bs bs（忙）（忙） 该线有效，表示总线正被某外设使用。该线有效，表示总线正被某外设使用。 br br（总线请求）（总线请求） 该线有效，表示至少有一个外设要该线有效，表示至少有一个外设要求使用总线。求使用总线。 bg bg（总线同意）（总线同

51、意） 该线有效，表示总线控制部件响应该线有效，表示总线控制部件响应总线请求（总线请求（brbr）。）。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线41总线控制部 件bsbr设备接口0设备接口1设备接口ndabg(a)总线控制部 件bsbr设备接口0设备接口1设备接口nda设备地址计数器(b)总线控制部 件bg0br0设备接口0设备接口1设备接口nbg1br1bgnbrn(c)图6.19 集中式总线控制方式(a) 链式查询方式；(b) 计数器定时查询方式；(c) 独立请求方式 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线42 链式查询方式的主要特征是总线同意信号

52、链式查询方式的主要特征是总线同意信号bg的传送方式：的传送方式：串行地从一个串行地从一个i/o接口送到下一个接口送到下一个i/o接口。假如接口。假如bg到达的到达的接口无总线请求，则继续往下传；假如接口无总线请求，则继续往下传；假如bg到达的总线接口到达的总线接口有总线请求，有总线请求，bg信号便不再往下传。这意味着，该信号便不再往下传。这意味着，该i/o接口接口就获得了总线控制权。就获得了总线控制权。 在查询链中离总线控制器最近的设备具有最高优先权，在查询链中离总线控制器最近的设备具有最高优先权，离总线越远，优先权越低。离总线越远，优先权越低。 链式查询方式的优点是，只用很少几根线就能按一定

53、优链式查询方式的优点是，只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。 链式查询方式的缺点是对询问链的电路故障很敏感，链式查询方式的缺点是对询问链的电路故障很敏感， 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线432 2 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 计数器定时查询方式（又称为计数查询）原理如图计数器定时查询方式（又称为计数查询）原理如图6.19(b)所所示。总线上的任一设备要求使用总线时，通过示。总线上的任一设备要求使用总线时，通过br线发出总线请线发出总线请求。总线控制器接到请求信号

54、以后，在求。总线控制器接到请求信号以后，在bs线为线为“0”的情况下让的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备的相一致时，该设备置线的设备的相一致时，该设备置bs线为线为“1”，获得总线使用权，获得总线使用权，此时中止计数查询。此时中止计数查询。3 3 独立请求方式独立请求方式 独立请求方式原理如图独立请求方式原理如图6.19(c)所示。在独立请求方式中，每一所示。在独立请求方式中，每一个共享总

55、线的设备均有一对总线请求线个共享总线的设备均有一对总线请求线bri和总线同意线和总线同意线bgi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线控制部当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线控制部件中一般有一个排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪件中一般有一个排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，并对该设备发出同意信号个设备的请求，并对该设备发出同意信号bgi。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线446.2.26.2.2总线的通信总线的通信 当共享总线的部件获得总线使用权后，就开始传送信当共享总线的部件获得总线使用权后，就开始传送

56、信息，即进行通信。通信方式是实现总线控制和数据传送的息，即进行通信。通信方式是实现总线控制和数据传送的手段，通常分为同步通信和异步通信两种。手段，通常分为同步通信和异步通信两种。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线451 1 同步通信同步通信 总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共的总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号来实现同步运行，这种方式称为同步通信（无应时钟信号来实现同步运行，这种方式称为同步通信（无应答通信）。这个公共的时钟可以由答通信）。这个公共的时钟可以由cpu总线控制部件发送总线控制部件发送到每一个部件（设备），也可以让每个部

57、件有各自的时钟到每一个部件（设备），也可以让每个部件有各自的时钟发生器，然而它们都必须由总线控制部件发出的时钟信号发生器，然而它们都必须由总线控制部件发出的时钟信号进行同步。进行同步。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线46 由于采用了公共时钟，每个部件什么时候发送和接收由于采用了公共时钟，每个部件什么时候发送和接收信息都由统一的时钟规定，因此，同步通信具有较高的传信息都由统一的时钟规定，因此，同步通信具有较高的传输频率。输频率。 同步通信适用于总线长度较短、各部件存取时间比较同步通信适用于总线长度较短、各部件存取时间比较接近的情况。这是因为，同步方式对任何两个设备之

58、间的接近的情况。这是因为，同步方式对任何两个设备之间的通信都给予同样的时间安排。就总线的长度来讲，必须按通信都给予同样的时间安排。就总线的长度来讲，必须按距离最长的两个设备的传输延迟来设计公共时间，但是总距离最长的两个设备的传输延迟来设计公共时间，但是总线长了势必降低传输频率。线长了势必降低传输频率。 存取时间是指部件接到读存取时间是指部件接到读/写命令，到完成读出或写写命令，到完成读出或写入一个数据所需要的时间。同步总线必须按最慢的部件设入一个数据所需要的时间。同步总线必须按最慢的部件设计公共时钟，如果各部件存取时间相差很大，则会大大损计公共时钟，如果各部件存取时间相差很大，则会大大损失总线

59、效率。失总线效率。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线472 2异步通信异步通信 异步通信允许总线上的各部件有各自的时钟，在部件之异步通信允许总线上的各部件有各自的时钟，在部件之间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信息时同时间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信息时同时发出本设备的时间标志信号，用发出本设备的时间标志信号，用“应答方式应答方式”来进行通信。来进行通信。发送部件将数据放在总线上，延迟发送部件将数据放在总线上，延迟t t时间后发出时间后发出readyready信号，信号，通知对方数据已在总线上。接受部件以通知对方数据已在总线上。接受部件以rea

60、dyready信号作选通脉信号作选通脉冲接收数据，并发出冲接收数据，并发出ackack作回答，表示数据已接收。发送部作回答，表示数据已接收。发送部件收到件收到ackack信号后可以撤除数据和信号后可以撤除数据和readyready信号，以便进行下一信号，以便进行下一次传送。次传送。 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线48 另一方面，接受部件在收到另一方面，接受部件在收到readyready信号下降沿时必须结信号下降沿时必须结束束ackack信号，这样在信号，这样在ackack信号结束以前不会产生下一个信号结束以前不会产生下一个readyready信号，从而保证了数据传